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IL COPRIFERRO PER LE STRUTTURE IN C.A. ALLA LUCE DELLE NORME · TECNICHE PER LE
COSTRUZIONI (D.M. 14.01.2008) (*) · Luigi Coppola Alessandra Buoso ·
·
INTRODUZIONE ·
copriferro minimo, copriferro nominale e
tolleranza di esecuzione ·
1. Copriferro minimo per garantire durabilità (cmin,d) ·
2. Copriferro minimo per garantire durabilità (cmin,d) · 3. Coefficienti correttivi
per copriferro minimo durabilità (cmin,d) ·
4. Copriferro minimo per garantire resistenza al
fuoco (cmin,f) ·
5. Casi particolari per copriferro minimo ·
6. Tolleranza di esecuzione relativa al
copriferro (Dcdev)
· 7. Copriferro nominale cNOM · 8. Accorgimenti ulteriori
:armatura di pelle del copriferro
· Esempi riassuntivI per il
calcolo del copriferro (*) Articolo già pubblicato nella rivista “L'Edilizia
– Building and Construction for Engineers", N. 155 / 2008 Introduzione Molte volte ci siamo
chiesti se esista per un determinato elemento strutturale un solo copriferro
oppure se di fatto ne esistano due. A questo termine, infatti, non tutti
attribuiscono lo stesso significato: · il calcolatore strutturale identifica come
copriferro, ad esempio in una trave, la distanza tra il baricentro
dell’armatura disposta per assorbire la caratteristica flettente e la
superficie esterna dell’elemento strutturale; · la normativa vigente ed, in particolare, le
Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14.01.2008), in accordo
all’Eurocodice 2 (UNI EN 1992-1-1), definisce, invece, il copriferro come la distanza tra la superficie esterna
dell’armatura (inclusi staffe, collegamenti e rinforzi superficiali, se
presenti) più prossima alla superficie del calcestruzzo e la superficie
stessa del calcestruzzo. Il copriferro,
in accordo alle Norme Tecniche, quindi, individua lo spessore di calcestruzzo
che ricopre l’armatura più esterna. Si intuisce da quanto sopra riportato come il diverso significato attribuito al termine “copriferro” possa generare non poca confusione. Si pensi, ad esempio, ad una trave emergente la cui armatura all’intradosso della sezione di mezzeria sia costituita da ferri Φ16 e staffe Φ8 con uno spessore netto di ricoprimento di calcestruzzo di 10 mm. In accordo con le Norme Tecniche, quindi, il copriferro è di 10 mm. Per il calcolatore strutturale, invece, il copriferro vale circa 25 mm (spessore di calcestruzzo: 10 mm + diametro della staffa: 8 mm + raggio dell’armatura principale: 8 mm = 26 mm). Negli elaborati progettuali di questo elemento inflesso verrà riportato nella quasi totalità dei casi come valore del copriferro, erroneamente, 25 mm quando, in realtà, il copriferro effettivo, in accordo alle Norme Tecniche, risulta di appena 10 mm. La situazione ipotizzata, presenta non pochi problemi, non tanto dal punto di vista del calcolo strutturale - il quale, come ben noto, si basa proprio sul valore della distanza del baricentro dell’armatura principale dalla superficie esterna dell’elemento in calcestruzzo necessaria ai fini dell’individuazione del braccio della coppia interna e, quindi, del momento resistente - quanto ai fini della corretta trasmissione degli sforzi tra acciaio e calcestruzzo, della prevenzione dell’acciaio dalla corrosione promossa dagli agenti aggressivi ambientali (anidride carbonica e cloruri) e della protezione dell’acciaio dall’incendio. L’errore di confondere la
distanza del baricentro dell’armatura principale dalla superficie esterna
dell’elemento con il copriferro conduce ad un sottodimensionamento del
copriferro effettivo che può riflettersi, quindi, in un limitato sviluppo
delle tensioni di aderenza acciaio-calcestruzzo, in una precoce corrosione
delle barre soprattutto negli elementi esposti all’esterno (in particolar
modo quelli esposti all’azione dell’acqua di mare, ai sali disgelanti a base
di cloruro o all’azione dell’anidride carbonica atmosferica) e, infine, in un
elevato rischio di collasso delle barre in occasione di eventi accidentali
quali l’incendio. Il presente articolo,
quindi, vuole fornire un contributo pratico per un corretto dimensionamento
del copriferro ove a questo termine si attribuisce il significato stabilito
dalle Norme Tecniche (D.M. 14.01.2008). Queste ultime al punto 4.1.6.1.3 (“Copriferro e interferro”) indicano che
“L’armatura resistente deve essere
protetta da un adeguato ricoprimento di calcestruzzo” senza fissarne un
limite inferiore (una volta di 20mm in accordo al D.M. 9.01.96 e a quello del
23.09.2005). Le Norme Tecniche, inoltre, stabiliscono che il valore minimo
del copriferro deve essere individuato sulla base delle seguenti
considerazioni: · la verifica allo stato limite di
fessurazione secondo il § 4.1.2.2.4 NTC · un sufficiente sviluppo delle tensioni di
aderenza acciaio/calcestruzzo (vedi Eurocodice 2 – parte 1) · la protezione delle armature dalla
corrosione (vedi Eurocodice 2 – parte 1) · la resistenza al fuoco della struttura
(vedi Eurocodice 2 – parte 2) Di seguito, quindi, viene
presentato l’iter progettuale che conduce alla scelta del valore minimo di
copriferro in accordo ai dettami sopra menzionati richiesti dalle Norme
Tecniche. Per quanto concerne la sola verifica agli stati limite di
esercizio, per la limitazione della fessurazione, essendo essa strettamente
correlata al dimensionamento strutturale, non sarà trattata direttamente nel
presente articolo. Questa verifica, infatti, dipende dal dimensionamento
dello specifico elemento strutturale in c.a. o c.a.p. e, quindi, non può
essere ricondotto, in questa sede, ad una trattazione di tipo generalista. Prima di procedere nella
presentazione della metodologia di valutazione del copriferro ci preme sottolineare
come un suo corretto dimensionamento possa consentire, unitamente ad una
attenta calcolazione strutturale e alla scelta di un calcestruzzo durevole,
di raggiungere un maggior livello di protezione delle strutture nei confronti
del fuoco e delle azioni aggressive ambientali con inevitabili ricadute
positive sia sulla sicurezza strutturale dell’opera che sulla riduzione dei
costi di manutenzione prevenendo i fenomeni di degrado tipici di strutture
con copriferri modesti. Queste considerazioni evidenziano ancora una volta
come centrale risulti il ruolo del progettista calcolatore strutturale nel
definire un adeguato spessore di copriferro, dell’impresa nel rispettarlo con
l’adozione di opportuni distanziatori e della Direzione Lavori e del Collaudatore
in corso d’opera cui si demanda il compito di controllare che lo spessore
definito dal progettista/calcolatore sia stato rispettato dall’impresa
esecutrice. Copriferro minimo, copriferro
nominale e tolleranza di esecuzione In accordo con
l’Eurocodice 2, il copriferro da utilizzare nei calcoli strutturali e da
riportare negli elaborati grafici si definisce come copriferro nominale (cNOM) dato da:
dove: · cmin = valore
del copriferro minimo · Dcdev = tolleranza di esecuzione
relativa al copriferro Lo spessore minimo del
copriferro sarà il valore massimo tra quelli minimi imposti per soddisfare le
esigenze di durabilità, di aderenza e di resistenza al fuoco (Figura 1),
secondo la relazione:
dove: · cmin,b =
copriferro minimo necessario per l’aderenza delle armature · cmin,dur = copriferro minimo necessario per la durabilità
dell’opera · Dcdur,g = valore aggiuntivo del copriferro legato alla sicurezza · Dcdur,st =
riduzione del copriferro quando si utilizza acciaio inossidabile · Dcdur,add =
riduzione del copriferro minimo quando si ricorre a protezioni aggiuntive · cmin,f = copriferro minimo necessario per la resistenza al
fuoco dell’opera
Figura 1 – Il
ruolo del copriferro 1. Copriferro minimo per garantire l’aderenza acciaio/calcestruzzo (cmin,b)
Relativamente
allo spessore minimo per garantire una corretta trasmissione degli sforzi tra
armatura e calcestruzzo (cmin,b)
si farà riferimento al diametro delle barre ordinarie, a quello delle guaine
(nelle strutture post-tese) e a quello dei trefoli o dei fili nelle strutture
pre-tese secondo quanto riportato in Tabella 1. Da sottolineare che per
armature ordinarie, sia in barre singole che raggruppate, immerse in un
calcestruzzo avente diametro massimo dell’aggregato maggiore di 32 mm (in
accordo alla serie normalizzata + serie 1, aggregati aventi diametro massimo
di 40 oppure 63 mm), il valore minimo
del copriferro da imporre per garantire una corretta aderenza tra barre e
conglomerato sarà pari al diametro delle barre aumentato di 5 mm.
Tabella 1 – Calcolo del copriferro minimo
atto a garantire una corretta trasmissione degli sforzi tra armatura e
calcestruzzo (cmin,b) in funzione del tipo di armatura 2. Copriferro minimo per garantire durabilità (cmin,dur)
Il copriferro riveste un
ruolo di primaria importanza in quei contesti in cui il degrado prevalente è
rappresentato dalla corrosione dei ferri di armatura. L’adozione di un
copriferro sufficientemente spesso, infatti, consente di allungare il cammino
che le sostanze depassivanti (anidride carbonica e cloruri) debbono
percorrere per raggiungere l’armatura. Pertanto, più grande risulterà lo
spessore maggiore sarà il tempo di innesco del processo di corrosione
dell’acciaio e, conseguentemente, la struttura avrà una vita nominale più
prolungata. A tal
proposito, in accordo alle NTC, paragrafo 2.4, il progettista deve dichiarare
nei documenti progettuali la vita
nominale da assegnare alla struttura in funzione della sua importanza e della
classe d’uso; si ricorda che per opere
ordinarie la vita nominale è di 50 anni. Nello
specifico, per quanto attiene alla scelta del copriferro minimo per il
rispetto delle condizioni di durabilità, (cmin,dur), l’Eurocodice
2 (UNI EN 1992-1-1) fornisce, in forma tabellare i valori del copriferro
minimo in funzione del tipo di armatura (lenta o da precompressione), della classificazione strutturale e delle
classi di esposizione ambientale cui l’elemento in calcestruzzo ricade
(Tabella 2). Nel draft dell’Appendice nazionale dell’Eurocodice 2 si
stabilisce che le costruzioni, con
vita nominale di 50 anni, ricadano in classe strutturale S4 e, pertanto,
i valori minimi del copriferro sia per c.a. che c.a.p., possono essere
dedotti direttamente dalla Tabella 2 alla riga corrispondente a tale classe
strutturale (S4) in funzione della classe di esposizione ambientale (X0, XC,
XD e XS).
Tabella 2 – Valori minimi del
copriferro (cmin,dur) atti a garantire la durabilità in funzione
della classe di esposizione ambientale e della classe strutturale dell’opera
(i valori tra parentesi sono relativi alle opere in c.a.p.) I
valori minimi del copriferro riportati in Tabella 2 debbono essere
opportunamente modificati se: ·
si prevede un
incremento della vita nominale di progetto ·
si utilizza
calcestruzzo con una classe di resistenza superiore rispetto a quella minima
imposta dai prospetti della durabilità riportati nella UNI 11104 ·
l’elemento da
realizzare ha una forma particolare ·
si esercitano
controlli di qualità speciali sulle forniture di calcestruzzo In queste
situazioni, partendo dalla classe strutturale S4, si procederà in accordo al
prospetto riportato in Tabella 3 ad aumentare o diminuire la classe
strutturale secondo le specifiche esigenze che di volta in volta si
presenteranno durante l’iter progettuale. Ad
esempio, se per gli elementi interni in classe di esposizione XC1, per
garantire i requisiti strutturali, si debba prescrivere un calcestruzzo in
classe di resistenza C32/40, maggiore di quella minima (C25/30) prevista per
garantire la durabilità in questa classe di esposizione, sarà possibile
ridurre gli elementi che si stanno dimensionando di una classe strutturale,
che verranno classificati S3 in luogo di S4. Pertanto, per questi elementi
(classe strutturale S3) il copriferro minimo potrà essere ridotto da 15 mm a
10 mm.
Tabella 3 – Classificazione strutturale in
accordo UNI EN 1992-1-1 Quando, invece, la vita
nominale da garantire per l’opera ha una durata superiore a 50 anni ed, in
particolare pari a 100 anni, è necessario intervenire aumentando gli spessori
di copriferro previsti, a parità di tutte le condizioni per le opere con vita
nominale di 50 anni. L’aumento della vita nominale, infatti, comporta delle
variazioni sostanziali sulla dimensione del copriferro per le classi di
esposizione XC, XD ed XS, laddove il calcestruzzo svolge un ruolo preventivo
della corrosione dei ferri di armatura. Nel caso, invece, di strutture
esposte alle classi XF1/XF3 (azione dei cicli di gelo-disgelo in assenza di
sali disgelanti) ed XA (strutture interrate o idrauliche a contatto con
terreni e acque aggressive), dove l’aggressione ambientale si rivolge
esclusivamente nei confronti della matrice cementizia, aumentare lo spessore
del copriferro non ha alcun beneficio sulla vita nominale della struttura. In
questi casi risulta, invece, necessario ricorrere ad un calcestruzzo con una
maggiore classe di resistenza caratteristica (quindi, con un minore rapporto
a/c) in grado di ostacolare la penetrazione della sostanza aggressiva o
prevedere l’utilizzo di un rivestimento protettivo superficiale di natura
epossidica, poliuretanica o a base di malte polimero-cemento. Nel caso di strutture
aeree (classe di esposizione XC), marine (XS) o soggette al trattamento con
sali disgelanti a base di cloruro (XF2 e XF4 che conseguentemente ricadono
anche nella classe di esposizione XD) alle quali viene assegnata una vita
nominale maggiore di 50 anni, è necessario, quindi, procedere al calcolo del
copriferro che si sviluppa, da una parte secondo l’Eurocodice 2 (Tabella 2 e
3) e, dall’altra, calcolando direttamente gli spessori minimi da garantire a
protezione delle armature per l’intera vita nominale dell’opera desunti, come
meglio verrà specificato nel seguito, dalle leggi di diffusione delle
sostanze aggressive nel calcestruzzo (CO2 + Cl-).
Occorrerà, quindi, confrontare tra i valori ottenuti del copriferro quello
più stringente (cioè quello di maggiore spessore) che costituirà il
copriferro minimo per la durabilità (cmin,dur) da assegnare
all’opera. Nel paragrafo che segue viene illustrata in dettaglio la procedura
per l’individuazione di cmin,dur per strutture con vita nominale
maggiore di 50 anni. 2.1 Calcolo del copriferro per
strutture con vita nominale di 100 anni
mediante Eurocodice 2
Il calcolo del copriferro
in accordo con la procedura definita dall’Eurocodice 2 è valido solo nel caso
in cui la vita nominale assegnata alla struttura sia pari a 100 anni. Per
vite nominali maggiori lo spessore minimo del copriferro per garantire la
durabilità deve necessariamente essere condotto con le procedure descritte
nei due paragrafi che seguono basate sulle leggi di diffusione dell’anidride
carbonica e del cloruro nel calcestruzzo. Come già menzionato, in
accordo con l’Eurocodice 2, un’opera con vita nominale di 50 anni ricade in classe strutturale S4. Lo stesso
Eurocodice stabilisce che se la vita nominale è di 100 anni occorre aumentare
la classe strutturale di 2 (Tabella 3). Pertanto, in via del tutto generale
una struttura con vita nominale di 100 anni ricade in classe strutturale S6
(S4 + 2). Nota la classe strutturale sarà, quindi, di facile individuazione
lo spessore minimo del copriferro consultando la Tabella 2 una volta nota la
classe di esposizione ambientale in cui l’elemento strutturale ricade. Ad esempio, nel caso
delle pile di un viadotto, situato in una zona a clima temperato, ricadente
nella classe di esposizione XC4, realizzato con un calcestruzzo di resistenza
caratteristica pari a 40 N/mm2, il copriferro per la durabilità
sarà pari a 30 mm e 40 mm rispettivamente se per l’opera è prevista una vita
nominale di 50 e 100 anni. In sostanza, come si può notare dalla
consultazione della Tabella 2, l’incremento della vita nominale di un’opera
da 50 a 100 anni comporta, in accordo all’Eurocodice 2, a pari Rck
del calcestruzzo, un aumento dello spessore minimo del copriferro di 10 mm
indipendentemente dalla classe di esposizione ambientale in cui la stessa
ricade. Come si può notare, dalla consultazione delle Tabelle 2 e 3, inoltre,
al fine di ridurre lo spessore minimo del copriferro può essere opportuno
ricorrere all’impiego di un calcestruzzo di classe di resistenza
caratteristica più elevata (Tabella 3) riducendo la classe strutturale da S6
a S5 con una diminuzione dello spessore di copriferro di 5 mm. Il valore del copriferro
ottenuto con la procedura definita dall’Eurocodice 2 deve essere confrontato
con gli spessori di copriferro determinati mediante le leggi di diffusione
del cloruro e dell’anidride carbonica che vengono discusse nei due paragrafi
che seguono. Al solito, il valore definitivo che verrà adottato per il
copriferro minimo sarà il maggiore tra quelli individuati con la procedura
definita dall’Eurocodice 2 e quelli stabiliti con le leggi di diffusione
delle sostanze aggressive (anidride carbonica e cloruri). Le leggi di diffusione
delle sostanze depassivanti dell’acciaio (anidride carbonica e cloruri) nel
calcestruzzo si presentano più flessibili rispetto al metodo proposto
dall’Eurocodice 2 utilizzabile solo per vite nominali pari a 100 anni. Le
procedure che si basano sull’utilizzo delle leggi di diffusione,infatti,
possono essere adottate per vite nominali maggiori di 50 anni e diverse da
100 anni. Ad esempio, possono essere utilizzate per strutture di particolare
valenza strategica, come il Ponte sullo Stretto di Messina dove si richiede
una vita nominale di 200 anni oppure nella progettazione dei depositi di
rifiuti nucleari dove la vita nominale richiesta può addirittura risultare di
500 anni. 2.2 Calcolo del copriferro per
strutture con vita nominale maggiore di 50 anni esposte al rischio di
corrosione promossa dalla carbonatazione (classe di esposizione XC)
L’espressione che correla
lo spessore del copriferro cfCO2 di strutture esposte al rischio
di corrosione per effetto dell’anidride carbonica con la vita nominale
t* è data da:
dove: · cfCO2 è il copriferro minimo (in
mm) per strutture esposte all’anidride carbonica · t* è vita nominale della struttura (in
anni) · KcorrCO2 è la costante di
diffusione della CO2 corretta in base al rischio di corrosione (in
mm/anni1/2) Nella Tabella 4 vengono
riportati i valori della costante di diffusione della CO2 (KcorrCO2)
(1) per diversi conglomerati
maturati a umido per 7 giorni prima dell’esposizione all’ anidride carbonica,
in funzione delle condizioni ambientali e della resistenza caratteristica a
compressione misurata su provini cubici (Rck).
Tabella 4 – Valori della costante KcorrCO2
per calcestruzzi (maturati a umido per 7 giorni) con diverse resistenze
meccaniche a compressione esposti in ambienti interni ed esterni NOTA (1) La costante KcorrCO2 non tiene conto soltanto della
velocità di ingresso della CO2 nel calcestruzzo, ma anche del
rischio di corrosione delle barre connesso con la presenza di acqua e di
ossigeno. Si fa notare come, la velocità di diffusione della CO2 per
le strutture all’interno risulta maggiore di quella delle strutture esposte
all’esterno. Tuttavia, gli elementi in c.a. che si trovano all’interno di un
fabbricato, per via dell’elevata resistività derivante dal copriferro
asciutto, sono quelli esposte ad un rischio praticamente nullo di corrosione.
Questo spiega il perché il coefficiente KcorrCO2 per le strutture esterne sia maggiore di
quelle interne anche se nella realtà la carbonatazione procede con una
maggiore velocità nelle strutture asciutte all’interno di un fabbricato.
L’introduzione di questo coefficiente KcorrCO2, in luogo della
semplice costante di diffusione della CO2 che tiene conto solo
della velocità di ingresso dell’anidride carbonica, si rende, in sostanza, necessaria al fine di evitare una sovrastima del copriferro per gli
elementi interni pochi esposti al rischio di corrosione (ma fortemente
carbonatati) e, per contro, una sottostima del copriferro per le strutture
esterne fortemente esposte al rischio di corrosione, ma poco carbonatate. L’espressione sopra
riportata può essere utilizzata per il calcolo dello spessore minimo del
copriferro una volta nota la resistenza caratteristica (e, quindi, la
costante KcorrCO2) imponendo t* pari alla vita nominale prefissata
per la struttura. Risolvendo, quindi, l’equazione rispetto a cfCO2
si ottiene lo spessore minimo del copriferro. Per una maggiore
comprensione di quanto sopra espresso si faccia riferimento al viadotto
situato in clima temperato di cui al precedente paragrafo di valenza strategica
e per il quale si vuole garantire una vita nominale di 100 anni. Si tratta di
un’opera che ricade nella classe di esposizione XC4 per la quale si prevede
di utilizzare un calcestruzzo con resistenza caratteristica di 40 N/mm2
conforme a quella minima indicata per la durabilità dalla norma UNI 11104.
Per il coefficiente KcorrCO2, si adotta il valore desunto dalla
Tabella 4 per le strutture esposte all’esterno (KcorrCO2 = 2.04).
Fissato il tempo t* pari alla vita nominale dell’opera (100 anni) si ha:
Il valore ottenuto va
confrontato con quello desunto dall’Eurocodice 2. Per la struttura in esame dal
paragrafo precedente era emerso un copriferro minimo di 40 mm. Pertanto, si
può concludere che per le pile del viadotto in esame il copriferro minimo per
la durabilità (cmin,dur) sarà quello maggiore desunto dalla
procedura suggerita dall’Eurocodice 2 e pari a 40 mm. 2.3 Calcolo del copriferro per strutture con vita
nominale maggiore di 50 anni esposte al rischio di corrosione promossa dai
cloruri (classe di esposizione XD e XS).
L’espressione che correla
lo spessore del copriferro di strutture esposte al rischio di corrosione da
cloruri cfCl con la vita nominale t* è data da:
dove
: · t* = è la vita nominale della struttura (in anni) · Dapp = coefficiente di diffusione
apparente del cloruro nel calcestruzzo (m2/s) · dx = strato di convenzione (mm) Il
valore del coefficiente di diffusione apparente (Dapp) di
calcestruzzi confezionati con cemento Portland è riportato in Tabella 5. Per calcestruzzi
confezionati con cementi diversi da quelli Portland (tipo I) il coefficiente
di diffusione deve essere opportunamente corretto moltiplicandolo per il
coefficiente riportato in Tabella 6 in funzione del tipo di cemento
utilizzato. Come si può notare, ai fini della diminuzione dello spessore del
copriferro i cementi pozzolanici (tipo IV) e d’altoforno (tipo III) sono da
privilegiarsi in luogo di quelli portland o portland al calcare. La riduzione
del copriferro conseguente all’impiego dei cementi tipo III e IV discende
dalla capacità dei prodotti di idratazione dei cementi pozzolanici di
rallentare la diffusione del cloruro. Per i valori dello spessore dello
strato di convezione, infine, si potrà fare riferimento alla Tabella 7.
Tabella 5 – Coefficiente di diffusione apparente
del cloruro in calcestruzzi confezionati con cemento Portland di tipo I
Tabella 6 – Coefficiente di correzione di Dapp
per calcestruzzi confezionati con cementi diversi dal tipo I.
Tabella 7 – Spessore dello strato di
convezione in funzione della resistenza caratteristica del conglomerato
misurata su provini cubici Allo scopo di chiarire in
che modo utilizzare la correlazione sopra riportata, si prenda in esame a
titolo di esempio una vasca di contenimento di acque contenenti cloruri di un
impianto industriale per la quale si prevede una vita nominale di 100 anni.
La struttura, realizzata con un calcestruzzo di classe di resistenza 40 N/mm2,
ricade nella classe di esposizione XC2 (strutture permanentemente immerse) e
in quella XD2 (strutture in contatto con acque contenenti cloruri). In
accordo con l’Eurocodice 2, gli elementi di questa opera ricadono in classe
strutturale S6 e il copriferro minimo è pari a 45 mm (il maggiore tra quello
previsto per la classe di esposizione XC2 – 35 mm – e quello richiesto per la
classe di esposizione XD2: 45 mm). Nella ipotesi di confezionare il
calcestruzzo con un cemento CEM II A-L 42.5R otteniamo per lo spessore di
copriferro:
Tra i valori calcolati con i due metodi suddetti si sceglierà quello più stringente, ossia il maggiore. Tuttavia, nel caso specifico lo spessore del copriferro maggiore (140 mm) ovviamente risulta improponibile, sia per motivi di carattere tecnico (si pensi alla fessurazione intensa che uno spessore così elevato di calcestruzzo non armato presenterebbe), ma anche di carattere economico. Lo spessore elevato, determinato nel caso in esame, è la diretta conseguenza di una scelta non adeguata del tipo di cemento. Il cemento al calcare, infatti, non si presenta particolarmente adatto per realizzare calcestruzzi destinati a strutture esposte ai cloruri in quanto poco incline a rallentare la diffusione di questi ioni nel calcestruzzo. Indipendentemente da queste considerazioni, è opportuno ricordare come spessori minimi del copriferro maggiori di 50 mm presentano un elevato rischio fessurativo la cui attenuazione è demandata all’impiego di “armature di pelle” realizzate con acciai non sensibili alla corrosione (acciaio inox, zincato). Quando lo spessore minimo del copriferro, quindi, risulta maggiore di 70 mm potrebbe essere necessario ricorrere, al fine di ridurlo entro il limite suggerito: · all’impiego di un calcestruzzo con una
classe di resistenza caratteristica a compressione superiore; · cambiare tipo di cemento optando per quelli
(principalmente pozzolanici e d’altoforno) capaci di rallentare la diffusione
del cloruro nel calcestruzzo. Ad esempio, per la struttura precedentemente analizzata sostituendo il cemento Portland al calcare con un cemento d’altoforno di CEM III/B 42.5R si ha :
Con questo ultimo
cemento, quindi, il copriferro minimo calcolato in base alla legge di
diffusione del cloruro (60 mm) risulta più stringente di quello (45 mm)
individuato in accordo alla procedura definita dall’Eurocodice 2. Pertanto,
adotteremo per la struttura in esame un copriferro minimo ai fini della
durabilità (cmin,dur) pari a 60 mm. 3. Coefficienti correttivi per copriferro minimo durabilità (cmin,dur)
Gli altri valori
riportati nell’espressione per il calcolo del copriferro minimo individuano: · Dcdur,g = margine di sicurezza
aggiunto Nel draft
dell’appendice nazionale dell’Italia, si consiglia di porre tale valore pari
a zero. · Dcdur,st = riduzione del copriferro minimo quando si
utilizza acciaio inossidabile Nel
draft dell’appendice nazionale dell’Italia, si consiglia di porre tale valore
pari a zero. · Dcdur,add = riduzione del copriferro minimo quando si
ricorre a protezioni aggiuntive Nel
draft dell’appendice nazionale dell’Italia, si consiglia di porre tale valore
pari a zero. 4. Copriferro minimo per garantire resistenza al fuoco (cmin,f)
Nelle Norme Tecniche per
le costruzione al paragrafo 4.1.13 si afferma che “Le verifiche di resistenza al fuoco potranno eseguirsi con
riferimento a UNI EN 1992-1-2, utilizzando i coefficienti gM (v. § 4.1.4)
relativi alle combinazioni eccezionali ed assumendo il coefficiente acc pari a 1.0”. Nella seconda parte dell’Eurocodice 2,
infatti, si riportano i criteri di progettazione per strutture resistenti al
fuoco. In tale articolo però si vogliono dare degli utili, quanto pratici,
riferimenti per il calcolo non dell’intera struttura, ma solo del valore del
copriferro minimo per garantire la resistenza al fuoco. Nel Decreto Ministeriale
09/03/2007 “Prestazioni di resistenza
al fuoco delle costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo
nazionale dei vigili del fuoco”, S.O.G.U. del 29.03.2007 n. 87,
nell’Appendice C si afferma che in attesa della pubblicazione delle Appendici
Nazionali degli Eurocodici, è possibile limitare l’impiego dei metodi di
calcolo alla sola verifica della resistenza al fuoco degli elementi
costruttivi portanti in accordo alla norma UNI 9502 “Procedimento analitico
per valutare la resistenza al fuoco degli elementi costruttivi di
conglomerato cementizio armato, normale e precompresso”. Per semplificare
ulteriormente il calcolo, in Appendice A alla suddetta norma UNI si riporta
la verifica della capacità portante con il metodo tabellare semplificato.
Tale verifica consiste nel determinare la distanza a dell’asse dell’acciaio dalla superficie esposta al fuoco in funzione
del tempo di esposizione all’incendio, del tipo di acciaio nonché tenendo
conto dei lati della struttura esposti all’azione dell’incendio (Tabella 8).
Determinato il valore di a sarà
possibile definire lo spessore di copriferro minimo da garantire per la
protezione dell’acciaio ricorrendo alla seguente espressione:
dove: · cmin,f = copriferro minimo per garantire la resistenza al fuoco; · f/2 = raggio equivalente dell’armatura
principale più esterna alla superficie.
Tabella 8 – Distanze a (cm), dell'asse dell'acciaio dalla
superficie esposta al fuoco Per poter utilizzare
correttamente i valori di a
riportati nella Tabella 8 è necessario tenere presente le seguenti ipotesi · i tassi di sollecitazione dell'acciaio nel
calcolo a freddo sono i massimi consentiti per il tipo di acciaio cioè σ
reale / σ max = 1 · la capacità portante dell'elemento dipende
dall'acciaio e non dal conglomerato cementizio · si considera il conglomerato cementizio
privo di acqua interna · si assume: 1) Fattore di riduzione in caso di incendio
delle azioni assunte a temperatura ordinaria ηfi = 0,7 2) Rapporto tra il coefficiente parziale di
sicurezza per l’acciaio in caso d’incendio e non gM,fi/gM = 1/1.15 per acciai
controllati si ha così: 3) Fattore di riduzione per la valutazione
della resistenza alla temperatura critica kcrit = 0.70 · 1/1.15 =
0.60 uguagliando kcrit
con kθ si individuano per i vari tipi di acciaio una
temperatura detta temperatura critica. θs1 crit. = 505 °C θs2 crit. = 440 °C θb crit. = 400 °C θp crit. = 350 °C I valori di a riportati nella Tabella 8 sono
quelli dell’acciaio alla temperatura critica. La verifica che la distanza a per tutte le armature dimensionate
con il calcolo a freddo sia uguale o maggiore di quella riportata in Tabella
8 è condizione sufficiente a garantire la capacità portante dell'elemento
costruttivo, sempre che si possa escludere una minor capacità per riduzione
di resistenza del conglomerato cementizio. 5.
Casi particolari per copriferro minimo
Nella
scelta del valore del copriferro, inoltre, bisogna tener conto di alcune considerazioni
aggiuntive (Tabella 9) nel caso si debba realizzare: 1. Getto su un precedente getto di calcestruzzo 2. Superficie esterna del calcestruzzo irregolare 3. Calcestruzzo soggetto a fenomeni abrasivi
Tabella 9 – Prescrizioni aggiuntive nel
calcolo del copriferro 6.
Tolleranza di esecuzione relativa al copriferro (Dcdev)
Scelto il valore massimo tra
i copriferri minimi atti a garantire i requisiti sia di aderenza, durabilità,
resistenza al fuoco che di esecuzione, è necessario calcolare i valori della tolleranza - Dcdev
- per definire il valore del copriferro
nominale da inserire in capitolato, da riportare negli elaborati grafici
e da utilizzare nei calcoli statici. La scelta di Dcdev
deve essere effettuata in funzione della severità dei controlli e dei tipi di
getti che si realizzano in accordo con quanto definito dall’Eurocodice 2
(Figura 2).
Figura 2 –
Indicazioni per la scelta della tolleranza Si ricorda che il draft dell’Appendice nazionale Italiana
per la norma UNI EN 1992-1-1 consiglia di fissare la tolleranza Dcdev = 10 mm, in quanto molto spesso durante l’esecuzione
e la messa in opera dei materiali, pur impiegando accorgimenti e controlli,
non è possibile garantire un controllo preciso e puntuale del valore del
copriferro reale. 7.
Copriferro nominale cNOM
A
seguito, quindi, delle considerazioni sopra riportate in merito alla
durabilità, resistenza al fuoco e trasmissione degli sforzi di aderenza tra
acciaio e calcestruzzo, nonché al soddisfacimento della vita nominale imposta
per la struttura e tenendo, infine, conto delle tolleranze di esecuzione si
potrà procedere alla definizione del copriferro nominale. E’ importante
ribadire quanto già evidenziato nell’introduzione al presente articolo che il
valore del copriferro nominale, in accordo alla definizione data sia dalle
NTC (D.M. 14.01.2008) che dagli Eurocodici, rappresenta la porzione netta di
calcestruzzo a ricoprimento delle armature sia esse longitudinali che staffe.
Il copriferro nominale, quindi, in nessun caso può essere confuso con la
distanza (d) del baricentro dell’armatura principale dalla superficie esterna
dell’elemento che viene impiegata nel dimensionamento strutturale degli
elementi in c.a. Il valore di d potrà essere opportunamente calcolato a
partire dal copriferro nominale cui bisognerà aggiungere il diametro delle
staffe e il semidiametro dell’armatura principale resistente (Figura 3):
Figura 3 – Differenza tra copriferro
nominale cNOM e distanza d
(d = cNOM + fSTAFFE + f/2BARRE) 8. Accorgimenti
ulteriori :armatura di pelle del copriferro
Come ultima notazione relativamente al
copriferro val la pena ricordare che quando lo spessore nominale dovesse
risultare maggiore o uguale di 60 mm (copriferro minimo 50 mm + 10 mm di
tolleranza), al fine di limitare l’ampiezza delle lesioni sempre possibili
nel calcestruzzo, è opportuno ricorrere ad una specifica armatura di pelle in
forma di rete elettrosaldata soprattutto quando l’armatura secondaria si
presenta diradata con passo superiore a 30 cm. Reti elettrosaldate di
diametro 6 mm e maglia 15x15 o 20x20 cm preferibilmente in acciaio nero (per
elementi strutturali interni, interrati o permanente immersi in acque
potabili), in acciaio zincato (per strutture aeree esposte al rischio di
corrosione da carbonatazione) o zincato (per strutture soggette all’azione de
passivante del cloruro) sono sufficienti allo scopo. 9.
Esempio riassuntivo (1) per il calcolo del copriferro
Si calcoli il copriferro per una trave di
calcestruzzo armato in classe di esposizione XC1 con i seguenti requisiti: · Calcestruzzo con classe di resistenza C25/30 · Barre longitudinali inferiori di armatura
sono 4f20; le staffe
sono f8 con passo di
100 mm · Dimensione massima degli aggregati: Dmax
= 32mm · Vita nominale di progetto della struttura:
50 anni · Controllo in opera del copriferro normale · Resistenza al fuoco su un lato per un tempo
di esposizione pari a 90 min Sono rispettati i
requisiti di durabilità in accordo al prospetto 4 della norma UNI 11104 per
la classe di esposizione fissata. La classe strutturale dell’elemento in
esame è S4. 1. CALCOLO DEL
COPRIFERRO DELLE STAFFE
2. CALCOLO DEL
COPRIFERRO DELLE BARRE
Si nota che prevale il valore del copriferro
delle staffe, per cui il copriferro delle barre longitudinali sarà: cNOM = 33 mm cNOM,barre = cNOM + fstaffe = 33 + 8 = 41 mm Il valore da riportare negli elaborate
grafici e utilizzare nel calcolo dimensionale, calcolato come somma del copriferro
nominale delle barre più raggio dell’armatura longitudinale: d = cNOM,barre + f/2barre = 41 + 20/2 = 51 mm 10.
Esempio riassuntivo (2) per il calcolo del copriferro
Si calcoli il copriferro per una trave di calcestruzzo
armato di un pontile a contatto diretto con acqua di mare in classe di
esposizione XC4 – XS3 con i seguenti requisiti: · Calcestruzzo con classe di resistenza C35/45 · Cemento CEM III/B 42.5 R · Barre longitudinali inferiori di armatura
sono 4f24; le staffe
sono f8 con passo 100
mm · Dimensione massima degli aggregati: Dmax
= 20 mm · Vita nominale di progetto della struttura:
100 anni · Controllo in opera del copriferro normale Sono rispettati i
requisiti di durabilità in accordo al prospetto 4 della norma UNI 11104 per
le classi di esposizione fissate. 1. CALCOLO DEL
COPRIFERRO DELLE STAFFE
2. CALCOLO DEL
COPRIFERRO DELLE BARRE
Si nota che prevale il valore del
copriferro delle staffe. Pertanto il copriferro nominale risulta: cNOM = 65 mm Il copriferro delle barre longitudinali,
invece, risulta: cNOM,barre = cNOM + fstaffe = 65 + 8 = 73 mm Il valore da riportare negli elaborate
grafici e utilizzare nel calcolo dimensionale, calcolato come somma del
copriferro nominale delle barre più raggio dell’armatura longitudinale: d = cNOM,barre
+ f/2barre = 73 + 24/2 = 85 mm Si ricorda che in questo caso, visto che lo
spessore nominale è maggiore di 60 mm, al fine di limitare l’ampiezza delle lesioni,
è opportuno inserire costituita da una rete elettrosaldata in acciaio
inossidabile di diametro 6 mm e maglia 15x 15 cm. 11. Bibliografia
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