Comportamento di edifici in calcestruzzo ordinario e alleggerito in relazione alla tipologia di fondazione

Memoria tratta dagli atti del XIX° Convegno C.T.E. tenutosi a Bologna nel novembe 2012

SUMMARY

In these last years, besides ordinary concrete, the use of innovative materials like lightweight concrete has become increasingly widespread for several sustainability and structural reasons. Lightweight concrete is usually produced by replacing ordinary aggregates with lightweight ones, so resulting in a lower material density, with respect to ordinary concrete, which in turn leads to a significant decrease in self-weight and to the consequent possibility of a cross-section reduction in the bearing elements constituting both the superstructure and the foundations. This determines not only great benefits in terms of global seismic response, but also the possibility of building on poor soils with low bearing capacity that would make construction with ordinary concrete extremely complex or would require expensive types of foundations. In this work a parametrical - numerical analysis on a case study represented by a reinforced – ordinary and lightweight – concrete multi-storey building will be performed in order to investigate the possible advantages related to a "more light" structure when the soil characteristics vary. The structural performances obtained by adopting concrete with different density will be compared and discussed in terms of choice of foundation type (shallow or deep) and of material saving.

1. INTRODUZIONE

A partire dagli anni '60 del secolo scorso, sia nella realizzazione di nuovi edifici che negli interventi sul patrimonio edilizio esistente, si è visto un crescente impiego dei calcestruzzi leggeri, che sono in genere prodotti sostituendo, del tutto o in parte, gli inerti ordinari con inerti leggeri. Tali aggregati possono essere sia di tipo naturale (come la pomice, la diatomite o le ceneri vulcaniche) che artificiale (come la perlite, l'argilla, lo scisto o l'ardesia espanse, nonché alcuni materiali polimerici), e sono caratterizzati, nella maggior parte dei casi, da una notevole porosità. L'elevata presenza di vuoti negli aggregati leggeri fornisce al calcestruzzo migliori qualità di assorbimento acustico e isolamento termico, con conseguente risparmio nel riscaldamento e nel raffreddamento domestico. A fronte di questi miglioramenti prestazionali, i calcestruzzi leggeri presentano tuttavia una riduzione delle loro caratteristiche meccaniche e della duttilità al diminuire del peso specifico [1-5]. Dal punto di vista strutturale, la ridotta densità rispetto ad un calcestruzzo ordinario consente un notevole contenimento del peso proprio degli elementi portanti, che si traduce a sua volta nella possibilità di ridurre la sezione trasversale degli elementi in elevazione e, di conseguenza, le dimensioni delle strutture di fondazione. Questo comporta da un lato evidenti benefici in ambito sismico, legati alla diminuzione delle forze d'inerzia agenti sulla struttura, e dall'altro la possibilità di edificare su terreni che, per l’elevata deformabilità o le scarse caratteristiche di resistenza, renderebbero estremamente complesso l'utilizzo del calcestruzzo ordinario o necessiterebbero di costose tipologie di fondazione.
Nel presente lavoro, attraverso uno studio di tipo numerico - parametrico, verranno indagati nel dettaglio gli eventuali vantaggi connessi alla realizzazione di una struttura "leggera" al variare delle caratteristiche del terreno di fondazione. Verrà a tal fine preso in esame un edificio "tipo" multipiano, con struttura a telaio in c.a., e si confronteranno le prestazioni – limitatamente al campo strutturale – ottenute adottando sia calcestruzzo ordinario che leggero e considerando diverse tipologie di terreno. Si vedrà quindi come la tipologia di calcestruzzo impiegata possa influenzare la scelta della fondazione (superficiale o profonda) e, per una data tipologia di fondazione, quali vantaggi si possano avere in termini di risparmio di materiale adottando una soluzione "leggera".

2. DEFINIZIONE DEL CASO DI STUDIO

Al fine di poter confrontare le prestazioni strutturali di fabbricati realizzati in calcestruzzo armato ordinario e alleggerito, si è preso in esame un edificio-tipo a destinazione residenziale, costituito da quattro piani fuori terra, uno seminterrato e un sottotetto accessibile per sola manutenzione. Ciascun piano occupa una superficie di circa 730 m², suddivisi in sei unità abitative.

L'edificio presenta regolarità non solo in pianta ma anche in altezza, così da assicurare un buon comportamento anche per azioni dinamiche, limitando gli spostamenti e le sollecitazioni sugli elementi più eccentrici. L'altezza interna dei vani è pari a 2.70 m, ad eccezione del sottotetto che presenta un'altezza media di 1.75 m.
La struttura portante è a telaio tridimensionale, con pilastri e travi in c.a. di luce massima pari a 5 m. La pianta strutturale del piano-tipo è riportata in Figura 1b, dove sono indicati i 52 pilastri in c.a. (che si riducono a 22 al piano seminterrato per la presenza delle pareti perimetrali in c.a.), le travi, distinte in emergenti (in colore rosso) ed in spessore (in colore verde), nonché le orditure dei solai. I pilastri si estendono per tutta l'altezza della costruzione, senza restringimenti di sezione. É inoltre presente una scala interna, con schema di trave a ginocchio, realizzata tramite soletta portante in c.a. Al fine di condurre uno studio di tipo numerico - parametrico sull'edificio in esame, è stata considerata una casistica che prevede la realizzazione della struttura portante con diversi materiali e tipologie di impalcati, come sintetizzato in Tabella 1. Per la progettazione si è ipotizzato che l'edificio sia in classe di duttilità B e sia ubicato in zona sismica 3, mentre il terreno di fondazione è stato fatto variare considerando due situazioni limite (terreno normalconsolidato e sovraconsolidato), verificando la possibilità o meno di realizzare una fondazione a platea.

2.1. SCELTA DEI MATERIALI E STRATIGRAFIA DEGLI IMPALCATI

Per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo adottato per le strutture portanti, si è considerata una classe di resistenza C25/30 per quello "ordinario", mentre per il calcestruzzo alleggerito si è ipotizzata una classe di massa volumica D1.6, corrispondente alla medesima resistenza a compressione (classe LC25/28). Come si può osservare dall'esame della Tabella 2, i due calcestruzzi differiscono tra loro, oltre che per la già citata massa volumica, anche per il valore del modulo elastico. Per ogni caso considerato, l'acciaio impiegato è di tipo B450C.
Gli impalcati di interpiano presenti nella casistica analizzata sono stati previsti in due diverse soluzioni: una prima cosiddetta "pesante", che fa riferimento ad un solaio misto con blocchi forati in laterizio e travetti in c.a. gettato in opera ed una seconda costituita da un solaio "alleggerito" con blocchi in legno mineralizzato e calcestruzzo leggero.

Come si può osservare, entrambi i solai sono caratterizzati dal medesimo spessore totale del pacchetto, pur differenziandosi per i materiali utilizzati, che consentono di ottenere una riduzione del peso complessivo, passando da 5.45 kN/m2 per la tipologia tradizionale a 3.66 kN/m2 per quella alleggerita. La medesima stratigrafia assunta per i solai di interpiano è stata adottata anche per il solaio del sottotetto e per i balconi, provvedendo a differenziare opportunamente i carichi variabili agenti; in tutte le casistiche considerate, sono state inoltre fatte le medesime ipotesi sulla composizione stratigrafica delle tramezzature eventualmente presenti e delle pareti esterne di tamponamento. Un criterio progettuale del tutto analogo è stato adottato anche per la copertura, in latero-cemento nella soluzione "pesante" e in calcestruzzo leggero e blocchi di polistirene in quella "alleggerita", con spessore della parte strutturale in questo caso pari a 15+5 cm per entrambe le soluzioni considerate. Le scelte fatte hanno comportato una riduzione percentuale del peso totale del fabbricato di circa il 30%, passando dal caso A - ordinario al caso C - alleggerito.
I carichi permanenti e variabili sono stati quindi combinati secondo normativa [6], ottenendo i valori riportati nella Tabella 3, in cui è mostrata una sintesi dei carichi finali di progetto derivanti sia dalla combinazione fondamentale di SLU, che da quella sismica a SLV per i diversi elementi presenti nell'edificio più pesante (A) e in quello più leggero (C).

 

 Nell'articolo completo:
3. PREDIMENSIONAMENTO DELLE STRUTTURE IN ELEVAZIONE
4. SCELTA DELLE FONDAZIONI
    4.1. CALCOLO DEI CEDIMENTI
    4.2. VERIFICA A CAPACITÀ PORTANTE
5. MODELLAZIONE NUMERICA
    5.1 MODELLAZIONE DELLA FONDAZIONE
          5.1.1 Determinazione della costante di Winkler
6. PROGETTO STRUTTURALE DELLA FONDAZIONE
    6.1 AZIONI SULLA FONDAZIONE
    6.2 DEFINIZIONE DELL'ARMATURA DELLA PLATEA DI FONDAZIONE
7. CONCLUSIONI
8. BIBLIOGRAFIA
9. RINGRAZIAMENTI