Transcript 1.2 azioni sulle strutture

Politecnico di Torino - Facoltà di Ingegneria
Corso di laurea in Ingegneria Civile
Rivisto:1/03/2011
Punti: 6
Laboratorio di sintesi finale – F: Biasioli
Argomenti:
2.1
Azioni sulle strutture
2.1 Azioni sulle strutture
Le azioni sulle strutture possono essere classificate in tre categorie: [1]
* Forze
* Deformazioni impresse
* Azioni chimico-fisiche.
Forze
Sono suddivise in:
Carichi permanenti indicati nelle norme con la lettera “G”: si tratta dei carichi che sono presenti per la
maggior parte della “vita nominale” o “di progetto” della struttura come il peso proprio G1 e i carichi
permanentemente portati G2. Vengono valutati in base alla geometria e alla massa volumica dei vari
materiali.
Carichi variabili indicati dalla lettera “Q”: si tratta di carichi con intensità e posizione variabili nel tempo e/o
nello spazio: carichi di esercizio, carichi di vento o neve; Un carico è classificato come permanente o
variabile a seconda dalla durata della sua presenza rispetto alla vita di progetto della struttura. Ad es.
l’acqua in un serbatoio idraulico è considerata un carico permanente, in quanto il serbatoio è progettato
allo scopo di contenere l’acqua. I carichi variabili sono fissati dalle normative [1] [2].
Azioni accidentali indicate dalla lettera “A”, raramente presenti sulla struttura (ad esempio vento, sisma,
esplosioni o urto di veicoli o velivoli) e la cui intensità varia rapidamente nel tempo,.
CARICHI DISTRIBUITI E CONCENTRATI
Un carico strutturale è una forza singola o un sistema di forze che, applicati su una zona di un generico
corpo fisico o una struttura, possono metterla in movimento e/o deformarla. I carichi possono essere
d’area o di volume. Un carico d’area distribuito è un insieme di forze infinitesime applicate su un’area
specifica e descritta su di essa tramite un equazione. Una trave si considera come un’asta se la sua
lunghezza prevale sulle dimensioni della sezione trasversale. L’intensità del carico distribuito lineare è dato
dalla risultante delle forze infinitesime. Un carico d’area distribuito può essere considerato come
concentrato se la superficie caricata è infinitesima rispetto alle dimensioni della struttura; in tal caso il
carico viene schematizzato con una forza applicata in un punto.
. Esempio di carico distribuito su una trave isostatica
Nell’ingegneria strutturale i carichi distribuiti rappresentano il peso proprio della struttura e i carichi
variabili nel tempo come la folla etc. Carichi concentrati possono essere considerati tali gli effetti, per
esempio, del vento che agisce sui nodi del telaio. Un carico distribuito si misura in Pascal ( N/m2) e nei
rispettivi multipli e sottomultipli. Nel caso di un carico distribuito su una linea, l'unità di misura diviene
kN/m, mentre il carico concentrato si misura più comunemente in kN (kiloNewton).
Deformazioni impresse
Le equazioni di congruenza assicurano che la deformazione di un corpo sia tale che, al suo interno, non si
verifichino rotture o compenetrazioni di materiale. Le condizioni di compatibilità della deformazione in
corrispondenza dei vincoli definiscono i possibili movimenti di un corpo in corrispondenza di questi.
Le deformazioni impresse subite (ritiro, variazioni termiche, cedimenti anelastici dei vincoli) o volute
(precompressione, forzatura di vincoli) possono comportare che non siano ovunque rispettate le equazioni
di congruenza e/o la compatibilità con i vincoli. Per ripristinare la congruenza e</o la compatibilità nascono
all’interno dei corpi degli stati di tensione (detti stati “di coazione”) che hanno la peculiarità, per l’assenza
di forze esterne, di avere distribuzioni auto-equilibrate (sistema delle tensioni con R = M = 0). Per un
elemento monodimensionale deve risultare dunque:
Come esempio di non rispetto della congruenza si cita la fessurazione che si può avere nei getti massici di
calcestruzzo durante la fase di idratazione, se si eliminano troppo rapidamente le protezioni dei getti:
l’idratazione del cemento avviene con sviluppo di temperatura e corrispondente dilatazione del materiale.
Se la superficie esterna del getto si raffredda più rapidamente di quanto non riesca a fare il nucleo interno,
l’accorciamento delle fibre superficiali impedito dal nucleo può portare a tensioni che superano la
resistenza a trazione del materiale ancora giovane.
Come esempio di rispetto della compatibilità coi vincoli, si considerino i duegradiente termici sulla struttura
di figura: in entrambi i casi la deformazione è compatibile con i vincoli, la struttura si allunga e si inflette
senza che nascano reazioni nei vincoli.
Nel caso di un diagramma termico uniforme ∆t di una trave di area A altezza h e inerzia J h composta di un
materiale con modulo E e coefficiente di dilatazione termica α l’allungamento della trave vale ∆l = α l ∆t.
Nel caso di diagramma a farfalla con escursione ∆tie tra i lati interno “i” ed esterno “e” di una sezione di
altezza h e inerzia J, la curvatura della trave libera vale 1/ρ = α∆tie/h.
Fig.1 –gradiente termico compatibile (sinistra) e non compatibile (destra).
Se la trave soggetta alla variazione uniforme ∆t fosse incernierata a entrambi gli estremi ,per compatibilità
della deformazione detta EA/l la rigidezza dell’asta la reazione in direzione assiale vale X= E A α ∆t dunque
nasce uno stato di coazione
Nel caso di diagramma termico a farfalla la curvatura della trave libera vale 1/ρ = α∆tie/h dunque la
rotazione delle sezioni di estremità vale (1/ρ) l. Se la trave è incastrata a una estremità e incernierata
all’altra, la rigidezza flessionale dell’incastro vale 3EJ/l: per compatibilità della rotazione nel vincolo la
coppia X all’incastro vale X = 3E J α∆tie/h.
Nel caso del calcestruzzo armato, il coefficiente di deformazione termica α del calcestruzzo e dell’acciaio
hanno valori molto simili (nell’ordine di 10-5 1/C°.). Per effetto di variazioni termiche giornaliere non si
hanno pertanto scorrimenti relativi dei due materiali.
Azioni chimico-fisiche
Il calcestruzzo è costituito da cemento, acqua, aggregato, aggiunte, additivo e aria. Le azioni chimiche da
considerare aggressive peri il calcestruzzo sono la carbonatazione (solo per calcestruzzo armato), l’attacco
dei cloruri (sali disgelanti e/o acqua di mare), l’attacco dei solfati e di altri agenti chimici aggressivi
CORROSIONE PER CARBONATAZIONE. La carbonatazione è il fenomeno attraverso il quale la CO2 gassosa,
presente nell’atmosfera, veicolata all’interno del calcestruzzo reagisce con con la portlandite CaOH2.
L’aggressione da CO2 avviene per solubilizzazione della CO2 in soluzione acquosa:
1) solubilizzazione della CO2 in acqua, sottoforma di H2CO3;
2) H2CO3 reagisce con Ca(OH)2 generando CaCO3;
3) Se vi è apporto ulteriore di H2O si può generare bicarbonato di calcio Ca(HCO3)2 , composto fortemente
solubile in acqua che viene asportato (“dilavamento o precipita creando delle inflorescenze superficiali
(effetto incrostante).
La reazione che provoca la formazione di CaCO3: non riduce le caratteristiche meccaniche, ma abbatte il pH
fortemente basico (12,5) del materiale dovuto alla presenza di portralndite, che garantiva la presenza di
uno strato di ossido protettivo dei ferri d’armatura. Si crea la condizione favorevole per la corrosione
elettrochimica delle barre. Distrutto il film protettivo che rivestiva l’armatura, l’umidità presente nel cls
reagisce per ossido-riduzione con il ferro dell’armatura, generando “ruggine” (= ossido di ferro), composto
fortemente espansivo localizzato sulla superficie della barra, con fessurazione e il distacco del copriferro.
ATTACCO DA CLORURI. Le strutture marine sono particolarmente a rischio per la presenza di aerosol
contenente cloruri, così come le strutture viarie sui cui si spandono sali disgelanti. Il fenomeno è
particolarmente pericoloso per le armature che subiscono un attacco localizzato. Quando il tenore di cloruri
a contatto con il calcestruzzo supera un valore critico (legato al contenuto di O2), questi penetrano
all’interno dell’elemento di cemento armato e per diffusione secondo la legge di Fick, raggiungono
l’armatura, penetrano lo strato passivante e reagiscono con il ferro con formazione di ioni FeCl2 e FeCl3
solubili che vengono trasportati dalla superficie dell’armatura verso l’esterno, contribuendo alla creazione
di nuove superfici corrodibili. Il fenomeno è più pericoloso della carbonatazione (dove l’armatura si ossida
con continuità) in quanto provoca la riduzione o scomparsa del ferro dell’armatura in modo localizzato.
ATTACCO DA SOLFATI Il fenomeno è particolarmente dannoso per le fondazioni a contatto con i terreni
agricoli e comunque con i terreni fortemente inquinati. Particolarmente dannoso è anche il forte
inquinamento indotto da idrocarburi (NOx). Si ha formazione di composti espansivi che generano tensioni
interne e fessurazione del calcsestruzzo con conseguente distacco di sue parti: la portlandite reagisce con
gli ioni solfati SO4— generando CaSO4H2O (gesso); quest’ultimo reagendo con i monosolfoalluminati genera
ettringite secondaria fortemente espansiva, la quale rigonfiando crea fessurazione e quindi distacco di
porzioni di cls. In ambienti con elevato tasso di umidità, la reazione evolve ulteriormente generando
thaumasite, che provoca completa decoesione del cls.
Le azioni di tipo fisico sono legate all’abrasione (acqua ad alta velocità, attrito degli elementi solidi) e
all’azione della temperatura (cicli di gelo-disgelo). Particolarmente gravosa è l’azione di gelo e disgelo che
provoca esfoliazione delle parti superficiali del calcestruzzo. Il processo interessa il materiale ricco di
umidità ed esposto per molti mesi ad escursione termica intorno a 0° C. Ll’incremento di volume dell’acqua
nel passaggio dallo stato liquido allo stato solido (7/9%) provocauna aumento della sua pressione internae
successivi cicli di sollecitazioni interne. Il fenomeno che inizia superficialmente si espande all’interno
riducendo le dimensioni dell’elemento.
La prevenzione a tutti i fenomeni di danneggiamento sopra elencati passa attraverso la scelta oculata del
copriferro in funzione della classe di esposizione, il controllo del rapporto a/c e del tipo di cls per evitare un
prodotto troppo poroso, oltre ad eventuali prescrizioni aggiuntive (rivestimento delle armature o
l’adozione di barre in acciaio inox o zincate), che rendano gli elementi strutturali sufficientemente resistenti
agli attacchi.