variabilità

Conferenza Nazionale sulle Prove Non Distruttive Monitoraggio Diagnostica
Milano, 13-15 ottobre 2005
Indagini sperimentali sulla variabilità della resistenza del
calcestruzzo negli elementi strutturali di edifici esistenti in c.a.
Angelo Masi1, Mauro Dolce1, Leonardo Chiauzzi1, Domenico Nigro1, Maurizio Ferrini2
1
DiSGG, Università di Basilicata
2
Regione Toscana
SOMMARIO
La pianificazione dell'indagine conoscitiva sulle proprietà del calcestruzzo negli edifici
esistenti richiede, oltre alla scelta dei metodi di prova più idonei, che vengano decise la
localizzazione ed il numero di punti di misura necessari per valutare, con adeguata
accuratezza e rappresentatività, le effettive caratteristiche del materiale in-situ. Per fornire
un contributo su tale questione nel presente lavoro vengono presentati ed analizzati alcuni
risultati di un ampio programma sperimentale, condotto nel laboratorio del DiSGG
dell’Università della Basilicata, relativo ad elementi estratti da un edificio in c.a. degli anni
’50 e sottoposti ad indagini distruttive e non distruttive. I risultati ottenuti, relativi ad un
elemento trave, hanno evidenziato l’esistenza di una limitata variabilità lungo lo sviluppo
dell’elemento dei valori di indice sclerometrico e velocità ultrasonica misurata per
trasparenza, mentre una variabilità più significativa mostra la resistenza delle carote
estratte. Oltre alla intrinseca variabilità delle proprietà meccaniche e delle condizioni del
materiale, nonché all’influenza delle caratteristiche del metodo di prova utilizzato, si è
rilevata l’esistenza di una dipendenza tra l’andamento delle caratteristiche di sollecitazione
preesistenti nell’elemento e la distribuzione delle resistenze. Ciò segnala l’opportunità di
individuare zone preferenziali, all’interno degli elementi strutturali, nelle quali localizzare
i punti di misura per la stima della resistenza in-situ.
Introduzione
L’Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003 [1],
nonché la sua versione aggiornata, OPCM n. 3431 del 3 maggio 2005 [2], hanno introdotto
forti elementi di novità nel campo della valutazione degli edifici esistenti.
Il Capitolo 11 delle “Norme tecniche per il progetto, la valutazione e l’adeguamento
sismico degli edifici”, allegate alla OPCM 3431, tratta specificamente gli edifici esistenti
evidenziando il ruolo della valutazione come elemento imprescindibile in un corretto
processo di progettazione dell’intervento di riabilitazione di un edificio, coerentemente
con quanto prevedono altre norme internazionali sul tema [3, 4].
Un ruolo cruciale nella valutazione degli edifici esistenti in cemento armato è svolto dalla
resistenza a compressione del calcestruzzo, la cui stima, presentando oggettive difficoltà di
carattere tecnico, logistico ed economico, richieste l’adozione di specifiche procedure. A
tale scopo possono essere utilizzate prove distruttive e non distruttive.
Nelle norme [2] vengono fornite alcune indicazioni per quanto riguarda le indagini da
svolgere sul calcestruzzo, tra le quali:
• la misura delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo si ottiene mediante
estrazione di campioni ed esecuzione di prove di compressione fino a rottura;
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• sono ammessi metodi di indagine non distruttiva di documentata affidabilità, che non
possono essere impiegati in completa sostituzione di quelli distruttivi, ma sono
consigliati a loro integrazione, purché i risultati siano tarati su quelli ottenuti con prove
distruttive;
• vanno adottati metodi non distruttivi che limitino l’influenza della carbonatazione degli
strati superficiali sui valori di resistenza del calcestruzzo.
Riguardo all’entità delle indagini da svolgere, essa dipende essenzialmente dal livello di
conoscenza che si vuole acquisire della struttura, che può essere limitata (LC1), adeguata
(LC2), esaustiva (LC3). Vanno prelevati 1, 2 o 3 provini di calcestruzzo, rispettivamente
per LC1, LC2 e LC3, per ogni elemento primario (trave, pilastro, …), per ogni piano e per
ogni 300 m2 di piano dell’edificio. Peraltro, nelle norme si precisa che le suddette quantità
hanno valore indicativo e vanno adattate ai singoli casi, tenendo conto dei seguenti aspetti:
• ai fini delle prove sui materiali è consentito sostituire alcune prove distruttive, non più
del 50%, con un più ampio numero, almeno il triplo, di prove non distruttive, singole o
combinate, tarate su quelle distruttive;
• il numero di provini da estrarre e sottoporre a prove di resistenza potrà esser variato, in
aumento o in diminuzione, in relazione alle caratteristiche di omogeneità del materiale.
Nel caso del calcestruzzo in opera tali caratteristiche sono spesso legate alle modalità
costruttive tipiche dell’epoca di costruzione e del tipo di manufatto, di cui occorrerà
tener conto nel pianificare l’indagine. Sarà opportuno, in tal senso, prevedere
l’effettuazione di una seconda campagna di prove integrative, nel caso in cui i risultati
della prima risultino fortemente disomogenei.
Emerge chiaramente come un aspetto fondamentale nella pianificazione ed esecuzione
della campagna di indagini per la stima delle caratteristiche del materiale sia costituito dal
campionamento, ossia dalla scelta del numero e della localizzazione (sia nella struttura che
nei singoli elementi) dei punti di misura. Esso dovrà essere rappresentativo dello stato
complessivo dell’edificio indagato, pertanto più la struttura è eterogenea e più accurate ed
approfondite dovranno essere le indagini [5]. Per quanto riguarda la distribuzione delle
prove nella struttura, può essere utile individuare ambiti omogenei sulla base di prove non
distruttive e poi effettuare in maniera mirata le prove distruttive. L’efficacia di questo
approccio è condizionata dalla distribuzione delle proprietà del calcestruzzo all’interno dei
singoli elementi strutturali, distribuzione che può presentare una consistente variabilità per
diversi fattori.
Nella scelta della localizzazione dei punti nell’elemento, andrebbero evitate quelle zone
ove il calcestruzzo ha tipicamente caratteristiche diverse da quelle medie come si verifica,
ad esempio, in corrispondenza della sommità dei pilastri. Tipicamente la resistenza varia
lungo l’altezza, in particolare nei pilastri può verificarsi una riduzione del 20-30%
passando dalla base alla sommità, per cui è opportuno effettuare le misure a circa metà
altezza. Inoltre, anche l’andamento delle sollecitazioni può determinare tassi di lavoro
fortemente variabili negli elementi e, dunque, stati di fessurazione con riduzione della
resistenza locale valutata nei test di laboratorio.
Per fornire un contributo a tale questione nel presente lavoro vengono presentati ed
analizzati i risultati di una attività sperimentale, condotta nel laboratorio del DiSGG
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dell’Università della Basilicata, costituita da prove distruttive e non distruttive su un
elemento trave estratto da un edificio in c.a. degli anni ’50.
Metodi di indagine
Per la stima della resistenza in situ sono disponibili metodi di indagine di tipo distruttivo,
che implicano cioè asportazione localizzata di materiale (carotaggio), e non distruttivo
(sclerometro, ultrasuoni, metodo combinato Sonreb).
Il metodo sclerometrico è regolamentato dalla norma UNI EN 12504-2 [6]. Il metodo
consiste nel misurare l’altezza di rimbalzo di una massa battente d’acciaio contro la
superficie dell’elemento da saggiare. È importante considerare che il risultato della prova è
legato essenzialmente alla durezza dello strato superficiale, per cui non è lecito correlarlo
in modo diretto con le altre proprietà del materiale. Nonostante tale limitazione, l’indice
sclerometrico, proporzionale all’altezza di rimbalzo, viene correlato alla resistenza a
compressione del calcestruzzo mediante curve in dotazione allo strumento o
opportunamente ottenute [7].
Il metodo ultrasonico è regolamentato dalla norma UNI EN 12504-4 [8]. Esso si basa sulla
misura della velocità di propagazione delle onde ultrasoniche all’interno di un elemento e
la successiva correlazione di questi dati con la resistenza a compressione del materiale. Le
letture possono essere effettuate in diversi modi legati alla disposizione relativa dei due
trasduttori ricevente e trasmittente, ossia per trasparenza, d’angolo e superficiali [5]. Il
modo più corretto, quindi da utilizzare laddove è possibile, è quello per trasparenza, cioè
con i due trasduttori disposti in contrapposizione su due superfici tra loro parallele. Esiste
una relazione teorica tra proprietà del materiale e velocità di propagazione delle onde
ultrasoniche nel caso di materiali elastici, isotropi ed omogenei, mentre nel caso del
calcestruzzo da c.a., tale relazione è influenzata da numerosi parametri, tra i quali il
rapporto acqua/cemento, il contenuto di umidità, l’età, lo stato di sollecitazione, la
presenza di armature. Questo significa che non è possibile mettere a punto ed adoperare
relazioni resistenza-velocità di carattere generale che non tengano conto delle specifiche
caratteristiche del calcestruzzo in esame, come sottolineato in numerose norme
internazionali (ad es. [9]).
Il carotaggio, la cui esecuzione è regolamentata dalla norma UNI EN 12504-1 [10], è il
metodo di tipo distruttivo più diffuso, in quanto consente di determinare la resistenza del
conglomerato in maniera analoga a quella adottata per i campioni standard. Come già detto
precedentemente, ed ancor più nel caso dei carotaggi per il loro carattere fortemente
invasivo, particolare attenzione va riservata alla scelta dei punti da cui estrarre le carote. In
generale i prelievi vanni effettuati in maniera casuale, senza privilegiare zone particolari,
in modo tale da poter ritenere i risultati ottenuti, statisticamente rappresentativi delle
proprietà del materiale dell’intera struttura. Qualora si ritenesse necessario privilegiare
zone particolari, ad esempio laddove il calcestruzzo si presenta particolarmente degradato
o di scarsa qualità, si dovrebbero individuare diversi ambiti omogenei, mantenendo i
risultati relativi alle diverse zone separati tra loro. Nell’ambito dei singoli elementi, vanno
scelte le zone meno sollecitate nell'ambito dell'elemento strutturale, e il prelievo deve
essere preceduto da accurate rilevazioni pacometriche, in modo da individuare ed evitare
le barre di armatura (almeno quelle principali).
3
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Descrizione della sperimentazione
La sperimentazione descritta nel presente lavoro è relativa ad un elemento trave di sezione
40x62 cm, proveniente da un edificio scolastico, in corso di demolizione, realizzato negli
anni ’50 nel comune di Aulla in Toscana.
Fig. 1 - Schema della struttura con posizione dell’elemento prelevato
La sperimentazione, svolta presso il Laboratorio di Strutture dell’Università di Basilicata e
parzialmente finanziata dalla Regione Toscana, ha previsto una serie di prove distruttive
(carotaggi) e non distruttive (sclerometro ed ultrasuoni) in numerosi punti distribuiti lungo
l’elemento. Prima delle prove, al fine di individuare ed evitare le armature longitudinali e
trasversali presenti nella trave, sono state effettuate accurate rilevazioni pacometriche.
Per localizzare i punti di misura sulla superficie laterale dell’elemento è stato tracciato un
reticolo di riferimento, individuando una serie di riquadri all’interno dei quali sono state
effettuate le misure. Sono stati individuati due allineamenti per complessivi 26 riquadri su
ogni faccia dell’elemento, in modo da far corrispondere in modo speculare i punti di prova
sulle due facce parallele (figg. 2, 3).
L’indagine con lo sclerometro ha previsto 12 battute per ogni riquadro. Eliminando dalla
serie il valore massimo e minimo si è calcolato l’indice sclerometrico medio sulle restanti
dieci battute. Questo valore è stato attribuito al rispettivo riquadro.
Successivamente, sono state realizzate le prove ultrasoniche (con trasduttori da 50 kHz)
per ogni riquadro, in punti che non si sovrapponessero all’armatura trasversale. Il valore di
velocità ottenuto (media di almeno tre letture all’interno di ogni riquadro) è stato riferito al
riquadro analizzato. Le prove ultrasoniche sono state condotte sia per trasparenza che in
modo indiretto (superficiale), in questo caso il valore riscontrato è stato riferito al riquadro
collocato tra i due trasduttori.
Infine sono stati effettuati i carotaggi lungo lo sviluppo dell’elemento realizzando, ove
possibile, un prelievo in ogni riquadro (fig. 4).
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Fig. 2 - Foto della trave sperimentata
Fig. 3 - Riquadri di riferimento con posizione dei punti di misura
I risultati ottenuti dalle prove e riferiti ai singoli riquadri sono stati raccolti in due gruppi
relativi alle zone superiore ed inferiore dell’elemento, come mostrato in figura 5, e
considerando solo i riquadri in cui sono stati ottenuti sia i valori delle prove non distruttive
che di quelle distruttive. Entrambi i gruppi di risultati sono costituiti da 10 valori.
Fig. 4 – Foto dei carotaggi
Figura 5 – Posizione dei punti di misura
5
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4500
4500
Velocità ultrasuoni (superficiale) [m/s]
Velocità ultrasuoni (trasparenza) [m/s]
Risultati
Riferendosi agli schemi delle figure 3 e 5, nelle figure 6-9 si riportano i grafici relativi alla
distribuzione dei risultati delle prove distruttive e non distruttive effettuate lungo
l’elemento, separati per le parti superiore ed inferiore, insieme ai valori medi globali.
4000
3500
3000
2500
2000
1500
V_sup
1000
V_inf
500
V_media
0
31
56
96
116
156
196
216
236
256
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
Vs_sup
Vs_inf
500
Vs_media
0
281
31
56
96
Posizione punto di misura [cm]
Fig. 6 – Velocità ultrasuoni (trasparenza)
156
196
216
236
256
281
Fig. 7 - Velocità ultrasuoni (superficiale)
40
Resistenza cilindrica carote [MPa]
40
35
Indice sclerometrico
116
Posizione punto di misura [cm]
30
25
20
15
10
S_sup
S_inf
5
S_medio
35
30
25
20
15
fc_sup
10
fc_inf
5
fc_media
0
0
31
56
96
116
156
196
216
236
256
281
31
56
96
116
156
196
216
236
256
281
Posizione punto di misura [cm]
Posizione punto di misura [cm]
Fig. 8 – Indice sclerometrico
Fig. 9 - Resistenza cilindrica carote
L’andamento dei valori mostra una limitata variabilità per l’indice sclerometrico (fig. 8)
ed, ancor più, per la velocità ultrasonica misurata per trasparenza (fig. 6), mentre una
significativa variabilità emerge per la resistenza delle carote (fig. 9) e per la velocità
superficiale (fig. 7). Ciò trova conferma anche esaminando i risultati delle statistiche
elementari riportati in tabella 1, che mostrano valori del Coefficiente di Variazione (CV)
dell’ordine del 20% per i carotaggi, e variabili nell’intervallo 18-36% per le velocità
superficiali.
Metodo
Sclerometro
Ultrasuoni
Carotaggi
Campione
S_sup
S_inf
V_sup
V_inf
Vs_sup
Vs_inf
fc_sup
fc_inf
Valore medio
30.76
32.18
3982
4021
1777
2214
22.39
22.62
CV (%)
11.30
9.95
3.70
5.29
18.00
36.16
20.9
18.7
Tabella 1 - Statistiche principali
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Al contrario, i risultati in tabella 1 mostrano valori medi praticamente coincidenti tra le
zone inferiore e superiore per l’indice sclerometrico (S), la velocità per trasparenza (V) e
la resistenza delle carote (fc), mentre una limitata differenza si rileva per la velocità
superficiale (Vs).
Una certa dispersione nei risultati delle misure appare fisiologica in considerazione della
intrinseca variabilità delle proprietà meccaniche e delle condizioni del materiale, nonché
per le caratteristiche dei metodi di prova utilizzati. D’altra parte va sottolineato come, ai
fini della stima della resistenza di calcolo del calcestruzzo da adottare nella valutazione
delle strutture esistenti, la significativa variabilità dei valori di fc lungo l’elemento pone
degli interrogativi rilevanti. Nel caso in esame la sperimentazione interessa l’elemento in
tutto il suo sviluppo, per cui è possibile individuare eventuali valori anomali e stimare il
valore di interesse in termini medi. Al contrario, nelle situazioni reali, in cui si dispone in
genere di un solo punto di misura per ogni elemento analizzato, il risultato ottenuto
potrebbe non essere rappresentativo delle proprietà medie. Ad esempio emerge una forte
differenza tra il minimo assoluto della resistenza delle carote (14.13 MPa), ed il massimo
assoluto (33.65 MPa), con scarti percentuali, rispetto alla media di tutti i valori (22.51
MPa), pari, rispettivamente, al -37% ed al +49%. I risultati delle prove sclerometriche, per
quanto siano influenzati in modo significativo dalla condizione superficiale dell’area
indagata, mostrano una differenza più piccola tra il minimo (26) ed il massimo (37),con
scarti percentuali, rispetto alla media di tutti i valori (32), pari, rispettivamente, al -19% ed
al +16%. Analogamente per i valori di velocità misurata per trasparenza, si ottengono un
minimo (3771) ed un massimo (4290), con scarti percentuali, rispetto alla media di tutti i
valori (4002), pari, rispettivamente, al -6% ed al +7%. Vanno considerati con particolare
attenzione gli errori in eccesso in quanto porterebbero a sovrastimare la resistenza del
calcestruzzo in situ.
Gli andamenti di Vs e di fc fanno ritenere che una significativa influenza sui risultati possa
derivare dal quadro fessurativo presente nella trave, sia come conseguenza dei differenti
tassi di lavoro determinati dalla distribuzione disuniforme delle sollecitazioni lungo
l’elemento (microfessurazione), quanto della presenza di fessure singolari di entità
rilevante (fig. 10).
In fig. 10 è riportata la sezione longitudinale della trave con evidenziata la parte che si sta
esaminando ed il diagramma del momento flettente da carichi verticali che si può ritenere
fosse presente in esercizio. Le figure 11 e 12, disposte in continuità con la figura 10,
mostrano l’andamento qualitativo delle misure (i valori di velocità in m/s sono stati divisi
per 100 per esigenze di scala), rispettivamente nelle zone superiore ed inferiore, allo scopo
di evidenziare la presenza di valori anomali da addebitare all’andamento del momento
flettente e/o delle fessure. La fig. 12 mostra chiaramente una significativa riduzione dei
valori di Vs nella zona inferiore interessata dai valori maggiori del momento flettente
positivo. Le fessure causate dal momento flettente si sviluppano trasversalmente all’asse
della trave dunque interferiscono significativamente con la propagazione delle onde nel
caso di misure superficiali, mentre non interferiscono nelle misure per trasparenza.
Per quanto riguarda i carotaggi, quando la direzione di prelievo della carota è diretta
parallelamente al piano di fessurazione, come nel caso in esame e come avviene
normalmente nelle indagini in situ, le fessure presenti, parallele alla direzione principale di
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compressione nella successiva prova di laboratorio, possono portare a valori della
resistenza ridotti e condizionati dall’entità della fessurazione (fig. 13).
Figura 10 - Andamento del momento flettente da carichi verticali
45
40
S, V/100, Vs/100, fc
35
30
25
20
15
S_sup
V_sup/100
Vs_sup/100
fc_sup
10
5
0
31
56
96
116
156
196
216
236
256
281
Posizione punto di misura [cm]
Figura 11 - Distribuzione dei risultati delle prove nella zona superiore
45
40
S, V/100, Vs/100, fc
35
30
25
20
15
S_inf
V_inf/100
Vs_inf/100
fc_inf
10
5
0
31
56
96
116
156
196
216
236
256
281
Posizione punto di misura [cm]
Figura 12 - Distribuzione dei risultati delle prove nella zona inferiore
8
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In conclusione, i risultati ottenuti hanno evidenziato l’esistenza di una limitata variabilità
lungo lo sviluppo dell’elemento dei valori di indice sclerometrico e velocità ultrasonica
misurata per trasparenza, mentre una variabilità più significativa mostra la resistenza delle
carote estratte. Non sono emerse significative differenze tra i valori misurati nelle zone
superiore ed inferiore della trave. Oltre alla intrinseca variabilità delle proprietà
meccaniche e delle condizioni del materiale in-situ, è emersa l’esistenza di una dipendenza
tra l’andamento delle caratteristiche di sollecitazione preesistenti nell’elemento e la
distribuzione delle resistenze. Ciò rafforza l’esigenza di posizionare attentamente i punti di
misura all’interno degli elementi strutturali, collocandoli nelle zone meno sollecitate dai
carichi statici, non danneggiate, e rappresentative delle condizioni medie del materiale insitu (ad es. a metà altezza nei pilastri).
Figura 13 – Influenza del quadro fessurativo sul valore dei carotaggi
Bibliografia
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“Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio
nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica”, G.U. 8/5/2003.
2. OPCM 3431. Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri del 3 maggio 2005
“Ulteriori modifiche ed integrazioni all’ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri
n. 3274 del 20 marzo 2003”, G.U. 10/5/2005.
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and retrofitting of buildings (draft n. 6), prEN 1998-3, Brussels, 2004.
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dicembre 2001.
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Supply and Services Canada,1989.
9
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Milano, 13-15 ottobre 2005
8. UNI EN 12504-4. Parte 4: Determinazione della velocità di propagazione degli impulse
ultrasonici, gennaio 2005
9. ACI Committee 228. In Place Methods to Estimate Concrete Strength, ACI 228-1R-98,
American Concrete Istitute, Farmington Hills, MI, 1995.
10. UNI EN 12504-1. Carote – Prelievo, esame e prova di compressione, aprile 2002.
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