Il cemento armato
6.3 L’acciaio per il cemento armato
Negli elementi in cemento armato il calcestruzzo rappresenta il costituente che in volume `e largamente prevalente; l’acciaio, anche se impiegato in quantit`a molto minore, svolge tuttavia un ruolo altrettanto importante, perch´e, come si vedr`a meglio nel seguito, ad esso `e affidato il compito di resistere alle sollecitazioni di trazione per le quali, come `e stato mostrato in precedenza, il calcestruzzo ha una resistenza molto limitata.
L’acciaio per il cemento armato viene normalmente prodotto in barre o fili (que-sti ultimi si impiegano solo nel cemento armato precompresso). L’acciaio per il cemento armato ordinario ha, dal punto di vista meccanico, un comportamento no-tevolmente duttile. Nel diagramma tensioni-deformazioni (Fig. 6.11) si riconosce un tratto elastico lineare, caratterizzato da un modulo elastico Es, fino alla tensione di snervamento fy, dopo di che si verifica lo scorrimento plastico e, successivamente, la fase di incrudimento in cui si raggiunge la resistenza massima ft seguita dal tratto instabile (pendenza negativa) concluso dalla rottura della barra.
Negli anni passati venivano impiegati acciai di modesta resistenza allo snerva-mento (200 ∼ 300 MPa) ma notevole duttilit`a (allungamento a rottura > 20%) e sensibile differenza tra la tensione di snervamento e quella di rottura (ft = 340 ∼ 490 MPa). Questi acciai venivano prodotti in barre tonde, con diametri compresi tra 6 e 30 mm, lunghezze di circa 12 m. Attualmente la produzione si `e concentrata su acciai di maggior resistenza (fy ∼ 500 MPa) ma con minore duttilit`a (allunga-mento a rottura > 10%) e minore incrudi(allunga-mento ft ∼ 600 MPa. Queste armature sono prodotte in barre circolari ma la cui superficie `e sagomata con opportuni risal-ti, come mostrato in Fig. 6.12. Questo trattamento serve ad aumentare l’aderenza tra l’acciaio ed il calcestruzzo, come sar`a chiarito meglio nel prossimo paragrafo.
6.3 L’acciaio per il cemento armato 161
Figura 6.11: Diagramma tensioni-deformazioni di un acciaio ordinario da c.a.
Poich´e le barre nervate non hanno una sezione perfettamente circolare, per esse si utilizza un diametro convenzionale, ossia quello di una barra perfettamente circolare equipesante.
Oltre all’acciaio “ordinario”, nel cemento armato (precompresso) si utilizza anche acciaio ad altissima resistenza; questo viene normalmente prodotto in fili di piccolo diametro, spesso riuniti in trecce o trefoli di pi`u fili. Il comportamento di questo tipo di acciaio `e molto diverso da quello dell’acciaio “dolce”, descritto prima. Infatti in questi acciai mancano completamente lo snervamento e la fase plastica, ed il comportamento ha una transizione graduale dalla fase lineare a quella non-lineare, in cui si raggiunge il valore massimo della tensione (ft) e quindi la rottura (Fig. 6.13). La resistenza di questi acciai (∼ 2000 MPa) `e nettamente superiore a quella degli acciai ordinari, ma la duttilit`a `e notevolmente inferiore. Mancando lo snervamento, per questi acciai non si pu`o individuare una tensione fy; convenzionalmente in sua vece si utilizza la tensione f0.2, che corrisponde ad una deformazione residua dello 0.2%.
Il modulo elastico degli acciai `e poco sensibile alle differenze di composizione e di resistenza; esso normalmente varia tra 195 000 e 210 000 MPa, mentre il coefficiente di Poisson si pu`o assumere ν' 0.3.
6.3.1 Aderenza tra acciaio e calcestruzzo
Nella teoria del cemento armato si assume che i due materiali costituenti, calce-struzzo ed acciaio, siano perfettamente solidali e quindi in due punti molto vicini, uno appartenente ad una barra di acciaio, l’altro al calcestruzzo, le deformazioni non differiscano per pi`u di un infinitesimo della distanza tra i punti (vedi Fig. 6.14). Nel calcestruzzo non fessurato questo `e possibile grazie alla presenza delle forze di aderenza tra acciaio e calcestruzzo. Durante la presa si stabiliscono dei legami di adesione tra il cemento e la superficie della barra che praticamente impediscono lo
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Figura 6.12: Esempio di barre nervate (aderenza migliorata) per l’armatura delle strutture in c.a.
6.3 L’acciaio per il cemento armato 163 ε(P) ( ) dP P P ∂ ∂ + ε ε ε(P) ( ) dP P P ∂ ∂ + ε ε
Figura 6.14: Sezione di un elemento in calcestruzzo con annegata una barra in acciaio.
Figura 6.15: Diagrammi forza-scorrimento di barre annegate nel calcestruzzo, lisce e sagomate.
scorrimento relativo dei due materiali. Questi legami sono tuttavia piuttosto deboli e possono essere vinti da forze non troppo elevate. Quando i legami di adesione sono stati spezzati, allo scorrimento di una barra liscia si oppongono solo le forze di attrito che si sviluppano tra la superficie della barra e quella del calcestruzzo cir-costante, queste forze sono tuttavia assai deboli e diminuiscono con lo scorrimento, come illustrato nel grafico in Fig. 6.15 (“plain bar”).
Questi fenomeni sono messi in evidenza dalle prove di sfilamento, in cui una barra annegata in un provino prismatico di calcestruzzo per una lunghezza prefissata viene estratta, misurando la forza e l’entit`a dello scorrimento. Quando la barra `e opportunamente sagomata, dopo la rottura dell’adesione acciaio-calcestruzzo, sono i risalti, incassati nel getto, che si oppongono allo scorrimento, che pu`o avvenire solo dopo la rottura delle bielle di calcestruzzo che ostacolano il movimento della barra. Con questi accorgimenti `e possibile aumentare in modo rilevante la resistenza allo scorrimento, anche se questo avviene a prezzo di spostamenti relativi tra acciaio e
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Figura 6.16: Fessurazione del calcestruzzo circostante una barra sagomata: (a) per rottura per taglio, (b) rottura dei denti di calcestruzzo.
calcestruzzo in realt`a non trascurabili (vedi Fig. 6.15).
In tutti i casi l’entit`a delle tensioni massime di aderenza che si trasmettono tra acciaio e calcestruzzo (forza divisa per l’area della superficie di contatto) dipende, per una data geometria, dalla resistenza del calcestruzzo. Infatti l’aderenza iniziale `
e dovuta ad un legame che dipende principalmente dal cemento, mentre l’aderen-za offerta dai risalti delle barre sagomate `e direttamente legata alla resistenza dei “denti” di calcestruzzo che si oppongono allo scorrimento della barra.