Calcestruzzo armato, dai semplici vasi agli edifici più alti del mondo

È un materiale così comune e utilizzato così spesso che la maggior parte degli ingegneri non ci pensa in modo approfondito. Per la maggior parte di noi, è semplicemente un materiale che deve soddisfare i parametri richiesti in varie forme. Ma lavorandoci, vi siete mai chiesti da quale paese provenga? O qual è la storia di un materiale senza il quale molti edifici famosi nel mondo non sarebbero mai stati costruiti?

Per questo articolo, mettiamo da parte i complessi problemi ingegneristici, la progettazione e le valutazioni strutturali, l'analisi dei carichi e l'applicazione delle normative. Facciamo insieme un breve viaggio nella storia per vedere da dove viene questo materiale, le sue origini e come si è sviluppato dando vita a un'incredibile quantità di edifici funzionali e ammirevoli.

Come suggerisce il nome, il calcestruzzo armato nelle sue prime forme era composto da due componenti essenziali: ferro e calcestruzzo. Prima di parlare del calcestruzzo armato in sé, diamo una rapida occhiata al calcestruzzo. Questo è noto all'umanità da più di 2000 anni.

I benefici del calcestruzzo erano già sfruttati dai Romani (alcuni dicono dagli Egizi). Alcuni degli edifici che costruirono utilizzandolo sono ancora in piedi oggi. Un ottimo esempio è la più grande cupola monolitica del mondo nel Pantheon di Roma (immagine sotto), costruita con la tecnologia del calcestruzzo gettato in opera nel secondo secolo d.C. Questo non è l'unico esempio di adozione precoce del calcestruzzo: nel mondo esistono molte strutture simili.

È quindi sorprendente che l'idea di armare il calcestruzzo con elementi in ferro non sia apparsa fino al XIX secolo. Con qualche esagerazione, questo periodo può essere definito il periodo del Rinascimento Tecnico. Oltre al calcestruzzo armato, anche l'uso dell'acciaio ha rivoluzionato la costruzione. Ha iniziato ad apparire su scala più ampia sotto forma di elementi portanti solo poco tempo prima del calcestruzzo armato stesso.

Nel XIX^° secolo, diversi pionieri sperimentarono il calcestruzzo armato. Tra i più precoci e importanti vi fu l'inglese William Boutland Wilkinson, che sperimentò soluzioni di protezione antincendio nella costruzione di edifici. Nel 1854, utilizzò barre e funi in acciaio per armare il calcestruzzo nella costruzione di una casa per i suoi servitori. Brevettò una soluzione che si rivelò efficace.

Un altro pioniere fu l'industriale francese François Coignet, il primo a costruire un edificio di quattro piani interamente in calcestruzzo armato nella città francese di Saint-Denis nel 1853. Anch'egli brevettò la sua soluzione nel 1855.

Il primo "antenato" del calcestruzzo armato come lo conosciamo oggi, che combina efficacemente il meglio di entrambi i materiali, ovvero la resistenza a compressione del calcestruzzo normale con la resistenza a trazione del ferro, può essere fatto risalire al 1867. In quel periodo, un giardiniere francese, Joseph Monier (immagine sotto), stava cercando un sostituto per i vasi di argilla e legno. Provò a realizzarne in calcestruzzo, ma si spaccavano - così tentò di trovare un modo per renderli sufficientemente resistenti.

Ebbe l'idea di utilizzare una semplice struttura in ferro, che poi ricoprì con il calcestruzzo. Il risultato superò ogni aspettativa e Joseph Monier brevettò la sua soluzione il 16 luglio 1867.

Espose persino la sua invenzione all'Esposizione di Parigi di quell'anno, dove la sua soluzione ottenne un grande successo. È stato nel luglio di quest'anno (2022) che questo brevetto ha celebrato il suo 155^° anniversario.

Il calcestruzzo armato ha successivamente conosciuto un boom in tutto il settore delle costruzioni nel mondo moderno. Si è diffuso negli Stati Uniti prima della fine del secolo.

È diventato rapidamente un materiale che ha trovato impiego in tutti i tipi di edifici - dalle strade, alle abitazioni, fino agli edifici monumentali nelle più grandi conurbazioni del mondo. Di pari passo con questa espansione, tuttavia, sono cresciute le esigenze sulle sue proprietà. Il calcestruzzo, come elemento essenziale, ha subito un'evoluzione rivoluzionaria nel corso degli anni. Gli ingegneri hanno sperimentato con la composizione e i carichi, sono state create nuove classi di resistenza e le possibilità di utilizzo in vari ambienti si sono ampliate.

Pertanto, così come la tecnologia di produzione del calcestruzzo si è evoluta e le sue proprietà sono migliorate, la stessa evoluzione è avvenuta nei metodi di calcolo delle strutture in calcestruzzo.

Ogni struttura contiene le cosiddette zone B e zone D, caratterizzate da un diverso approccio progettuale.

Cosa sono le zone B?

Le zone B possono essere definite come regioni in cui vale l'ipotesi di Bernoulli-Navier, che assume che una sezione trasversale piana prima della deformazione rimanga piana dopo la deformazione. Per tali regioni, la soluzione e il giudizio forniti dalle normative possono essere utilizzati in modo sicuro. IDEA StatiCa RCS e IDEA StatiCa Beam offrono soluzioni per le zone B in cui è valida la teoria della trave.

Cosa sono le zone D?

I luoghi in cui l'ipotesi di Bernoulli-Navier non è valida sono chiamati regioni di discontinuità o regioni di perturbazione: le regioni D. Queste sono regioni di appoggio, intorno a travi isolate, luoghi di bruschi cambiamenti di sezione trasversale, aperture, ecc. Nella progettazione di strutture in calcestruzzo, si incontrano numerose altre zone D come pareti, travi da ponte, mensole corte, ecc.

Nonostante lo sviluppo di diversi strumenti di calcolo negli ultimi decenni, il metodo Puntone-e-tirante è ancora utilizzato nei calcoli manuali. Tuttavia, la sua applicazione a strutture reali richiede molto tempo, poiché devono essere eseguite diverse iterazioni e devono essere considerati anche diversi casi di carico. Inoltre, questo metodo non è adatto per la verifica dei criteri di esercizio (deformazione, ampiezza delle fessure, ...).

Queste e altre sfide simili legate all'analisi delle strutture in calcestruzzo hanno spinto le aziende a collaborare con il mondo accademico. IDEA StatiCa ha seguito lo stesso approccio e, in collaborazione con ETH Zurich, IDEA StatiCa ha sviluppato e testato approfonditamente un metodo chiamato Metodo del Campo di Tensioni Compatibile (CSFM) per la progettazione delle regioni di discontinuità.

Questo metodo è stato implementato nell'applicazione IDEA StatiCa Concrete ed è basato su un'implementazione informatica di un modello a campo di tensioni, utilizzando le proprietà di base dei materiali specificate nelle normative di progettazione del calcestruzzo. Il CSFM supera i limiti degli approcci classici e può essere considerato un metodo di analogia reticolare generalizzato, ma in cui vengono considerate le regioni effettivamente sollecitate anziché le forze risultanti.

Il calcestruzzo e il calcestruzzo armato sono così diventati materiali il cui utilizzo è spesso preceduto da analisi complesse. I primi pionieri che lo sperimentarono certamente non avrebbero immaginato quanto ampia fosse la base che stavano ponendo per il settore e fino a che punto si sarebbe evoluta la costruzione con il calcestruzzo armato.

Qual è il futuro del calcestruzzo armato? Secondo il Prof. Kolísko, Direttore del Klokner Institute di Praga, il calcestruzzo armato è così ampiamente utilizzato ed è un materiale così facile da usare che non possiamo aspettarci una sua sostituzione in tempi brevi. Tuttavia, ci sarà una più frequente ottimizzazione delle strutture in calcestruzzo legata a un uso più economico del cemento, che è un significativo contribuente alla cosiddetta impronta di carbonio.

Il futuro sarà senza dubbio nell'UHPC (calcestruzzo ad altissima resistenza), con cui si sta già sperimentando e che sta producendo risultati promettenti per l'ottimizzazione delle strutture in calcestruzzo.

Siamo lieti che la nostra applicazione IDEA StatiCa e altre facciano parte di questa storia. Da diversi anni aiutiamo ingegneri in tutto il mondo a progettare e ottimizzare strutture in acciaio e calcestruzzo, risparmiando tempo nella progettazione e nella verifica normativa di qualsiasi elemento in calcestruzzo.

... Sapevate che anche le navi da carico sono state progettate in calcestruzzo armato? Ma ne parleremo la prossima volta.