le indagini sui materiali

Corso sulle Norme Tecniche
per le costruzioni in zona sismica
(Ordinanza PCM 3274/2003)
GLI EDIFICI ESISTENTI IN C.A.
Le indagini sui materiali
Prof. Ing. Angelo MASI
DiSGG, Università di Basilicata
Centro di Competenza Regionale sul Rischio Sismico (CRiS)
Le indagini sugli edifici esistenti
La scarsa attenzione spesso dedicata dai professionisti alle indagini sulle
strutture, sia in termini globali che sui materiali costituenti, determina:
- da un lato e più frequentemente assunzioni troppo conservative, dunque
inutilmente dispendiose, negative rispetto ad una strategia globale di
mitigazione del rischio sismico in condizioni di limitatezza delle risorse;
- dall’altro lato, per fortuna meno frequentemente, assunzioni non
conservative con conseguenze potenzialmente gravi sulla sicurezza.
Vanno riconosciute le difficoltà oggettive, sia di carattere logistico che
economico, nelle quali il professionista è spesso chiamato ad operare,
senza superare le quali è difficile che un passo avanti in tal senso possa
essere compiuto.
Va riconosciuto anche il ritardo culturale presente nel settore
dell’ingegneria civile sul tema della diagnosi, specie se raffrontato con altri
settori come quello medico nel quale indagini, esami, analisi sono oramai
patrimonio diffuso ed irrinunciabile da parte degli operatori e, cosa ancor
più importante, da parte degli utenti-committenti.
Le indagini sugli edifici esistenti
Le nuove norme consentono una graduazione dei coefficienti di sicurezza
(o dei fattori di confidenza) in base al livello di conoscenza acquisito,
dando più opportunità al professionista, ma anche maggiori responsabilità
Il professionista dovrà (POTRÀ ?) decidere di investire maggiori risorse
nelle indagini per la conoscenza della struttura, da recuperare
successivamente avendo la possibilità di effettuare interventi di
adeguamento più mirati e meno onerosi.
Stante il grande deficit di protezione sismica che si è accumulato nel
nostro paese, l’efficienza degli interventi appare importante in termini
generali ed ancor più se ci riferisce al patrimonio edilizio pubblico
costituito in larga parte da edifici non o parzialmente protetti dal sisma.
Vanno però considerati gli aspetti economici, sia in termini di costi delle
indagini che di tariffe professionali, che possono deprimere o favorire tale
possibilità.
Le indagini sugli edifici esistenti
Nel definire le modalità di svolgimento di una campagna di indagini due
aspetti appaiono di particolare importanza:
• quali e quanti dati vanno raccolti per poter effettuare la valutazione di
sicurezza;
• come vanno trattati ed interpretati questi dati.
Meno rilevante appare l’aspetto relativo alla individuazione ed applicazione
delle diverse tecnologie e metodiche di indagine per le quali ci si dovrà
avvalere di strutture o laboratori esperti nel settore.
Il professionista dovrà conoscere le principali metodiche disponibili ed i
vantaggi e svantaggi nell’utilizzo di ognuna di esse, con particolare
riferimento alla loro affidabilità ed ai limiti di applicabilità.
Inoltre va detto che, per quanto tali metodiche abbiano subito una
consistente evoluzione nel corso degli ultimi anni tale da renderle molto
efficienti ed affidabili, è da ritenere che un ruolo determinante abbia ed avrà
ancora l’indagine visiva (“esame clinico”), attività di specifica pertinenza
del professionista incaricato.
11.2 Valutazione della sicurezza
Valutazione delle proprietà dei materiali
•
Calcestruzzo: la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene
mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove di
compressione fino a rottura.
•
Acciaio: la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene mediante
estrazione di campioni ed esecuzione di prove a trazione fino a rottura
con determinazione della resistenza a snervamento e della resistenza e
deformazione ultima.
•
Metodi di prova non distruttivi: non possono essere impiegati in
sostituzione di quelli sopra descritti.
Metodo dei carotaggi
Estrazione di una carota
Carote
Valutazione delle proprietà del CLS: carotaggio
•
Il carotaggio e' il metodo distruttivo più diffuso, in quanto
consente di determinare la resistenza del conglomerato in
maniera analoga a quella adottata per i campioni standard
(stima diretta della resistenza).
•
Il carotaggio e' necessario per giungere ad una definizione
diretta della resistenza del conglomerato o per calibrare i
risultati ottenuti con i metodi non distruttivi.
•
Il prelievo di carote da strutture in opera e' regolato dalla norma UNI
6131/87.
•
Il criterio fondamentale da adottare e' quello di ridurre al minimo
l'effetto di rimaneggiamento dovuto all'estrazione.
•
Il diametro delle carote deve essere non minore di 3 volte la
dimensione massima dell'aggregato, mentre l'altezza (UNI 6130/80)
deve essere possibilmente pari a 2 volte il diametro.
Valutazione delle proprietà del CLS: carotaggio
La resistenza misurata sulle carote risente di numerosi fattori che
la differenziano da quella che si misurerebbe su un equivalente
provino standard:
1) diverse modalita' di preparazione e stagionatura
2) differente eta' di stagionatura tra carota e provino standard
3) posizione del prelievo nell'ambito dell'elemento strutturale (ad es. al
piede o alla testa di un pilastro, parallelamente o ortogonalmente
alla direzione di getto)
4) il disturbo che consegue alle operazioni di prelievo
5) dimensioni delle carote (ad es. H/D diverso da 2)
6) presenza di armature incluse.
Elaborazione risultati del carotaggio (norme FEMA 274)
Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote fcar,i nelle resistenze
equivalenti in-situ fcis,i viene fornita la seguente relazione:
fcis,i = (Fh/D * Fdia * Fr ) (Fmc * Fd) fcar,i
I coefficienti nella prima parentesi servono a correggere la resistenza delle carote
estratte per ottenere resistenze su campioni cilindrici di diametro 100 mm,
rapporto altezza diametro h/D pari a 2 e prive di armature incluse:
•
Fh/D è il coefficiente correttivo relativo al rapporto h/D, da assumere pari a
0.87, 0.93, 0.96, 0.98 e 1.00 per h/D pari, rispettivamente, a 1.0, 1.25, 1.50,
1.75 e 2.00;
•
Fdia coefficiente correttivo relativo al diametro, da assumere pari a 1.06, 1.00
e 0.98 per D pari, rispettivamente, a 50, 100 e 150 mm;
•
Fr
coefficiente correttivo relativo alla presenza di armature incluse, da
assumere pari a 1.00, 1.08 e 1.13 per la presenza, rispettivamente, di
nessuna barra, 1 e 2 barre.
Elaborazione risultati del carotaggio (norme FEMA 274)
Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote fcar,i nelle resistenze
equivalenti in-situ fcis,i viene fornita la seguente relazione:
fcis,i = (Fh/D * Fdia * Fr ) (Fmc * Fd) fcar,i
I coefficienti nella seconda parentesi portano in conto le differenze tra le
condizioni della carota e quelle del calcestruzzo nella struttura:
•
Fmc porta in conto l’effetto del contenuto di umidità nella carota al momento
della prova, da assumere pari a 1.09 per carote sature d’acqua e pari a 0.96
per carote completamentre asciutte;
•
Fd porta in conto l’effetto del rimaneggiamento dovuto all’estrazione pari a
1.06.
La resistenza da adottare nei calcoli viene riferita al valore medio
delle resistenze in-situ ottenute.
Elaborazione risultati del carotaggio (proposta Masi)
Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote fcar,i nelle corrispondenti
resistenze in-situ fcis,i viene proposta la seguente relazione:
fcis,i = (Ch/D * Cdia * Ca * Cd) fcar,i
•
Ch/D coefficiente correttivo per rapporti h/D diversi da 2, pari a 2/(1.5 + D/h);
•
Cdia coefficiente correttivo relativo al diametro, da assumere pari a 1.06, 1.00 e 0.98
per D pari, rispettivamente, a 50, 100 e 150 mm;
•
Ca è il coefficiente correttivo relativo alla presenza di armature incluse, da assumere
pari a 1.02-1.13 in funzione della posizione e del diametro della barra inclusa;
•
Cd è il coefficiente correttivo per tener conto del disturbo arrecato alla carota nelle
operazioni di estrazione. Oltre al valore costante suggerito nelle FEMA 274, la
bibliografia propone di assumere il valore 1.10. Il rimaneggiamento è tanto maggiore
quanto minore è la qualità del calcestruzzo, appare più convincente l’indicazione
riportata in (Collepardi 2002, UNI 5834) che suggerisce di assumere Cd = 1.20 per fcar
< 20 MPa, e Cd = 1.10 per fcar > 20 MPa.
Prove Non Distruttive: SCLEROMETRO
2
Cube Compressive Strenght (N/mm)
50
40
30
20
10
15
25
35
45
Rebound Number
55
Curva indice di rimbalzo-resistenza cubica a compressione
Prove Non Distruttive: ULTRASUONI
Tr
Tx
Tx
Tx
Tr1
Tr2
Tr
Letture ultrasoniche per trasparenza (a), d'angolo (b) e superficiali (c)
Prove Non Distruttive: ULTRASUONI
Compressive Strenght of Core (N/mm2)
60
50
40
30
20
10
0
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Ultrasonic Pulse Velocity (km/sec)
Relazione velocità ultrasonica-resistenza a compressione rilevata
su carote
Prove Non Distruttive: metodo SONREB
Per ridurre gli errori commessi con le prove ultrasoniche e
sclerometriche é stato sviluppato il metodo combinato SONREB
(SONic + REBound = ultrasuoni+sclerometro).
Si é infatti notato che il contenuto di umidità fa sottostimare
l'indice sclerometrico e sovrastimare la velocità ultrasonica, e che,
all'aumentare dell'età del calcestruzzo, l'indice sclerometrico
aumenta mentre la velocità ultrasonica diminuisce.
L'uso combinato delle due prove consente quindi di compensare
in parte gli errori commessi usando singolarmente le due
metodologie.
L'applicazione del metodo Sonreb richiede la valutazione dei valori
locali della velocità ultrasonica V e dell'indice di rimbalzo S, a
partire dai quali è possibile ottenere la resistenza del calcestruzzo
Rc mediante espressioni del tipo:
Rc = a Vb Sc
Valutazione della resistenza del CLS: metodo SONREB
La valutazione della resistenza del CLS con il metodo SONREB
richiede la conoscenza della velocità ultrasonica V e dell’indice
sclerometrico S.
Curve di isoresistenza (Rilem)
S
Rc [N/mmq]
52
48
70
44
60
50
40
40
36
30
Rc = 20 MPa
32
20
28
24
20
10
16
12
3000
3800
4000
V [m/sec]
5000
6000
Prove Non Distruttive: metodo SONREB
In bibliografia vengono fornite numerose
l’applicazione del metodo SONREB:
Rc ,1 = 9.27 ⋅ 10
−11
−8
⋅S
Rc , 2 = 8.06 ⋅ 10 ⋅ S
1 .4
⋅V
1.246
⋅V
2.6
1.85
Rc ,3 = 1.2 ⋅ 10 −9 ⋅ S 1.058 ⋅ V 2.446
espressioni
per
(1), Norme RILEM
(2), Gasparik
(3), Di Leo - Pascale
Nessuna di queste espressioni ha validità generale, ed
in particolare non sono valide per calcestruzzi di bassa
qualità.
Calibrazione risultati metodo SONREB
PROCEDURA PER IL CALCOLO DI Rcm
•
Si calcola la resistenza cubica media Rcm del calcestruzzo di un
edificio esistente utilizzando i risultati di prove distruttive e non
distruttive
•
Nota la resistenza a cilindrica a compressione delle carote fc
prelevate, l’indice di rimbalzo S e la velocità ultrasonica V, ottenute
dalle prove non distruttive, la procedura consente di valutare i
coefficienti a, b e c delle curve Sonreb che forniscono Rc, effettuando
una regressione lineare in ambiente EXCEL:
Rc = a x Sb x Vc
Calibrazione risultati metodo SONREB
CALCOLO DI Rcm : Dati di partenza
I risultati delle prove distruttive e non distruttive sono:
•
prove distruttive (carotaggio):
– fc (N/mm2): resistenza cilindrica a compressione della carota di cls
– h (mm) : altezza carota di cls
– d (mm): diametro carota di cls
•
prove non distruttive (prove sclerometriche ed ultrasoniche):
– S : indice di rimbalzo sclerometro
– V (m/s): velocità ultrasonica
Calibrazione risultati metodo SONREB
CALCOLO DI Rcm
•
si corregge la resistenza delle carote prelevate per tener conto del
rimaneggiamento dovuto al prelievo, delle dimensioni d e (h/d), delle
eventuali armature incluse della carota
•
si calcola la resistenza cubica delle carote provate Rc a partire dalla
resistenza cilindrica fc dividendo per 0,8
•
si valutano i coefficienti a, b e c della curva Sonreb tramite regressione
lineare a partire dai valori di S e V delle prove non distruttive effettuate
sugli elementi strutturali su cui sono state effettuate anche prove distruttive
•
si calcolano le resistenze cubiche delle prove non distruttive a partire dalla
relazione trovata: Rc=a x Sb x Vc
•
si calcola la resistenza media cubica del cls Rcm effettuando la media tra i
valori ottenuti dalle prove non distruttive e quelli valutati tramite le curve
Sonreb
Calibrazione risultati metodo SONREB
ESEMPIO DI CALCOLO DI Rcm
•
si calcola la resistenza cubica Rc a partire dalla resistenza cilindrica,
tenendo conto anche della geometria della carota, del
rimaneggiamento e delle armature incluse
Dati prove distruttive
Calcolo Rc
Rc(N/mm2)
N.carota
fc (N/mm2)
3/A
16,66
200
105
21,81
4/A
17,63
198
105
23,02
4/B
17,63
198
105
23,02
6/A
8,73
198
105
11,40
6/B
8,73
198
105
11,40
7/A
5,61
198
105
7,32
7/B
5,61
198
105
7,32
h (mm) d (mm)
Calibrazione risultati metodo SONREB
ESEMPIO DI CALCOLO DI Rcm
•
•
noti Rc dalle prove distruttive, S e V dalle prove non distruttive
effettuate sugli stessi elementi strutturali su cui sono state eseguite
le prove distruttive
si valutano a, b e c tramite regressione lineare a partire dalla
relazione:
Rc = a x Sb x Vc
a
b
c
0,00018
2,81027
0,16754
Rc=0,00018 x S2,81027 x V 0,16754
Calibrazione risultati metodo SONREB
ESEMPIO DI CALCOLO DI Rcm
Si calcola Rc negli elementi in cui sono state fatte soltanto prove non
distruttive, tramite la relazione:
Rc=0,00018 x S2,81027 x V 0,16754
Dati prove non distruttive
Calcolo Rc
ID_prova
S
V
Rc (N/mm2)
106/A
33,3
3279
12,94
109/A
28
2438
7,56
109/B
27,4
2381
7,09
5/A
37,9
3972
19,22
5/B
41,6
4053
25,06
6/A
34,9
3610
15,00
6/B
34,7
3571
14,74
Calibrazione risultati metodo SONREB
ESEMPIO DI CALCOLO DI Rcm
Si calcola Rcm come media dei valori ottenuti dalle prove distruttive e quelli
calcolati per le prove non distruttive
Calcolo Rcm
Elemento testato
Rc (N/mm2)
3/A
21,81
4/A
23,02
6/A
11,40
7/A
7,32
5/A
20,72
106/A
12,94
109/A
7,57
109/B
7,09
5/A
19,22
5/B
25,06
6/A
15,00
6/B
14,74
Rcm
15,49