La verifica a punzonamento di strutture in cemento armato

Il fenomeno del punzonamento

Il fenomeno del punzonamento è legato al trasferimento di un carico concentrato attraverso gli sforzi tangenziali che si sviluppano nello spessore della struttura che riceve il carico. Tale fenomeno si verifica, per esempio, quando un carico concentrato agisce su un’area relativamente piccola.

Per le strutture in cemento armato (CA), ogni qualvolta si abbia un trasferimento di carichi concentrati su piccole aree si deve procedere con le verifiche di sicurezza nei confronti del punzonamento. I più comuni elementi strutturali in CA su cui abbia importanza analizzare il fenomeno del punzonamento sono le solette, i plinti snelli e le platee di fondazione.

Nel caso di solai di edifici o autorimesse il punzonamento può verificarsi in corrispondenza dei pilastri che lo sorreggono, in quanto tutto il carico trasmesso dall’impalcato è equilibrato dalla reazione offerta dal singolo pilastro che ha una sezione di dimensioni molto piccole rispetto alla superficie piana della porzione di solaio che grava su di esso (Il disastroso collasso del Pipers Row Car Park, a Wolverhampton, UK è un esempio di rottura per punzonamento).

Per le solette piene o le solette in CA dei solai in latero-cemento, le norme tecniche forniscono sia i valori dei carichi concentrati da utilizzare nelle verifiche, sia le dimensioni dell'area di carico. Ad esempio per la soletta di un solaio di un edificio residenziale (Categoria A) si deve ipotizzare un carico verticale concentrato di 200 kg applicato su una impronta quadrata di dimensioni 5 x 5 cm.

Anche per le strutture di fondazione, analogamente a quanto detto per le solette piene, il fenomeno può interessare le platee, sempre in corrispondenza dei pilastri, o i plinti quando possano essere considerati snelli.

Gli spessori dei suddetti elementi strutturali possono variare dai 4 cm di una soletta armata sull’estradosso di un solaio, ai 30÷60 cm di una platea di fondazione, ai 100÷250 cm di un plinto di fondazione.

Indicazioni del D.M. 17.01.2018 e dell’Eurocodice 2

La Normativa Italiana (vedi §4.1.2.3.5.4) offre poche indicazioni sulla verifica al punzonamento e per la valutazione della resistenza rimanda dapprima a formule di comprovata affidabilità, per poi specificare di fare riferimento ai §§ 6.4.4 e 6.4.5 dell'Eurocodice 2.

I punti fondamentali per la verifica a punzonamento di lastre soggette a carichi concentrati elencati sulla Normativa Italiana sono i seguenti:

• Solette piene, solette nervate a sezione piena sopra le colonne, e fondazioni devono essere verificate nei riguardi del punzonamento allo stato limite ultimo, in corrispondenza dei pilastri e di carichi concentrati;
• In mancanza di un’armatura trasversale appositamente dimensionata, la resistenza al punzonamento deve essere valutata, utilizzando formule di comprovata affidabilità, sulla base della resistenza a trazione del calcestruzzo, intendendo la sollecitazione distribuita su di un perimetro efficace distante 2d dall’impronta caricata, con d altezza utile (media) della soletta.;
• Se, sulla base del calcolo, la resistenza a trazione del calcestruzzo sul perimetro efficace non è sufficiente per fornire la richiesta resistenza al punzonamento, vanno inserite apposite armature al taglio. Queste armature vanno estese fino al perimetro più esterno sul quale la resistenza a trazione del calcestruzzo risulta sufficiente;
• Per la valutazione della resistenza al punzonamento si può fare utile riferimento al § 6.4.4 della norma UNI EN1992-1-1 nel caso di assenza di armature al taglio, al § 6.4.5 della norma UNI EN1992-1-1 nel caso di presenza di armature al taglio.

E' interessante notare che sparisce da questa versione della norma italiana l'indicazione presente nella versione del 2008 che prevedeva, nel caso in cui si disponesse una apposita armatura, che l’intero sforzo allo stato limite ultimo fosse affidato all’armatura.

L’Eurocodice 2 affronta la questione in maniera sufficientemente dettagliata e tratta in particolare i seguenti argomenti:

• generalità sul punzonamento e suo modello di verifica allo SLU;
• distribuzione dei carichi e definizione dei perimetri di verifica di base e in prossimità di aperture, angoli o bordi;
• definizione dell’altezza della sezione di verifica per solette di spessore variabile;
• modellazioni per piastre con capitelli;
• modalità per il calcolo del taglio-punzonamento con carico centrato e eccentrico;
• definizione del perimetro di verifica equivalente;
• modalità di calcolo della resistenza a punzonamento di piastre e fondazioni di pilastri prive di armature a taglio;
• modalità di calcolo della resistenza a punzonamento di piastre o fondazioni di pilastri munite di armature a taglio.

Vogliamo porre l’attenzione solo su alcuni dei punti precedenti e tralasciamo volutamente i casi che prevedono la presenza di capitelli e la valutazione dell’eccentricità del carico agente.

L'Eurocodice prevede che le verifiche vengano effettuate su opportuni perimetri (perimetri di verifica), individuati nell'intorno della zona caricata e tra loro concentrici.

Nell’Eurocodice si specifica subito che la resistenza a taglio per punzonamento deve essere verificata sul perimetro del pilastro o della zona caricata (perimetro u₀), sul perimetro u₁ e se vi è armatura anche sul perimetro u_out,ef. In generale il metodo di verifica prevede un confronto tra il taglio-punzonamento sollecitante ed il taglio-punzonamento resistente, calcolati sulla superficie di taglio individuata su opportuni perimetri di verifica.

Secondo l’Eurodice 2, il taglio-punzonamento sollecitante su un generico perimetro di verifica u vale:

dove:

• β è il coefficiente di maggiorazione per l’eccentricità;
• V_Ed è il valore della forza di punzonamento allo SLU;
• d è l’altezza utile media della sezione trasversale.

Sotto determinate condizioni (vedi §6.4.3(6) [3]) il parametro β può essere approssimato con i seguenti valori:

β = 1,00 - per carichi centrati;
β = 1,15 - per pilastri interni;
β = 1,30 - per pilastri di bordo;
β = 1,40 - per pilastri in angolo.

Il taglio-punzonamento resistente sul perimetro u₀ vale:

Il taglio-punzonamento resistente sul perimetro u₁ vale:

Il taglio-punzonamento resistente sul perimetro u₁ in presenza di armatura specifica per il taglio-punzonamento vale:

Per garantire la coerenza richiesta tra Eurocodice 2 e Normativa Italiana, si devono modificare i valori di alcuni coefficienti ed utilizzare, dove richiesto, i valori della Appendice Nazionale Italiana (National Annex) [4].

Ad esempio il valore di k₁ che per l’Eurocodice 2 vale 0,10, per la Appendice Nazionale Italiana vale 0,15, il valore di ν che per l’Eurocodice 2 deve essere opportunamente calcolato (vedi § 6.2.2 [3]), per la Appendice Nazionale Italiana vale 0,5.

Nella versione del 2008 la normativa italiana prevedeva che "Nel caso in cui si disponga una apposita armatura, l'intero sforzo allo stato limite ultimo dovrà essere affidato all'armatura.", questa prescrizione è stata rimossa nell'aggiornamento del 2018.

Per quanto riguarda gli elementi di fondazione, si evidenzia che, al punto 6.4.1 (5) [3], l’Eurocodice 2 afferma che “In casi speciali, quali fondazioni, il carico all’interno del perimetro di verifica contribuisce alla resistenza del sistema strutturale e può essere sottratto nella determinazione del valore di progetto della tensione resistente al taglio-punzonamento”. Questo comporta che nel caso di fondazioni, il valore del taglio-punzonamento sollecitante V_Ed può essere ridotto del valore risultante della pressione esercitata dal terreno sulla zona interna al perimetro u di verifica considerato.

Infine, l’Eurocodice (vedi §9.4.3 [3]), impone anche una serie di limitazioni geometriche sul tipo e sulla disposizione delle armature specifiche per il taglio punzonamento.

Riferimenti Bibliografici

[1] D.M. 17.01.2018 - Aggiornamento delle Norme tecniche per le costruzioni, Ministero Infrastrutture e Trasporti

[2] Circ. Min. n.7 del 21.01.2019 - Istruzioni per l'applicazione ... , Ministero delle Infrastrutture e Trasporti

[3] UNI EN 1992-1-1:2015 - Eurocodice 2 - Progettazione delle strutture di calcestruzzo - Parte 1-1: Regole generali ...

[4] APPENDICE NAZIONALE ITALIANA alla UNI EN 1992-1-1:2005

NOTE

Nota 1 - Formulazione indicata sulla APPENDICE NAZIONALE ITALIANA alla UNI EN 1992-1-1:2005