Strutture in Cemento Armato — Capitolo 4.1 NTC

Le NTC 2018 al paragrafo 4.1 definiscono le proprietà dei materiali per le strutture in cemento armato. Il calcestruzzo è classificato in base alla resistenza caratteristica cilindrica a compressione fck, misurata su provini cilindrici di 150 mm di diametro e 300 mm di altezza, maturati per 28 giorni. Le classi di resistenza previste vanno da C20/25 (fck = 20 MPa, Rck = 25 MPa su cubo) a C90/105. Per le costruzioni ordinarie si utilizzano tipicamente classi da C25/30 a C35/45. Per strutture in zona sismica, le NTC 2018 prescrivono una classe minima C20/25.

La resistenza di calcolo del calcestruzzo a compressione fcd si ottiene dividendo la resistenza caratteristica fck per il coefficiente parziale gamma-c = 1,5 e moltiplicando per il coefficiente alfa-cc = 0,85 che tiene conto degli effetti di carico di lunga durata: fcd = alfa-cc x fck / gamma-c. Per un calcestruzzo C25/30, la resistenza di calcolo risulta fcd = 0,85 x 25 / 1,5 = 14,17 MPa. La resistenza a trazione del calcestruzzo fctd, calcolata analogamente con alfa-ct = 1,0 e gamma-c = 1,5, è impiegata nelle verifiche a taglio e per il calcolo dell'aderenza delle armature.

L'acciaio per armature ordinarie è classificato in base alla tensione caratteristica di snervamento fyk. Le NTC 2018 prevedono l'impiego di acciaio B450C (acciaio duttile con fyk = 450 MPa, rapporto ft/fy compreso tra 1,15 e 1,35, allungamento a rottura Agt maggiore o uguale al 7,5%) e B450A (acciaio a duttilità normale con fyk = 450 MPa, ft/fy tra 1,05 e 1,25, Agt maggiore o uguale al 2,5%). L'acciaio B450C è obbligatorio per le strutture in zona sismica progettate in classe di duttilità alta (CD"A"), mentre il B450A è ammesso solo per strutture in classe di duttilità bassa (CD"B") e per elementi non dissipativi.

La resistenza di calcolo dell'acciaio fyd si ottiene dividendo fyk per il coefficiente parziale gamma-s = 1,15: fyd = fyk / gamma-s = 450 / 1,15 = 391,3 MPa. Il modulo elastico dell'acciaio si assume Es = 200.000 MPa. Per le armature da precompressione, le NTC 2018 classificano i trefoli, le barre e i fili in base alla classe di rilassamento e alla resistenza a trazione ftk. Le proprietà meccaniche dell'acciaio da precompressione devono essere certificate dal produttore e verificate in cantiere mediante prove di accettazione.

La durabilità delle strutture in cemento armato è un requisito fondamentale delle NTC 2018, che al paragrafo 4.1.6 stabiliscono i criteri per garantire la protezione delle armature dalla corrosione per l'intera vita utile dell'opera. Il copriferro nominale cnom è la distanza tra la superficie esterna del calcestruzzo e la barra di armatura più vicina, incluse le staffe. Il copriferro minimo cmin dipende dalla classe di esposizione ambientale, dal diametro delle barre e dalla classe di resistenza del calcestruzzo.

Le classi di esposizione sono definite dalla norma UNI EN 206 e riprese dalla Circolare n. 7/2019. La classe XC (corrosione indotta da carbonatazione) si suddivide in XC1 (ambiente secco o permanentemente umido), XC2 (ambiente umido raramente secco), XC3 (ambiente moderatamente umido) e XC4 (ambiente ciclicamente umido e secco). Per le strutture esposte a cloruri di origine marina o da sali disgelanti si applicano le classi XD e XS, che richiedono copriferri più elevati e calcestruzzi di classe superiore.

Il copriferro nominale si calcola come cnom = cmin + Delta-c, dove Delta-c è la tolleranza di posa, generalmente assunta pari a 10 mm. Per le condizioni più comuni in Italia (classe di esposizione XC2 o XC3 con calcestruzzo C28/35), il copriferro minimo cmin è di circa 25-30 mm, con un copriferro nominale di 35-40 mm. Per strutture esposte ad ambiente marino (classe XS) o a cicli di gelo-disgelo (classe XF), il copriferro minimo può raggiungere 45-55 mm e la classe di resistenza del calcestruzzo deve essere almeno C35/45.

Le NTC 2018 richiedono che il progettista specifichi nella relazione di calcolo le classi di esposizione, il copriferro nominale, la classe di resistenza del calcestruzzo e il rapporto acqua/cemento massimo. Per le strutture in zona sismica, la Circolare n. 7/2019 raccomanda di prestare particolare attenzione al copriferro nelle zone critiche degli elementi strutturali (estremità di travi e pilastri), dove le armature trasversali di confinamento sono particolarmente fitte e un copriferro insufficiente potrebbe provocare il distacco del calcestruzzo di coperta durante il sisma.

La durabilità è influenzata anche dalla qualità della messa in opera del calcestruzzo: la compattazione, la maturazione umida e il rispetto del rapporto acqua/cemento massimo sono fattori determinanti. Le NTC 2018 richiedono che il calcestruzzo sia confezionato con materiali qualificati, trasportato e messo in opera entro i tempi prescritti e sottoposto a maturazione adeguata. Il controllo di accettazione del calcestruzzo in cantiere, mediante prelievo di provini cubici secondo le modalità dell'art. 11.2.5, è obbligatorio e deve essere documentato nel giornale dei lavori.

La verifica a flessione allo SLU delle sezioni in cemento armato si basa sull'ipotesi di conservazione delle sezioni piane (Navier-Bernoulli), sulla perfetta aderenza tra acciaio e calcestruzzo, sulla resistenza a trazione del calcestruzzo trascurata e su diagrammi tensione-deformazione convenzionali per i materiali. Per il calcestruzzo, le NTC 2018 ammettono il diagramma parabola-rettangolo con deformazione al picco epsilon-c2 = 0,20% e deformazione ultima epsilon-cu = 0,35% per classi fino a C50/60, oppure il diagramma rettangolare semplificato (stress block) con profondità lambda x e intensità eta x fcd.

La posizione dell'asse neutro si determina imponendo l'equilibrio alla traslazione della sezione e il momento resistente si calcola dal braccio delle forze interne. Per una sezione rettangolare semplicemente armata con armatura tesa As a distanza d dal lembo compresso, il momento resistente è MRd = As x fyd x (d - 0,4 x x), dove x è la profondità dell'asse neutro. Le NTC 2018 limitano il rapporto x/d per garantire che l'armatura tesa raggiunga lo snervamento prima della rottura del calcestruzzo compresso: per le sezioni in zona sismica, x/d non deve superare 0,25 (CD"A") o 0,35 (CD"B") nelle zone critiche.

La verifica a taglio è disciplinata dal paragrafo 4.1.2.3.5 delle NTC 2018 e si basa sul modello a traliccio di Mörsch generalizzato. La resistenza a taglio della sezione armata con staffe VRsd si calcola come VRsd = 0,9 x d x Asw/s x fyd x (cot-theta + cot-alpha) x sin-alpha, dove Asw è l'area dell'armatura trasversale, s il passo delle staffe, theta l'inclinazione del puntone compresso (1 <= cot-theta <= 2,5) e alpha l'inclinazione delle armature trasversali rispetto all'asse della trave. Il progettista è libero di scegliere l'angolo theta nell'intervallo ammesso per ottimizzare l'armatura a taglio.

La resistenza a taglio del puntone compresso VRcd limita superiormente la resistenza a taglio della sezione e si calcola come VRcd = 0,9 x d x bw x alfa-c x fcd x (cot-theta + cot-alpha) / (1 + cot2-theta), dove bw è la larghezza minima della sezione e alfa-c è un coefficiente che tiene conto dello stato di compressione nella membratura. La verifica è soddisfatta quando il taglio sollecitante VEd è inferiore sia a VRsd sia a VRcd. Per sezioni non armate a taglio, le NTC 2018 forniscono la formula per la resistenza VRd del solo calcestruzzo, applicabile esclusivamente a elementi secondari e di spessore ridotto.

Le NTC 2018 prescrivono armature minime a taglio per tutti gli elementi strutturali principali: il rapporto geometrico minimo delle staffe è rho-w,min = 1,5 x sqrt(fck) / fyk (in permille) e il passo massimo delle staffe non deve superare 0,8 x d né 350 mm. Nelle zone critiche degli elementi sismoresistenti, il passo massimo è ulteriormente ridotto a d/4 (CD"A") o d/2 (CD"B") e il diametro minimo delle staffe è 6 mm (CD"B") o 8 mm (CD"A"). Queste prescrizioni garantiscono un confinamento adeguato del calcestruzzo compresso e una duttilità sufficiente delle sezioni.

Le NTC 2018 prescrivono quantità minime di armatura longitudinale per travi e pilastri per garantire un comportamento duttile e prevenire la rottura fragile. Per le travi, l'armatura longitudinale minima tesa è As,min = 0,26 x fctm/fyk x bt x d >= 0,0013 x bt x d, dove fctm è la resistenza media a trazione del calcestruzzo e bt la larghezza della zona tesa della sezione. L'armatura longitudinale massima, sia tesa che compressa, non deve superare il 4% dell'area della sezione di calcestruzzo in zona corrente.

Per i pilastri, l'armatura longitudinale minima è As,min = 0,10 x NEd / fyd oppure 0,003 x Ac, quale dei due sia maggiore, dove NEd è lo sforzo normale di calcolo e Ac l'area della sezione di calcestruzzo. L'armatura massima è il 4% di Ac (6% nelle zone di sovrapposizione). Le barre longitudinali devono avere diametro minimo di 12 mm e devono essere disposte con interasse massimo di 300 mm lungo il perimetro della sezione. Ogni barra d'angolo e almeno una barra ogni due su ciascun lato devono essere trattenute da una staffa o da un gancio.

Per le zone critiche degli elementi sismoresistenti in classe di duttilità alta (CD"A"), le NTC 2018 al paragrafo 7.4.6.2 prescrivono requisiti aggiuntivi stringenti. Nelle travi, l'armatura compressa deve essere almeno il 50% di quella tesa in ogni sezione della zona critica, e il rapporto geometrico dell'armatura tesa non deve superare rho-max = rho' + 0,0018 x fcd / (fyd x epsilon-sy,d), dove rho' è il rapporto geometrico dell'armatura compressa. La lunghezza della zona critica si assume pari a 1,5 volte l'altezza della sezione per le travi e pari alla maggiore tra l'altezza della sezione, 1/6 dell'altezza netta del pilastro e 45 cm per i pilastri.

Le staffe nelle zone critiche dei pilastri in CD"A" devono avere diametro minimo di 8 mm, passo massimo pari al minore tra b/3 (con b dimensione minore del nucleo confinato), 125 mm e 6 volte il diametro delle barre longitudinali. Il coefficiente di confinamento omega-wd = volume staffe x fyd / (volume nucleo x fcd) deve essere almeno 0,08 per CD"B" e almeno 0,08 con la condizione aggiuntiva alfa x omega-wd >= 30 x mu-phi x nu-d x epsilon-sy,d x (bc/b0) - 0,035 per CD"A", dove mu-phi è la duttilità in curvatura richiesta e nu-d il rapporto di compressione normalizzato.

Le giunzioni per sovrapposizione delle barre longitudinali devono avere lunghezza di ancoraggio sufficiente, calcolata secondo il paragrafo 4.1.2.3.7 delle NTC 2018, e devono essere sfalsate rispetto alle zone critiche. In zona sismica, le NTC 2018 vietano le giunzioni per sovrapposizione nelle zone critiche di travi e pilastri e richiedono che la percentuale di barre giuntate nella stessa sezione non superi il 50%. Le giunzioni meccaniche (manicotti) sono ammesse purché certificate per sviluppare la resistenza a trazione dell'armatura e la duttilità richiesta dalla classe di duttilità della struttura.