Il calcestruzzo armato precompresso è un tipo di calcestruzzo armato caratterizzato da una tensione nella struttura allo scopo di migliorare le caratteristiche di resistenza della medesima. Viene utilizzata per sopperire alla scarsa resistenza a trazione del conglomerato cementizio.
Finalità Nella teoria classica del calcestruzzo armato, nelle sezioni inflesse il conglomerato è considerato non reagente agli sforzi di trazione: la resistenza a trazione del conglomerato è all'incirca un decimo della resistenza a compressione, e le zone di cemento ancora non fessurate sono situate nelle immediate vicinanze dell'asse neutro, rendendo così estremamente piccolo il contributo a momento flettente dato dagli sforzi di trazione nel calcestruzzo. Pertanto in una struttura inflessa o pressoinflessa (in fase fessurata), è considerata come sezione resistente quella parzializzata cioè quella costituita dal solo calcestruzzo compresso e dalle armature tese e compresse.
In questo modo si fa affidamento solo su una parte della sezione effettiva. Al fine di permettere l'utilizzo totale della sezione effettiva, si è previsto di applicare alla membratura in calcestruzzo armato uno stato di presollecitazione, creando artificialmente degli sforzi di compressione o di pressoflessione, capaci di provocare nella struttura uno stato di tensione permanente. Tale stato di tensione, che si va a sovrapporre a quello dovuto ai carichi di esercizio, deve essere tale da garantire un regime tensionale finale compatibile con le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo.
Se ad esempio si considera una trave inflessa semplicemente appoggiata, le sollecitazioni di flessione che si generano per effetto dei carichi esterni provocano un diagramma di tensioni normali a farfalla (flessione semplice), e pertanto le fibre inferiori risultano tese. Poiché generalmente gli sforzi di trazione sono superiori alla relativa resistenza del conglomerato, in zona tesa insorgono fenomeni fessurativi.
Se invece si sottopone la trave ad un preventivo sforzo di compressione o pressoflessione, il diagramma finale delle tensioni normali presenterà, in corrispondenza del lembo inferiore, sforzi di trazione compatibili con il conglomerato o addirittura delle tensioni di compressione (sezione completamente compressa). In ambo i casi la sezione reagente di calcestruzzo coincide con la sezione trasversale effettiva della trave.
Storia Nel 1933, nell'articolo Idees et voies nouvelles il costruttore Eugène Freyssinet per la prima volta lasciò traccia scritta della parola precontrainte, neologismo che definirà per tutti gli anni successivi la tecnica della precompressione. I primi tentativi di realizzare opere in calcestruzzo armato precompresso risalgono al 1888, ad opera di Doering. I risultati furono però deludenti, a causa della scarsa resistenza dei materiali adottati. Nel 1907 fu Koenen a riproporre la soluzione per ridurre le sollecitazioni nel calcestruzzo e migliorarne la durabilità. Usando, però, acciai con una resistenza molto bassa e un tasso di lavoro intorno ai 100 MPa, la precompressione veniva precocemente annullata dai fenomeni di ritiro e scorrimento viscoso del calcestruzzo.
I primi risultati soddisfacenti furono ottenuti applicando la presollecitazione nella produzione di tubi in calcestruzzo, ad opera della ditta italiana Vianini, nel 1925. L'intento comune era solamente quello di applicare una precompressione per evitare o ridurre la fessurazione del calcestruzzo, ignorando altri aspetti statici benefici del procedimento. I concetti base della moderna precompressione furono ideati da Freyssinet, che nel 1928 ne depositò il brevetto. Lo stesso ideatore dal 1936 utilizzò la tecnica della precompressione per quasi tutte le sue opere.
La più autorevole delle realizzazioni è probabilmente il ponte di Luzancy sulla Marna, non lontano da Parigi, costituito da un'unica campata di luce pari a 55 m e con una carreggiata di 6 m di larghezza (più due marciapiedi di un metro). Nel maggio del 1949 viene creata l'Associazione Scientifica della Precompressione. Nel giugno del 1949 per la prima volta si riunirono a Parigi cinquanta ingegneri da tutto il mondo per studiare e discutere, sotto l'egida dell'Associazione Scientifica della Precompressione, questioni teoriche riguardanti l'applicazione di tale tecnica.
Nell'ottobre del 1950 quattro ingegneri (l'italiano Rinaldi, l'olandese Bruggeling, l'inglese Gooding e lo spagnolo Conde) richiesero ufficialmente la formazione di una specifica federazione internazionale, che venne costituita due anni dopo. Da allora la precompressione ebbe la definitiva affermazione e la debita divulgazione negli ambienti interessati.
Tra i pionieri dell'uso del cemento armato precompresso in Italia e creatore del brevetto Morandi M5 nel 1948 si annovera l'ingegnere Riccardo Morandi, i cui viadotti strallati hanno i tiranti in calcestruzzo armato precompresso.
Modalità costruttive
I processi industriali per realizzare la precompressione sono sostanzialmente di due tipi, entrambi contemplati nelle norme tecniche: a cavi (o fili) aderenti (cavi pre-tesi, messi in tensione prima di getto e solidificazione del calcestruzzo) a cavi (o fili) scorrevoli (cavi post-tesi, messi in tensione dopo il getto e solidificazione del calcestruzzo)
Sistemi a cavi aderenti (cavi pre-tesi)
Nel sistema di precompressione a cavi aderenti, una volta disposta la cassaforma e l'eventuale armatura lenta, prima che venga eseguito il getto di calcestruzzo, i cavi di precompressione vengono tesi fra due supporti fissi ed esterni. Successivamente viene effettuato il getto di calcestruzzo che avvolge i cavi pretesi. Avvenuta la maturazione del conglomerato in particolari condizioni di temperatura ed umidità, il cavo viene svincolato dagli ancoraggi fissi.
Il conseguente accorciamento elastico del cavo viene contrastato dal calcestruzzo, oramai indurito, al quale viene trasferito, per aderenza, lo sforzo di compressione. In corrispondenza della testata della trave, le estremità delle armature tagliate devono essere protette contro il pericolo della corrosione mediante un ricoprimento di adeguati materiali protettivi o con un getto di calcestruzzo in opera.
Il sistema a cavi aderenti trova generalmente applicazione nel campo della prefabbricazione di piccoli elementi strutturali, quali travi per impalcati di luce modesta, ecc. La realizzazione di elementi pretesi in cantiere risulta invece più difficile e costosa.
Sistemi a cavi scorrevoli (cavi post-tesi)
Nel sistema di precompressione a cavi post-tesi, prima del getto del calcestruzzo nelle casseforme si predispongono l'armatura lenta e gli alloggiamenti (guaine) che dovranno accogliere i cavi di precompressione, i quali portano alle estremità degli speciali ancoraggi. Il getto viene costipato per mezzo di vibratori ad ago o a lamina oppure mediante vibratori esterni, facendo attenzione a non deteriorare le guaine dei cavi. Avvenuta la maturazione del calcestruzzo, si infilano i cavi nelle guaine e si effettua la tesatura, mediante martinetti idraulici, prendendo contrasto in corrispondenza delle testate della trave.
In questo modo lo stato di precompressione si stabilisce all'atto stesso dell'operazione di messa in tensione dei cavi. Infine si provvede a riempire i fori di alloggiamento dei cavi mediante iniezione con malta sotto pressione. L'iniezione dei cavi scorrevoli ha uno scopo principale, vale a dire proteggere l'acciaio di precompressione dalla corrosione indotta dagli agenti atmosferici.
La solidarietà tra cavi e calcestruzzo non modifica lo stato di coazione, poiché gli sforzi mutui sono localizzati in corrispondenza delle testate delle travi. Il profilo (la forma) della guaina deve essere studiato in modo tale da consentire il corretto trasferimento delle forze di precompressione dalle armature al calcestruzzo. Questo sistema di precompressione viene utilizzato principalmente per la realizzazione di travi di grande luce, quali ad esempio gli impalcati da ponte.
Caratteristiche delle guaine Le guaine devono avere forma regolare, preferibilmente cilindrica, e devono avere una sezione idonea a garantire l'infilaggio dei cavi e la successiva iniezione; l'area libera del condotto deve risultare comunque non inferiore a 4 cm². Durante la posa delle guaine si deve prevedere un numero adeguato di punti di fissaggio per evitare un andamento serpeggiante delle stesse. Inoltre bisogna evitare che la guaina abbia brusche deviazioni o cambiamenti di sezione. Per evitare sacche d'aria durante l'iniezione, si devono disporre, nei punti più alti del cavo, dei dispositivi di sfiato.
Caratteristiche della malta di iniezione La malta da utilizzare per l'iniezione dei cavi scorrevoli deve essere sufficientemente fluida, perché si possa correttamente iniettare nei canali, e stabile con minimo ritiro e adeguata resistenza e non deve contenere agenti aggressivi, quali cloruri, solfati, nitrati, ecc. Deve essere composta da cemento, acqua ed eventuali additivi.
Operazioni di iniezione Fino al momento dell'iniezione dei cavi occorre proteggere l'armatura dall'ossidazione. Prima dell'iniezione bisogna: impastare la malta e mantenerla in movimento per evitare la formazione di grumi; pulire i cavi.
Successivamente si procede all'iniezione che deve avvenire con continuità senza interruzioni ed entro 15 giorni a partire dalla messa in tensione dei cavi. Di norma l'iniezione si deve effettuare dal più basso ancoraggio o dal più basso foro del condotto. La malta che esce dagli sfiati deve essere analoga a quella alla bocca di immissione e non contenere bolle d'aria; una volta chiusi gli sfiati, si mantiene una pressione di 5 atm fin tanto che la pressione permane senza pompare per almeno 1 minuto. Una volta terminata l'iniezione bisogna avere cura di evitare perdite di malta dal cavo. Per condotti di grande diametro può essere necessario ripetere l'iniezione dopo circa 2 ore. Non è ammessa l'iniezione con aria compressa.
Zone di ancoraggio
Gli apparecchi di ancoraggio, ubicati in corrispondenza delle testate della trave, devono essere protetti contro il pericolo della corrosione mediante un ricoprimento con adeguati materiali protettivi o con un getto di calcestruzzo in opera. In corrispondenza delle testate delle travi, dietro gli apparecchi di ancoraggio si deve disporre una armatura di frettaggio, atta ad assorbire le tensioni di trazione trasversali alle barre di precompressione o bursting stresses (la cui risultante viene chiamata forza di fenditura o splitting force), derivanti dalla diffusione a bottiglia delle forze concentrate di precompressione, ivi comprese le eventuali reazioni vincolari. Poiché la zona di ancoraggio è una D region questa può essere studiata mediante un modello tirante - puntone o altre rappresentazioni appropriate.
Acciai per precompressione Gli acciai da precompressione o acciai armonici sono contraddistinti da un comportamento nettamente diverso rispetto a quello degli acciai da cemento armato ordinario (acciai per armatura lenta). Infatti gli acciai armonici sono caratterizzati da una elevata resistenza meccanica (elevato valore del carico di snervamento) e da una deformazione plastica relativamente bassa all'atto della rottura. Comunque, tali acciai devono avere adeguata duttilità all'allungamento. Come si vedrà in seguito, non essendo necessario garantire proprietà di saldabilità, si utilizzano tenori di carbonio più elevati rispetto agli acciai per cemento armato ordinario.
Produzione L'elevata resistenza è dovuta principalmente alla composizione chimica e precisamente ai seguenti quattro provvedimenti: aumento della percentuale di carbonio nella lega: si passa dallo 0,2% circa degli acciai per cemento armato ordinario (acciai dolci) allo 0,6% di un acciaio armonico (acciai duri); aggiunta di elementi alliganti: manganese (0,6-1,7%), silicio (0,2-1,6%), vanadio (0,3%), cromo (0,3%);