Nell'epoca del sismabonus, e di larga diffusione dei pushover per valutare la sicurezza strutturale delle infrastrutture esistenti in cemento armato, è particolarmente importante la profonda conoscenza delle caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti la costruzione in oggetto.
Un adeguato livello di conoscenza dei materiali non viene perseguito solo attraverso una vasta e costosa campagna di saggi e prove sperimentali, ma anche attraverso lo studio dello stato dell'arte cristallizzato in libri, manuali e articoli scientifici.
In questo contesto, il presente lavoro esamina l'evoluzione del calcestruzzo dagli anni '30 ad oggi confrontando i valori teorici della resistenza a compressione, tratti dalla letteratura tecnica, con quelli reali di 45 casi studio costituiti da edifici esistenti in cemento armato situati in provincia di Napoli e Caserta, ottenuti dalle certificazioni dei controlli distruttivi e non distruttivi. Introduzione storica sul cemento
Il calcestruzzo oggi è uno dei materiali più utilizzati dall'uomo per costruire e realizzare ogni genere di opere e manufatti. Questo materiale ha origini molto più remote rispetto agli ultimi decenni. Fin dall'antichità l'uomo ha utilizzato la pietra come principale materiale da costruzione per abitazioni, luoghi di culto, luoghi pubblici, monumenti, tombe.
Da leganti naturali, l'uomo ha poi iniziato la sua ricerca al fine di ottenere un sistema di produzione della pietra artificiale. Il calcestruzzo (chiamato dai romani “opus caementitium”) era costituito da detriti lapidei o laterizi misti a calce, acqua e pozzolana vulcanica. Il rottame di pietra utilizzato per fare il calcestruzzo era indicato con il termine "caementum" dal verbo latino che significa "tagliare a pezzi". Solo nel Settecento si cominciò a definire meglio la differenza tra cemento e calcestruzzo: il primo si riferisce alla polvere legante mentre il secondo al conglomerato.
Inizialmente i romani costruirono edifici con mattoni tenuti insieme da malta in cui erano incastonati questi grandi aggregati, caementum, sotto forma di pietra rotta. Con il passare del tempo e delle tecnologie, il calcestruzzo ha migliorato e accresciuto non solo le sue proprietà di resistenza meccanica, ma ha saputo trasformarsi in un materiale espressivo e scultoreo, capace di creare opere tanto uniche quanto affascinanti per le sue caratteristiche. I calcestruzzi ordinari possono oggi raggiungere ottimi valori di resistenza a compressione ed elasticità, senza considerare i calcestruzzi fibrorinforzati di nuova generazione che hanno letteralmente sconvolto il mercato delle costruzioni e dell'architettura.
Lo scopo di questo lavoro è analizzare la correlazione tra la resistenza a compressione del calcestruzzo, i tempi di confezionamento, le indicazioni normative e tecniche utilizzate in passato dalla preparazione all'esecuzione del getto.
Attraverso uno studio sperimentale su prove, distruttive e non, effettuato su 45 casi studio campani, è stato possibile definire le resistenze attuali ed effettuare un confronto con i valori ricavati dalle relazioni teorico/empiriche che si sono susseguite negli ultimi decenni . Evoluzione storica della forza del calcestruzzo
Uno studio critico della letteratura tecnica permette di tracciare l'evoluzione del calcestruzzo nei suoi aspetti salienti, ovvero:
• il metodo di preparazione e colata dell'impasto;
• la resistenza minima e massima del calcestruzzo.
Sulla base di queste informazioni è stato possibile definire tre generazioni di calcestruzzi (Figura 1) a seconda del particolare periodo storico in cui è stato realizzato: 1a Generazione, calcestruzzi tra il 1930 e il 1955; 2nd Generation, calcestruzzi tra il 1955 e il 1980; 3rd Generation, calcestruzzi dal 1980 ad oggi.
Figura 1- Evoluzione fisica e meccanica del calcestruzzo negli anni: Preparazione dell'impasto, getto e resistenza cubica - Definizione di generazioni di calcestruzzo
Per la prima generazione di calcestruzzo (1930 e 1955), si segnala che il conglomerato cementizio è stato preparato con la tecnica del "dosaggio", eseguita a mano o con macchina, che, attraverso prove conformi alle norme vigenti in quei anni, ha conferito alla miscela una tensione compresa tra 12-18 N/mm2. Per i calcestruzzi di seconda generazione (1955 e 1980) la tecnica di preparazione del conglomerato varia, passando dal dosaggio all'assortimento granulometrico. Grazie a quest'ultimo metodo di realizzazione è stato possibile aumentare la resistenza alla compressione dell'impasto fino a 800-900 kg/cm2 (95 N/mm2) grazie al riempimento degli spazi tra le varie “pietre” che compongono l'impasto. Di conseguenza, viene aumentata anche la resistenza finale del calcestruzzo.
Anche il metodo di colata ha giocato un ruolo fondamentale nella crescita del calcestruzzo. All'inizio degli anni '30 il getto avveniva dall'alto tramite un sistema a gravità che permetteva di infiltrarsi nel cassero con un'ulteriore vibrazione finale anche in caso di impasti poco fluidi.
Successivamente, la necessità di produrre calcestruzzo a mano è diminuita a favore di quello realizzato industrialmente. Il trasporto di queste miscele, già effettuate nelle industrie del cemento, verso i casseri ha consentito un passaggio di grande importanza nel mondo delle costruzioni. Il sistema a gravità non poteva essere utilizzato poiché il calcestruzzo arrivava nei cantieri in grandi betoniere, trasportato da macchine tramite una pompa che permetteva di prelevare l'impasto e di iniettarlo nel cassero con l'ausilio di tubi. Questa tecnica comportava una maggiore necessità di acqua, poiché una miscela più fluida avrebbe facilitato l'intera operazione. Come è noto oggi, l'aumento dell'acqua determina una diminuzione della resistenza, pertanto, per evitare l'uso eccessivo di acqua, si è iniziato ad utilizzare additivi, sostanze chimiche che hanno consentito e consentono di modificare alcune caratteristiche dell'impasto durante la presa e l'indurimento. .
Ci sono poi i calcestruzzi di terza generazione (dal 1980 ad oggi), che hanno dato la possibilità di ampliare il range di resistenze proponendo ai progettisti calcestruzzi con elevate resistenze e prestazioni. Si passa infatti da valori minimi di 20 N/mm2, contemplati dalla norma come calcestruzzo ad uso strutturale, fino a valori di resistenza superiori a 150 N/mm2.
Esistono anche calcestruzzi autocompattanti che presentano un'elevata fluidità e, nonostante ciò, hanno un'elevata resistenza alla segregazione, infatti è compatto, qualunque sia la forma dei casseri, la dimensione dei getti e la densità delle armature metalliche, per effetto del solo peso senza l'apporto di energia esterna cioè senza vibrazioni meccaniche. Il processo di evoluzione concreta non riguarda un singolo aspetto. Tutte le fasi che ne consentono la definizione e la realizzazione conferiscono al conglomerato le caratteristiche desiderate. Il cemento finale è quindi influenzato da molti fattori, alcuni più decisivi di altri ma comunque partecipativi. L'evoluzione del calcestruzzo è stata segnata anche dalle norme e dalle leggi che lo regolavano.
Figura 2- Valori minimi e massimi delle resistenze cubiche del calcestruzzo negli anni: Resistenze cubiche caratteristiche e di progetto Rck-Rcd
Come schematizzato in Figura 2, è inoltre possibile osservare un'evoluzione nel tempo della resistenza di progetto del calcestruzzo. A tal fine si segnala che la resistenza di progetto dipende anche dal coefficiente di sicurezza ed ha subito anch'essa variazioni nel corso degli anni. Dagli anni '30 ad oggi la resistenza cubica è sempre esistita mentre si inizia a parlare di resistenza cilindrica solo dagli anni '70. Pertanto, è stato creato l'ulteriore grafico in Figura 2 che mostra l'andamento dei valori minimo e massimo della resistenza cilindrica.
Figura 3- Valori minimi e massimi delle resistenze cilindriche negli anni: Resistenze cilindriche caratteristiche e di progetto fck-fcd
I coefficienti di sicurezza sono stati valutati rispetto ai valori di resistenza cubica massima e minima. Come si vede dalla Figura 4, il coefficiente di sicurezza tende a diminuire con le NTC '2008 e 2018 perché si passa dal metodo delle sollecitazioni ammissibili a quello degli stati limite ultimi.
Figura 4- Evoluzione del coefficiente di sicurezza con normativa di riferimento in vigore nell'anno di riferimento
Come si può vedere dalla Figura 4, per i calcestruzzi di prima generazione, il coefficiente di sicurezza oscilla tra i valori di 1,5 e 2; per i calcestruzzi di seconda generazione varia tra 2 e 3; per i calcestruzzi di terza generazione si raggiungono i valori di 1,6 e 1,5.
Questa diminuzione mostra che la riserva plastica del calcestruzzo viene sfruttata con il metodo degli stati limite. Infatti, con le sollecitazioni ammissibili, gli elementi in calcestruzzo sono stati progettati per rimanere nel campo elastico: gli alti valori del fattore di sicurezza hanno permesso di sfruttare solo il ramo elastico lineare del legame costitutivo. Con gli stati limite si comincia a sfruttare il ramo plastico non lineare del legame costitutivo del materiale: questo permette di abbassare il fattore di sicurezza in quanto si sfrutta la riserva plastica del materiale. Dal confronto tra i valori delle resistenze di calcolo ottenuti con il metodo alle tensioni ammissibili e le resistenze di calcolo ottenute con il metodo degli stati limite, si osserva che queste ultime sono maggiori di circa il 50% rispetto alle prime proprio perché il la sicurezza diminuisce.
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