Valutazione di quadri fessurativi di origine meccanica in piastre in calcestruzzo armato

Pavimentazione esterna in calcestruzzo: valutazione dei quadri fessurativi, un caso studio

In particolare, è stato studiato il caso di una pavimentazione esterna temporanea (max 5 anni) in calcestruzzo armato di spessore 30 cm, soggetta a diversi scenari di carico (Figura 1).

La piastra, inizialmente, presentava una armatura a doppia maglia ortogonale pari a fi14 passo 20x20. Il soddisfacimento delle verifiche allo SLE, ha comportato, poi, un incremento del diametro e del passo delle armature: fi16 passo 15x15.

Tenendo presente, quanto precedentemente riportato, ed al fine di contenere i costi dell’opera, sono state effettuate le seguenti valutazioni aggiuntive a diversi livelli, quali:

• Temporaneità o provvisorietà dell’opera;
• Modellazione, analisi e verifiche tramite approcci numerici avanzati che permettono di valutare il comportamento meccanico della struttura in maniera completa e non semplificata;
• Analisi di diffusione e/o penetrazione dei cloruri all’interno della platea con determinazione dei tempi di innesco della corrosione;
• Ottimizzazione della miscela di calcestruzzo C32/40 con classe di esposizione XS1, secondo la UNI 11104 del 2016.

Modelli di calcolo utilizzati

Le analisi eseguite sono di tipo non lineari con approccio statico pushdown tramite modelli costitutivi con danno. Tale modello implementa la meccanica della frattura a trazione con lo smeared cracked e con danno plastico a compressione. È noto che, i modelli plastici standard, non tengono conto del degrado di rigidezza, mentre i modelli con danno, mettono in conto il degrado per rigidezza e resistenza, ma non contemplano l'accumulo di deformazioni plastiche.

Durabilità e vita nominale di progetto

Al paragrafo 2.2.4, le NTC 2018 riportano il concetto di durabilità e i relativi provvedimenti per il soddisfacimento di tale requisito: 

2.2.4. DURABILITA’

Un adeguato livello di durabilità può essere garantito progettando la costruzione, e la specifica manutenzione, in modo tale che il degrado della struttura, che si dovesse verificare durante la sua vita nominale di progetto, non riduca le prestazioni della costruzione al di sotto del livello previsto. Tale requisito può essere soddisfatto attraverso l’adozione di appropriati provvedimenti stabiliti tenendo conto delle previste condizioni ambientali e di manutenzione ed in base alle peculiarità del singolo progetto, tra cui:

a) scelta opportuna dei materiali;
b) dimensionamento opportuno delle strutture;
c) scelta opportuna dei dettagli costruttivi;
d) adozione di tipologie costruttive e strutturali che consentano, ove possibile, l’ispezionabilità delle parti strutturali;
e) pianificazione di misure di protezione e manutenzione; oppure, quando queste non siano previste o possibili, progettazione
rivolta a garantire che il deterioramento della costruzione o dei materiali che la compongono non ne causi il collasso;
f) impiego di prodotti e componenti chiaramente identificati in termini di caratteristiche meccanico-fisico-chimiche, indispensabili alla valutazione della sicurezza, e dotati di idonea qualificazione, così come specificato al Capitolo 11;
g) applicazione di sostanze o ricoprimenti protettivi dei materiali, soprattutto nei punti non più visibili o difficilmente ispezionabili ad opera completata;
h) adozione di sistemi di controllo, passivi o attivi, adatti alle azioni e ai fenomeni ai quali l’opera può essere sottoposta.

Le condizioni ambientali devono essere identificate in fase di progetto in modo da valutarne la rilevanza nei confronti della durabilità.

Paragrafo estratto dalle NTC 2018 

Al paragrafo C2.4.1, la Circolare esplicativa N. 7 del 2019, riporta il concetto di Vita nominale di progetto:

C2.4.1 VITA NOMINALE DI PROGETTO
Al punto 2.4.1 delle norme, anche ai fini delle verifiche sismiche, è definita la “vita nominale di progetto” di un’opera, V_N, che è convenzionalmente definita come il numero di anni nel quale l’opera, purché ispezionata e manutenuta come previsto in progetto, manterrà i livelli prestazionali e svolgerà le funzioni per i quali è stata progettata.
Le opere sono classificate in tre differenti categorie, per ciascuna delle quali viene fissato il valore minimo di V_N: 10 anni per le strutture temporanee e provvisorie e quelle in fase di costruzione, 50 anni per le opere con livelli di prestazione ordinari, 100 anni per le opere con livelli di prestazione elevati.

Paragrafo estratto dalla Circolare esplicativa NTC 2018, nr. 7 del 2019.

Verifiche e prestazioni di opere strutturali

Come contemplato al paragrafo 2.26 delle NTC 2018, le opere strutturali devono essere verificate, salvo diversa indicazione riportata nelle specifiche parti delle presenti norme:

• per gli stati limite ultimi che possono presentarsi;
• per gli stati limite di esercizio definiti in relazione alle prestazioni attese;
• quando necessario, nei confronti degli effetti derivanti dalle azioni termiche connesse con lo sviluppo di un incendio.

Inoltre, le strutture, sono sottoposte ad un decadimento fisiologico delle prestazioni in quanto soggette ad azioni ambientali ed antropiche. Solo gli opportuni interventi di manutenzione, nel periodo di vita dell’opera, può ripristinare, ad un certo step temporale, l’affidabilità strutturale (Figura 4).

Caratteristiche dei materiali

Calcestruzzo

• Classe di resistenza C32/40;
• Classe di consistenza S4;
• Resistenza caratteristica e cilindrica Rck=40 Mpa - fck=32 MPa;
• Classe di esposizione: XA1-XS1 (condizioni ambientali aggressive)
• Diametro massimo aggregato: 30 mm;
• Copriferro: 4.5 cm.

Acciaio da c.a.

• Barre di armatura tipo B450C di cui al cap. 11.3.1 delle NTC 2018;
• Tensione di snervamento caratteristica fy,nom = 450 MPa;
• Tensione di rottura nominale ft,nom = 540 MPa.

Azioni e combinazioni di carico

Carichi permanenti

• peso proprio degli elementi strutturali: soletta di pavimentazione in cemento armato, basamenti dei container: 25.00 KN/m³;
• peso proprio degli strati di regolarizzazione del suolo: 20.00 KN/m³;

Carichi di esercizio

• peso dei container scarichi: 46.00 KN caduno;
• peso dei materiali stoccati all'interno dei container: 20.00 KN/m³;
• peso di un mezzo pesante standard, distribuito sulla seguente impronta (Figura 5).

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Conclusioni relative a questo caso studio

I risultati ottenuti dal presente studio confermano l’importanza di eseguire analisi numeriche predittive su strutture in calcestruzzo armato, di nuova costruzione, per poter stimare l’ampiezza delle fessurazioni al variare degli scenari di carico.

In particolare, nel caso di pavimentazioni esterne, anche di grosso spessore, le sollecitazioni potrebbero indurre stati tensionali capaci di fessurare il calcestruzzo e al non rispetto degli Stati Limite di Esercizio.

Ovviamente, resta inteso che le fessurazioni riscontrate sono di origine meccanica, cioè dovute ai carichi a cui sarà sottoposta la piastra in calcestruzzo armato. Per quanto riguarda i quadri fessurativi da instabilità volumetrica del calcestruzzo, in questo lavoro, non sono stati presi in considerazione.