Viscosità del calcestruzzo: Deformazione viscosa o creep
Definizione del creep
La viscosità (o la deformazione viscosa o anche creep in inglese) rappresenta la variazione unitaria di lunghezza (?c = ?l/l0) quando il calcestruzzo indurito (dopo un certo tempo t0 dal getto) è sottoposto all’azione di una sollecitazione di compressione (?‘c) o di trazione (?‘t) permanente per un determinato tempo t, di solito continuamente, più raramente variabile ciclicamente. Subito dopo l’applicazione di una generica sollecitazione s’, (di compressione o di trazione) al tempo t0, il materiale si deforma immediatamente, e se la deformazione (?e) non è molto grande, come solitamente avviene, essa si trova nel campo elastico, cioè obbedisce alla legge di Hooke (Fig. 1a) ed è facilmente calcolabile con l’equazione [1]:?e = ?‘ /E [1]dove E è il modulo elastico.Se la sollecitazione s‘ viene conservata per un tempo t sufficientemente lungo, oltre alla deformazione elastica immediata (?e), il materiale subisce un’ulteriore deformazione (?c) che aumenta con il tempo (Fig. 1b) tendendo ad una valore limite asintotico (?c?). La deformazione ec è appunto il creep ed ec? è il creep ultimo cui tende la deformazione viscosa dopo un tempo infinito (t = ?).
Fig. 1 – A: Deformazione elastica istantanea ?e misurata al tempo t0 dal getto del calcestruzzo B: Deformazione viscosa ?c successiva a quella elasticaSul ruolo importantissimo giocato dal creep nelle strutture in c.a. e c.a.p. si consiglia il lettore di leggere due articoli scritti da Adam Neville sui numeri di Maggio e Giugno di Concrete International (Creep of Concrete and Behavior of Structures Part I: Problems; Part II: Dealing with Problems). In particolare Neville sottolinea l’importanza di non fidarsi solo dei valori di creep riportati dai codici per il calcestruzzo, ma di tener conto della complessità del fenomeno sul quale agiscono ed interagiscono vari fattori. Alcuni di questi riguardano le condizioni di servizio (il carico che grava sulle strutture, la loro geometria ed il tempo di applicazione del carico), altri fattori riguardano le condizioni ambientali (l’umidità relativa), ed altri ancora le proprietà dello specifico calcestruzzo impiegato (dosaggio di cemento, rapporto a/c, modulo elastico e qualità dell’inerte) e non di un generico calcestruzzo come spesso impropriamente viene messo in conto dai progettisti quando si preoccupano delle conseguenze del creep.
Creep del calcestruzzo, creep puro e creep da essiccamento
Come si è sopra accennato il creep del calcestruzzo è funzione di un numero considerevole di parametri che includono:a) sollecitazione applicata s‘;b) modulo elastico (E) del calcestruzzo;c) umidità relativa (UR) dell’ambiente;d) tempo (t0) di applicazione della sollecitazione contato a partire dal getto del calcestruzzo;e) composizione del calcestruzzo (a/c, c);f) geometria della struttura (spessore fittizio h);g) tempo t di mantenimento della sollecitazione contato a partire dal momento dell’applicazione della sollecitazione ?‘.Prima ancora di entrare nel dettaglio del creep in funzione dei vari parametri sopra riportati di carattere ambientare (UR), progettuale (?’, h, t), esecutivo (t0) e composizionale (a/c, c, E), conviene esaminare l’interazione tra creep e ritiro che, nel caso di sollecitazioni a compressione (?’c), sono dello stesso segno e si sommano. Nella Fig. 2 sono schematizzate tre possibili situazioni:a) una struttura in calcestruzzo in assenza di sollecitazioni (?‘c=0), in ambiente insaturo di vapore, sottoposta ad un ritiro igrometrico (S) in assenza di vincoli a partire dal tempo di scasseratura (t0), misurato a partire dal momento del getto (t=0);b) una struttura in calcestruzzo, in ambiente saturo di vapore (UR = 95-100%) e quindi priva di ritiro, sottoposta, al tempo t0, ad una sollecitazione ?’c che provoca una deformazione elastica ?e cui si somma la successiva deformazione ?c da creep (deformazione totale ?T= ?e+?c): il valore di ?c misurato in queste condizioni, cioè in assenza di ritiro, prende il nome di creep puro o creep fondamentale;c) una struttura in calcestruzzo esposta al tempo t0 in ambiente insaturo di vapore che provoca un ritiro S, e simultaneamente sottoposta alla sollecitazione (?‘c): in queste condizioni la deformazione totale (?T) risulta maggiore della somma dei singoli contributi alla deformazione (?e, ?c, S):?T > ?e + ?c + S [2]
Fig. 2: a – Contrazione da ritiro (S) in ambiente insaturo di vapore (UR<95%) ed in assenza di sollecitazione; b – Contrazione elastica iniziale (?e) seguita da quella da creep puro (?c) in presenza di una sollecitazione a compressione costante (?‘c) in ambiente saturo di vapore;c – Deformazione totale (?T) dovuta alla deformazione elastica iniziale (?e), più la deformazione da creep puro (?c), più la deformazione da ritiro (S), più la deformazione da creep da essiccamento (?d).La differenza tra la deformazione totale ?T misurata nelle condizioni della Fig. 2c, e la somma dei singoli contributi deformazionali prende il nome di creep da essiccamento (drying creep) e viene indicato con il simbolo ?d (area punteggiata in Fig. 2c). La deformazione totale diventa pertanto:?T = ?e + ?c + S + ?d [3]Ciò significa che, sotto la sollecitazione di compressione ?‘c in ambiente insaturo di vapore, l’evaporazione dell’acqua è maggiore di quella che si registra in assenza di ?‘c e che determina il ritiro S: la maggiore evaporazione dell’acqua – una sorta di “effetto spremitura” del calcestruzzo a compressione – comporta una maggiore deformazione addizionale (?d) che si somma agli altri contributi deformazionali. In particolare il contributo del creep totale (?cT) è dato dalla somma del creep puro ?c e dal creep da essiccamento (?d):?cT = ?c + ?d [4]La [4] pertanto può anche essere scritta in forma di?T = ?e + S + ?cT [5]Per il calcolo della deformazione totale ?T in una struttura esposta al ritiro (S) ed al creep (?cT) determinato dalla sollecitazione (?‘c) applicata al tempo t0, la [5], tenendo conto della [1], diventa:?T = (?’c/Et0) + S + ?cT [6]dove Et0 è il modulo elastico del calcestruzzo al tempo (t0) quando si applica la sollecitazione ?‘c. Il calcolo di S è trattato nell’articolo “Umidità Relativa” presente su www.encosrl.it. Di seguito è descritto il calcolo del creep totale (?cT), da sommare al contributo elastico (?‘c/Et0) ed al ritiro (S), per determinare la deformazione totale (?T) igro-elastico-viscosa in qualsiasi condizione.
Calcolo del Creep
Se si applica una sollecitazione a compressione ?‘c al tempo t0 il creep totale ?cT può essere espresso in funzione della sollecitazione (?‘c):?cT = (?‘c/E28) * a [7]dove ?‘c/E28 è la deformazione elastica nominale*, cioè quella deformazione elastica che si otterrebbe se ?‘c fosse applicata a 28 giorni anziché al generico tempo t0, e dove a è un coefficiente moltiplicativo funzione di cinque parametri gi :a = g1 * g2 * g3 * g4 * g5 [8]Il creep totale (?cT), inserendo la [8] nella [9], diventa:?cT = (?‘c/E28) * g1 * g2 * g3 * g4 * g5 [9]dove- g1 è funzione dell’umidità relativa UR (Fig. 3);
Fig. 3- Fattore g1 (umidità relativa) in funzione dell’umidità relativa (“Scienza e tecnologia del calcestruzzo” di M. Collepardi, III Ed, Hoepli, 1991, Milano).– g2 è funzione dell’età del calcestruzzo (t0) quando si applica s‘c e della classe di resistenza del cemento (Fig. 4);
Fig. 4 – Fattore g2 (stagionatura del calcestruzzo) in funzione del tempo (in giorni) prima dell’applicazione del carico (“Scienza e tecnologia del calcestruzzo” di M. Collepardi, III Ed, Hoepli, 1991, Milano).– g3 è funzione della composizione del calcestruzzo ed in particolare di a/c e c (Fig. 5);
Fig. 5 – Fattore g3 (composizione del calcestruzzo) in funzione del rapporto acqua/cemento. I numeri sulle curve indicano i dosaggi di cemento (“Scienza e tecnologia del calcestruzzo” di M. Collepardi, III Ed, Hoepli, 1991, Milano).– g4 è funzione della geometria della struttura attraverso lo spessore fittizio h (Fig. 6);
Fig. 6 – Fattore g4 (spessore della struttura) in funzione dello spessore fittizio (“Scienza e tecnologia del calcestruzzo” di M. Collepardi, III Ed, Hoepli, 1991, Milano).– g5 è funzione del tempo (t) di applicazione del carico (Fig. 7).
Fig. 7 – Fattore g5 (tempo di sollecitazione) in funzione della durata della sollecitazione (“Scienza e tecnologia del calcestruzzo” di M. Collepardi, III Ed, Hoepli, 1991, Milano), hm è lo spessore fittizio. L’analisi dei fattori correlati con i coefficienti gi (tutti adimensionali) può essere così riassunta:- al diminuire dell’UR il coefficiente g1 aumenta significativamente e raggiunge valore di 2-3 per una UR del 50-75% (Fig. 4); ciò comporta un eguale aumento del creep a parità di tutte le altre condizioni; val la pena di segnalare che in ambienti saturi (UR = 100%) o comunque quando l’evaporazione è impedita, g1 è eguale ad 1 e equivale a dire che il creep di essiccamento (?d), ma anche il ritiro (S) nella Fig. 2c, sono nulli, cioè il creep totale ?cT coincide con il creep puro (?c) della Fig. 2b;-g2 diminuisce se si aumenta l’età (t0) di applicazione del carico e se si impiega un cemento di maggior classe di resistenza (Fig. 4): in sostanza g2 diminuisce quanto più il calcestruzzo risulta meccanicamente resistente al momento dell’applicazione del carico;- g3 (Fig. 5) diminuisce al diminuire del rapporto a/c (cioè con una matrice cementizia più resistente meccanicamente) ed al diminuire del dosaggio di cemento (c), cioè con la riduzione del volume di matrice cementizia più deformabile della componente lapidea (almeno con aggregati naturali usuali): in altre parole l’impiego di superfluidificanti per ridurre a/c o per ridurre c sono favorevoli alla riduzione di g3 e quindi del creep; analogo effetto può essere conseguito con l’adozione di un maggiore diametro massimo per l’inerte;- g4 diminuisce con la “massività” della struttura, cioè all’aumentare dello spessore fittizio h definito come rapporto tra sezione (A) della struttura ortogonale alla direzione di applicazione del carico e semiperimetro (Sp) esposto all’ambiente: in sostanza strutture più massive (cioè con un h più elevato) si deformano meno;- g5 aumenta con il trascorrere del tempo t dopo l’applicazione del carico e cresce più rapidamente con le strutture “snelle” (h piccolo) che non con le strutture “massive” (h grosso); per un tempo infinito (g5 = 1), il creep ?cT così calcolato corrisponde al creep ultimo (?c? in Fig. 1).
Applicazione numerica
Un esempio numerico chiarirà il modo per calcolare il creep totale ?cT con la [9] da aggiungere alla deformazione elastica ?‘c/Et0 ed al ritiro S (calcolati separatamente) per determinare la deformazione totale ?T con la [6].Un pilastro (20×20 cm) in calcestruzzo è sollecitato a compressione con una massa di 10 Ton dopo 7 giorni dal getto. Il calcestruzzo è stato confezionato con 350 kg/m3 di cemento CEM 32.5 e con a/c = 0,50 (Rck = 40 MPa).Calcolare il creep totale (?cT) dopo 3 mesi (@100 gg) e dopo 3 anni (@1000gg) dall’applicazione del carico ipotizzando una UR media del 70%; calcolare, inoltre, il creep totale ultimo, cioè a tempo infinito:?‘c = (10 Ton / 20-20 cm²) = (10000 Kg / 400 cm²) = 25 kg/cm² = 2,5 MPaE28 = 5700 ?40 = 36000 MPaUR = 70% —> g1 = 2,3 (Fig. 4)CEM 32,5 + 7 giorni dal getto —> g2 = 1,4 (Fig.5)c = 350 kg/m³ + a/c = 0,50 —> g3 = 1,0 (Fig.6) 20-20cm —> hm = 20-20/2-20 = 10 cm —> g4 = 1,0 (Fig.7)tempo di applicazione del carico = 100 gg + hm = 10 cm —> g5 = 0,65 (Fig.8) tempo di applicazione del carico = 1000 gg + hm = 10 cm —> g5 = 0,90 (Fig.8) Il valore ?cT a 100 giorni è:?cT = 2,5 / 37000 * 2,3 * 1,4 * 1,0 * 1,0 * 0,65 = 141 * 10ˆ-6 = 141 ?m/mIl valore ?cT a 1000 giorni è:?cT = 2,5 / 37000 * 2,3 * 1,4 * 1,0 * 1,0 * 0,90 = 195 * 10ˆ-6 = 195 ?m/mD’altra parte inserendo il valore di g5=1 si calcola il creep ultimo:?c? = 220 * 10ˆ-6 = 220 ?m/mQuesta deformazione unitaria, nel caso di un pilastro alto 10 m corrisponde ad un accorciamento assoluto (?l) a tempo infinito di 2,2 mm:?l = ?c? * 10= 220 * 10 = 2200 ?m = 2,2 mm Nota* ?’c/E28 non è la vera deformazione elastica se la ?‘c è applicata, come solitamente avviene, ad un tempo t0 diverso da 28 giorni; la vera deformazione elastica, che appare nella Fig.2 e nell’equazione [6], è ?‘c/Et0 ed è maggiore di ?‘c/E28 se t0 < 28 giorni poiché Et0 < E28. Il calcolo di s‘c/E28 richiede la conoscenza della sollecitazione ?‘c (applicata al generico tempo t0) e del modulo elastico E28 calcolabile dalla Rck con l’equazione [12] dell’articolo “Resistenza meccanica del calcestruzzo” presente sul sito www.encosrl.it è l’ABC del calcestruzzo. I valori di ?‘c e di Rck sono desumibili dal progetto della struttura.
