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Nei getti massivi di calcestruzzo armato gli effetti indotti dalla distribuzione di temperatura presente nella massa di materiale, generata dallo sviluppo del calore di idratazione del cemento, può dar luogo a stati di autotensione che, in un calcestruzzo giovane, possono provocare stati fessurativi tali da indurre un rapido degrado o persino difetti di aderenza delle armature, con conseguente perdita di prestazionalità dell’opera. La determinazione degli stati di sforzo presenti in tali strutture, nonchè la misura della sicurezza nei confronti dello stato limite di fessurazione, necessitano di approfondite analisi strutturali, inerenti la risoluzione di due problemi fondamentali: il primo di tipo termico, per descrivere le distribuzioni di temperatura all’interno della massa di calcestruzzo e il secondo di tipo meccanico, per valutare gli stati di tensione generati dalla variazione di temperatura nel getto. Nel presente articolo, assumendo l’ipotesi di disaccoppiamento dei due problemi, viene dapprima trattato quello termodinamico della trasmissione del calore in corpi omogenei, poi, definite le leggi costitutive del calcestruzzo, sono presentati i risultati di analisi termoelastiche con materiale a modulo costante nel tempo, a modulo variabile ed infine analisi viscoelastiche atte a valutare in maniera più accurata l’evoluzione dello stato tensionale a breve e a lungo termine. Tutte le soluzioni presentate vengono discusse nel dettaglio sia in forma teorica, che numerica, attraverso la presentazione del processo di validazione dei risultati ottenuti mediante modellazione tridimensionale con codice di calcolo Midas Gen applicato a casi di studio di riferimento: il confronto con il risultato teorico in tali casi base ha poi permesso di estendere affidabilmente l’applicazione dell’analisi numerica a casi di studio reali derivati dalla corrente pratica progettuale degli edifici alti: tale argomento sarà oggetto di un ulteriore lavoro di prossima pubblicazione.
In massive concrete, the effects induced by the temperature distribution in the concrete mass, generated by the development of the heat of hydration of cement, can cause self-balanced stress patterns. These, in turn, may determine the early onset of cracking phenomena in the concrete, causing a quicker degradation of the structure or even defective bonding between concrete and rebar: the target design durability cannot thus be achieved. The determination of the actual stress patterns in massive concrete elements and their safety verifications for the durability limit state require refined structural analyses, to solve two basic problems: the first one is of thermodynamic nature, in order to correctly describe the temperature distribution in the concrete mass, the second one is inherent to structural mechanics, in order to reliably evaluate the stress patterns generated by the variation of the temperature in the concrete mass. In the present paper, assuming the two problems to be independent, at first the thermodynamic problem of heat transmission in homogeneous bodies is analyzed; second then, the constitutive laws of concrete are defined, the results of thermoelastic analyses are presented, with the different assumptions of constant elastic modulus and variable elastic modulus for the material. Finally, the results of thermoviscoelastic analyses are presented, more accurately describing the evolution of both short- and long-term stress patterns in the concrete mass. All the analyses are thoroughly discussed, both from a theoretical and from a numerical point of view, by detailing the process of validation of the commercial FE software Midas Gen, used for numerical analyses in reference case studies to compare the results with theoretical predictions and to test the possibility of applying it to more complex cases in current design practice. A companion paper, scheduled for publication in the next number, will follow up the present work with the discussion of a number of case studies for which the software was then used to determine temperature and stress distributions in massive foundations for recently constructed tall buildings.
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