Avviso tecnico e di sicurezza importante: Questo è un testo didattico d’archivio, non un progetto strutturale, un calcolo statico, una norma applicabile, un dettaglio dei giunti o istruzioni per la costruzione, saldatura, betonaggio, puntellazione, precompressione o riabilitazione. Tutte le formule, le marcature, le dimensioni, i materiali, le procedure e le dichiarazioni originali vengono trasferiti senza verifica secondo le normative odierne. La progettazione e l’esecuzione delle strutture accoppiate acciaio-calcestruzzo spetta esclusivamente agli ingegneri civili autorizzati, ai progettisti strutturali, agli appaltatori e alla supervisione in base all’oggetto specifico, al carico, al terreno, al materiale e alle norme applicabili.
Le costruzioni connesse non sono un servizio speciale nell’attuale offerta al pubblico di Savo Kusić. Il focus attuale è finestre in legno, finestre in legno-alluminio e porte personalizzate. Per un progetto di finestre o porte, puoi inviare richiesta di preventivo.
Introduzione
In alcune costruzioni vengono utilizzate lastre di cemento armato su supporti in acciaio, come le lastre di pavimentazione di ponti su travi longitudinali e trasversali a I o soffitti di edifici su travi a I. In precedenza tali sistemi venivano dimensionati partendo dal presupposto che questi due elementi potessero muoversi insieme e che i momenti in direzione della campata principale venissero ricevuti solo dai supporti in acciaio. La soletta in cemento ha trasferito il carico alle travi in acciaio, ma non ha partecipato alla ricezione dei valori statici corrispondenti (fig. 1).
Immagine 1 — Vettore accoppiato, sistema
Per questo metodo di costruzione, sono previsti giunti trasversali nella soletta di cemento ad intervalli regolari, in modo da consentire il ritiro del cemento armato ed evitare fessurazioni indesiderate, cioè tensioni supplementari. Tuttavia, l’esperienza ha dimostrato che le forze effettive in un tale sistema sono significativamente diverse da quelle calcolate. Al contatto tra la soletta in cemento armato e il supporto in acciaio si verifica un grande attrito (stress di adesione), per cui entrambi gli elementi cooperano sempre.
Lo svantaggio dell’effetto di accoppiamento imprevisto è la comparsa di un effetto di intaglio sui giunti della soletta di cemento. Le sollecitazioni di taglio lungo la superficie del moncone aumentano notevolmente in prossimità del giunto, in modo simile alle sollecitazioni di taglio alle estremità delle cuciture laterali. Poiché la posizione della linea zero in corrispondenza del giunto praticamente non cambia, le sollecitazioni normali nel supporto in acciaio possono essere significativamente superiori a quelle calcolate per un accoppiamento uniforme. A partire da questa tacca si può verificare un mastering di adesione che si estende ulteriormente. Pertanto, i giunti nella soletta della pavimentazione non svolgono il loro ruolo e non sono efficaci.
Parentesi accoppiate
Nel caso di supporti accoppiati, si presuppone che le forze di taglio sulla superficie di contatto tra il supporto in acciaio e la soletta in calcestruzzo possano essere trasmesse in sicurezza (forze nelle travi). La regola è che la soletta in calcestruzzo appoggi direttamente sulla cinghia superiore del supporto in acciaio e che non vi siano movimenti relativi. In questo cosiddetto Con accoppiamento rigido vengono utilizzati mezzi di collegamento speciali (aste, staffe, ancoraggi), che vengono annegati nel calcestruzzo.
Osserveremo il caso di una trave accoppiata con soletta in calcestruzzo senza giunti trasversali. Se un determinato carico (ad es. momento flettente) agisce solo per un breve periodo, le corrispondenti sollecitazioni e deformazioni Δσ, risp. Δε secondo la scienza della resistenza elementare, simile al cemento armato. Le tensioni nell’acciaio e nel calcestruzzo, ad un certo allungamento, sono in relazione al loro modulo di elasticità: σst/σb = Est/Eb = n. Se il carico è di lunga durata si verificano deformazioni del calcestruzzo dovute al ritiro e allo scorrimento. Se con ε0 = σ/E0 segniamo la deformazione dovuta al carico a breve termine nel momento t = 0, allora la deformazione aumenta sotto carico permanente a causa dell’attrito fino al momento t al valore εt = ε0 (t + φt). Nelle stesse condizioni, le deformazioni di snervamento vengono calcolate come se fossero proporzionali alle sollecitazioni. Per questo si dice che la legge di Hooke si applica alle deformazioni dovute al flusso. Il coefficiente di flusso φt dipende dal tempo, dalla classe del calcestruzzo, dalla temperatura esterna, dall’umidità dell’aria, dal momento di carico dell’elemento, ecc.
Instead of bending according to Bernoulli\ and Navier, differential relationships appear, i.e. the stress distribution should be determined from the differential equation for flow. Per effetto del flusso le tensioni nel calcestruzzo diminuiscono, mentre nell’acciaio aumentano le tensioni. Queste variazioni di sollecitazione dipendono, oltre che dalle dimensioni della sezione trasversale, dalle dimensioni elastiche e dal momento di carico. Conseguenze simili a quelle del flusso si verificano in caso di ritiro del calcestruzzo. L’entità delle misure di ritiro εs dipende dal calcestruzzo, dal metodo di produzione e dalle condizioni climatiche. Il ritiro del calcestruzzo non dipende dal carico applicato all’elemento.
Giunti
I mezzi di accoppiamento devono trasferire in modo sicuro tutte le forze di taglio nelle superfici in calcestruzzo e acciaio in contatto, dovute ai carichi che si verificano, e quindi impedire lo scivolamento. Inoltre, dovrebbero ricevere le forze di tensionamento principali oblique se, a causa delle loro dimensioni, la sezione di calcestruzzo stessa non può riceverle. L’entità delle forze è determinata secondo la teoria elementare della flessione. Sono considerati mezzi di accoppiamento:
- Ancoraggi di accoppiamento: Sono piastre in ferro tonde o piatte, saldate alla cinghia superiore del supporto in acciaio, che agiscono in modo simile all’armatura piegata delle travi in cemento armato. Sono realizzati come ganci o staffe, in diagonale o in verticale. Questi ancoraggi agiscono solo in una direzione e non sono efficaci se la forza di taglio cambia segno.
- Staffe: sono fissate alla superficie superiore del supporto in acciaio, possono ricevere forze di taglio in entrambe le direzioni. Dovrebbe essere fatta una distinzione tra cervelli morbidi e rigidi nella direzione della forza di taglio. Le cellule cerebrali molli subiscono deformazioni significative e distribuiscono in modo non uniforme le forze di taglio sulla loro superficie. I cervelli rigidi danno una migliore distribuzione delle forze con deformazioni minori.
Immagine 2 — Ponte sul fiume Ruhr vicino a Herdecke
- Rinforzo a spirale: Poggia su un supporto in acciaio ed è saldato nei punti di contatto. Le spirali non sono adatte per forze di accoppiamento significative. Lo stesso vale per l’acciaio tondo ondulato. Come esempio di mezzi per l’aggancio su ponti, in fig. 2 sono mostrate le travi del ponte sulla Ruhr presso Herdecka (travi 60x40 con staffe verticali ϕ12, che vengono saldate alle travi stesse, in modo da evitare ulteriori intagli di saldatura); nella fig. Sono stati applicati mezzi 3 per collegare le travi trasversali di un ponte, a seconda dell’entità della forza trasversale, sono state applicate staffe saldate lateralmente per le travi, nonché staffe saldate direttamente per la cintura superiore con travi speciali. Nel caso di staffe lunghe è possibile saldare le staffe anche su lati opposti, fig. 4a. Nella fig. 4b è la soluzione mostrata con staffe inclinate.
Figura 3 — Appoggio trasversale di un ponte
Immagine 4 — Cervelli con staffe
In edilizia si utilizzano anche staffe rigide con staffe o solo staffe, ma si incontrano anche soluzioni con staffe morbide, come ad es. angoli rivettati. Per ragioni economiche vengono più spesso utilizzati ancoraggi di accoppiamento, che vengono saldati di testa ad un supporto in acciaio (fig. 5a), oppure appoggiati sul supporto con un’estremità piegata (fig. 5b). Nella fig. 5c mostra la corrispondente soluzione con ganci spostati. Nella fig. 6 mostra una soluzione normale per i supporti del soffitto nella costruzione di edifici, vale a dire a) un supporto accoppiato fatto di travi a I, b) fatto di travi a T, che viene creato tagliando le travi a I. Alle estremità dei supporti dovranno sempre essere previsti dei tiranti di estremità particolarmente robusti (fig. 7). Gli ancoraggi inclinati vengono utilizzati per introdurre sollecitazioni da ritiro e temperatura nella soletta.
Immagine 5 — Ancoraggi di accoppiamento
Immagine 6 — Supporto della struttura del soppalco
Il dimensionamento dei mezzi di accoppiamento viene effettuato secondo principi elementari. I singoli mezzi dovrebbero ricevere una forza di taglio corrispondente alla loro spaziatura. Quando si dimensiona la connessione saldata del tronco cerebrale, è necessario tenere conto del momento ribaltante.
Immagine 7 — a) Fine del cervello con ancoraggio; b) ancoraggio
Giunto elastico
Le presentazioni precedenti riguardavano l’accoppiamento rigido, dove lo spostamento relativo tra il supporto in acciaio e la piastra è uguale a zero e i mezzi di accoppiamento agiscono continuamente. Si trascura la deformazione dei mezzi di accoppiamento, la deformazione locale del calcestruzzo e del supporto in acciaio.
Immagine 8 — Staffa con giunto elastico
Supponendo l’accoppiamento rigido, le forze trasmesse dai singoli mezzi di accoppiamento sono proporzionali alla forza trasversale e alla distanza del cervello. Se in determinate zone si verificano movimenti relativi significativi tra il supporto in acciaio e la soletta in cemento, ciò provoca un notevole raggruppamento di forze. Il calcestruzzo può parzialmente smettere di agire come piastra di pressione di una trave accoppiata, per cui i valori massimi delle forze di taglio vengono notevolmente ridotti. Nella fig. 8 è un esempio di struttura ad accoppiamento elastico, simile al ponte sul Reno, Colonia-Rodenkirchen. Nella fig. 9 mostra l’effetto dell’accoppiamento elastico su un supporto continuo, per una forza concentrata e un carico distribuito uniformemente. Lo spostamento ψ, che è una misura della rigidezza del giunto per ricevere il taglio, è definito in fig. 8. L’influenza dell’accoppiamento elastico è quindi molto grande, se le proprietà dell’accoppiamento vengono scelte appositamente per ricevere il taglio.
Figura 9 — Esempio di ponte con giunto elastico
Calcolo delle strutture accoppiate
In linea di principio conviene che lo spessore della soletta in calcestruzzo sia il più piccolo possibile, mentre si dovrebbero rispettare gli spessori minimi stabiliti dalle normative.
Costruzioni determinate staticamente
Per costruzioni determinate staticamente (ad esempio travi semplici) le influenze statiche nella sezione comune per un determinato carico sono costanti, risp. indipendente dal tempo. Solo i momenti flettenti e le forze normali in alcune parti della sezione sono variabili per effetto del flusso e del ritiro.
L’effetto del ritiro può essere rappresentato come una corrispondente differenza di temperatura tra il supporto in acciaio e la soletta in cemento. Come risultato del ritiro del calcestruzzo, nella sezione accoppiata compaiono tensioni interne, vale a dire tensioni di trazione da ritiro nel calcestruzzo, il cui ritiro è impedito dall’influenza del supporto in acciaio (nonché dell’armatura stessa), mentre corrispondenti tensioni di compressione si verificano nella sezione in acciaio (fig. 10). Il restringimento aumenta con il tempo fino ad un valore finale secondo un’unica funzione esponenziale. Poiché con le deformazioni da ritiro aumentano anche le sollecitazioni da ritiro, ciò si traduce nel cosiddetto flusso di ritiro.
Figura 10 — a) Contrazione della piastra libera senza accoppiamento; b) tensioni dovute al ritiro nei supporti accoppiati
A seconda del sistema statico che assume il peso proprio della soletta in calcestruzzo, c’è una differenza: accoppiamento per il solo carico mobile (il peso proprio è assunto solo dal supporto in acciaio, e il sistema accoppiato riceve solo i carichi che agiscono sulla struttura finita), accoppiamento per il peso proprio e il carico mobile (l’intero peso proprio e il carico mobile agiscono sul sistema accoppiato).
Il primo caso si verifica quando le travi in acciaio fungono da supporti della cassaforma, senza essere supportate, e durante il getto possono piegarsi in campo (fig. 11a). In questo caso, è il supporto in acciaio stesso a sostenere il peso del calcestruzzo e della cassaforma. L’incollaggio avviene solo quando il calcestruzzo è sufficientemente duro (fig. 11b), pertanto il supporto non deve essere caricato immediatamente dopo la gettata, per evitare danni o un eccessivo scorrimento del calcestruzzo.
Nel secondo caso, quando il peso proprio della lastra di cemento viene ricevuto anche dal sistema accoppiato (fig. 11c), si presuppone che il supporto in acciaio sia supportato durante il getto in punti sufficienti, in modo che non riceva momenti flettenti significativi. La distribuzione della tensione dopo la rimozione del ponteggio è mostrata in fig. 11d.
Figura 11 — Giunto per carico mobile e permanente, con distribuzioni di tensione prima e dopo la rimozione del ponteggio
Precarico
Nel caso di travi semplici, nel calcestruzzo si verificano tensioni di trazione minori solo a causa del ritiro e della differenza di temperatura. Nelle travi sporgenti, nelle travi continue e in altre strutture si verificano notevoli sollecitazioni di trazione che possono causare crepe nel calcestruzzo. Se compaiono crepe nell’area dei momenti negativi, l’effetto di accoppiamento viene perso. Pertanto è utile indurre preventivamente piccole tensioni di compressione nella soletta in calcestruzzo per evitare con sicurezza la formazione di fessurazioni dovute al ritiro del calcestruzzo. Le tensioni di trazione nella soletta in calcestruzzo delle travi accoppiate possono essere ridotte:
1. Mediante corrispondente precarico negativo della trave in acciaio (pretensionamento del bordo superiore). Allo stesso tempo, la sequenza del getto del calcestruzzo dovrebbe essere attentamente studiata.
2. Alzando e abbassando i supporti centrali dei supporti continui. per cui, con l’apposita procedura, si possono provocare tensioni di compressione nella soletta in calcestruzzo del supporto accoppiato.
3. Mediante precompressione. Il caso più semplice è quello in cui una soletta libera in calcestruzzo viene precompressa e solo successivamente collegata ad un supporto in acciaio. Il vantaggio di questa procedura è una forza di precompressione relativamente piccola, poiché la cinghia compressa del supporto in acciaio non è precompressa. Questa trave riceve momenti flettenti solo a causa dello scorrimento e del ritiro della soletta in calcestruzzo, quindi rimane diritta a causa della forza di precompressione. Nella fig. 12a mostra la distribuzione delle tensioni per questo caso di precompressione (t=0), e in fig. 12b stato finale alla fine del flusso (t=tE) e in fig. 12c sollecitazioni di flessione dovute al momento di carico a breve termine (t=a). Nella fig. 12d mostra la distribuzione delle tensioni per t=0 nel caso di precompressione della soletta in calcestruzzo incollata.
Figura 12 — Precompressione di una soletta in calcestruzzo autoportante con successivo accoppiamento
Costruzioni staticamente indeterminate
Travi continue e strutture simili ricevono momenti flettenti negativi, che spesso causano elevate sollecitazioni a trazione nella soletta in cemento armato. Le crepe sono indesiderabili soprattutto nei ponti, considerando la durata delle travi accoppiate e l’effetto degli intagli sulle crepe. I sistemi staticamente indeterminati vengono calcolati per carichi a breve termine (carichi in movimento) secondo i consueti metodi statici per un sistema invariato. Le quantità statiche e le deformazioni corrispondenti sono le stesse di un sistema idealmente elastico. Sotto l’effetto di un carico costante, soprattutto di una precompressione elevata, si verifica sempre un flusso elevato. Nel determinare la forza di precompressione è necessario tenere conto dell’attrito degli elementi di precompressione piegati. Durante la costruzione, la sporgenza dei ponti accoppiati deve essere scelta attentamente. I supporti accoppiati già pronti sono molto rigidi per cui è quasi impossibile apportare successive correzioni della posizione in altezza. Il livello finale viene raggiunto solo dopo diversi anni, considerando il flusso. Tale livellamento è in una certa misura incerto, poiché gli effetti del ritiro e del flusso sono variabili, a seconda delle condizioni climatiche che non possono essere previste.
Conclusione
L’applicazione dell’accoppiamento non si limita alle travi in lamiera, ma può comprendere anche supporti per l’irrigidimento di travi Langer, ponti sospesi, ecc. nonché travi tralicciate con carreggiata in salita o in discesa. Ponti reticolari - elevate sollecitazioni a trazione si verificano nelle lastre stradali in prossimità della carreggiata sottostante, poiché queste lastre devono seguire in misura maggiore o minore l’allungamento della cinghia tesa della trave principale. Per evitare fessurazioni è necessaria un’adeguata precompressione longitudinale. Nella fig. 13 è un caso limite in cui la griglia in acciaio non ha più una cintura inferiore, e il suo ruolo è completamente assunto da una soletta in cemento armato precompresso in entrambe le direzioni. Nella fig. 13b si possono vedere i canali della sezione trasversale 60x180 mm nel supporto stesso.
Immagine 13 — Ponte Gahle: a) sezione; b) incrocio della cintura inferiore, a sinistra alla stazione centrale, a destra a Vešaljka