Calcestruzzo confinato: come realizzarlo utilizzando staffe e legature [novità delle NTC2018]

L’armatura trasversale, ovvero le staffe di un elemento strutturale in cemento armato, hanno la funzione di garantire la resistenza a taglio. Ma non è l’unico effetto prodotto dalla presenza delle staffe. L’armatura trasversale gioca un ruolo fondamentale nel confinamento del calcestruzzo, in particolar modo se messa in opera in combinazione con delle legatureNel nuovo articolo di oggi ti parlo dell’effetto del confinamento generato dalle staffe e dalle legature messe in opera negli elementi in cemento armato e di come tenerne conto nella valutazione della capacità ultima della sezione.

confinamento calcestruzzo staffe

Si tratta di una delle novità delle NTC2018. Tenere conto dell’effetto del confinamento rende i modelli di resistenza di una sezione più coerenti con la realtà. Di pari passo aumenta anche la complicazione delle verifiche se non hai ben chiaro i princìpi alla base di quest’effetto. Sono certo che il nuovo articolo di oggi ti sarà utile per fare un po’ di chiarezza.

L’effetto del confinamento: da Poisson al cerchio di Mohr

Il confinamento sfrutta un principio semplice per aumentare le resistenza a compressione di un materiale, ovvero l’effetto Poisson. L’effetto Poisson consiste nella manifestazione di deformazioni laterali orizzontali in presenza di una deformazione assiale verticale. Oltre ad una deformazione di compressione o di trazione, si avrà anche una deformazione laterale rispettivamente di dilatazione o contrazione.

effetto poisson

Se si applica una pressione laterale ad un materiale soggetto a compressione, la tensione di compressione che porta a rottura il materiale risulterà essere più alta rispetto al caso di assenza di pressione laterale.

Ti ho già parlato del confinamento in quest’articolo in cui puoi trovare una spiegazione semplice grazie ad un esperimento che utilizza della plastilina. Nel post di oggi ti do una spiegazione un po’ più rigorosa che chiama in gioco il cerchio di Mohr. Puoi osservare nell’immagine qui sotto cosa succede al Cerchio di Mohr quando viene applicata una pressione laterale.

cerchio di mohr confinamento

Traslazione del Cerchio di Mohr per effetto del confinamento

La presenza della tensione laterale (σ2) di compressione, fa traslare verso destra il cerchio di Mohr. Di conseguenza il provino sarà in grado di sopportare una tensione di compressione maggiore (σ1), prima di arrivare a rottura per il raggiungimento della massima tensione tangenziale sopportabile (τmax). 

Il confinamento generato da staffe e legature

Il confinamento del calcestruzzo si ottiene grazie alla presenza di staffe chiuse e legature che per effetto della dilatazione trasversale del calcestruzzo in cui sono annegate, raggiungono la tensione di snervamento, opponendosi a tali deformazioni. L’effetto del confinamento consente al calcestruzzo di raggiungere tensioni e deformazioni più elevate rispetto al caso di calcestruzzo non confinato. In pratica si incrementa la resistenza e la deformazione ultima del materiale.

Ti riporto di seguito l’estratto delle NTC2018 che introduce la novità relativa al confinamento del calcestruzzo.

Per il diagramma tensione-deformazione del calcestruzzo confinato è possibile adottare opportuni modelli rappresentativi del reale comportamento del materiale in stato triassiale. Questi modelli possono essere adottati nel calcolo sia della resistenza ultima sia della duttilità delle sezioni e devono essere applicati alle sole zone confinate della sezione.
Il confinamento del calcestruzzo è normalmente generato da staffe chiuse e legature interne, che possono raggiungere la tensione di snervamento a causa della dilatazione laterale del calcestruzzo a cui tendono ad opporsi. Il confinamento consente al calcestruzzo di raggiungere tensioni e deformazioni più elevate di quelle proprie del calcestruzzo non confinato. Le altre caratteristiche meccaniche si possono considerare inalterate.

 par. 4.1.2.1.2.1 – NTC2018

Puoi vedere nell’immagine qui sotto cosa accade in pratica al legame costitutivo del calcestruzzo confinato per effetto delle staffe. Si ha un aumento della resistenza fck e della deformazione ultima del calcestruzzo.

confinamento calcestruzzo con staffe e legature

I parametri che entrano in gioco

Ma da cosa dipende l’incremento di resistenza e di deformazione che può manifestare il calcestruzzo in presenza del confinamento? E come si valuta?

Le NTC2018 forniscono delle formule per ottenere la tensione di rottura e la deformazione ultima del calcestruzzo confinato. Eviterò di riportarti le formule che entrano in gioco (le trovi al par. 4.1.2.1.2.1 delle NTC2018), ma ti citerò solo i parametri che influiscono sull’incremento di resistenza e di duttilità.

L’incremento di resistenza e di duttilità del calcestruzzo confinato dipende dalla tensione laterale σ2 che le staffe esercitano sul calcestruzzo, opponendosi alla dilatazione trasversale. La tensione laterale σ2 esercitata dalle staffe sul calcestruzzo dipende a sua volta dai due seguenti parametri:

  •  l’area delle staffe disposta in corrispondenza delle due direzioni principali della sezione;
  • Il volume di calcestruzzo efficacemente confinato.

L’area delle staffe

La pressione di confinamento dipende dall’area della sezione delle staffe disposte lungo le due direzioni principali della sezione (x e y), dal passo delle staffe e dalla tensione di snervamento dell’acciaio delle staffe.

Il volume efficacemente confinato

La pressione laterale esercitata dalle staffe andrà ridotta tramite l’utilizzo di un coefficiente di efficienza minore di uno che dipende dal rapporto fra il volume di calcestruzzo efficacemente confinato e il volume di calcestruzzo dell’elemento. In presenza di staffe e legature, ci sarà un nucleo interno di calcestruzzo che risentirà della presenza della pressione laterale di confinamento. La restante parte più periferica non risentirà di tale effetto.

volume efficacemente confinato calcestruzzo

Quando tener conto del confinamento del calcestruzzo

La Normativa Tecnica consente al progettista di decidere se tenere conto o meno dell’effetto del confinamento. Se si decide di tenere in conto il confinamento generato da staffe e legature, nel valutare la resistenza di una sezione si dovrà considerare la perdita dei copriferri al raggiungimento in essi della deformazione ultima di compressione del calcestruzzo non confinato (0,35%).
Le NTC2018 consentono di scegliere fra una delle tre diverse strategie di progettazione seguenti:

  1. si trascura l’effetto del confinamento;
  2. si considera l’effetto del confinamento per tutti gli elementi strutturali;
  3. si considera l’effetto del confinamento per tutti gli elementi verticali secondari e per le zone dissipative allo spiccato dalle fondazioni o dalla struttura scatolare rigida di base di cui al § 7.2.1 degli elementi primari verticali (pilastri e pareti).

Conclusioni

I modelli fisico-matematici utilizzati per valutare la sicurezza di una struttura diventano sempre più completi e accurati. Tenere conto dell’effetto del confinamento generato da staffe e legature ed essere in grado di valutarlo numericamente è senz’altro un passo avanti. Ma parallelamente gli algoritmi di calcolo e le procedure diventano sempre più articolati e complessi. Spero che l’articolo di oggi ti abbia aiutato a fare un po’ di chiarezza su quest’argomento.

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Al prossimo articolo.

Marco.