(Appunti Strutture Prefabbricate - CNR 10025( 06 STRUTTURE 2009-10 Rev4.0

Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

dott. ing. Isaia Clemente

6. CENNI CENNI SULL SULLE E STRUT STRUTTUR TURE E PREFABBRICATE

Dicembre 2009 – v. 4.0

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Strutture prefabbricate 6.1.. Nor 6.1 Normat mative ive di riferi riferimen mento to

í D.M. 14/01/2008 “ Norme tecniche per le costruzioni” í Circolare 2 febbraio 2009 - Istruzioni per l’applicazione delle “Nuove norme tecniche per le

costruzioni” di cui al D.M. 14 gennaio 2008 í D.M. LL.PP. 03/12/1987 “Norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo delle costruzioni prefabbricate”

í Circ. LL.PP 16/03/1989 “ Istruzioni in merito alle norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo delle costruzioni prefabbricate”

í CNR 10025/84 “Istruzioni per il progetto, l'esecuzione ed il controllo delle strutture prefabbricate in conglomerato cementizio cementizio e per strutture costruite con sistemi industrializzati”


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Strutture prefabbricate 6.2. Generalità

La prefabbricazione con elementi in c.a. normale o precompresso ha avuto negli ultimi anni un notevole sviluppo in ambito industriale ed amministrativo (uffici). Nel campo dell’edilizia residenziale le prospettive di industrializzazione, che negli anni 70-80 sembravano elevate soprattutto nell’edilizia pubblica (ad es. case popolari), sono ora invece in netto calo. Il confronto con le strutture in acciaio, sta comunque andando a vantaggio delle strutture in c.a. o c.a.p. soprattutto per il fatto che in Italia le maestranze e le imprese connesse al c.a. sono molto più numerose e più preparate di quelle dell’acciaio, anche perché in questo ultimo caso è prevista una progettazione ed un’esecuzione dell’opera molto più accurata (tolleranze dell’ordine di 1mm nell’acciaio, dell’ordine di 1cm per il c.a.) Vantaggi: í buona qualità í controllo in stabilimento

í bassi costi í velocità di realizzazione

Difetti: í collegamenti

Nella costruzione prefabbricate in c.a. si possono individuare essenzialmente due tipologie costruttive: í a grandi pannelli í ad ossatura portante (trave – pilastro – impalcato) Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Strutture prefabbricate 6.3. Strutture a grandi pannelli

La tipologia costruttiva a grandi pannelli è attualmente poco utilizzata. Essa consiste nell’uso di strutture verticali a pannello con orizzontamenti a lastra. Possono essere anche totalmente prefabbricati:

Lo schema di funzionamento è analogo a quello di una struttura in muratura, dove le pareti e gli orizzontamenti devono essere collocati in modo da realizzare un meccanismo di funzionamento di tipo “scatolare”: í alcune pareti avranno infatti funzione controventante nei confronti delle azioni orizzontali í altre pareti avranno funzione portante nei confronti dei carichi verticali í gli orizzontamenti hanno invece la funzione di trasferire alle pareti le azioni sopraccitate

In questo caso il problema più importante è costituito dal giunto (verticale ed orizzontale). Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Strutture prefabbricate 6.3.1. I collegamenti

Si possono avere giunti orizzontali fra il pannello e l’impalcato, giunti orizzontali e verticali fra i pannelli.

Il giunto tra pannello verticale e solaio può essere di tipo

(a) sistema articolato

(b) continuità


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Strutture prefabbricate Il giunto tra i pannelli

I giunti tra pannello e pannello devono in genere trasmettere un’azione normale e tagliante. Ad esempio in una parete di taglio si può avere:

I giunti orizzontali possono trasmettere l’azione tagliante per attrito purché T d 0.35 N Altrimenti lo sforzo deve essere assorbito da idonea armatura


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Strutture prefabbricate

Nei giunti verticali, lo sforzo di taglio T è in genere provocato dalla differenza tra l’azione assiale tra i pannelli: diventa NON trascurabile quando la differenza supera il 15% della resistenza del pannello A t 100cm 2 at

t 3

b t

t 3

con t = spessore del pannello Affinché le armature siano efficaci è opportuno che il giunto sia “organizzato” (CNR 10025/84). In verticale devono essere predisposte delle sagomature in modo che si vengano ad instaurare opportune bielle di compressione. d t 2cm h ! 5cm I barre  12mm Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Strutture prefabbricate 6.3.2. Il pannello

Solitamente il pannello è costituito da una lastra esterna in c.a., vibrato ed in genere impermeabile all’acqua ed al vapore. Può aversi invece un accumulo di vapore all’interno se lo strato interno del pannello è permeabile; in questo caso si deve usare una barriera al vapore oppure prevedere una lama d’aria ventilata.

Si possono evitare ponti termici collegando le due lastre con elementi metallici in acciaio inox


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Nel caso in cui il sistema di vincolo tra il pannello ed il solaio sia di tipo “articolato”, la verifica del panello si effettua come per una parete in muratura, introducendo un coefficiente di riduzione della resistenza I, funzione della snellezza O e dell’eccentricità: Vc

I

dove:

O 

e  I §¨ O , 0 ·¸ © t ¹

l0

t D l0  k  l k D



N d V A  I c,adm (CNR 10025/84)

è la snellezza del pannello è la lunghezza libera di inflessione è il coefficiente di vincolo del pannello

 1000 1  E[ 

N lunga durata -1.2 cls  coeff. di fluage ® [  N totale ¯1.8 y 2.4 cls leggero e0  eccentricità di calcolo (eccentricità di carico e di costruzione)

E


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Le strutture a pannelli possono essere realizzate mediante l’uso di opportuni casseri direttamente in opera: nei paesi dell’Est Europa è molto utilizzata la “tipologia a tunnel”, da noi non usata.

Cassaforma su ruote con possibilità di prevedere diversi spessori di pareti


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Strutture prefabbricate 6.4. Strutture ad ossatura portante in c.a. e c.a.p.

Queste strutture sono caratterizzate essenzialmente dall’uso di tre elementi: - pilastri e plinti a bicchiere travi in c.a. o c.a.p. (in genere si fanno travi corte di 6m circa e solai lunghi di 20 y30m) orizzontamenti (solai, copponi, impalcati di travi) In questa tipologia, il pannello perimetrale NON ha più funzione portante, ma quella di semplice tamponamento. Vantaggi: í realizzazione

dell’opera indipendentemente dalle condizioni atmosferiche

í tempi di esecuzione dell’opera molto più

contenuti

Difetti: í costi leggermente superiori a quelli

di una struttura in opera a causa del maggiore costo dovuto alla presenza del sistema di collegamento

í costo dovuto al trasporto ed al

montaggio (mezzo di sollevamento)

Nel caso di grandi luci (20 y 30 m) questo strutture risultano senz’altro più convenienti rispetto a quelle tradizionali in c.a. eseguite in opera. Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Strutture prefabbricate 6.4.1. Il pilastro

Generalmente il pilastro viene realizzato in cemento armato normale, privo di precompressione quindi dotato solamente di armatura lenta, eventualmente maturato a vapore. Il pilastro prefabbricato viene in genere gettato su banconi orizzontali in stabilimento (standard 50x50) o entro casseri metallici in un cantiere di prefabbricazione nei pressi nell’opera, sempre in posizione orizzontale. In virtù della modalità di esecuzione del getto, il pilastro presenta sempre una faccia con finiture diverse dalle altre tre. Se si vuole un pilastro faccia-vista su tutti i lati, deve essere gettato su casseri in legno, con getto possibilmente in verticale, che comporta costi molto superiori. Generalmente lo spigolo risulta smussato per avere una buona finitura. La finitura con spigoli vivi risulta infatti molto difficile da realizzarsi e richiede costi molto più elevati Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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La dimensione minima del pilastro è solitamente 50x50, il peso è quindi dell’ordine delle 2.5 y3t, superiore in genere alla normale portata delle gru di cantiere. Per il suo montaggio è richiesta quindi un’autogru. Lo schema costruttivo è costituito da pilastri continui a tutta altezza ed incastrati al piede su plinti a bicchiere, secondo lo schema seguente:

Il pilastro funziona in genere come una mensola incastrata al piede, eventualmente collegata con bielle (travi) alle altre colonne. È un sistema isostatico, poco idoneo in zona ad elevata sismicità.

Il pilastro risulta quindi essere un elemento presso-inflesso in c.a. progettato con le usuali tecniche di calcolo alle tensioni ammissibili o agli stati limite.


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Devono ovviamente essere tenute in conto tutte le fasi costruttive in cui l’elemento si può venire a trovare: - sollevamento - montaggio - trasporto - in esercizio Molte volte il pilastro contiene al suo interno un foro per alloggiamento del pluviale in p.v.c. (di dimensioni usuali 10y12cm). In questo caso si adotta un’armatura del tipo:

Per il pilastro particolare attenzione deve essere posta in corrispondenza delle selle di appoggio delle travi per la presenza di forti forze localizzate trasmesse dalla piastra di appoggio.


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In corrispondenza della sella di appoggio, per effetto della diffusione delle tensioni di compressione sotto gli apparecchi di appoggio, nascono nel cls degli sforzi di trazione che devono essere assorbiti dalle armature di “frettaggio” o di “cerchiatura”.

Secondo le CNR 10025/84 si hanno: forze sollecitanti di progetto di trazione trasversale

§ a · °HSdx  0.3VSd ¨1  ox ¸ © a1x ¹ ° ® °H  0.3V §1  a oy · Sd ¨ ° Sdy ¨ a1y ¸¸ © ¹ ¯ HSd d H R  fSd A s z  min  a1x ,a1y 


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Accanto all’armatura di “frettaggio” deve essere aggiunta l’armatura principale, necessaria per equilibrare i carichi verticali. Normalmente si assume uno schema a traliccio tirante-puntone del tipo:

V c



N x  t

d f cd

Secondo schema risulta immediato calcolare le armature principali e verificare se la biella compressa di cls (puntone) è in grado di resistere. Per quanto riguarda l’elemento di contatto si usa in genere un elemento in neoprene semplice od armato oppure un elemento in piombo con lamierini di contatto. c = 4 y 5 cm f deve essere tale da impedire il contatto sotto la massima rotazione della trave


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Il funzionamento di un pacchetto di neoprene (in genere armato) sotto l’azione di un taglio T è caratterizzato da una legge inizialmente lineare: Th AcG c Ac = area del pacchetto

'l 

Il modulo di elasticità tangenziale G c dipende dalla durezza della gomma (varia tra 0.5 y 1.5 N/mm2) Per scorrimenti 'l ! 'l il comportamento cessa in genere di essere lineare risultando in genere molto più deformabile In pratica questo tipo di collegamento può essere considerato elastico o al limite come una cerniera fissa (soprattutto se la pressione è elevata) per TT2 diventa un carrello. Per questo motivo sono molto usati nei ponti per simulare un vincolo a carrello (se si usa teflon ad esempio il valore di T2 risulta molto ridotto) Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Sotto carichi verticali questi pacchetti possono lavorare in esercizio con tensioni molto elevate (20 – 30 N/mm2) poiché perdono le loro caratteristiche solo per tensioni molto superiori ( a100 N/mm2) Accanto ad elementi di contatto di tipo “plastico” si possono utilizzare più semplicemente piastre metalliche piane oppure un contatto cilindrico.


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Può essere utilizzato anche un appoggio in piombo duro con lamierini metallici di protezione

Se la struttura si trova realizzata in zona sismica, i collegamenti NON possono essere a sola gravità in quanto si devono poter trasmettere le azioni orizzontali al ridursi dei carichi verticali. In questo caso si devono utilizzare elementi di connessione metallici. Il contatto calcestruzzo-calcestruzzo NON è accettabile in nessun caso per la fragilità di questo materiale sotto gli inevitabili sforzi di trazione che si possono venire a verificare nelle zone di contatto per effetto dell’attrito e delle dilatazioni impedite. Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Strutture prefabbricate 6.4.2. Il collegamento in fondazione

Nello schema costruttivo tipico, i pilastri sono mensole incastrate alla base; da qui la necessità di realizzare un vincolo di incastro al piede utilizzando essenzialmente il plinto a bicchiere.

Solo se la struttura è opportunamente controventata si possono utilizzare anche collegamenti più semplici a sola compressione con malta di cemento (al fine di prevedere anche un allineamento delle quote) o eventualmente piastra metallica con tirafondi.


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Secondo CNR 10025/84 si hanno le seguenti caratteristiche geometriche minime: l p t 1.2h se e d 0.15h l p t 2h se e t 2h M e= N t ! 10 cm l = altezza pozzetto Secondo CNR 10025/84 la distribuzione delle pressioni di contatto è quella di figura con: 3 § M 11 · FSd'  ¨¨  T ¸¸ 2 © l p 12 ¹ 3§ M 3 · FSd  ¨¨  T ¸¸ 2 © l p 12 ¹

d

'  0.30f cd b pl p FRd

d

FRd  D1NSd  D 2f cd b pl p

D1 = coefficiente di attrito tra cls e cls sul fondo del pozzetto ( 0.35) D2 = 0.27 §


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Strutture prefabbricate ' ' In genere è sufficiente verificare solo che FSd d FRd . Non occorre verificare la resistenza in termini di FRd.

Le tensioni di contatto Vc vengono riprese dalle pareti laterali parallele del pozzetto che lavorano come delle mensole tozze mediante uno schema tirante-puntone. Verifica del tirante verticale: N s,Sd d N s,Rd  f sd A s con As area del tirante da realizzarsi con staffe verticali.

a  0.15h c sin E 2 3 4l p E  arctg t 0.85h c  2 Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

Verifica del puntone: N c,Sd d N c,Rd  2f cd a  t

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Verifica del tirante orizzontale: Le barre di chiusura poste a staffa chiusa sulla sommità del pozzetto si dimensionano con : Fsd' ' As  2f sd Verifica a punzonamento del fondo del pozzetto: La sollecitazione da punzonamento è data da:

PSd  V td :d  NSd  V td b1h1 La resistenza al punzonamento è data da: PRd  0.5f ctd s p up  0.35f ctdJ l p us con

u p  2  h  sp   2  b  s p  us  2 h  b f ctd = resistenza di calcolo a trazione del cls del plinto f ctd,J = resistenza di calcolo a trazione del materiale di riempimento


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Strutture prefabbricate 6.4.3. Giunti di dilatazione

Secondo la CNR 10025/84 devono essere previsti giunti di dilatazione ogni 40m in zone secche ed ogni 60m in zone umide e temperate.

L’interspazio tra i pilastri deve essere delle stesse dimensioni di quello con le pareti esterne del bicchiere. Detto spazio va sigillato con cura con malta espansiva ad alta stabilità volumetrica (anti-ritiro) tipo “EMACO S55” o similari.


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Strutture prefabbricate 6.4.4. Le travi

Le travi hanno dimensioni e forma tra le più svariate. In linea generale, la loro forma dipende dalla posizione all’interno del telaio e dal tipo di impalcato adottato. Generalmente si ha: - solaio in semplice appoggio - travi portanti appoggiate o continue

Una regola non scritta prevede: - solaio sulla luce grande (20 m) - trave sulla luce corta (5y 6 m) N.B: In virtù dei possibili giochi sulle selle di appoggio, se l’edificio è completamente prefabbricato viene in genere meno la necessità di giunti di dilatazione. Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Le travi portanti possono essere in c.a. normale o più frequentemente in c.a.p. Generalmente nell’edilizia prefabbricata il cemento armato precompresso prevede la tecnologia della pre-tensione a fili aderenti (in particolare per i solai). 1. I trefoli di precompressione (da ½ a ¾ pollice) vengono distesi sulle piste di precompressione; vengono fissati ad una estremità e tesi dall’altra;


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2. Si esegue il getto dell’elemento in appositi casseri o per mezzo di appositi carrelli scorrevoli (solai alveolari); 3. Si accelera la maturazione in tenda a vapore; 4. Una volta raggiunta una prefissata resistenza (1y3 giorni) si allentano i cavi e si ottiene il pezzo finito, eventualmente da tagliare secondo le specifiche necessità. Vantaggi: -

semplicità di realizzazione ripetibilità modularità la precompressione limita in genere la fessurazione del cls e quindi protegge le barre garantendo maggiore durabilità e maggiore portanza.

Solo per le strutture di particolare rilievo si usa la precompressione a “fili scorrevoli”. In questo caso si predispongono le guaine e gli elementi di testata all’interno del cassero. A getto realizzato, quando il calcestruzzo raggiunge una resistenza sufficiente si mettono in tensione i cavi attraverso dei martinetti posti su una testata. Infine si inietta il condotto con malta antiritiro. Questo tipo di precompressione è più costosa della precedente (maggiore costo dovuto a guaine ed elementi di testata a40y50%) Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Il grosso vantaggio della precompressione sta nel controllo totale della fessurazione della trave. Per contro, viste le ridotte dimensioni trasversali (si usano generalmente calcestruzzi ad elevata resistenza R ck =35y55 N/mm2) il problema della instabilità laterale (flesso-torsionale) può risultare importante. 6.4.5. I collegamenti fra le travi

Come si è visto, la trasmissione del taglio avviene in genere mediante opportune selle di appoggio. La

continuità

flessionale,

invece, risulta essere molto più complessa da realizzare ed è pertanto poco frequente: í Armature

saldate momento negativo

a


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í Precompressione con cavo

scorrevole

í Spesso la realizzazione di un getto integrativo (soletta superiore) permette di ottenere la

continuità: in questo caso si parla di collegamento “ad umido”. Si viene così a realizzare una struttura “mista” in c.a.: i due calcestruzzi hanno infatti caratteristiche completamente diverse (resistenza, età, qualità, ritiro, viscosità).

Questo tipo di collegamento in realtà è molto più utilizzato per gli elementi di solaio. Per le travi portanti principali si usa abitualmente lo schema di semplice appoggio. Corso di Progetto di Strutture - a.a. 2009/10

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Strutture prefabbricate 6.4.6. Gli orizzontamenti

Sono generalmente realizzati nello schema di semplice appoggio disposti sulla luce maggiore (L = 8y20 m), oppure in continuità nel caso di realizzazione di una soletta collaborante superiore. Sono costituiti da elementi in precompresso con fili aderenti - i copponi a S

(i più utilizzati per realizzare solai di calpestio)

- I tegoli ad Y


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- I solai alveolari utilizzati nel caso di luci più modeste (6 y15 m) anche nel’edilizia

residenziale e parcheggi)

In genere esistono sistemi brevettati dalla ditta di prefabbricazione.

6.5. Esempi di strutture prefabbricate

ILLUSTRAZIONE DI IMMAGINI DI STRUTTURE PREFABBRICATE


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Strutture prefabbricate 6.6. Riferimenti bibliografici essenziali

í “Ingegneria delle strutture” – E. Giangreco (3 volumi) - UTET í “Manuale di ingegneria civile – vol 2” (3a edizione) – AA.VV. – Zanichelli / Esac í D.M. 14/01/2008 “Norme tecniche per le costruzioni” í Circolare 2 febbraio 2009 - Istruzioni per l’applicazione delle “Nuove norme tecniche per

le costruzioni” di cui al D.M. 14 gennaio 2008

6.7. Siti internet

í http://www.gruppoarches.it/div_spav/ í http://www.altan.com/pagine/altanpreff/altanp.html í http://www.precasa.it í http://www.giulianesolai.com/


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