Offrendo gli HPC maggiori resistenze meccaniche e maggiore durabilità dei calcestruzzi ordinari possono essere utilizzati nella realizzazione di strutture ormai usuali, quali grattacieli, ponti, strutture offshore, etc., con un notevole aumento dello standard qualitativo.
Infatti le dimensioni degli elementi strutturali di queste costruzioni possono essere ridotte notevolmente a vantaggio della leggerezza, ottenendo così minori carichi, e della forma della struttura (snellezza). Un esempio può essere rappresentato dall’aumento delle luci delle travi precompresse nelle quali aumentano sempre i carichi di precompressione. Un calcestruzzo con elevate resistenze anche alle brevi stagionature facilita l’applicazione di elevati carichi di precompressione anche dopo brevi stagionature con notevoli vantaggi tecnici ed economici. La realizzazione di strutture poste in ambienti particolarmente aggressivi ha richiesto una maggiore durabilità del calcestruzzo, che con l’avvento degli HPC non è più un problema, anzi diminuisce la manutenzione delle strutture e allunga la vita utile delle stesse.
E’ chiaro che per soddisfare tutte queste esigenze lo sguardo è stato rivolto verso materiali con diverse caratteristiche, nuove tecnologie, nuovi processi costruttivi, nuove forme. Dal punto di vista progettuale, è necessario utilizzare adeguate tecniche di progettazione che tengano conto di tutti questi fattori nel loro insieme. Infatti è importante avere un approccio nuovo nei confronti della progettazione strutturale, integrando i dati riguardanti:
i materiali (possibile uso di HPC, HPC fibrorinforzati, HPC con aggregato leggero, armature con proprietà elastiche migliorate, cavi migliorati, etc.);
le tecnologie (miglioramento della precompressione esterna per ottenere sezioni più snelle di maggiore resistenza e più leggere, sviluppo di costruzioni composite dove i problemi di connessione sono diversi con gli HPC, ripresa di strutture precompresse con nuovi mezzi per l’assemblaggio e la connessione, etc.);
i processi costruttivi (appropriato uso della notevole lavorabilità di questo calcestruzzo per un completo sviluppo delle tecnologie di pompaggio, uso delle resistenze a breve stagionatura per un nuovo approccio, da un punto di vista economico, per le casseforme e la precompressione, uso delle possibilità di parziale precompressione a tempi molto brevi, etc.);
gli effetti indotti (cura nella qualità della stagionatura appena l’HPC è messo in opera, o enfasi sulle caratteristiche specifiche dei problemi di diffusione della precompressione risultati dall’associazione di HPC e precompressione esterna;
la forma della struttura (diminuzione di peso usando modelli di costruzione in acciaio come capriate, progressi nelle strutture bullonate leggere, etc.);
le condizioni specifiche (durabilità in ambiente chimicamente aggressivo, impermeabilità totale all’aria, resistenza all’abrasione ed all’impatto); gli stadi nella manutenzione: l’alta durabilità degli HPC permetterà la
giusta programmazione dall’inizio della sostituzione dei cavi di precompressione che certamente evolveranno tecnologicamente. Possibilità di riconciliare in una struttura il tempo di vita del calcestruzzo con la permanenza delle caratteristiche dei cavi.
1.1.16 Realizzazioni Strutturali con HPC
Nella produzione di calcestruzzi ad alte resistenze, ormai usualmente utilizzati nei paesi più industrializzati, è stata data finora particolare attenzione all'uso della silica fume come parziale sostituzione del cemento.
Inizialmente le maggiori applicazioni di questo materiale sono state destinate a opere di ingegneria infrastrutturale particolarmente sollecitate da carichi statici e dinamici in servizio o da azioni aggressive da parte di un ambiente particolarmente ostile
(piattaforme marine per estrazione del petrolio, ponti di grande luce, tunnel sottomarini, grattacieli in zone sismiche, ecc).
Tuttavia, oggi vi è la propensione ad impiegare il calcestruzzo HPC anche in opere di architettura o di ingegneria civile meno sollecitate per produrre calcestruzzi più durevoli, sfruttare le caratteristiche meccaniche attraverso una diversa progettazione e per sfruttare la rapidità produttiva in fase esecutiva grazie al velocissimo sviluppo della resistenza meccanica (Collepardi et al., 1994).
Vengono di seguito riportati alcuni esempi di realizzazioni strutturali con calcestruzzi ad alte prestazioni (Coppola, 1996).
Un esempio di utilizzazione ottimale dei calcestruzzi ad alta resistenza riguarda il loro impiego negli elementi che risultano prevalentemente compressi, quali ad esempio i pilastri di edifici multipiano.
Un interessante applicazione in questo settore delle costruzioni ha riguardato la realizzazione di due edifici a Seattle di 58 e 44 piani (Two Union Square e Pacific First Center rispettivamente). Il calcestruzzo ad alta resistenza è stato impiegato per il riempimento di pilastri in acciaio circolari. Inizialmente, era stato richiesto un calcestruzzo con una resistenza di progetto di 70 MPa. Tuttavia, per l'esigenza di aumentare la rigidezza dei pilastri venne utilizzato un calcestruzzo con una resistenza media di 115 MPa il cui modulo elastico si attestava intorno a 50000 MPa. II calcestruzzo venne confezionato con un rapporto acqua-cemento = 0,25, dosato a 513 kg/m3 di cemento, con aggiunta dell’8 % di silica fume; superfluidificante 3,7% rispetto
al peso del cemento; aggregati con Dmax=lO mm.
Un'altra interessante applicazione del calcestruzzo ad alta resistenza riguarda la costruzione dell'edificio della "Grande Arche de la Defense a Parigi". L'edificio alto all'incirca 130 m e con una luce di 70 m fu costruito dall'impresa Bouygues, l'unica a proporre la realizzazione delle travi (a doppio T) al piano più alto, mediante il getto in opera di un calcestruzzo con una resistenza caratteristica di 60 MPa. Grazie all'impiego della silica fume (30 kg/m3) e di additivi fluidificanti ritardanti fu possibile pompare il calcestruzzo ad un'altezza di 130 m, ed a 400 m circa di distanza dal mescolatore con pressioni di pompaggio di circa 60 bar senza segregazione nell'impasto e con elevata uniformità di prestazioni, come è testimoniato dal ridotto valore dello scarto quadratico
Altre interessanti applicazioni del calcestruzzo ad alta resistenza riguardano la realizzazione di travi da ponte precompresse. Per queste strutture le elevate resistenze meccaniche possono essere imposte sia da considerazioni di carattere strutturale che da esigenze di durabilità al fine di garantire una vita utile di almeno 100 anni per queste infrastrutture particolarmente costose.
Ad esempio, nella costruzione del ponte Storebaelt in Danimarca le prescrizioni di capitolato imponevano per il rapporto acqua-legante un valore massimo di 0.35. A questo rapporto acqua-legante corrisponde generalmente una resistenza a compressione di circa 65 MPa indipendentemente dalle sollecitazioni meccaniche cui il ponte è sottoposto. Simili requisiti richiesti per il ponte Bergosoysundet determinarono, per garantire la durabilità del calcestruzzo, l'impiego di un calcestruzzo con una resistenza di circa 95 MPa. Ancora un'applicazione del calcestruzzo ad alta resistenza è quella relativa al ponte Perthuiset che, con una luce di 132 m, attraversa il fiume Loira in Francia. I 33 elementi che costituiscono l'impalcato furono realizzati in opera con calcestruzzo la cui resistenza media a 28 giorni raggiungeva il valore di 80 MPa. Ulteriori campi di impiego del calcestruzzo ad alta resistenza riguardano la realizzazione di tunnel sottomarini, quali ad esempio quelli costruiti al di sotto del Canale della Manica per collegare la Francia all'Inghilterra. In questo caso la resistenza a compressione elevata è stata dettata maggiormente da esigenze di durabilità oltre che da esigenze legate al processo produttivo (necessità di raggiungere resistenze a compressione di 20 MPa in 6-8 ore per produrre economicamente i conci prefabbricati per il rivestimento del tunnel).
Interessanti applicazioni del calcestruzzo ad alta resistenza si segnalano, inoltre, nel settore dei contenitori per reattori nucleari, nei tubi e nelle piattaforme offshore dei mari del Nord.
Nella tabella 1.1 è riportata una classificazione delle principali opere realizzate nel mondo con calcestruzzi ad alte prestazioni, tra le quali anche quelle sopra menzionate, le quali sono state catalogate in base al tipo di struttura realizzata mettendo in evidenza inoltre le caratteristiche migliorate grazie all’utilizzo di tali calcestruzzi.
TIPI DI STRUTTURE CARATTERISTICHE MIGLIORATE REALIZZAZIONI
Ponti
Resistenza a breve stagionatura, lavorabilità, durabilità, deformazioni
differenziate, resistenza
Joigny (F), Rance (F), Perthuiset (F), Louhans (F), Champs du Conte
Storebaelt (D), Bergosoysundet ()
Strutture Offshore Durabilità, compressione e taglio, lavorabilità, abrasione e impatto
Gullfaks B,C (N) Tere Neuve (CAN)
Terre Adélie (F)
Edifici Molto Alti Compressione e taglio, lavorabilità, resistenze a brevi stagionature, vincolo
Nova Scotia Toronto (CAN) 2 Union Sq Seattle (USA) 225 Wacker Chicago (USA) 181 Wacker Chicago (USA) NW Hospital Chicago (USA)
Petronas Tower (Malesia) Arche Paris (F) Chibune R.S. Osaka (JAP)
Tunnel Durabilità, compressione, resistenze a
brevi stagionature
Villejust (F) Manche (F and G.B.)
La Baume (F)
Autostrade Abrasione, impatto, gelo-disgelo, taglio, durabilità, lavorabilità Valerenga Oslo (N) Highway E18-E6 (N) Highway 86 Paris (F) Paris Airport (F) Precompressione di Elementi Strutturali
Resistenze a brevi stagionature, taglio, lavorabilità
Precast Joists (F) Precast floor slabs (F) Costruzioni Composite
Acciaio - Calcestruzzo
Taglio, compressione, lavorabilità, vincolo
La Roize (F) 2U Sq. Seattle (USA)
Rete Fognaria Durabilità, abrasione, compressione,
lavorabilità Paris (F)
Fondazioni Particolari
Compressione, lavorabilità, resistenze a brevi stagionature, deformazioni
differenziali
Hassan Mosque (MAR)
Strutture Nucleari Durabilità, resistenza, pressione
dell’acqua Civeaux (research) (F)
Tab. 1.1 - Esempi di strutture realizzate con HPC
1.2 Calcestruzzi autocompattanti (SCC)