Fessurazioni nel calcestruzzo: l'incubo degli ingegneri?
Tanti problemi di fessurazione, calcoli così complicati, non c'è da stupirsi se vi siete mai chiesti: ma ne vale la pena? Grazie agli strumenti sofisticati ora disponibili, possiamo fortunatamente dire che la risposta è "Sì, ne vale la pena!".
Il calcestruzzo è fantastico in compressione. Questo lo sappiamo tutti, ma nelle strutture reali non si può evitare di avere alcune parti in tensione. L'armatura in acciaio fornisce una maggiore resistenza alla trazione e una maggiore duttilità. Una struttura in calcestruzzo armato può resistere bene sia alla tensione che alla compressione, a patto che l'armatura sia posizionata in modo appropriato e che la sua quantità sia scelta con saggezza.
La funzionalità è altrettanto importante
Sebbene la resistenza nelle strutture possa sembrare il parametro più critico, non possiamo mai tralasciare i fattori di funzionalità. Molto spesso sono loro a decidere della funzionalità e dell'usabilità di un oggetto. Deformazioni troppo grandi possono far apparire una struttura non solo poco sicura, ma anche difficile da utilizzare. Allo stesso modo, se le fessure superano un certo limite in termini di larghezza, la struttura in calcestruzzo diventa esteticamente sgradevole e le armature saranno soggette a corrosione.
Le fessure nel calcestruzzo rappresentano una sfida a parte per ogni ingegnere strutturale che si occupa di progettazione del calcestruzzo. Quanto sarebbe facile senza dover affrontare le fessure? Purtroppo sono e saranno parte integrante di ogni struttura in calcestruzzo, almeno per il prossimo futuro, quindi abbiamo dovuto trovare il modo di aiutare gli ingegneri a calcolare le fessure su base quotidiana. L'obiettivo era quello di sviluppare uno strumento in grado di gestire varie forme di strutture in calcestruzzo e di considerare il posizionamento reale delle armature, non solo alcune membrature strutturali semplificate e predefinite. Gli ingegneri hanno familiarità con semplici calcoli manuali per le travi e le colonne di base, ma le strutture moderne sono di tutte le forme, quindi gli strumenti moderni devono fornire una soluzione anche per le forme generali. Il calcolo dell'aspetto e della larghezza delle fessure non fa eccezione.
Calcolo delle fessure in CSFM
Il nostro metodo innovativo, CSFM (Compatible Stress Field Method), implementato in IDEA StatiCa Concrete, consente agli ingegneri di progettare strutture in calcestruzzo di qualsiasi forma in modo rapido e semplice, compreso il calcolo dell'ampiezza delle fessure.
Lo stato avanzato del metodo si basa sulla teoria modificata del campo di compressione, sull'implementazione dell'irrigidimento della tensione e sulla distinzione tra fessure stabilizzate e non stabilizzate. In base agli Eurocodici e alle norme ACI in vigore, eseguiamo controlli sullo stato limite di servizio delle membrature in calcestruzzo, come ad esempio controlli sull'ampiezza delle fessure, sulla deformazione e sulla limitazione delle sollecitazioni.
Parliamo un po' di come funziona il nostro calcolo delle fessure e su cosa si basa. Per coloro che sono interessati alla spiegazione teorica completa del calcolo e dell'intero metodo, si consiglia di leggere il documento " Theoretical background for IDEA StatiCa Detail".
Il CSFM distingue tra crescita di cricche stabilizzate e non stabilizzate. Per crescita di fessure stabilizzata si intende una fessura uniformemente distribuita, ad esempio lungo il bordo inferiore di una trave. Nel caso di fessure stabilizzate completamente sviluppate, per calcolare l'irrigidimento da tensione si utilizza il Modello della Corda di Tensione (TCM).
La crescita non stabilizzata delle fessure è considerata per le fessure locali innescate da discontinuità geometriche (ad esempio, regioni in cui la sezione trasversale cambia, angoli concavi, ecc.) e regioni con un basso rapporto di armatura. In questi casi, la fessura non è stabilizzata e si considera l'irrigidimento da tensione con l'ausilio del modello Pull-Out (POM).
Ma cos'è l'effetto di irrigidimento da tensione di cui si parla sempre? Può essere descritto come l'effetto del calcestruzzo che agisce in tensione tra le fessure sulla sollecitazione dell'armatura in acciaio, che porta a un aumento della rigidezza.
Poiché nel MTC l'irrigidimento da tensione dipende dall'area di armatura e dalla sua assegnazione a ciascuna barra o strato di armatura, la determinazione della superficie di calcestruzzo pertinente (che agisce reciprocamente) sotto sforzo effettivo è fondamentale. Per questo motivo, abbiamo implementato un'identificazione spaziale automatica della corrispondente superficie di calcestruzzo che agisce reciprocamente in tensione per una configurazione di armatura arbitraria.
Distanza tra le fessure
La distanza massima tra le fessure si stabilizza a un valore in cui la sollecitazione nel calcestruzzo tra due fessure vicine non raggiunge il valore della sollecitazione dello stato limite di innesco della fessura. In questo modo, si pone fine alla crescita di ulteriori fessure.
Il modello Pull-Out, invece, analizza il comportamento di singole fessure senza considerare l'interazione meccanica tra altre fessure. Trascura il comportamento del calcestruzzo a trazione e assume lo stesso comportamento idealmente rigido-plastico a coesione utilizzato nel Modello a corda tesa. Poiché la distanza tra le fessure non è nota per un modello di fessura non completamente sviluppato, la deformazione media viene calcolata per qualsiasi livello di carico sulla distanza tra i punti con slittamento nullo quando il tondino di armatura raggiunge la sua resistenza a trazione in corrispondenza della fessura.
Larghezza della fessura
La larghezza della fessura è una condizione essenziale per lo stato limite di servizio.
Il calcolo dell'ampiezza delle cricche viene eseguito per il carico permanente. Come descritto in precedenza, sono disponibili due modelli principali: il modello di crescita stabilizzata delle fessure e il modello di crescita non stabilizzata delle fessure. Entrambi i modelli dipendono dal tipo di armatura, dal rapporto di armatura calcolato automaticamente e, successivamente, dall'irrigidimento tensionale di ogni singolo elemento 1D utilizzato per modellare l'armatura.
L'ampiezza di una fessura perpendicolare all'orientamento dell'armatura "wb" è calcolata in base ai modelli sopra menzionati tramite l'irrigidimento a trazione utilizzando l'integrazione della deformazione sull'armatura. Per le regioni con crescita stabilizzata delle fessure, vengono calcolati i valori medi della deformazione dell'armatura e integrati sulla distanza media della fessura. In caso di crescita non stabilizzata delle cricche, la larghezza "wb" viene calcolata in base alla sollecitazione massima nell'armatura, che in questo caso è più affidabile della deformazione media.
Si osservano situazioni particolari in corrispondenza degli angoli concavi delle strutture calcolate. In questo caso, l'angolo predefinisce la posizione di una singola fessura che si comporta in modo non stabilizzato prima che si sviluppino altre fessure adiacenti. Queste fessure aggiuntive si sviluppano generalmente dopo l'intervallo di utilizzabilità, il che giustifica il calcolo delle larghezze delle fessure in tale regione come se fossero non stabilizzate.
Per riassumere
IDEA StatiCa Concrete è uno strumento per la valutazione sicura delle strutture in calcestruzzo, compreso il calcolo delle fessure.
Naturalmente, questo approccio non è in grado di prevedere l'esatta posizione delle future fessure nelle strutture reali, ma produce comunque risultati rilevanti che possono essere confrontati con i valori richiesti dal codice. Il metodo non consente naturalmente di valutare le fessure nelle aree di calcestruzzo in cui l'armatura è completamente assente. È possibile progettare e verificare strutture in calcestruzzo armato di qualsiasi forma in tempi ragionevoli.
Il metodo di calcolo del CSFM è stato accuratamente testato e verificato. Per saperne di più sulle verifiche, è possibile leggere questo articolo sulla verifica degli elementi strutturali o la sezione " Fondamenti teorici per la verifica secondo l'Eurocodice".
Il CSFM è un metodo trasparente che fornisce all'ingegnere strutturale il controllo del comportamento della struttura. Per saperne di più sul metodo e sulla sua applicazione, guardate il nostro webinar sulla progettazione del cemento armato tramite CSFM.
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