Strutture in c.a.: quadri fessurativi e deformativi promossi dal ritiro e da carenze statiche e/o costruttive

In questo articolo*, vengono presentati i dissesti sulle strutture in c.a. generati dal ritiro e da carenze statiche e/o costruttive, i quadri fessurativi e deformativi ad essi associati, gli elementi strutturali e accessori coinvolti e le possibili cause responsabili delle patologie riscontrate. 


*Tratto dal Capitolo 6 del libro di Luigi Coppola e Alessandra Buoso, edito da ULRICO HOEPLI, dal titolo “IL RESTAURO DELL’ARCHITETTURA MODERNA IN CEMENTO ARMATO - Alterazione e dissesto delle strutture in c.a. - Diagnostica – Interventi di manutenzione e adeguamento antisismico - Materiali, tecniche e cantieristica”. La numerazione delle figure è stata mantenuta la stessa del libro.


 

L'importanza della comprensione dei fenomeni di dissesto delle strutture in c.a.

Le opere in calcestruzzo armato possono essere interessate non solo dalle forme di alterazione e di degrado) di tipo fisico-chimico causato da agenti aggressivi esterni (anidride carbonica, cloruri, solfati, etc.) o determinate da errori commessi durante l'esecuzione dell'opera (macchie, bolle superficiali, perdite di boiacca, etc.), ma anche da fenomeni di dissesto strutturale – generati dall'azione dei carichi verticali e da quelli orizzontali (di natura sismica) o dalle coazioni promosse dal ritiro idraulico impedito – che si manifestano generalmente in forma di quadri fessurativi, di deformazioni più o meno pronunciate degli elementi costruttivi sia strutturali che non portanti, di schiacciamento del calcestruzzo e di svergolamento delle barre di armatura e, nei casi più gravi, di crollo sia delle strutture portanti che di quelle accessorie.

La comprensione delle cause e dell'evoluzione di questi fenomeni rappresenta un compito difficile, spesso controverso e arduo, che richiede una notevole sensibilità e una profonda esperienza, ma che si rende necessaria per una corretta definizione di un intervento di ripristino. Intervento che, oltre ad eliminare le patologie riscontrate, deve porsi come obiettivo anche quello di sanare le carenze insite negli elementi strutturali e accessori al fine di migliorarne sia la risposta locale che complessiva nei confronti delle azioni statiche e dinamiche agenti.

Sebbene le forme di dissesto strutturale possano essere molteplici e, per certi versi, "infinite", le situazioni che possono determinare la comparsa di dissesti di tipo strutturale possono essere ascritte a (Fig. 6.1):

  • cedimenti di fondazione
  • carenze statiche e/o costruttive nei confronti delle sollecitazioni flettenti, taglianti e di compressione assiale
  • scadente risposta all'azione sismica e conseguenti danneggiamenti sia alle strutture portanti che agli elementi secondari (ad esempio, tamponamenti e tramezzi).

Inoltre, le fessurazioni negli elementi in c.a. possono essere ricondotte alle coazioni che insorgono per effetto del ritiro idraulico della matrice cementizia impedito dalla presenza dei vincoli interni ed esterni all'elemento strutturale interessato dalla contrazione di volume. 

 

Le principali cause di dissesto strutturale e gli elementi portanti e accessori coinvolti.

 Fig. 6.1 – Le principali cause di dissesto strutturale e gli elementi portanti e accessori coinvolti.

 

Quadri fessurativi e deformativi promossi dal ritiro e da carenze statiche e/o costruttive 

La comparsa di quadri fessurativi e deformativi negli elementi in c.a. può:

  • favorire l'ingresso di sostanze aggressive e innescare, quindi, la corrosione delle barre d'armatura e/o i processi di degrado del calcestruzzo per effetto dei cicli di gelo disgelo o delle reazioni chimiche promosse dal solfato, dall'acido carbonico etc.;
  • compromettere l'aspetto estetico della struttura;
  • pregiudicare la funzionalità dell'elemento strutturale coinvolto o l'opera nel suo complesso;
  • risultare pericolosa ai fini della sicurezza strutturale.

Per questo motivo, nelle nuove costruzioni è opportuno adottare tutti gli accorgimenti di calcolo, quelli progettuali, come il ricorso ai giunti, ad armature di ripartizione che consentano di prevenire la comparsa delle lesioni o di controllarne sia lo sviluppo che l'ampiezza. Nelle costruzioni esistenti, invece, è di fondamentale importanza stabilire le cause che hanno prodotto la comparsa di un quadro fessurativo e/o deformativo, onde valutare quale intervento di ripristino adottare. A tale scopo, al fine di comprendere la "genesi" della lesione è opportuno valutare il suo andamento in relazione all'elemento strutturale coinvolto, la sua posizione, l'apertura massima della lesione, i cigli e i ventri fessurativi nonché quando le fessure si sono manifestate.

 

I quadri fessurativi promossi dal ritiro idraulico del calcestruzzo

In via del tutto generale, si ritiene che lesioni indotte dallo sforzo di trazione generato dall'impedimento al ritiro del calcestruzzo non siano pericolose dal punto di vista strutturale, ma rappresentino un problema per la durabilità delle strutture coinvolte e per la loro funzionalità. Si pensi, ad esempio, alle fessure nelle pavimentazioni industriali prodotte da un'erronea o tardiva realizzazione dei giunti di contrazione. I quadri fessurativi, in questo caso, tendono nel tempo a evidenziare fenomeni di sbrecciamento dei cigli della lesione per effetto dell'azione esercitata dal passaggio di veicoli su ruote che possono compromettere la funzionalità del pavimento. Oppure, si faccia riferimento alle fessurazioni di un muro verticale di sostegno o di una vasca di contenimento di acque o di un canale. In questo caso, la comparsa delle fessure da ritiro determina la perdita di tenuta idraulica della struttura. 

In linea di massima, le fessure da ritiro igrometriche nelle travi non costituiscono un problema per la statica delle strutture poiché presentano ampiezze modeste, inferiori a due-tre decimi di millimetro, e, pertanto, non pregiudizievoli nemmeno per la durabilità dell'opera. In un telaio a più campate le fessurazioni da ritiro si presenteranno con maggiore probabilità nelle campate intermedie, nelle quali maggiore, rispetto a quelle di estremità, è il grado di incastro della trave ai pilastri. Inoltre, sebbene la tensione di trazione derivante dall'impedimento alla contrazione da ritiro risulti massima in corrispondenza della mezzeria della trave, le lesioni, grazie alla presenza dell'armatura che distribuisce la contrazione su tutta la luce della trave, si manifestano nelle zone caratterizzate dalla minore percentuale di "ferro" che sono quelle ove si ha l'inversione del diagramma dei momenti flettenti derivanti dai carichi verticali. Pertanto, la sede più probabile per la soluzione di continuità è rappresentata dalle sezioni che distano dall'incastro con il pilastro di circa ⅓ ÷ ¼ della luce della campata (Fig. 6.7 e 6.8).

 

Formazione di fessure dovute al ritiro idraulico nella trave della campata centrale nella zona ove per effetto dell’inversione del diagramma del momento flettente la sezione è più sguarnita di armatura presentando solo ferri piegati.

Fig. 6.7 – Formazione di fessure dovute al ritiro idraulico nella trave della campata centrale nella zona ove per effetto dell’inversione del diagramma del momento flettente la sezione è più sguarnita di armatura presentando solo ferri piegati.

 

Strutture in c.a.: quadri fessurativi e deformativi promossi dal ritiro e da carenze statiche e/o costruttive

Fig. 6.8 – Particolare della trave della campata centrale di Fig. 6.7. Sono evidenziate le zone di possibile formazione delle fessure per ritiro idraulico.

 

A proposito dello sforzo di trazione indotto dall'impedimento al ritiro in una trave in calcestruzzo armato (Fig. 6.9), si possono configurare due distinte situazioni: una rappresentata da uno stato tensionale superiore alla resistenza a trazione del conglomerato che determina la formazione della soluzione di continuità. In tal caso, l'andamento delle fessure da ritiro in una trave è prevalentemente verticale e si presenta con ampiezza costante lungo tutta l'altezza della trave. La seconda da uno stato di sforzo prossimo, sebbene inferiore, alla resistenza a trazione del calcestruzzo. In questa seconda evenienza la trave si presenta integra. 

 

Schematizzazione dell'effetto dell'armatura sul ritiro di una trave in calcestruzzo armato

Fig. 6.9 – Schematizzazione dell'effetto dell'armatura sul ritiro di una trave in calcestruzzo armato

 

Nella Tabella 6.1, a titolo di esempio, si riporta lo stato tensionale indotto dall'impedimento al ritiro esercitato dall'armatura in una trave ad armatura dissimmetrica (area del ferro 20 cm2) di sezione 20x50 cm.

Come si può notare, lo stato tensionale di trazione indotto nella trave per effetto del ritiro idraulico impedito, non è trascurabile (σctmax), sebbene ridotto dalla viscosità del calcestruzzo (σctmaxC). È presumibile che, grazie ai coefficienti di sicurezza adottati nel calcolo per il valore della resistenza a trazione di progetto, lo stato tensionale effettivo indotto dal ritiro non risulti sufficiente a provocare la fessurazione della trave.

 

Tabella 6.1 – Stato tensionale indotto dall'impedimento al ritiro in una trave ad armatura dissimmetrica.

Stato tensionale indotto dall'impedimento al ritiro in una trave ad armatura dissimmetrica.

 

Tuttavia, per effetto di un evento esterno quale, ad esempio, il terremoto, il valore della tensione di trazione può subire un incremento come conseguenza del fatto che l'azione orizzontale determina una deformazione del telaio cui la trave appartiene. Lo spostamento della trave avviene inizialmente senza alcun incremento delle compressioni/trazioni. Successivamente, per l'elasticità della struttura, il sistema tende a ritornare nella posizione originaria inducendo trazione nella trave. 

Questa sollecitazione di trazione aggiuntiva si somma a quella esistente nella sezione in calcestruzzo armato per effetto del ritiro e può provocare la comparsa di lesioni, sebbene di modesta entità. Questo significa che nei fabbricati in calcestruzzo armato soggetti all'azione del terremoto si possono evidenziare fessure da ritiro che non si sarebbero manifestate in assenza del terremoto, anche se lo stato coattivo esistente all'interno delle sezioni in calcestruzzo armato, prima dell'azione sismica, di fatto, non poteva ritenersi trascurabile.

Sebbene gli effetti del ritiro idraulico siano riscontrabili in qualsiasi elemento in calcestruzzo armato – purché esposto all'aria – tuttavia, i quadri fessurativi promossi dalla contrazione di volume di origine igrometrica sono per lo più ricorrenti negli elementi strutturali caratterizzati da un elevato rapporto superficie/volume, quali solette, pavimentazioni, rampe e muri verticali con elevato sviluppo lineare.

In queste strutture, infatti, per la rilevante superficie esposta all'aria, maggiore è il quantitativo di acqua che dalla matrice cementizia può evaporare verso l'ambiente esterno generando elevate contrazioni di volume della matrice cementizia. L'impedimento alla libera contrazione da ritiro genera stati tensionali di trazione che nelle pavimentazioni – in assenza di giunti o quando questi sono realizzati in ritardo, ovvero non correttamente distanziati e profondi – possono produrre quadri fessurativi ad andamento caotico (Fig. 6.10) e che nei casi più gravi possono determinare lo sbrecciamento e la completa disgregazione del calcestruzzo per azione combinata di carichi mobili e di cicli di gelo disgelo (Fig. 6.11). Le fessurazioni da ritiro, infine, si manifestano anche per la mancata progettazione e/o corretta esecuzione dei giunti negli elementi di grande estensione superficiale o lineare (Fig. 6.12).

 

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Fig.6.10 – Fessurazione ramificata sulla superficie di una pavimentazione in calcestruzzo (Showroom Duvetica – Arch. Tadao Ando – Milano)

 

Sbrecciamento e disgregazione del calcestruzzo per effetto dei carichi mobili e dei cicli di gelo-disgelo in corrispondenza delle fessurazioni prodottesi per effetto del ritiro igrometrico 

Fig.6.11 - Pista in calcestruzzo velodromo di Dalmine (BG) – Sbrecciamento e disgregazione del calcestruzzo per effetto dei carichi mobili e dei cicli di gelo-disgelo in corrispondenza delle fessurazioni prodottesi per effetto del ritiro igrometrico

 

Fessurazione per mancanza di giunti sulle gradinate in calcestruzzo del Velodromo di Dalmine

Fig.6.12– Fessurazione per mancanza di giunti sulle gradinate in calcestruzzo del Velodromo di Dalmine (BG)

 

I dissesti per carenze statiche e/o costruttive

Fatta eccezione per i cedimenti di fondazione e per i quadri fessurativi promossi dal ritiro idraulico, peraltro facilmente identificabili in quanto presentano – per localizzazione delle soluzioni di continuità e per carattere della lesione – specificità non comuni ad altre cause di dissesto, la presenza di fessure e deformazioni negli elementi costruttivi può derivare da carenze statiche e/o costruttive.

Al fine di comprendere la causa responsabile del dissesto e la sua pericolosità per la statica dell'elemento e della struttura nel suo complesso, onde poter successivamente definire la "terapia" per gli eventuali interventi provvisionali e per quelli definitivi tesi all'eliminazione della patologia riscontrata, sarà necessario (Fig. 6.13):

  • rilevare l'andamento della lesione in relazione allo schema statico dell'elemento costruttivo. In sostanza, è opportuno rilevare la localizzazione e l'estensione della lesione non fine a se stessa, ma analizzata in relazione alla possibilità che la stessa possa interrompere o meno la continuità strutturale di un'apparecchiatura costruttiva;
  • analizzare l'andamento delle lesioni al fine di valutare se le stesse presentino caratteristiche tipiche delle fessure prodotte dalla sollecitazione tagliante e/o flessionale. A questo proposito, sarà utile – soprattutto negli elementi inflessi – identificare l'andamento della lesione rispetto alle isostatiche di compressione/trazione dell'elemento costruttivo;
  • valutare l'ampiezza della lesione in relazione al suo sviluppo al fine di individuare i ventri e le cuspidi della soluzione di continuità e il punto in cui essa raggiunge la sua massima ampiezza;
  • determinare lo spessore del copriferro onde stabilire eventuali errori nella disposizione della gabbia di armatura con conseguente riduzione della coppia resistente interna della sezione in c.a. La determinazione dello spessore del copriferro a ridosso della sezione fessurata si rende necessaria anche per stabilire la pericolosità di una lesione come meglio verrà chiarito al successivo paragrafo 6.3.3.

 Elementi chiave nel rilievo dei quadri fessurativi attribuibili a carenze statiche e/o costruttive

Fig. 6.13 – Elementi chiave nel rilievo dei quadri fessurativi attribuibili a carenze statiche e/o costruttive

 

I quadri fessurativi degli elementi inflessi seguono l'andamento degli sforzi di compressione, sviluppandosi in direzione perpendicolare agli sforzi di trazione (Fig. 6.14); le lesioni attribuibili alle sollecitazioni taglianti, invece, si sviluppano in prossimità degli appoggi con un'inclinazione a 45° (Fig. 6.15).

 

Andamento schematico delle isostatiche di compressione e trazione per una trave soggetta a flessione.

Fig. 6.14 – Andamento schematico delle isostatiche di compressione e trazione per una trave soggetta a flessione.

 

Lesioni in funzione del tipo di sforzo agente su una trave in calcestruzzo

Fig. 6.15 – Lesioni in funzione del tipo di sforzo agente su una trave in calcestruzzo

 

Le fessure per flessione su travi o solette in c.a. con vincoli di appoggio semplice o continuo si manifestano generalmente all'intradosso nella mezzeria o all'estradosso in corrispondenza degli appoggi e sono caratterizzate da un andamento perpendicolare all'asse principale della trave. 

Le lesioni si presentano con la massima ampiezza in mezzeria all'intradosso (sono beanti verso l'intradosso della trave) e agli appoggi sull'estradosso dove è massima la caratteristica flettente e, quindi, lo sforzo di trazione.

Generalmente, esse non raggiungono il lembo opposto a quello ove l'apertura della lesione è massima e tendono a diminuire in ampiezza per l'effetto di cucitura esercitato dai tondini di armatura (si tenga anche conto che l'estradosso della trave in mezzeria è soggetto a sforzi di compressione e viceversa a compressione è soggetto anche l'intradosso agli appoggi).

La comprensione dello schema statico/costruttivo di un elemento in c.a. è, quindi, fondamentale ai fini della comprensione del quadro fessurativo sia dal punto di vista delle cause scatenanti che della pericolosità. 

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Tratto dal libro di Luigi Coppola e Alessandra Buoso, edito da ULRICO HOEPLI, dal titolo “IL RESTAURO DELL’ARCHITETTURA MODERNA IN CEMENTO ARMATO - Alterazione e dissesto delle strutture in c.a. - Diagnostica – Interventi di manutenzione e adeguamento antisismico - Materiali, tecniche e cantieristica”.

Si ringrazia HOEPLI per la gentile concessione.

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