lezione_04

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Università degli Studi di Parma

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Civile

Lezioni di

“PROGETTAZIONE AVANZATA DI INFRASTRUTTURE VIARIE” (5CFU)

Prof. Ing. Felice Giuliani

LEZIONE n. 4 – Le pavimentazioni in calcestruzzo

– Il progetto e le prescrizioni di capitolato

Argomenti trattati

1a ParteIntroduzione alle pavimentazioni in calcestruzzoCenni ai criteri di dimensionamentoCaratterizzazione del “sottofondo”Caratteristiche del calcestruzzoGiunti

2a PartePrescrizioni di capitolato- Materiali- Costruzione (posa, maturazione, giunti)- Controlli

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INTRODUZIONE

Una pavimentazione in calcestruzzo è costituita essenzialmente da una LASTRA DI CONGLOMERATO CEMENTIZIOpoggiante su una FONDAZIONE DI MATERIALE GRANULAREche trasferisce il carico al terreno in sito (SOTTOFONDO)

Pavimentazione in calcestruzzo(RIGIDA)

Pavimentazione congl. bituminoso (FLESSIBILE)

Grazie all’elevata rigidezza della lastra di calcestruzzo i carichi veicolari sono distribuiti su un’area di sottofondo più estesa rispetto alle pavimentazioni in conglomerato bituminoso

Prof. Ing. Felice Giuliani – Università di Parma

1. PAVIMENTAZIONI STRADALIAutostrade e strade a grande traffico (PCP), ma anche viabilità secondaria, parcheggi, marciapiedi

2. PAVIMENTAZIONI AEROPORTUALIIn alcuni casi come i piazzali di sosta (aprons) e le testate delle piste di volo le pavimentazioni rigide sono prescritte da alcune normative

3. PAVIMENTAZIONI INDUSTRIALIPer parcheggi, marciapiedi, pavimentazioni di magazzini o edifici industriali o per l'industria pesante

CAMPI DI IMPIEGO


Corso di “Progettazione avanzata di infrastrutture viarie” – Lez. 04

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Pavimentazioni a lastre non armate con giunti(Jointed Plain Concrete Pavement - JPCP)

TIPOLOGIE COSTRUTTIVE

4.5 - 6.0 m

Barre di compartecipazione

PIANTA Giunti trasversali

SEZIONE

Le pavimentazioni in calcestruzzo a lastre non armate sono costituite da un insieme di lastre, prive di armatura strutturale, tra cui la compartecipazione è realizzata attraverso un sistema di giunti longitudinali e trasversali. I giunti consentono di controllare le deformazioni del calcestruzzo limitando le sollecitazioni di origine meccanica termica ed igrometrica.




6.0 - 12.0 m

Armatura (rete elettrosaldata)

PIANTA Fessurazione

4.5 m

SEZIONE

Pavimentazioni a lastre armate con giunti(Jointed Reinforced Concrete Pavement - JRCP)

L’inserimento dell’armatura consente una piccola riduzione dello spessore e l’aumento della spaziatura dei giunti. Compito dell’armatura è anche quello di contenere l’apertura delle fessure da ritiro che comunque si formano.



4

Pavimentazioni adarmatura continua(Continously Reinforced Concrete Pavement) - CRCP


Fessurazione diffusa

Armatura continua

PIANTA

SEZIONE

Le pavimentazioni in calcestruzzo ad armatura continua sono costituite da una lastra continua di calcestruzzo, provvista di un’armatura, anch’essa senza soluzione di continuità, cui è affidato il compito di guidare la formazione di un sistema di fessure uniformemente distribuite, ravvicinate e di piccola ampiezza.



Piastra, omogenea, isotropa, linearmente elastica, di dimensioni finite

DIMENSIONAMENTO

fcfm

MODELLO DI WESTERGAARD (1929)

Mezzo che fornisce, in ciascun punto, una reazione verticale proporzionale alla deflessione della piastra

k

La soluzione di Westergaard considera il carico trasmesso da una ruota singola distribuito uniformemente su un’area circolare (r = a) posizionata:

Al centro della piastraSul bordo della piastra

Su un angolo della piastra

σ t,max < α fcfm


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Carico posizionato al centro della lastra:

DIMENSIONAMENTO

MODELLO DI WESTERGAARD (1929)

σ t,max

+

+

= 069112750

4

102.

blog

h

)(.P,maxt

ρνσ

h: spessore della lastraP: carico verticale applicatoν: coeff. di Poisson del Calcestruzzo (0.15)

( )42

3

4

112 k

Eh

k

B

ν−==ρ: raggio di rigidezza relativa

b: raggio di impronta “fittizio”

<−+

≥=

1.724ha se h.ha.

1.724ha se a

675061 22


La caratteristica elastica del sottofondo impiegata nell’analisi di Westergaard è ilMODULO DI REAZIONE DEL SOTTOFONDO (FONDAZIONE)

Fondazione e sottofondo - Portanza

p = k * d d

La FONDAZIONE deve trasmettere al suolo, attenuandoli, le sollecitazioni indotte dai carichi applicati sulla pavimentazione. Deve essere costruita con materiali selezionati, posti in opera in spessori e con modalità tali da fornire una portanza uniforme.

p

Il valore di k dipende:•dalla portanza del sottofondo (terreno in sito)•caratteristiche del materiale di fondazione•spessore fondazione

In fase di PROGETTO k può essere•stimato•misurato (campo prova)

In fase di COSTRUZIONE k deve essere

•misurato (CONTROLLO)

PROVA DI CARICO SU PIASTRA

[k] = MPa/m


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Classificazione del terreno di SOTTOFONDO:P200 = 50%WL = 35% IP = 10%

Stima del Modulo di Reazione (k)

Umidità del terreno di SOTTOFONDO:W = 22%

Grado di Costipamento 90 - 95%

k SOTTOFONDO = 100 pci = 27.2 MPa/m


Stima del Modulo di Reazione (k)

FONDAZIONE IN MISTO GRANULARE(CNR-UNI 10006)s = 30 cm (12”)

Grado di Costipamento 90 - 95%

k SOTTOFONDO = 100 pci = 27.2 MPa/m

SPESSORE FONDAZIONE (in)

MO

DU

LO D

I R

EZIO

NE (

pci

)

k FONDAZIONE = 190 pci = 51.7 MPa/m


7

Per la prova si utilizza una piastra circolare D = 760mmIl carico viene trasmesso attraverso un martinetto idraulico utilizzando come contrasto un camion o un qualsiasi altro mezzo di cantiere di peso adeguato.Per evitare flessioni della piastra si interpongono tra questa ed il martinetto altre tre piastre D=600, 450 e 300mmGli abbassamenti sono misurati con 3 comparatori disposti a 120° sorretti da un telaio i cui punti di appoggio siano sufficientemente distanti dalla piastra.

Misura del Modulo di Reazione (k)Prova di carico su piastra (CNR BU n. 146/92)


Misura del Modulo di Reazione (k)Prova di carico su piastra (CNR BU n. 146/92)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Pressione applicata [Nmm-2]

Ced

imen

ti m

isu

rati

[m

m]

Cedimento N.1

Cedimento N.2

Cedimento N.3

MEDIA

Pressione Cedimenti Media N/mm 2 F1 (mm) F2 (mm) F3 (mm) (mm)

0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.01 0.05 0.09 0.10 0.080.08 1.87 1.72 2.17 1.92

MODULO DI REAZIONE k = p / z

Strato Carico di riferimento k [MPa/m]fondazione 0.01 - 0.08 N/mm2 38.04


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Modulo di Reazione (k)

Il valore della capacità portante (k) contribuisce alla determinazione dello spessore della lastra

È ESSENZIALE CHE LA CAPACITÀ PORTANTE SIA

UNIFORME

CONTROLLO DELLA POSA IN OPERA



PROTEZIONE DALL’AZIONE DELL’ACQUA E DEL GELO

Fondazione e sottofondo

Infiltrazioni attraverso giunti trasversali e lesioni

Infiltrazioni attraverso giunti longitudinali

Variazioni stagionali del livello di falda

Risalita capillareInfiltrazionida terrenicircostanti



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IL FENOMENO DEL POMPAGGIO (PUMPING)

Fondazione e sottofondo: protezione e drenaggio

Lastra cls

fondazione (satura)

sottofondo (saturo)

direzione del movimento

acqua in pressione

direzione del movimento

Il gradiente di pressione provoca un violento spostamento dell’acqua che porta con se la frazione fine


Fondazione e sottofondo: protezione e drenaggio

sottofondo85

fondazione15

sottofondo15

fondazione15

DD 4

DD >>

Filtro di geotessile

Tubo finestrato

Fondazione (con funzione di filtro)

Fondazione ad elevata permeabilità - open graded(con funzione drenante)


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Caratteristiche della Lastra in Calcestruzzo

Il calcestruzzo è un materiale composito che si ottiene miscelando:

ACQUA

CEMENTO

AGGREGATI

PASTA CEMENTIZIAa/c

PASTACEMENTIZIA

AGGREGATO FINE(IMMERSO NELLA PASTA)

AGGREGATO GROSSO

Oltre a questi componenti il calcestruzzo può contenere ADDITIVI AGGIUNTE

- Pillole di tecnologie del calcestruzzo- LINEE GUIDA sul calcestruzzo strutturale


Aggregati per Calcestruzzo (UNI EN 12620)(già UNI 8520)

• individua una serie di caratteristiche che definiscono la

QUALITÀ DEGLI AGGREGATI per conglomerati cementizi

• descrive le PROCEDURE SPERIMENTALI per la misura di parametri rappresentativi di tali caratteristiche

• individua LIMITI QUANTITATIVI per questi parametri consentendo la classificazione e l’utilizzo di tali materiali

Fondamentali per la durabilità del calcestruzzo sono:

Individuazione di materiali nocivi (esame petrografico, UNI 8520/4)

Contenuto di solfati e cloruri solubili (UNI 8520/11 e 8520/12)Contenuto di sostanze organiche (UNI 8520/14)Equivalente in sabbia e del valore di blu (UNI 8520/15)Resistenza all’urto ed all’abrasione (Prova Los Angeles, UNI 8520/19)Sensibilità al gelo e disgelo (UNI 8520/20)

Potenziale reattività degli aggregati in presenza di alcali (UNI 8520/22 )


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Aggregati per Calcestruzzo (UNI 8520)

Reazione Alcali - Aggregati

SILICE REATTIVAamorfa o poco cristallina(opale, calcedonio etc.)

ALCALI contenuti nel cemento

(sodio e potassio)acqua

Reazione espansiva(pop-out)



Aggregati per Calcestruzzo (UNI 8520)Fondamentali per lo studio della composizione sono:

Analisi granulometrica e determinazione dellaDIMENSIONE MASSIMA nominale degli aggregati (UNI 8520/5)

La conoscenza dell'esatta curva granulometrica di ciascuna pezzatura di aggregati consente la loro combinazione per formare la curva ottimale per il calcestruzzo

Massa volumica e dell'ASSORBIMENTO (UNI 8520/13 UNI 8520/16)

ASCIUTTO INSATURO SATUROSUPERFICIEASCIUTTA

UMIDO

W = ASSORBIMENTO

La conoscenza dell’assorbimento e dell’umidità degli inerti consente di dosare correttamente l'acqua d'impasto nelle miscele.

CONDIZIONE DEGLI INERTIALL’INTERNO DEL CALCESTRUZZO


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Calcestruzzo Strutturale (Linee Guida)

Il calcestruzzo va di regola specificato dal progettista come “miscela progettata” con riferimento alle proprietà richieste:

calcestruzzo a prestazione garantita

Dati fondamentali:

a/c

a

c

a) Classe di resistenza

b) Massima dimensione nominale degli aggregati

c) Classe di esposizione ambientale

d) Tipo di struttura (semplice, armata o precompressa)

e) Classe di consistenza

Altre caratteristiche:

a) Resistenza a trazione per flessione


Calcestruzzo Strutturale (Linee Guida)Classe di resistenza

Il calcestruzzo è classificato in base alla sua resistenza a compressione (UNI 6132)

Campioni cubici (L= 150 mm): Rck

Campioni cilindrici (h/d = 2.0): fck

Calcestruzzo ordinarioC16/20 - C20/25 - C25/30 - C30/37C35/45 - C40/50 - C45/55

Classe di consistenza

La LAVORABILITÀ, indice delle proprietà e del comportamento del calcestruzzo nell'intervallo di tempo tra la produzione e la posa in opera, viene comunemente valutata attraverso la misura della CONSISTENZA

Misura dell’abbassamento al cono - SLUMP Test (UNI 9418)


Classe di Esposizione

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Calcestruzzo Strutturale (Linee Guida)

2a parte

Ne riparliamo nella…..


Calcestruzzo - Resistenza a trazione

Resistenza a trazione per flessione Determinazione sperimentaleprova di flessione su 3 punti (UNI 6133):

fcf = 3/2 * PL/a3MODULO DI ROTTURA

a

In mancanze di sperimentazione diretta(D.M. 09/01/96)

fcfm = MR= 1.2 * 0.27 * Rck2/3

fcf = k * Rck1/2

K = 0.7 per inerti naturali

K = 0.8 per inerti frantumati

Resistenza a trazione indiretta fct,i = 5/8 MR (inerti naturali) fct,i = 2/3 MR (inerti frantumati)


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Lastra in calcestruzzo - Giunti

LONGITUDINALI

TRASVERSALI

di contrazione: guidano la formazione delle fessure dovute al ritiro igrometricoe alla contrazione termica del conglomerato cementizio (è la tipologia di giunto più comune)

di dilatazione: permette la dilatazione della lastra senza che si producano danni alla lastra stessa o alle strutture adiacenti

di costruzione: tra 2 parti della pavimentazione costruite in periodi differenti


Giunti - Compartecipazione tra le lastreE sempre necessario assicurare il TRASFERIMENTO DEGLI SFORZI attraverso il giunto. La COMPARTECIPAZIONE delle lastre avviene attraverso 2 meccanismi:

ARMATURA (Barre di trasferimento/compartecipazione)

BARRE LISCE DI GRANDE DIAMETROA METÀ ALTEZZA L = 380 - 500 mm i = 300 mmBARRE DI LEGATURE AD A.M. NEI GIUNTI LONGITUDINALI

INCASTRO TRA GLI AGGREGATI (ingranamento)Efficienza ottimale per lastre h < 20 cmIMPORTANTI: QUALITÀ, FORMA E DIMENSIONE AGGREGATI

APERTURA RIDOTTA (LUNGH. LASTRE RIDOTTA)SUPPORTO DEL SOTTOFONDO

L’EFFICIENZA DEL GIUNTO È FONDAMENTALEPER LA DURABILITÀ DELLA PAVIMENTAZIONE


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Giunti trasversali di contrazioneControllano il quadro fessurativo della pavimentazione prodotto dalle sollecitazioni di trazione e flessione derivanti da:•idratazione della pasta cementizia

•ambiente (variazioni di temperatura ed umidità)

•traffico

DIMENSIONAMENTO:•Distanza tra i giunti

•Profondità

•Apertura (sigillante)

COSTRUZIONE:•Tecnica di esecuzione

•Tempo di esecuzione

•Sigillatura

MANUTENZIONE:•Sigillatura

L = 24 sPortland Cement Association:

(Fondazione non legata)


Giunti trasversali di contrazioneDISTANZA TRA I GIUNTI

U.S. Corps of Engineers

Spessorepavimentazione

Max distanzaTra i giunti

[cm] [m]< 23 3.50 – 4.50

23 - 30 4.50 – 6.00

> 30 6.00 – 7.50

Federal Highway Administration

L/ρ <5


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Giunti trasversali di contrazione(calcolo del ritiro igrometrico)

∆∆L/L = S = S0⋅⋅f1 ⋅⋅f2 ⋅⋅f3 ⋅⋅f4 ⋅⋅f5

Deformazione prodotta da variazione igrometrica uniforme:

C = coefficiente di vincolo interfaccia lastra/fondazione:0.65 per fondazioni legate0.80 per fondazioni non legate

L = Lunghezza della lastra

S = Ritiro igrometrico

S0 = Ritiro standard

f1 = Fattore “tempo di esposizione”f2 = Fattore “umidità relativa”f3 = Fattore “spessore fittizio”f4 = Fattore “presenza di armatura”f5 = Fattore “rigidità dell’aggregato”

σ t,max = (1-C)* ∆∆L/L




S0 = Ritiro standard

CONDIZIONI STANDARD

6 mesi di esposizione all’aria

U.R. = 50%

Spessore fittizio = 5cm

Assenza di armatura metallica

Inerti di origine calcarea

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f1 = Fattore tempo di esposizione f2 = Fattore Umidità Relativa



f3 = Fattore spessore fittizio f4 = Fattore armatura metallica

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f5 = Fattore rigidità aggregato

Giunti trasversali di contrazione(dimensionamento in presenza di barriera di vapore)

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Placing Test Slab

Finished Slab


Sperimentazione (calcolo del ritiro e inbarcamento)

Field Curing of Slab, Beams and Cylinders


20

Relative Humidity 4, 5 & 6

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

06/02/03 00:00

07/02/03 00:00

08/01/03 00:00

08/31/03 00:00

09/30/03 00:00

10/30/03 00:00

11/29/03 00:00

Date-Time

Hu

mid

ity

( %)

-8.0

-7.0

-6.0

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

Gra

die

nt

of

Hu

mid

ity(

%/in

ch)

Top(4) Middle(5)

Bottom(6) Gradients

4, 5, 6 Watering started


Measured and Predicted Curlings at Corner and Edge

-50

0

50

100

150

200

250

6/30/2003 7/15/2003 7/30/2003 8/14/2003 8/29/2003 9/13/2003 9/28/2003 10/13/2003

Date-Time

Dis

pla

cem

ent

(mil)

Predicted Average Corner CurlingMeasured Average Corner CurlingEdge Curling Measured by VD2Predicted Edge Curling

1,2 3,4

12

34

VD1 VD2

VD4 VD5


21

Tilling Subgrade

Rolling Subgrade


Forms for 20-Slab Test Item


22

Placing Test Item Slabs in a

Checker-Board Pattern


Installing Strain Gages at Slab Center

Strain Gages Installed at Slab Edge


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Giunti trasversali di contrazioneVerifica della distanza tra i giunticalcolo dell’apertura del giunto

∆∆L/L = C(át ∆∆T + år)

Deformazione prodotta da variazioni termo-igrometriche uniformi:

át = coeff. di dilatazione termica del calcestruzzo [1/°C]

∆∆T = variazione termica (temperatura del calcestruzzo al momento del getto - media delle T minime giornaliere)

∆∆ L = Variazione di lunghezza della lastra

L = Lunghezza della lastra

C = coefficiente di vincolo interfaccia lastra/fondazione:0.65 per fondazioni legate0.80 per fondazioni non

legate

år = coefficiente di ritiro del calcestruzzo

σ t,max = (1-C)* ∆∆L/L


Giunti trasversali di contrazione

å = ∆∆L/L = C(át ∆∆T + år)

Tipo di Aggregato Coeff. di dilatazione termica

10-5 [1/°C]Quarzo 1.18

Arenarie calcaree 1.17Ghiaia 1.08Granito 0.95

Basalto 0.86Calcare 0.68

Res. a trazione indiretta Coeff. di ritiro[MPa] [-]2.11 0.00082.81 0.0006

3.52 0.000454.22 0.00034.92 0.0002

∆T = 10°C

át = 0.68 10-5

år= 0.00057

C25/30 => fck= 25 MPa => fcm= 28.5 MPa => fcti= 0.553 (fcm)0.5 = 2.96 MPa


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∆L = L C 6.38 10-4

L (m)

∆∆L (mm)

4 5 6

2.04

2.55

3.06

Si può scegliere il migliorprodotto per laSIGILLATURA DEL GIUNTO

C =0.8



T

I giunti di contrazione sono realizzati con un taglio nella pavimentazione: SI INDEBOLISCE LA SEZIONE

PROFONDITÀ DEL TAGLIO

LARGHEZZA DEL TAGLIO

s/4 - s/6 s/4

s/6

W > 3mm

L

D

Si opera quindi un secondo taglio per alloggiare il materiale di SIGILLATURA DEL GIUNTO:

Prodotti colati

Prodotti pre-formati

D/L

Coefficientedi forma:


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Giunti di dilatazione

Materiale deformabiledi riempimento

Data la notevole ampiezza (18-20mm)necessitano sempre di una barra di compartecipazione

N.B.Se troppo frequenti possono compromettere il trasferimento del carico nei giunti di contrazione

Giunti di isolamento

Permettono il movimento relativotra pavimentazione e struttureadiacenti(NON SOTTOVALUTARE)


Giunti Longitudinali

Devono garantire la compartecipazione tra le 2 strisciate longitudinali

A differenza dei giunti trasversali non devono trasferire carichi veicolari

Vengono normalmente impiegate barre di legatura ad a.m.

Possono avere una conformazione maschio-femmina


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Errori di esecuzione dei giuntiMANCATA ESECUZIONE GIUNTI DI ISOLAMENTO


Errori di esecuzione dei giuntiMANCATA ESECUZIONE GIUNTI DI ISOLAMENTO


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Errori di esecuzione dei giuntiPROFONDITA’ DEL TAGLIO INSUFFICIENTE


Errori di esecuzione dei giuntiPROFONDITA’ DEL TAGLIO INSUFFICIENTE


lezione_04

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