La verifica di resistenza a punzonamento è necessaria per elementi strutturali bidimensionali in calcestruzzo armato: solai a soletta piena, solai a soletta nervata con sezione piena sopra i pilastri, platee di fondazione. Tale verifica è richiesta ogni qual volta si abbia un elemento punzonante (un pilastro oppure un carico concentrato) che scarica sull’elemento punzonato, solitamente un elemento bidimensionale a sezione piena.
Nel corso dell’articolo vedremo nel dettaglio le caratteristiche del meccanismo resistente a punzonamento di elementi in calcestruzzo armato, come progettare e disporre l’armatura a punzonamento e quali verifiche di resistenza eseguire. Potrai inoltre scaricare gratuitamente il Focus Normativo PDF contenente tutte le prescrizioni normative sul tema. Buona lettura!
Punzonamento: come si manifesta il meccanismo di collasso
La rottura per punzonamento di elementi strutturali in calcestruzzo armato è una rottura di tipo fragile che non lascia presagire il collasso mediante la manifestazione di segnali premonitori quali quadri fessurativi pronunciati, espulsione di copriferri o deformazioni elevate. Si presenta tipicamente con il distacco di un cuneo di spinta causato dalla pressione esercitata dall’elemento punzonante (pilastro o carico concentrato), con conseguente perdita di stabilità dell’elemento strutturale bidimensionale. Puoi vedere l’esempio di un collasso per punzonamento di un solaio a piastra nell’immagine seguente.
Il cuneo di spinta, generato dalla sollecitazione di punzonamento, sarà rivolto verso l’alto nel caso di un solaio a soletta piena, sarà invece rivolto verso il basso nel caso di una platea di fondazione. Nell’immagine seguente puoi vedere la schematizzazione del meccanismo di collasso per punzonamento e il distacco del cuneo di spinta nella soletta piena in calcestruzzo armato per un solaio in elevazione e per una platea di fondazione.
La rottura a punzonamento non interessa i classici solai latero-cementizi, ovvero solai realizzati mediante travetti ad interasse costante con interposizione di pignatte. In tal caso la verifica a punzonamento non sarà necessaria. I travetti dei solai latero-cementizi scaricano su travi emergenti o travi a spessore. Le travi vengono progettate e verificate per resistere alle sollecitazioni taglianti trasmesse dai solai, pertanto saranno dotate di apposite armature a taglio (staffe) in grado di evitare la rottura fragile per taglio.
Resistenza a punzonamento: da quali parametri dipende
Nel caso di punzonamento di un solaio realizzato mediante una piastra a soletta piena, la resistenza al punzonamento dipende, in prima istanza, dalle caratteristiche del nodo pilastro-soletta. In particolare dai seguenti fattori:
- geometria del solaio: altezza utile della soletta e quantità di armatura a flessione presente;
- geometria del pilastro: forma della sezione (circolare, rettangolare etc.) e dimensioni;
- posizione del pilastro nell’area di impronta dell’impalcato: interno, di bordo o d’angolo.
La sollecitazione per punzonamento si manifesta come un’azione di taglio sull’elemento bidimensionale in calcestruzzo armato. La sollecitazione tagliante sarà pari allo sforzo assiale trasmesso dal pilastro nella superficie di contatto con l’elemento bidimensionale. In questa zona si manifesterà una diffusione localizzata di sforzi tangenziali.
Una possibile soluzione tecnica per aumentare la resistenza al punzonamento consiste nel prevedere un capitello alla sommità dei pilastri: in questo modo si riduce significativamente la discontinuità geometrica tra gli elementi e l’entità degli sforzi di taglio trasmessi. Tale soluzione è contemplata anche nella Normativa Tecnica UNI EN 1992-1-1:2005 di cui troverai l’estratto nel Focus Normativo PDF allegato all’articolo.
Verifica a punzonamento: le prescrizioni della Normativa Tecnica
Le NTC 2018 rimandano alle prescrizioni dell’Eurocodice ai fini del calcolo della resistenza a punzonamento. Le formule per il calcolo della resistenza a punzonamento sono di origine empirica, ottenute dall’elaborazione dei risultati prove sperimentali. La verifica di resistenza a punzonamento va eseguita con riferimento ad una sezione resistente efficace e consta di tre fasi:
- verifica della soletta: se non verifica bisognerà cambiare spessore, oppure aggiungere un capitello per aumentare l’area di contatto fra pilastro e soletta;
- verifica di resistenza della soletta in assenza di armature. Se questa verifica non è soddisfatta, sarà necessario disporre un’apposita armatura a punzonamento. In tal caso si procede con la terza fase;
- verifica della soletta con armatura a punzonamento.
Le tre verifiche elencate sopra vanno eseguite su un perimetro di controllo definito nell’UNI EN 1992-1-1:2005. La verifica della sezione della soletta di cui al punto 1, avviene lungo il perimetro caricato u0. Questo perimetro corrisponde all’impronta caricata e dunque coincide con il perimetro del pilastro o dell’elemento punzonante.
La seconda e la terza verifica vanno invece eseguite su un perimetro più esterno, detto perimetro di verifica u1. Il perimetro u1 si ottiene aggiungendo una distanza pari a due volte l’altezza utile media d al perimetro u0. I lati del perimetro u1 saranno raccordati fra loro mediante archi di cerchio di raggio pari a 2d.
Se la verifica di resistenza a punzonamento della sezione non armata (punto 2), nella quale consideriamo il solo contributo del calcestruzzo, non risulta soddisfatta, sarà necessario disporre un’apposita armatura a punzonamento lungo il perimetro di verifica.
Verifica di resistenza a punzonamento: la procedura di calcolo in tre step
Vediamo nel seguito dell’articolo tutti i passaggi necessari per l’esecuzione della verifica di resistenza a punzonamento.
Step 1: verifica in corrispondenza del perimetro u0 (area di impronta del pilastro)
La verifica di resistenza a punzonamento in corrispondenza dell’area di impronta del pilastro si esegue considerando una sezione resistente di base pari al perimetro u0 e altezza pari all’altezza utile media d. Si confronta, pertanto, la tensione tangenziale sollecitante con la tensione tangenziale resistente afferente a tale sezione. La tensione tangenziale sollecitante si ottiene dividendo lo sforzo assiale, trasmesso dal pilastro, per l’area della sezione resistente. La tensione tangenziale così ottenuta viene corretta tramite un parametro β per tenere conto dell’eccentricità del carico.
Se tale verifica non sarà soddisfatta sarà necessario aumentare lo spessore della soletta o modificare la sezione del pilastro.
Step 2: verifica a in corrispondenza del perimetro u1 in assenza di armatura a punzonamento
Si assume come sezione resistente la sezione avente altezza pari all’altezza utile d della soletta e base pari al perimetro u1. Nell’immagine seguente puoi vedere la sezione resistente corrispondente al perimetro u1 nel caso di una platea di fondazione.
Come nello step precedente, si confronta la tensione tangenziale sollecitante con la tensione tangenziale resistente. Il valore della tensione tangenziale resistente dipende dalle percentuali geometriche dell’armatura tesa nella soletta piena, dalle tensioni normali nel calcestruzzo nelle due direzioni ortogonali e da alcuni coefficienti definiti dagli Annessi Nazionali dell’Eurocodice (vedi Focus Normativo PDF allegato all’articolo).
Se la verifica a punzonamento risulta soddisfatta, non occorrerà disporre un’armatura aggiuntiva. In caso contrario si procede con lo step 3.
Step 3: verifica a in corrispondenza del perimetro u1 in presenza di armatura a punzonamento
Se nello step 2 la verifica non risulta soddisfatta, sarà necessario disporre un’apposita armatura a punzonamento. Quest’armatura andrà a collaborare con il calcestruzzo per offrire una maggiore resistenza d’insieme della sezione rispetto alle sollecitazioni da punzonamento. La resistenza a punzonamento in presenza di armatura si ricava mediante una formula che tiene conto della resistenza a taglio del solo calcestruzzo, del quantitativo di armatura a punzonamento e dei parametri di disposizione geometrica della stessa. Troverai la formula completa nel Focus Normativo PDF.
Armatura a punzonamento: tipologia e dettagli di posa in opera
La normativa prevede di disporre l’armatura necessaria a punzonamento (Asw) in maniera concentrica rispetto al pilastro, su diverse file, tutte con lo stesso quantitativo di armatura.
Le armature a punzonamento vanno disposte fino ad una distanza limite dal perimetro di verifica: tale distanza è definita tramite il perimetro esterno uout, oltre il quale non c’è più necessità di armare a punzonamento. Esso costituisce il limite tra la regione in cui le tensioni tangenziali nel calcestruzzo eccedono la resistenza (perimetro u1) e la regione in cui la resistenza del solo calcestruzzo torna ad essere superiore alle sollecitazioni.
Esistono diverse soluzioni tecnologiche per disporre l’armatura a punzonamento. Una di queste consiste nell’inserire dei ferri piegati a 35° o 45°. La porzione sagomata delle armature a punzonamento viene posta nella parte superiore della soletta quando a punzonare è il pilastro sotto la soletta (spinta sulla piastra rivolta verso l’alto); è posta nella parte inferiore quando a punzonare è il pilastro sulla piastra di fondazione (spinta sulla piastra rivolta verso il basso).
Un’alternativa ai ferri sagomati consiste nell’utilizzo di elementi stud, o pioli verticali, collegati tra loro da piattine disposte radialmente. Questo sistema permette di avere una maggiore praticità nella messa in opera.
L’Eurocodice 2 indica in modo dettagliato come disporre geometricamente le armature a punzonamento:
- la prima fila deve porsi a distanza di almeno 0,3 d dal pilastro e non superiore a 0,5d;
- le file devono essere distanti tra loro almeno 0,75 d;
- l’ultima fila si deve porre a distanza non maggiore di 1,5 d dal perimetro uout.
Per disporre le armature occorrerà calcolare il perimetro uout, oltre il quale non si ha più necessità di armatura a punzonamento.
Scarica il Focus Normativo PDF sulla verifica a punzonamento
Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018, della Circolare 2019 e dell’Eurocodice 2 riguardanti la verifica di resistenza al punzonamento raccolte in unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.
Conclusioni
La rottura a punzonamento è una rottura di tipo fragile che può interessare elementi bidimensionali in calcestruzzo armato quali solai a soletta piena, solai a soletta nervata e platee di fondazione. La tipologia di rottura che un progettista strutturale deve sempre assicurarsi di scongiurare in fase di progettazione è una rottura di tipo fragile. Le rotture fragili si manifestano senza segnali premonitori quali un quadro fessurativo in evoluzione, l’espulsione di copriferri, l’avvento di deformazioni elevate. Avviene all’improvviso. E le conseguenze possono essere catastrofiche.
Nel corso dell’articolo abbiamo visto come eseguire la verifica di resistenza al punzonamento, come calcolare i perimetri di controllo e come disporre un’idonea armatura a punzonamento. Spero che i contenuti di quest’articolo ti siano stati utili. Se l’articolo ti è piaciuto, puoi suggerirlo ad un tuo amico su Facebook o ad un tuo collega su Linkedin cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.
Al prossimo post.
Marco
Codice articolo: 254. Coautrice: ing. Nicoletta Tiberi