La valutazione delle proprietà meccaniche del calcestruzzo confinato per effetto di staffe chiuse e legature interne è una delle grandi novità delle NTC2018. L’armatura trasversale, ovvero le staffe di un elemento strutturale in calcestruzzo armato, ha 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 anche nel confinamento del calcestruzzo, in particolar modo se messa in opera piegando le estremità dei ferri delle staffe a 135° e aggiungendo delle legature interne.
Nel nuovo articolo di oggi ti parlo dell’effetto del confinamento generato da staffe chiuse e legature interne messe in opera negli elementi in cemento armato e di come tenerne conto nella valutazione della capacità ultima della sezione.
Nel corso dell’articolo vedremo i risultati di un caso studio, ovvero un esempio numerico ottenuto utilizzando Ver.Sez., l’applicazione per l’analisi di sezioni in calcestruzzo armato, in cui confronteremo la resistenza a flessione di travi e pilastri in calcestruzzo armato nel caso in cui si tenga conto del confinamento oppure lo si trascuri.
All fine del post potrai scaricare un Focus Normativo PDF contenente tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 sul confinamento del calcestruzzo generato da staffe chiuse e legature interne. Buona lettura!
Scarica Ver.Sez. l’app per l’analisi di sezioni in calcestruzzo armato (*.xls di Microsoft Excel)
Grazie a Ver.Sez. potrai valutare la resistenza a flessione di travi e pilastri portando in conto l’effetto del confinamento del calcestruzzo generato da staffe chiuse e legature.
Puoi scaricare la versione gratuita dell’app compilando i campi qui sotto. Riceverai all’istante una email contenente il link per eseguire il download.
Staffe chiuse e legature interne per il calcestruzzo confinato: cosa sono e come realizzarle
Il requisito essenziale per ottenere l’incremento di resistenza e duttilità del calcestruzzo compresso è la presenza di staffe chiuse e di legature interne. Per staffe chiuse si intendono staffe con ganci piegati a 135° intorno alla barra longitudinale di spigolo. Le staffe con piegature a 90° non sono da considerarsi efficaci ai fini del confinamento del calcestruzzo in quanto potrebbero aprirsi a seguito dell’effetto Poisson (vedremo a breve cos’è) o per instabilità laterale delle barre compresse, con relativa espulsione del copriferro.
Le legature interne invece vengono realizzate con ferri sagomati in modo tale da collegare tramite ganci due barre longitudinali opposte.
Calcestruzzo confinato: effetto Poisson e cerchio di Mohr
Il confinamento generato da staffe chiuse e legature interne sfrutta un semplice principio per aumentare la resistenza a compressione del calcestruzzo: l’effetto Poisson. Tale effetto 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.
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 pressione laterale nulla.
Per mostrarti in maniera più rigorosa come aumenta la resistenza a compressione in presenza della pressione laterale di confinamento utilizzeremo il cerchio di Mohr. Puoi osservare nell’immagine qui sotto cosa succede al cerchio di Mohr quando viene applicata una pressione laterale costante e la tensione di compressione aumenta fino al raggiungimento della tensione tangenziale di rottura.
Come puoi vedere dall’immagine sopra, la presenza della tensione laterale (σ2) di compressione fa traslare verso destra il cerchio di Mohr. Di conseguenza l’elemento di calcestruzzo sarà in grado di sopportare una tensione di compressione massima maggiore (σ(c)1,max), prima di arrivare a rottura per il raggiungimento della massima tensione tangenziale sopportabile (τmax).
Guarda il video sul confinamento del calcestruzzo (clicca su play)
Calcestruzzo confinato: il confinamento generato da staffe chiuse e legature interne
Il confinamento del calcestruzzo si ottiene grazie alla presenza di staffe chiuse e legature interne che, per effetto della dilatazione trasversale del calcestruzzo compresso in cui sono annegate, raggiungono la tensione di snervamento, opponendosi a tali deformazioni.
Il confinamento generato da staffe chiuse e legature consente al calcestruzzo di raggiungere tensioni di compressione più elevate rispetto al caso di calcestruzzo non confinato. In sostanza 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 come si modifica il legame costitutivo del calcestruzzo compresso e confinato in presenza di staffe chiuse e legature. Si avrà un aumento della resistenza cilindrica a compressione fck e della deformazione ultima del calcestruzzo.
Resistenza e duttilità del calcestruzzo confinato: i parametri che entrano in gioco
Ma da cosa dipende l’incremento della resistenza a compressione e della deformazione ultima che può manifestare il calcestruzzo in presenza del confinamento? E come si valuta?
Le NTC2018 forniscono le formule analitiche per ottenere la tensione di rottura a compressione e la deformazione ultima del calcestruzzo confinato. Troverai tutte le formule che entrano in gioco nel Focus Normativo PDF che potrai scaricare più in fondo. Nel seguito del post ti citerò tutti 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 disposte 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 chiuse e legature interne, il nucleo interno di calcestruzzo risentirà della presenza della pressione laterale di confinamento. La restante parte più periferica non risentirà di tale effetto.
Confinamento del calcestruzzo per staffe chiuse e legature interne: quando tenerne conto
La Normativa Tecnica consente al progettista di decidere se tenere conto o meno dell’effetto del confinamento generato da staffe chiuse e legature interne. Se si decide di portare in conto il contributo del confinamento generato da staffe e legature nel valutare la resistenza a flessione o pressoflessione di una sezione in calcestruzzo armato si dovrà considerare la perdita dei copriferri al raggiungimento in essi della deformazione ultima di compressione (εcu = 0,35%) del calcestruzzo non confinato.
Le NTC2018 consentono di scegliere fra una delle tre diverse strategie di progettazione seguenti:
- trascurare l’effetto del confinamento;
- considerare l’effetto del confinamento per tutti gli elementi strutturali;
- considerare 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).
Calcestruzzo confinato: vale davvero la pena considerarlo? Un esempio numerico
Come decidere se portare in conto o meno il confinamento del calcestruzzo generato da staffe chiuse e legature? Scegliere se portare in conto o meno il confinamento del calcestruzzo è una scelta da ponderare con cura. Per valutare l’effetto del confinamento del calcestruzzo i parametri che entrano in gioco nel calcolo aumentano in maniera considerevole. Te li elenco di seguito:
- diametro delle staffe
- passo delle staffe
- numero di bracci delle staffe
- dimensioni del nucleo confinato
- distanza reciproca fra barre consecutive contenute da staffe o legature
In fase di predimensionamento pertanto saranno molto più numerosi i parametri da far variare per calcolare la resistenza a flessione o pressoflessione e dimensionare ed ottimizzare le dimensioni della sezione e i quantitativi di armatura.
Per consentirti di scegliere in modo appropriato la strategia di progettazione, ovvero decidere se portare in conto o meno il contributo del confinamento, ti riporto di seguito un esempio numerico in cui sono evidenziati gli incrementi di resistenza a flessione o pressoflessione che si ottengono considerando il confinamento generato da staffe chiuse e legature oppure trascurandolo. L’esempio numerico è stato creato utilizzando Ver.Sez., l’app del blog per l’analisi di sezioni in calcestruzzo armato.
Vediamo di seguito le tipologie di sezione analizzate e i risultati ottenuti. In ogni scheda di valutazione sono riportati tutti i dati della sezione analizzata, i valori dei momenti resistenti ottenuti e i relativi incrementi percentuali generati dall’effetto del confinamento.
Trave con staffe chiuse: resistenza a flessione con e senza il confinamento
Pilastro con staffe chiuse: resistenza a pressoflessione con e senza il confinamento
Pilastro con staffe chiuse + legature: resistenza a pressoflessione con e senza il confinamento
Esempio numerico: alcune considerazioni sul confinamento
Come hai potuto vedere dai risultati ottenuti nell’esempio numerico precedente, gli incrementi di resistenza a flessione per le travi generati dalle staffe chiuse sono praticamente nulli (+0.16% per flessione intorno a y e +0.05% per flessione intorno a z). Ciò è dovuto all’assenza di legature e alla ridotta porzione compressa della sezione rispetto al caso dei pilastri pressoinflessi.
Nel caso dei pilastri invece, il confinamento generato dalle sole staffe chiuse, quindi in assenza di legature, diventa leggermente più marcato, passando a +0.8% per il momento resistente intorno ad y e a +1.2% per il momento resistente intorno a z. Il maggiore incremento per i pilastri è dovuto alla maggiore porzione di calcestruzzo compresso, dovuta alla presenza dello sforzo normale di compressione.
Il maggiore incremento di resistenza si ottiene nel caso di pilastri con staffe chiuse e legature interne. In questo caso l’incremento di resistenza passa a +6.9% per il momento resistente intorno a y e a +5.3% per il momento resistente intorno a z. La presenza delle legature interne pertanto migliora di molto la resistenza e duttilità del calcestruzzo compresso e di conseguenza la resistenza a pressoflessione dei pilastri.
Scarica Ver.Sez. l’app per l’analisi di sezioni in calcestruzzo armato
L’esempio numerico riportato sopra è stato elaborato utilizzando Ver.Sez., l’app del blog per l’analisi di sezioni in calcestruzzo armato. Grazie a Ver.Sez. potrai valutare l’incremento di resistenza che si ottiene per effetto del confinamento generato da staffe chiuse e legature interne. Puoi scaricare la versione gratuita di Ver.Sez. compilando i campi qui sotto, riceverai all’istante una email contenente il link per eseguire il download.
Scarica il Focus Normativo PDF sul calcestruzzo confinato
Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti il confinamento del calcestruzzo per effetto di staffe chiuse e legature interne 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
Congratulazioni, sei arrivato alla fine di questo post! Quest’argomento deve aver suscitato il tuo interesse. Ma in sostanza cosa devi ricordare di quest’articolo? Ti riporto di seguito un breve riassunto.
Se ti trovi a dover progettare o verificare le sezioni in calcestruzzo armato di un edificio nuovo o esistente, ricorda che per le travi puoi tranquillamente trascurare l’effetto del confinamento del calcestruzzo, in quanto gli incrementi di resistenza sono davvero irrisori.
Nel caso dei pilastri invece puoi decidere di portare in conto il confinamento a patto che sia previsto un adeguato quantitativo di staffe chiuse e legature interne. Anche in questo caso però non aspettarti grossi incrementi di resistenza. Come hai potuto vedere dall’esempio numerico nel corso dell’articolo, gli incrementi di resistenza in questo caso superano di poco il 5%.
Tenere conto dell’effetto del confinamento generato da staffe e legature ed essere in grado di valutarlo numericamente è senz’altro un passo avanti. I modelli fisico-matematici utilizzati per valutare la sicurezza di una struttura diventano sempre più completi e accurati, parallelamente però gli algoritmi e le procedure di calcolo diventano sempre più complessi. Per questo motivo in Ver.Sez., l’app del del blog per l’analisi di sezioni in calcestruzzo armato, ho inserito un’apposita funzionalità che ti permetterà di decidere se portare o meno in conto l’effetto del confinamento generato da staffe chiuse e legature. Trovi tutti i dettagli sull’app Ver.Sez. a questo link.
Spero che l’articolo di oggi ti abbia aiutato a fare un po’ di chiarezza su quest’argomento. Se ti è piaciuto, puoi suggerirlo ai tuoi colleghi su Linkedin oppure ai tuoi amici su Facebook cliccando sui tasti di condivisione social che trovi in fondo alla pagina.
Al prossimo articolo.
Marco
Pubblicato il 28/5/2018. Ultimo aggiornamento: 7/10/2022. Codice articolo: 211.
Ciao Marco,
Bell’articolo davvero
Non mi trovi d’accordo pero0 su due punti.
1) l’aumento di fck del calcestruzzo confinato è davvero minimo rispetto al calcestruzzo non confinato. Il principale motivo del confinamento è l’aumento di duttilità del calcestruzzo che consente quindi di aumentare la deformazione a rottura.
2) Nella figura “Staffe chiuse e legatura interna” ritengo accettabile solo la chiusura bilatera a 135° verso l’interno del calcestruzzo. Le altre 2 non consentono di “vincolare” la barra alla spinta del calcestruzzo che tende ad espellerla.
Se ti va ci confrontiamo nel merito e nel dettaglio.
Un caro saluto
Ciao Vittorio,
grazie del commento.
Rispondo di seguito:
1) l’incremento di fck per cls confinato può arrivare anche al 30%, ad esempio nel caso di staffe con passo pari a 4 cm, diametro 8 mm e 4 bracci in direzione X e Y. Puoi verificarlo numericamente con l’app Ver.Sez. link: https://www.marcodepisapia-store.com/ver-sez-premium/
2) Nella figura le staffe con chiusura a 90 gradi sono sconsigliate, sono contrassegnate dall’icona della “croce rossa”.
Ciao
Marco
Articolo davvero interessante, avrei solo un dubbio… le legature interne ( o ganci o spilli, come dir si voglia) sono sempre obbligatori o si possono anche omettere?
Ti suggerisco di consultare le prescrizioni normative delle NTC2018 sui dettagli costruttivi per l’armatura dei pilastri, par. 7.4.6.2.2
Ti riporto un estratto: “la distanza tra due barre vincolate consecutive, deve essere non superiore a 15 cm e 20 cm, rispettivamente per CD”A” e CD”B”.”
Ciao
Marco
Considerando un piano del pilastro contenete una staffa, si vede che le staffe e le legature interne servono per realizzare dei vincoli alle barre longitudinali in modo che possano reagire alle “spinte” del calcestruzzo compresso che per effetto Poisson tende a “espandersi” lateralmente come spiega Marco.
Basterebbe un semplice disegno per comprenderlo in maniera immediata la questione ma qui purtroppo non posso allegarlo, cerco ti farlo con un semplice esempio descrittivo.
Considera un pilastro con sezione rettangolare. Per le prescrizioni di norma supponiamo che dobbiamo inserire
– 4 barre longitudinali ai 4 angoli
– 2 barre longitudinali a metà del lato piu’ lungo.
Quindi sul lato piu’ lungo della sezione avrai 3 barre, 2 d’angolo e 1 in mezzo
Se metto una staffa che avvolge tutti e 6 le barre longitudinali avrò che le 4 barre d’angolo sono vincolate in entrambe le direzioni di spinta del calcestruzzo compresso.
Le due barre in mezzeria del lato dovranno essere collegate con uno spillo in modo da reagire alla spinta verso l’esterno del calcestruzzo.
ATTENZIONE!!! E’ vero che dietro le barre di mezzeria passa la staffa ma questa non garantisce il giusto vincolo all’espulsione della barra, lo farebbe solo per grandi spostamenti e cioe quando di fatto il copriferro sarebbe completamente staccato.
Spero di essermi spiegato bene.
Quindi per me la risposta alla tua domanda è SI gli spilli vanno usati quando serve ovviamente.
Ottimo articolo
Grazie del commento Carmelo