Strutture in calcestruzzo
Il calcestruzzo è un miscuglio di cemento, sabbia, sassolini (inerti) e acqua. All'inizio è una pasta densa, poi si indurisce come la pietra.
Contano due tipi di spinta. La compressione è uno schiacciamento. La trazione è un allungamento. Il calcestruzzo sopporta molto bene la compressione. Sopporta male la trazione: regge solo circa un decimo della trazione rispetto alla compressione.
Per questo il calcestruzzo semplice (senza acciaio) si usa dove il carico schiaccia soprattutto: fondazioni, muri spessi, dighe a gravità, rivestimenti di canali, solette di strade agricole su terreno solido e piccole briglie.
Il calcestruzzo semplice si crepa se si piega. Quindi lo teniamo spesso e corto, mai come una trave lunga e sottile.
Strutture in cemento armato (c.a.)
Quando una trave si piega, il lato inferiore si allunga e quello superiore viene schiacciato. Mettiamo le barre d'acciaio (tondini) vicino al lato teso. L'acciaio resiste bene alla trazione. Il calcestruzzo tiene ferme le barre, condivide lo schiacciamento e protegge l'acciaio dalla ruggine.
Perché funziona? Il calcestruzzo aderisce alla barra, e i due materiali si dilatano e si restringono quasi della stessa quantità quando fa caldo o freddo. Così lavorano come un unico corpo.
Le barre hanno bisogno di uno strato di calcestruzzo intorno, chiamato copriferro. Il copriferro tiene lontani acqua e aria, così le barre non si arrugginiscono. Un copriferro normale è di circa 2-5 cm, di più per le vasche d'acqua.
In campagna il cemento armato si usa per vasche, silos, ponti, tombini, paratoie dei canali, salti idraulici, pavimenti delle stalle ed edifici con travi e solai.
Strutture in acciaio
Una struttura in acciaio è fatta di profilati laminati come angolari, profili a U e travi a I, uniti con bulloni, rivetti o saldature. L'acciaio resiste bene sia allo schiacciamento sia alla trazione.
Punti di forza: è resistente rispetto al suo peso, si costruisce in fretta, copre grandi luci e i vecchi pezzi si possono riutilizzare. Punti deboli: si arrugginisce se non è verniciato o zincato, perde resistenza in un incendio forte, e i pezzi lunghi e sottili possono instabilizzarsi (piegarsi di lato) quando sono compressi.
Una capriata unisce le barre in triangoli. Un triangolo non può cambiare forma, quindi il telaio resta rigido. Usi in campagna: telai di serre e stalle, silos per il grano, torri per serbatoi d'acqua, supporti dei tubi per l'irrigazione a pioggia e cancelli.
Come scegliere tra i tre
- Soprattutto schiacciamento, pesante, lunga durata: calcestruzzo semplice.
- Flessione, pressione dell'acqua, forte e durevole, che non verrà spostato: cemento armato.
- Grande luce, poco peso, lavoro rapido, che può essere spostato o ampliato: acciaio.
Pensa anche al costo, ai materiali del posto, al terreno sotto la struttura e a quanto deve durare.
Prova tu: il test del biscotto
Prendi un biscotto secco. Premilo piatto tra i palmi: è difficile da rompere. Ora tienilo per le due estremità e piegalo: si spezza con una piccola flessione. Il biscotto è come il calcestruzzo: va bene se schiacciato, è debole se piegato. Ora fai asciugare una lastra di argilla con un bastoncino sottile premuto nella parte inferiore, e piegala: regge più a lungo. Il bastoncino fa la parte delle barre d'acciaio.
Formule e definizioni chiave
- Compressione = schiacciamento; Trazione = allungamento
- Calcestruzzo semplice: forte a compressione, debole a trazione
- Cemento armato = calcestruzzo + barre d'acciaio nella zona tesa
- Copriferro = strato di calcestruzzo intorno alla barra (la protegge dalla ruggine)
- Acciaio: forte in entrambi i casi; leggero rispetto alla resistenza; si arrugginisce e si instabilizza
Esempi svolti
1. La soletta di una strada agricola poggia su terreno solido e deve solo sopportare il peso di un veicolo. Calcestruzzo semplice o cemento armato?
Il terreno sostiene la soletta lungo tutta la sua lunghezza, quindi quasi non si piega. Per un traffico leggero basta il calcestruzzo semplice. Si può aggiungere una rete d'acciaio per controllare le crepe.
2. Un ponte su un canale è una trave appoggiata su due muri. Quale lato della trave si allunga e dove vanno le barre?
Una trave appoggiata su due sostegni si piega verso il basso. Il lato inferiore si allunga. Quindi le barre principali vanno vicino al fondo.
3. Una mensola (una trave fissata a un'estremità e libera all'altra) porta un carico. Dove vanno le barre principali?
Una mensola si piega in modo che il lato superiore si allunga. Quindi le barre principali vanno vicino alla parte alta, vicino all'estremità fissa.
4. Un agricoltore vuole un capannone largo 12 m, senza pilastri all'interno, costruito in fretta. Quale struttura?
Un telaio a capriate in acciaio. È leggero, copre una grande luce e si monta in fretta.
5. Una trave è larga 300 mm e ha bisogno di 40 mm di copriferro per lato. Quanto è largo lo spazio tra i due copriferri?
300 - 40 - 40 = 220 mm.
6. Il calcestruzzo semplice regge 3 N per mm2 di trazione prima di crepare. Il fondo di una trave è teso con 5 N per mm2. Si creperà? Che cosa risolve il problema?
5 è più di 3, quindi si creperà. Le barre d'acciaio prendono su di sé la trazione, così il calcestruzzo non deve più sopportarla.
Errori comuni
- Pensare che il calcestruzzo sia forte in ogni modo. È forte solo a compressione.
- Mettere le barre al centro o in alto in una trave semplicemente appoggiata. Vanno vicino al fondo teso.
- Usare poco copriferro, così l'acciaio si arrugginisce e il calcestruzzo si spacca.
- Credere che l'acciaio non ceda mai. L'acciaio sottile si instabilizza, si arrugginisce e perde resistenza nel fuoco.