CAPITOLO 7:
CONCLUSIONI
167 L’aderenza tra acciaio e calcestruzzo è l’insieme dei fenomeni chimici e fisici che governano l’interazione dei due componenti del cemento armato; sul piano ingegneristico può essere modellata attraverso un legame tra gli scorrimenti relativi e le tensioni tangenziali che sorgono all’interfaccia tra i due materiali. Il legame più accreditato in letteratura, quello proposto dal CEB, è stato messo in discussione da recenti sperimentazioni, da cui è risultato che il valore di scorrimento per cui si verifica il massimo della tensione tangenziale dovrebbe essere ridotto in maniera significativa. Lo scopo della presente tesi è quello di proporre un nuovo legame di aderenza per carichi monotoni utilizzando i risultati di un’estesa sperimentazione.
Ai fini della scelta dei dati sperimentali da utilizzare si è ricostruito, attraverso articoli di riviste e altre pubblicazioni, lo stato dell’arte della ricerca sperimentale sull’aderenza. Si è rilevato che molte delle formulazioni analitiche di legami d’aderenza presenti in letteratura, in particolare del legame CEB, sono derivate da prove di pull-out. Le prove su tiranti in cemento armato sono state fino ad oggi condotte più per studiarne il quadro fessurativo e la qualità dell’aderenza fornita da barre con diverse caratteristiche delle nervature, piuttosto che per desumerne un legame d’aderenza. Gli indirizzi della ricerca si sono in seguito spostati soprattutto su analisi agli elementi finiti, sullo studio degli effetti di azioni cicliche e di altre condizioni di confinamento. Dati i limiti del legame CEB emersi da recenti sperimentazioni e ai fini della determinazione di un nuovo legame di aderenza, si è invece ritenuto che studiare i risultati di prove su elementi tesi in cemento armato fosse utile sia perché ogni problema di aderenza può essere ricondotto ad una barra tesa con un’area di calcestruzzo collaborante, sia perché in questo modo si riproduce una configurazione, in termini di estensione della zona ancorata delle armature, simile a quelle che occorrono nelle strutture reali.
Sono stati quindi analizzati i risultati di prove di trazione effettuate presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale su cilindri di calcestruzzo di varia lunghezza, rinforzati con una barra di acciaio lungo il loro asse. Nelle prove è stata applicata una forza di trazione monotona crescente ai tratti di barre che fuoriuscivano dai cilindri e sono state misurate le deformazioni nell’acciaio attraverso degli estensimetri collocati ad una distanza molto ridotta. In fase di analisi dei dati è stata determinata una funzione che, per ogni livello di carico, descrivesse al meglio l’andamento delle letture degli estensimetri e da questa si è passati, attraverso equazioni di equilibrio e di congruenza e attraverso i legami costitutivi, a funzioni che rappresentassero anche le altre grandezze
168 fondamentali del problema dell’aderenza: le deformazioni nel calcestruzzo, le tensioni nei due materiali, gli scorrimenti relativi e le tensioni tangenziali che agiscono all’interfaccia. Mettendo in relazione queste ultime due funzioni, è stato possibile ricavare, per ogni prova, delle relazioni sperimentali tra tensioni tangenziali e scorrimenti, mediando le quali è stato individuato il nuovo legame di aderenza.
Il risultato ottenuto è una funzione gaussiana asimmetrica che passa per l’origine e in cui la tensione tangenziale massima e lo scorrimento per cui si verifica variano al variare dell’ascissa (intesa come coordinata che distingue ogni sezione retta dell’elemento in cemento armato in trazione) fino ad un valore pari a circa 3 volte il diametro della barra. La differenza più evidente rispetto al legame CEB è una drastica riduzione dello scorrimento per cui si ha il massimo della tensione tangenziale di aderenza e, conseguentemente, un anticipo, in termini di scorrimenti, del degrado del legame.
La rispondenza al vero del nuovo legame e quella del legame CEB sono state messe alla prova attraverso un confronto con dati di letteratura riferiti anch’essi a prove di trazione su cilindri in cemento armato. Anche in questo caso erano stati collocati degli estensimetri che misuravano, per ogni livello di carico, le deformazioni nell’acciaio, per cui si è potuto ripetere il procedimento descritto sopra per ricavare prima una funzione che descrivesse l’andamento di tali deformazioni, poi le altre grandezze fondamentali del problema dell’aderenza. Parallelamente, attraverso un algoritmo specifico, le stesse grandezze sono state determinate considerando alternativamente i due legami di aderenza, e i risultati ottenuti sono stati messi a confronto.
È stata condotta un’analisi di sensitività per confronto utilizzando il legame proposto e quello CEB per studiare 3 cilindri soggetti a trazione analoghi a quelli su cui sono state effettuate le prove, ma con diversi rapporti di armatura e qualità del calcestruzzo. Sono stati ricavati attraverso i due legami e confrontati gli andamenti per diversi valori del carico esterno di alcune delle grandezze che governano il problema dell’aderenza: la deformazione nell’acciaio, lo scorrimento e la tensione tangenziale. Sono stati quindi confrontati i grafici forza-allungamento e le ampiezze delle fessure ottenuti con i due legami con quelli derivati dalle indicazioni delle principali norme italiane ed europee. Gli andamenti della deformazione nell’acciaio, dello scorrimento e della tensione tangenziale nei provini teorici devono essere comprovati da esperimenti. Si è invece dimostrato, anche attraverso l’analisi delle prove effettuate al vero, che il confronto in
169 termini di grafici forza-allungamento e di il calcolo dell’ampiezza delle fessure con quelli dettati dalle norme non necessita di sperimentazione, perché le norme considerano le distanze medie tra le fessure, che quindi possono essere determinate agevolmente per via teorica e deterministica. Si sono anche spiegate le differenze tra i risultati forniti attraverso i due legami con una osservazione teorica da cui si può concludere che l’integrale dell’area sottesa dal legame di aderenza fino allo scorrimento massimo che si registra nell’elemento è direttamente proporzionale alla differenza dei quadrati della deformazione nell’acciaio in corrispondenza della fessura (o all’estremità dell’elemento) e di quella minima, cioè quella che si ha nell’acciaio dopo che è avvenuto il massimo trasferimento possibile di tensione al calcestruzzo.
Infine sono stati analizzati i dati di prove sul comportamento di nodi trave–pilastro soggetti a carichi flettenti monotoni crescenti. Lo studio di una parte della biella che si sviluppa all’interno del nodo ha permesso l’identificazione di una relazione tensione tangenziale-tensione normale, cioè di una legge che lega la tensione tangenziale di aderenza alla tensione normale di compressione agente perpendicolarmente all’asse dell’armatura. Sono stati inoltre ricavati i legami momento-rotazione della sezione di trave a filo pilastro attraverso il legame proposto e quello CEB e sono stati confrontati con quelli dedotti sperimentalmente, soprattutto per studiare i risultati che i due legami forniscono in termini di duttilità.
Le conclusioni cui si è pervenuti al termine del lavoro svolto sono sintetizzabili come segue:
utilizzando i risultati di prove di trazione su cilindri in cemento armato è stato proposto un nuovo legame di aderenza, espresso attraverso una funzione gaussiana asimmetrica che passa per l’origine e in cui la tensione tangenziale massima e lo scorrimento per cui si verifica variano al variare dell’ascissa fino ad un valore pari a circa 3 volte il diametro della barra; il legame proposto, rispetto a quello CEB, presenta una drastica riduzione dello scorrimento corrispondente al massimo della tensione tangenziale e quindi il degrado del legame;
dalle prove sui nodi trave-pilastro è stata ottenuta una relazione lineare tra la tensione di aderenza e la tensione nomale di compressione che eventualmente agisce perpendicolarmente all’asse dell’armatura;
170 da un confronto con dati di letteratura, da un’analisi di sensitività per confronto su cilindri in cemento armato, da prove su nodi trave-pilastro e per mezzo di una osservazione teorica si è concluso che il legame proposto e quello CEB forniscono risultati comparabili finché lo scorrimento massimo che si ha nell’elemento non supera il valore di circa 0.15mm, dopodiché con il legame proposto si hanno scorrimenti maggiori; per questo motivo il legame CEB fornisce risultati non cautelativi in termini di ampiezza delle fessure per strutture con bassa qualità del calcestruzzo e rapporto di armatura (quali ad esempio, negli impieghi civili, possono essere le fondazioni) e non permette di stimare adeguatamente la duttilità di alcune parti strutturali, quali i nodi trave-pilastro. I risultati ottenuti intendono costituire il punto di partenza per valutazioni successive, in cui si auspica soprattutto che, attraverso studi sperimentali ed ulteriori elaborazioni analitiche, si giunga a specializzare il legame proposto per le condizioni di carico cicliche e per diverse condizioni di confinamento.
