Duttilità e resistenza di strutture in c.a.: influenza della localizzazione delle deformazioni nell'acciaio

L'analisi della resistenza limite delle strutture in calcestruzzo armato sotto assegnati processi di carico costituisce uno dei temi di ricerca di base e di grande attualità dell'ingegneria strutturale. In tale contesto un ruolo determinante è giocato dalla duttilità delle sezioni in c.a. che, sottoposte a stati di sollecitazione generalmente complessi, possono con-sentire o meno il raggiungimento dello stato di meccanismo di collasso, auspicabile per la struttura che riesce, in tal modo, ad esplicare la sua resistenza limite senza il verificarsi di condizioni di rottura anticipata per fragilità locale. Del resto è ben noto che il comportamento delle membrature in c.a., costituite dalla compartecipazione di materiali a caratteristiche estremamente differenziate, quali il calcestruzzo e l'acciaio, possa risultare fortemente variabile, e quindi propendere verso un comportamento fragile o duttile, a seconda dell'entità di diversi parametri caratteristici quali la resistenza dell'acciaio e del calcestruzzo, le percentuali di acciaio presenti nella sezione, l'entità dello sforzo normale. I nuovi acciai, ormai diffusi in tutta Europa, che hanno praticamente sostituito il tipo Feb44 tradizionale, realizzati con procedimento Tempeore, di cui si parlerà diffusamente nel Cap. 2, possiedono, rispetto agli acciai di precedente impiego, caratteristiche meccaniche che possono risultare sensibilmente diverse. Questi sono, infatti, caratterizzati da un ridotto rapporto tra tensione di rottura e di snervamento, un minore allungamento a rottura, e tensioni di snervamento superiori rispetto a quelle nominali. L'introduzione di tali acciai può, quindi, migliorare le caratteristiche locali di resistenza ma, al contrario, ridurre la duttilità degli elementi strutturali e le capacità ultime dell'intera struttura. Una volta raggiunta la condizione di fessurazione della sezione e di snervamento dell'acciaio, si verifica che ulteriori incrementi di carico comportano aumenti di deformazione nell'acciaio snervato tanto più elevati quanto minore è il rapporto di incrudimento dell'acciaio, e cioè il rapporto tra la tensione di rottura e la tensione di snervamento. In prossimità delle sezioni fessurate si generano, pertanto, delle concentrazioni o localizzazioni di deformazioni nell'acciaio, e quindi viene rapidamente raggiunta la condizione di massimo allungamento e rottura della barra. La mancata diffusione delle deformazioni plastiche nell'armatura comporta una ridotta duttilità dell'intero elemento e la tendenza ad un comportamento fragile globale della struttura. Il fenomeno risulta più evidente e complesso in presenza di carichi ciclici in quanto l'alternanza di sollecitazioni di trazione e compressione nell'acciaio, in corrispondenza delle sezioni fessurate, produce effetti di instabilità delle barre, e degrado dell'aderenza tra calcestruzzo ed acciaio per espulsione del copriferro. Le caratteristiche meccaniche dell'acciaio possono, pertanto, influenzare in modo rilevante la capacità di duttilità e di resistenza di una struttura. in particolare soggetta ad azioni sismiche. L'interesse rivolto alla problematica illustrata, da parte di vari autori, è testimoniato dalla recente bibliografia disponibile sull'argomento e dalle indagini sperimentali tuttora in fase di sviluppo, miranti a definire i requisiti di duttilità minima da richiedere alle barre di armatura. In tale contesto si inserisce questo lavoro che partendo da una semplice modellazione di elementi soggetti a sollecitazioni monotone di trazione, flessione e pressoflessione, si pone l'obiettivo di chiarire l'influenza delle caratteristiche degli acciai sul comportamento post-elastico di semplici strutture.