Cemento armato: perché rinforzare il calcestruzzo
Il cemento armato consente di strutturare il calcestruzzo conferendogli resistenza e stabilità. Il calcestruzzo è il materiale legante più utilizzato in edilizia, costituito da aggregati inerti di diverse dimensioni come ghiaia, piccole pietre e sabbia ruvida impastati con acqua e cemento. Per ottenere un buon calcestruzzo, la miscela di pietrisco deve avere una corretta granulometria, che si ottiene mescolando inerti di tipo diverso in proporzioni opportune, in modo da riempire al massimo i vuoti lasciati dal cemento e ridurre al minimo il suo volume. L'acqua dà all'impasto la fluidità che consente la lavorabilità e permette le reazioni chimiche della "presa" del cemento. Il cemento, dal punto di vista chimico, è una miscela finissima di silicati e alluminati di calcio dotati di capacità di reagire con acqua trasformandosi in una massa dura come pietra. I legami che il cemento fornisce agli inerti costituiscono l'elemento di minore resistenza, che aumenta entro certi limiti con l'aumentare della qualità e della quantità del cemento utilizzato. Oltre un certo punto però i guadagni di resistenza dovuti al maggiore impegno di cemento decrescono, evidenziando anzi effetti negativi.
Cemento armato, la scoperta del ferro per edificare
Fino alla fine del XIX secolo le costruzioni murarie utilizzavano un materiale dotato di scarsa resistenza alla trazione, con problemi insormontabili nella realizzazione di configurazioni equilibrate anche quando sufficientemente resistenti. Queste difficoltà si riducevano o erano inesistenti nelle costruzioni in ferro, dove i problemi di equilibrio venivano superati dalla resistenza, leggerezza e abbondanza di legami. Il ferro però andava incontro ad altri problemi di resistenza, dovuti proprio alle parti (distinte da quelle funzionali) a cui è affidata la funzione legante: in definitiva un ponte in ferro resiste fin quando restano integri e funzionali i giunti, i bulloni e le saldature che ne tengono unite le parti. Tuttavia, l'utilizzo del ferro nelle costruzioni diede impulso allo sviluppo della meccanica dei solidi, delle teorie dell'elasticità e della plasticità. Il costo elevato e la necessità di utilizzare tecniche esecutive complesse limitava però l'utilizzo del ferro, e poi dell'acciaio, alle grandi costruzioni civili: ponti, coperture a luce imponente, edifici alti, mentre l'edilizia comune continuò ad impiegare la muratura fino all'introduzione del cemento armato.
Il giusto compromesso tra il ferro la muratura
Con il diffondersi del cemento armato la muratura è stata sempre più soppiantata da questo anche nell'edilizia minuta. Il suo campo di applicazione si è via via allargato sia a scapito dell'acciaio nelle grandi opere, che della muratura in quelle comuni. Questo è successo perché il cemento armato riunisce in un corpo unico i pregi della muratura e quelli del ferro: i costi contenuti della prima e la semplicità della tecnica costruttiva unita alla scarsa reattività a molti agenti esterni del secondo. Oltre a non essere aggredibile dal fuoco e ad avere caratteristiche anticorrosive, il ferro ha la capacità di resistere alle sollecitazioni di trazione, proprietà che lo privilegia nella realizzazione di elementi come travi e sbalzi impossibili in muratura. Le prime forme di impiego in edilizia del ferro si hanno intorno al 1780 con l'inserimento di colonne di ghisa al posto dei ritti in legno per la realizzazione delle campate a luce imponente. All'inizio dell'800 lo sviluppo della siderurgia portò grandi innovazioni e la possibilità di produrre materiali sempre più affinati fino ad arrivare all'acciaio, dove la percentuale di carbonio rispetto alla ghisa è estremamente ridotta.
Cemento armato: una dicitura impropria
Il cemento armato realizza l'incontro del calcestruzzo con l'acciaio. L'acciaio viene impiegato in percentuale modesta sotto forma di tondini, ovvero barre di sezione circolare di piccolo diametro(più o meno 30 mm), inserite nelle zone più soggette a trazione, seguendo l'andamento delle linee isostatiche. Le barre vengono poste longitudinalmente, in prossimità della superficie, e vengono organizzate da una armatura trasversale, formata da barre sagomate (staffe) in modo da essere inserite nel perimetro esterno della sezione, e da racchiudere al loro interno le barre longitudinali. Le staffe, abbastanza fitte e conformate, ostacolano l'eventuale deformazione del calcestruzzo, agevolando la prevalenza di tensioni di coazione con aumento della resistenza allo schiacciamento e della duttilità del calcestruzzo. Poiché il cemento ha solo la funzione di legante, mentre l'impasto strutturante e quantitativamente dominante è costituito dal calcestruzzo sarebbe più corretto parlare di calcestruzzo armato, così come succede nelle lingue straniere (reinforced concrete, béton armè e così via) ma in Italia la normativa del '71 ha istituzionalizzato la dicitura "conglomerato cementizio armato".
Si dice acciaio ma ognuno ha la sua resistenza
La solidità delle strutture in cemento armato dipende dalla effettiva possibilità che i materiali costituenti, calcestruzzo e acciaio, siano realmente solidali e cioè che subiscano le stesse deformazioni. Questo è possibile grazie all'aderenza, fenomeno attraverso cui si trasmettono le sollecitazioni tra i due materiali. Le barre di acciaio impiegate nel cemento armato sono di sezione circolare per aumentare tale aderenza con il calcestruzzo. L'acciaio dà risultati migliori quando viene prodotto in barre, chiamate "ad aderenza migliorata", sulla cui superficie vengono realizzati dei risalti. Inoltre l'acciaio utilizzato può essere ordinario o ad alta resistenza, quest'ultimo utilizzato nel cemento armato precompresso. La grandezza più importante che definisce la resistenza dell'acciaio è la tensione di snervamento, valore che negli acciai di migliore qualità non è sempre calcolabile se non per approssimazione e viene fissato allo 0,2%, con riferimento al valore convenzionale della deformazione residua, che è la deformazione irreversibilmente acquisita dopo il ritorno elastico che segue ad un carico di deformazione in sede di test, calcoli e provini.
Una tecnica specialistica rigorosa e controllata
Altre proprietà meccaniche a carico del calcestruzzo come il ritiro o la deformazione viscosa possono annullarne lo stato di coazione con l'acciaio se i valori non sono adeguati. Il miglioramento delle tecnologie ha consentito con l'introduzione del cemento precompresso di prevenire le fessurazioni e proteggere l'armatura, ma questo è potuto avvenire solo grazie a calcestruzzi ad alta resistenza e acciai con elevato limite elastico e bassa sensibilità al rilassamento. L'utilizzo nella pratica di materiali strutturali quali il cemento armato non può essere quindi affidato al caso, ma è soggetto a rigorosi calcoli che tengono conto dei carichi, della disposizione delle forze ( momento flettente-momento torcente) ma anche delle proprietà dei materiali, sia singolarmente che in associazione. In Italia l'utilizzo di questo materiale in edilizia civile richiede una progettazione preventiva ed è assoggettato ad una legge del 1939(R.D.L. n. 2229/39 e successive modifiche)che prevede in fase di costruzione la stretta osservazione del progetto ingegneristico che riporta i calcoli per il corretto impiego del cemento armato e i relativi controlli.
Domande frequenti
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Perché si chiama "cemento armato" se tecnicamente sarebbe più corretto dire "calcestruzzo armato"?La dicitura "cemento armato" è un termine storico e normativo consolidato in Italia, introdotto ufficialmente dalla normativa del 1971 come "conglomerato cementizio armato", sebbene sia tecnicamente improprio. Chimicamente, il cemento è solo il legante che, mescolato ad acqua e inerti (sabbia, ghiaia), forma il calcestruzzo. È il calcestruzzo, costituendo la matrice volumetricamente predominante, a formare il corpo principale della struttura, mentre l'acciaio funge da scheletro resistente. Nelle lingue straniere, come l'inglese (reinforced concrete) o il francese (béton armé), il termine riflette correttamente questa gerarchia materiale.
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Qual è la funzione specifica dell'acciaio all'interno del calcestruzzo?L'acciaio viene inserito nel calcestruzzo principalmente per contrastare le sollecitazioni di trazione. Il calcestruzzo, infatti, ha un'eccellente resistenza alla compressione (schiacciamento) ma è fragile e poco resistente alla trazione. Inserendo barre d'acciaio (tondini) nelle zone della struttura soggette a trazione, si crea un composito che unisce i pregi di entrambi i materiali: la stabilità e il basso costo del calcestruzzo e la duttilità e resistenza alla trazione dell'acciaio. Questo permette di realizzare elementi strutturali complessi come travi, pilastri e solai che da soli non sarebbero possibili con la sola muratura.
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Come avviene il trasferimento delle forze tra acciaio e calcestruzzo?La solidità della struttura dipende dall'aderenza, il fenomeno fisico-chimico che permette il trasferimento delle sollecitazioni tra i due materiali, facendoli lavorare come un unico corpo. Affinché ciò avvenga efficacemente, le barre di acciaio devono subire le stesse deformazioni del calcestruzzo circostante. Per migliorare questa aderenza, specialmente nelle barre di acciaio ad aderenza migliorata, la superficie esterna presenta dei risalti o nervature. Questa geometria aumenta l'attrito meccanico e l'ancoraggio, impedendo lo scorrimento relativo tra l'armatura e la matrice di calcestruzzo sotto carico.
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Cosa sono le staffe e quale ruolo svolgono nell'armatura?Le staffe sono barre di acciaio sagomate a forma di anello chiuso o semi-chiuso che circondano le barre longitudinali principali. Il loro scopo principale è quello di contenere l'armatura longitudinale e ostacolare la deformazione laterale del calcestruzzo sotto compressione. Le staffe, posizionate in modo fitto, contribuiscono ad aumentare la resistenza allo schiacciamento e la duttilità della colonna o del pilastro. Inoltre, garantiscono la stabilità geometrica dell'armatura durante la gettata del calcestruzzo, mantenendo le barre longitudinali nella posizione prevista dai calcoli strutturali.
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Cos'è il cemento armato precompresso e perché è necessario?Il cemento armato precompresso è una tecnologia avanzata in cui l'acciaio viene teso prima che il calcestruzzo indurisca completamente. Questo processo introduce tensioni di compressione anticipate nel materiale, compensando le future tensioni di trazione che si verranno a creare sotto carico. È essenziale per prevenire la formazione di fessurazioni nel calcestruzzo e proteggere l'acciaio dalla corrosione. Richiede l'uso di calcestruzzi ad altissima resistenza e acciai speciali con elevato limite elastico e bassa sensibilità al rilassamento, garantendo strutture più leggere e capaci di luci maggiori rispetto al cemento armato tradizionale.
