DIAGNOSI DELLE STRUTTURE

Una aggiornata ed accurata analisi su come progettare strutture durabili
che consentano gestione di interventi programmati
e con precise indicazioni sulla normativa vigente.
DIAGNOSI DELLE STRUTTURE
dott. ing. Vincenzo VENTURI
dott. geol. Marco VENTURI
Laboratori di Ricerca e Sperimentazione SIDERCEM - Caltanissetta Catania
1 - Premessa,
• basso rapporto ale; evidenziato dal dosaggio minimo di cemento di 300 kg/mc. e dalla
consistenza di "terra umida";
• energico costipamento "battitura con
pestelli di appropriata forma e peso";
• diametro massimo degli inerti di circa 30
mm.
La richiesta di informazione ed aggiornamento
relativa alla diagnosi dei fenomeni di degrado
delle strutture in calcestruzzo e in muratura, di
edifici, di ponti, di viadotti, di gallerie ma anche
di opere di interesse storico e monumentale, è
sempre più frequente, articolata ed esigente.
Nelle successive edizioni, R.D. 4 aprile 1927,
In parte, tale richiesta prende origine da eventi
R.D. 27 luglio 1933, R.D. 16 novembre 1939,
traumatici di grande impatto emotivo come il
tali prescrizioni divenivano via via più blande e
"crollo della Chiesa Madre di Gibellina; il crollo
meno cautelative. Si è dovuto attendere quasi
del ponte Cicero sulla S.S. 113; il crollo della
50 anni prima che il problema di garantire nel
Cattedrale di Noto" per citare solo i più recenti
tempo le prestazioni di un manufatto divenisse
e circoscritti alla nostra Regione. In gran parte
nuovamente prioritario nella progettazione
però si può attribuire, ed è auspicabile, alla
delle costruzioni in c.a. e c.a.p.
maggior attenzione e sensibilità che le
Nel seguito verranno evidenziati gli aspetti più
Amministrazioni, proprietarie e concessionarie
interessanti
contenuti nella normativa vigente,
di beni, pongono al recupero del costruito piutcon
l'obiettivo
di fornire al Progettista le indicatosto che alla realizzazione di nuove opere.
zioni
utili
per
orientarsi
nell'adozione dei paraSi pensi a riguardo alla grande operazione di
metri
progettuali
corretti
ed al Direttore dei
mappatura del Centro Storico attivata dal
Lavori per avviare le procedure necessarie a
Comune di Palermo o al programma coordina- Fot. 1 : Cattedrale di Noto
verificare la conformità dei materiali e dei
to di ispezione e sorveglianza dei ponti realizmanufatti alle ipotesi progettuali.
zate da alcune Provincie Regionali (Caltanissetta, Agrigento
).
Il primo parametro da definire è il rapporto a/c, la scelta di un determiPrima di entrare nel merito delle tematiche concementi la diagnosi
nato
rapporto a/c nella progettazione di un conglomerato cementizio,
delle strutture è però opportuno introdurre alcuni concetti riguardanti
può
derivare:
la durabilità e la progettazione di opere durabili.
Realizzare strutture durabili assicura migliori condizioni di esercizio,
• dalle prescrizioni sulla durabilità, che fissano valori massimi del rapconsente la gestione programmata degli interventi di manutenzione,
porto
ale in funzione delle classi di esposizione;
facilita l'approccio alla diagnosi di eventuali fenomeni di degrado.
• dalla richiesta di valori di resistenza meccanica adeguati alle sollecitazioni di progetto, statiche e dinamiche.
2 - Durabilità
Si comincia a parlare di durabilità nella Normativa Tecnica Italiana, sia
pure in maniera generica, nel D.M. del 26 marzo 1980 si deve però
aspettare il D.M. del 14 febbraio 1992 per vedere esplicitati, attraverso il recepimento della UNI 9858 versione italiana della ENV 206,
quei concetti e quelle procedure indispensabili per la progettazione di
opere durevoli.
E' importante sottolineare che al suo apparire ai primi del secolo, con
il R.D. del 10 gennaio 1907, la Normativa Tecnica Italiana conteneva
già quelle regole che implicitamente assicuravano una buona durata
nel tempo delle opere e cioè:
L'adozione della prima ipotesi, bassi rapporti di a/c, comporta livelli
di resistenza medio alti, cautelativi nei confronti delle sollecitazioni
previste, il Progettista si deve perciò abituare a considerare la resistenza più elevata, rispetto alla richiesta, come un beneficio aggiuntivo, a favore della sicurezza, della prestazione di durabilità.
La UNI 9858 - prospetto II definisce le classi di esposizione, in funzione delle quali il successivo prospetto III fornisce le indicazioni progettuali rispetto ai seguenti parametri:
• rapporto ale;
• dosaggio di cemento;
• contenuto di aria.
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E' però opportuno chiarire quali sono le classi di esposizione più frequenti, individuando così anche i valori massimi da prescrivere per il
rapporto a/c.
di stoccaggio ), rientrano nella classe 5c.
L'indicazione che si trae da questa esemplificazione è che il rapporto
a/c massimo da utilizzare secondo il prospetto III è rispettivamente
0.55 (classe 5a) e 0.50 (classe 5b).
Nella tabella che segue [rif. bibl. 17] si
riportano in funzione del rapporto a/c e
della classe di cemento i valori più comuni
della resistenza caratteristica.
Si deduce che, se fra le ipotesi progettuali
si considera la durabilità dell'opera, la
gran parte dei manufatti strutturali richiede valori di resistenza caratteristica a
compressione compresi fra 35 MPa e 40
MPa nel caso in cui si impieghi un cemento di classe 42.5 e compresi fra 30 MPa e
35 MPa nel caso che si impieghi cemento
di classe 32.5.
Pig. 1/b - UNI 9858 - PROSPETTO H Classi di esposizione in funzione delle condizioni ambientali.
Dal prospetto II della UNI 9858, riportato precedentemente si rileva
che:
- la classe 1. ambiente secco, interni di abitazioni o uffici, È da ritenersi poco frequente, infatti può verificarsi che le stesse strutture siano,
allo stesso tempo, interne ed esposte agli agenti esterni p.e. travi e
pilastri perimetrali. Si pensi, fra le altre, alle difficoltà operative che
sorgerebbero, durante l'esecuzione di un impalcato o durante il getto
delle pilastrature, per realizzare conglomerati cementizi di diversa
classe.
- La classe 2a. ambiente umido, senza gelo, interni con umidità elevata. esterni in ambiente non aggressivo, può ritenersi anch'essa poco
frequente infatti, esemplificando, gli ambienti interni che nelle costruzioni civili possono presentare un U.R. > 70% sono solo i locali lavanderia e cucina. Per quanto riguarda le strutture esterne ricadono in
classe 2a, solo le costruzioni rurali lontane dal mare (ambiente non
aggressivo), in zone temperate ed a bassa quota (senza gelo).
- Le classi 5a e 5b raccolgono, in considerazione dell'abbondante
presenza di CO2, SO2-, SO3 delle zone urbanizzate, la gran parte
delle costruzioni realizzate in ambiente urbano, in zone climaticamente temperate.
- La classe 2b. così come la classe 3, la classe 4a e la classe 4b
comprendono tutte le altre strutture, industriali, stradali, in ambiente
marino e di montagna, sottoposte a cicli di gelo e disgelo.
- Solo pochi manufatti, di tipo industriale (vasche di trattamento, silos
Riportiamo più avanti i tre quesiti che si
presentano piìr frequentemente nella pratica quotidiana e che ci forniscono lo
spunto per esplicitare quanto fin qui affermato:
il primo: "quali sono le classi di resistenza
correntemente impiegate?" per l'esperienza degli scriventi la quasi totalità delle
costruzioni civili viene progettata con calcestruzzi di classe Rck 25.0, rarissime
eccezioni prescrivono in fase di progetto
Rck 30.0, e solo opere di particolare impegno (ponti, viadotti, impianti industriali)
prevedono classi di resistenza superiori a
Rck 35.0. E' evidente che tali indicazioni
progettuali non sono cautelative nei confronti della prestazione di durabilità delle
opere.
II secondo "è la consistenza e quindi la lavorabilità del calcestruzzo
un parametro di progetto?" la risposta è affermativa ed a nostro avviso scontata, si eviterebbe quella diffusa e dannosissima abitudine di
aggiungere acqua all'impasto per sopperire alla perdita di lavorabilità
o per raggiungere la lavorabilità necessaria.
L'ultimo quesito: "si può ricorrere all'impiego di calcestruzzi a dosagaio?", la risposta è negativa ed anche in questo caso scontata, il calcestruzzo a dosaggio, che pure rappresenta secondo una stima per
difetto il 50 % del calcestruzzo impiegato, non è mai sufficiente alla
realizzazione di opere durevoli.
Ricordiamo che fra le responsabilità del Progettista rientra, fra le altre,
quella di assicurare la durabilità delle strutture, in conformità a quanto
previsto nel D.M. 9 gennaio 1996 (UNI 9858) che recita testualmente:
"al fine di garantire la durabilità del conglomerato particolarmente in
ambiente aggressivo, così come in presenza di cicli di gelo e disgelo.
è necessario studiarne adeguatamente la composizione" non è pertanto cautelativo che in fase di progetto il calcestruzzo venga individuato solo attraverso la resistenza caratteristica, è quindi indispensabile che vengano assegnate all'opera, nella fase progettuale, le classi
di esposizione (sollecitazioni ambientali) e che vengano forniti:
• // rapporto ale;
• il dosaggio di cemento;
• // contenuto d'aria;
• la classe di consistenza.
Fig. 2 - UNI 9858 - P R O S P E T T O III Prescrizioni per la durabilità riferite alla esposizione ambiente
Fig. 3 - Tabella esemplificativa dei valori di resistenza correnti
Esaurita la progettazione è il Direttore dei Lavori
che deve assicurare, attraverso la verifica costante e sistematica dei parametri progettuali, resistenza, consistenza, contenuto d'aria, la stagionatura, (fig. 1b) la buona esecuzione dei lavori e la
durabilità delle opere.
Un altro aspetto di importanza non trascurabile è
la assenza nelle Norme Tecniche, ma anche nei
Capitolati Speciali di Appalto di importanti Opere
Pubbliche, di procedure e specifiche di controllo
sui materiali già in opera. Mancano cioè tutti i riferimenti indispensabili al Collaudatore, per verifica-
re la rispondenza dei
manufatti alle ipotesi
di progetto, e necessari alla Committente
per risolvere gli eventuali contenziosi nell'ipotesi di non
conformità.
In conclusione è
in funzione
opportuno ribadire
che se il valore della resistenza caratteristica
Rck è un valore convenzionale nella fase di progetto che diviene un indice di qualità del materiale impiegato durante l'esecuzione dei lavori,
la resistenza a compressione delle carote, ma
anche l'indice di rimbalzo, la velocità degli ultrasuoni, la forza di estrazione, ecc... sono i
necessari parametri di verifica della qualità del
calcestruzzo in opera e quindi dell'elemento
strutturale realizzato.
Fot. 2: Classi di lavorazione secondo UNI 9858*
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3 - Diagnosi delle strutture
La richiesta di un intervento in opera, finalizzato alla diagnosi strutturale viene determinata dalla necessità di stabilire le condizioni residue
di sicurezza di un'opera determinatesi:
a) per l'insorgere di fenomeni di degrado;
b) per la necessità di preservare un bene di interesse storico e monumentale.
e) per la diversa destinazione d'uso del manufatto;
II filo conduttore che collega i casi a e b sopraelencati è la definizione
delle cause che hanno determinato il degrado dei materiali pregiudi-
Fig. 3 - Classificazione delle più comuni cause di
cando l'esercizio del manufatto o la fruibilità del bene.
Lo schema di fig. 3, riportato più avanti riassume sinteticamente le
tipologie più comuni delle azioni che provocano l'insorgere di fenomeni di deterioramento della qualità dei materiali.
Per quanto concerne invece il caso e, l'approccio può essere ridotto
al semplice accertamento delle caratteristiche meccaniche dei materiali e prestazionali del singolo elemento strutturale o del manufatto.
Riassumiamo sinteticamente i punti più salienti di un processo diagnostico: esame visivo, raccolta dati storici, prove in-situ e di laboratorio. Il diagramma di flusso di fig. 4 evidenzia graficamente le modalità operative che consentono di definire il progetto di ripristino
3.1 - Esame visivo
Per formulare correttamente il progetto di
un'indagine, il cui scopo sia l'individuazione e
l'entità dei fenomeni di degrado e l'acquisizione di tutti i parametri necessari alla progettazione dell'intervento di restauro e consolidamento strutturale si deve per prima cosa procedere all'ispezione ed alla redazione dell'esame visivo, che deve riportare in maniera convenzionale tutti i difetti rilevati, quadro fessurativo, macchie di ruggine e stato di ossidazione
delle armature, delaminazioni e distacchi del
calcestruzzo. La scheda di fig. 3 descrive tutti
gli elementi che si deve cercare' di acquisire
nel corso di un'ispezione, supportandoli con
un'adeguata documentazione fotografica.
3.2 - Raccolta dati storici
Fig. 4 ' Diagramma di flusso del processo diagnostico
La raccolta dei dati di campagna è complementare alla ricostruzione della storia del
manufatto dai dati di progetto, alle modalità e
tempi di esecuzione; alle condizioni climatiche;
al manifestarsi dei primi sintomi di degrado.
La scheda di fig. 6 descrive lo schema più
comune da utilizzare nel caso di costruzioni in
conglomerato cementizio.
3.3 - Prove in-situ
e di laboratorio
Terminata la prima parte, descritta nei
precedenti paragrafi si può procedere alla
progettazione dell'indagine che comporterà l'esecuzione di prove sulle strutture o
sul manufatto ed il prelievo di campioni da
sottoporre successivamente alle prove di
laboratorio.
Nel definire un'indagine si possono aver
due approcci, certamente non alternativi
ed in alcuni casi complementari.
Il primo prevede l'acquisizione in-situ ed
in laboratorio delle caratteristiche meccaniche (parametri di resistenza e costanti
elastiche) e delle caratteristiche chimiche
(contenuto di agenti aggressivi, grado
pH). Determinati tali parametri si può procedere ad un'analisi strutturale, con metodi numerici, dei manufatti oggetto dell'indagine ed alla conseguente redazione del
progetto di ripristino.
Fig. 6 - Schema tipo per la raccolta di dati storici
Fig. 7 - Controlli in opera
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Il secondo che, come avevamo anticipato è in alcuni casi complementare al precedente, comporta la possibilità di eseguire la sperimentazione in-situ dell'intero organismo strutturale, o di una sua
parte, per via statica o dinamica. La risposta contiene le informazioni
sul comportamento globale della struttura, da queste informazioni
mediante un processo di identificazione basato sull'elaborazione di un
modello numerico si possono ricercare le costanti elastiche.
Nel seguito ci occuperemo prevalentemente di quanto connesso con
la prima metodica perché più rispondente alle esigenze correnti e
comunque propedeutica alla seconda.
La tabella di fig. 7, riassume i metodi di prova più comuni, dei quali
verrà dato un cenno nel seguito.
ne, della qualità dell'inerte e del prelievo.
La rappresentatività e la numerosità dei risultati sperimentali, acquisiti
anche con altri metodi, deve essere tale da assicurare una validità
statistica al campioni di dati, che una volta caratterizzato dal valore
medio e dalla deviazione standard consentirà una coerente e cautelativa interpretazione dei dati.
3.3.2 - Rilievi microsismici
e sclerometrici
II metodo ad ultrasuoni è basato sul rilievo di onde microsismiche
emesse da un trasmettitore ad alta frequenza (ultrasuoni) e ricevute
3.3.1 - Carotaggio e microcarotaggio
II prelievo di calcestruzzo indurito costituisce sempre il miglior modo
per conseguire una stima della resistenza del calcestruzzo posto in
opera. Un limite è costituito soprattutto dal danneggiamento, che si
produce durante il prelievo, che fa classificare tale metodo come
"localmente distruttivo", e dal costo, per tempo di esecuzione e usura
dei materiali, superiore ad ogni altro metodo di prova non distruttivo.
E' fondamentale nella fase di prelievo il rispetto delle specifiche fissate dalla UNI 6131, per ridurre, al minimo, il danneggiamento, "tormento", dovuto al prelievo. La prova di resistenza a compressione viene
eseguita in conformità alla UNI 6132. Tali prove devono (legge n.
1086 del 5 novembre 1971, D.M. 9 gennaio 1996) essere eseguite
presso i laboratori ufficiali o autorizzati, che garantiscono affidabilità,
indipendenza e qualità.
L'interpretazione dei risultati di prova su campioni di calcestruzzo
indurito, prelevato in opera, necessita di una breve premessa. Il D.M.
9 gennaio 1996 fissa i criteri di verifica della conformità di un conglomerato alla classe di resistenza fissata in progetto e stabilisce le
quantità minime ed il metodo di calcolo. Le UNI 6131 e 6132 fissano
rispettivamente la procedura per il prelievo, le condizioni di stagionatura, il metodo di prova. Il valore della "resistenza di prelievo" così fissato, "Rei", costituisce il valore "potenziale" di un calcestruzzo confezionato in condizioni standard. In realtà, la resistenza del calcestruzzo
in opera, "attuale" differisce da questa. Tale quantificazione non è purtroppo codificata dalla nostra legislazione tecnica, si fa pertanto riferimento alla bibliografia specialistica ed alle norme emanate dagli organismi normativi esteri (BS 6089).
La BS 1881 ed il Concrete Society Technical Report n. 11 forniscono
le relazioni (1a) e (1b), per la stima del valore della resistenza del calcestruzzo in opera "attuale" ottenuto da prove su carota:
tale valore può essere amplificato ulteriormente, per valori compresi
fra 1.1 e 1.3, mediante l'impiego di idonei coefficienti che tengono
conto delle condizioni di stagionatura, delle modalità di compattazio-
Fot. 2b (1): Prova con gli ultrasuoni
da un'apposita sonda. Consente di determinare la velocità di trasmissione delle onde di pressione nel calcestruzzo.
La velocità è un parametro fisico, utile per eseguire "l'analisi dei difetti" degli elementi strutturali e per comparare la qualità di getti omogenei. Il metodo è opportunamente descritto dalla UNI 9189.
La prova sclerometrica, basata sulla misura della durezza superficiale
di un calcestruzzo è stata correlata da Schmidt alla resistenza a compressione dello stesso calcestruzzo. E' possibile, pertanto, avendo
approntato un'opportuna
curva di taratura, procedere al controllo dei calcestruzzi. Tale metodica
è applicabile soprattutto
in stabilimento di prefabbricazione. Il metodo è
descritto nella UNI 9189.
Un metodo che valorizza
i due metodi sperimentali
migliorandone l'interpretazione, è quello "combinato" ultrasuoni-sclerometro, che consente di
calcolare la resistenza
convenzionale di un calcestruzzo mediante la
relazione (2):
Fot. 2b (2) : Taratura dello slerometro
dove il campo di variazione dei coefficienti a, b e e è variabile secondo i diversi autori (rif. bibl. 6,7, 8,10,11,12,14,16,19)
Per quanto riguarda le murature si deve ricorrere a sonde a bassa
frequenza, che vengono fissate alla muratura e rilevano le onde meccaniche generate dall'impatto di un martello strumentato lungo una
sezione della muratura.
Con questa procedura si può rilevare la presenza di lesioni, cavità e
comunque eventuali soluzioni di continuità della muratura.
3.3.3 - Prova di estrazione (Pull-out test)
II numero di sonde che si impiegano per una determinazione è di tre,
poste ai vertici di un triangolo individuato mediante una dima di
dimensioni standard.
3.3.5 - Misura del potenziale
di corrosione
II principio del metodo è
basato sulla determinazione
del potenziale spontaneo di
corrosione dei ferri di armatura del conglomerato
cementizio armato e precompresso.
La prova si esegue misurando la tensione esistente in
una pila, i cui elettrodi sono
l'interfaccia armatura-calcestruzzo e l'elettrodo di riferimento appoggiato sulla
superficie del calcestruzzo.
(rif. bibl. 20)
Si impiegano elettrodi di riferimento a rame/solfato di
rame saturo ( C U / C U S C M
Fot. 3: Prova Pull-out
La prova di estrazione, per brevità indicata spesso come pull-out test,
è una prova localmente distruttiva, classificata come semi-distruttiva.
Può essere prevista con inserti preinglobati nel getto in fase di progetto per costruzioni di nuova realizzazione, oppure con inserti postinseriti per strutture degradate, non conformi o per le quali si voglia
procedere ad un aumento di capacità portante.
Le prove correlano la forza di estrazione P alla resistenza del conglomerato R mediante la formula sperimentale, (rif. bibl. 8,9)
saturo) o più di rado elettrodi
a calomelano (ECS).
Le misure si possono eseguire, con uno o più elettrodi
Collegati ad Un VOltmetrO ad
alta impedenza (> 10 MW) e
Fot. 6: Rilievo dipotenzialità spontaneo
dei ferri di armatura.
di classe 3 (errore < del 3%
del F.S.), su barra singola o su superficie di un elemento strutturale
avendo cura, in quest'ultimo caso, di accertare che le barre dell'armatura siano metallicamente connesse fra loro.
Le normative di riferimento per l'esecuzione di questa prova sono la
UNI 9535 e la ASTM C 876.
3.3.6 - Prova magnetometrica
II ricorso a questa metodica è indicato quando
si vuole individuare la presenza di materiali
ferromagnetici nel calcestruzzo o nelle murature.
Il principio di funzionamento è basato sul principio dell'induzione magnetica: se un conduttore elettrico di lunghezza L si muove con una
velocità v lungo un campo magnetico di intensità I all'estremità del conduttore si genera una
differenza di potenziale Vo esplicitata dalla
seguente relazione.
La prova è normata dalla UNI 9536 per i tasselli preinglobati e dalla UN110157 per tasselli
post-inseriti. Il numero minimo di tasselli è di
tre per ogni punto di prova.
3.3.4 - Prova penetrometrica (wìndsor probe)
Consiste nell'infiggere nel calcestruzzo una
sonda di dimensioni standard, "sparata" da
una pistola mediante una carica calibrata. La
correlazione, fra la profondità di penetrazione
e la resistenza, è fornita dalla ASTM C 803.
Fo£ 4. Prova Windsor
Collegando le estremità del conduttore in
movimento ad un circuito esterno stazionario
rispetto al campo magnetico la tensione indotta I causa il passaggio
di una corrente di intensità i che determina una caduta di potenziale i
. R dove R è la resistenza elettrica del conduttore in movimento.
La differenza di potenziale V all'estremità del conduttore diviene:
e: costante adimensionale, detta emissività, funzione del
materiale che costituisce la superficie.
Esemplificando, si consideri una muratura realizzata con mattoni, pietra calcarea e malta di calce, esposta all'irraggiamento solare, i singoli componenti raggiungeranno diverse temperature in funzione delle
rispettive proprietà termiche e precisamente del calore specifico e
della conducibilità termica.
La tab. 4 riporta le caratteristiche tecniche dei citati materiali.
Fot. 6: Rilievo magnetometrico dei ferri di armatura.
Lo strumento di misura di uso più corrente, che indicheremo nel
seguito come magnetometro, cover meter in Gran Bretagna e pachometer in Francia è costituito da una unità che contiene il generatore di
corrente, l'amplificatore ed il misuratore e da una sonda contenente
l'elettromagnete.
Gli oggetti metallici presenti nell'elemento strutturale vengono evidenziati su una scala o registrati graficamente. Con opportuna taratura è
possibile individuare lo spessore del copriferro ed il diametro dell'armatura.
Nelle murature è possibile rilevare oltre alla presenza di eventuali
barre di armatura, pratica assai diffusa negli Stati Uniti, anche la presenza di tubazioni incassate nelle strutture murarie.
3.3.7 - Prelievo di polveri
e microcarote per analisi chimiche
La composizione chimica di un campione di muratura, calcestruzzo,
malta può essere determinata con il ricorso all'analisi chimica eiementale e cioè disciogliendo con adeguati solventi (acidi, basi ....) il
solido in acqua, la percentuale degli ioni presenti nella soluzione fornisce la composizione in termini percentuali degli elementi.
Il limite di questo tipo di analisi è che si determina la quantità dei singoli ioni ma non è possibile identificare la miscela di provenienza.
Si fa perciò ricorso ad analisi diffrattometriche a raggi x di tipo qualitativo, per l'identificazione del prodotto.
La combinazione dei due metodi permette di riconoscere ed identificare con sufficiente precisione i prodotti presenti in un materiale.
3.3.8 -
Termografia
II principio di funzionamento di questa metodica è basato sull'emissione, secondo la legge di Stefan-Bolzmann, di flussi di energia da parte
dei solidi.
Tab. 4 ' Caratteristiche di alcuni tipici materiali delle murature
La pietra calcarea caratterizzata da una maggiore conducibilità termica e da un minore calore specifico rispetto al mattone raggiungerà più
velocemente temperature relativamente più alte in un determinato
periodo di insolazione. La pietra si comporterà in maniera simile,
anche se diversa rispetto alla precedente, nei confronti della malta di
calce.
Terminato l'irraggiamento solare la pietra si raffredderà più rapidamente del mattone. L'eventuale intonaco, presente sui due componenti, mattone e pietra, risentirà delle differenze termiche ed assumerà temperatura diversa in coincidenza dei due diversi materiali.
In sintesi, ogni materiale emetterà un flusso di energia, in accordo
con la legge di Stefan - Bolzmann, in funzione della temperatura raggiunta e della sua emissività.
La termografia consiste nel registrare, mediante un rilevatore ad infrarossi, le temperature raggiunte, anche con riscaldamento artificiale,
dai vari elementi presenti in una muratura.
Si misurano in particolare le radiazioni infrarosse (IR) nell'intervallo di
lunghezza d'onda ( compreso fra 2 (m e 6 (m (si definiscono radiazioni infrarosse, IR, quelle con valori di ( compresi fra 0.5 e 1000 (m ).
L'attrezzatura consta di un sistema ottico (costituito da varie lenti) ed
elettrico, in grado di convertire in segnale elettrico l'intensità della
radiazione ricevuta. Un termogramma esprime graficamente, attraverso le diverse tonalità cromatiche, proporzionali alle diverse temperature, la differenza di temperatura.
L'indagine viene eseguita riprendendo con una telecamera la superficie in esame visualizzando, su monitor, e memorizzando le immagini,
su fotografia o su videocassetta.
L'obiettivo della termografia è quello di evidenziare su una stessa
struttura la presenza di elementi diversi e riconducibili a:
• forme preesistenti e modifiche strutturali;
' impianti elettrici, termici, idraulici e fognar! e canne fumarie;
' materiali diversi impiegati nella costruzione o nel susseguirsi
degli interventi di restauro.
Non è trascurabile anche l'impiego della termografia per identificare la
distribuzione superficiale dell'umidità, riscaldando artificialmente ed
omogeneamente la superficie esterna della muratura, l'aumento di
temperatura sarà minore nelle zone più umide rispetto a quelle più
asciutte.
Eseguita la mappatura si può procedere alla misura in-sito dell'umidità con igrometri o in laboratorio mediante essiccamento dei campioni prelevati.
Altro impiego è la ricerca di fessurazioni (zone fredde) o di elementi
strutturali attivi (zone calde).
E' opportuno che alla termografia venga accoppiato un accurato rilievo topografico e fotogrammetrico.
3.3.9 - Endoscopia
Fot. 7: Endoscopia.
Gli endoscopi sono utilizzati per l'esame in-sito di cavità sia naturali
(fig. 9c) che artificiali allo scopo di osservare direttamente in punti
inaccessibili morfologia, tipologia e stato di conservazione superficiale
dei materiali, solai piani e tutte quelle strutture e materiali che possono
essere convenientemente indagati attraverso fori di piccolo diametro.
Esistono tre diversi tipi di strumenti con caratteristiche costruttive differenti e con diverse possibilità operative. Questi strumenti sono
caratterizzati da un diametro molto piccolo (attorno ai 10 mm) dell'apparato di ispezione, di quella parte cioè che viene introdotta nei fori e
nelle fessure.
L'endoscopio rigido è costituito da un tubo rigido con abbinati prismi
e lenti che consentono il trasferimento dell'immagine da un'estremità
(obiettivo) all'altra del tubo (oculare).
In genere questo strumento può essere prolungato fino a raggiungere
alcuni metri di lunghezza. In pratica la lunghezza totale raggiungibile
con uno strumento è strettamente legata al suo diametro poiché,
naturalmente, il potere risolutivo dell'immagine all'oculare è fortemente condizionata dalla luminosità della stessa.
In genere l'illuminazione della zona ispezionata è prodotta da una
lampadina accanto all'obiettivo. La testa che porta l'obiettivo è regolabile secondo diverse angolazioni per consentire differenti posizioni di
ispezione.
Questo strumento consente la messa a fuoco su piani da pochi millimetri all'infinito. La risoluzione dell'immagine se ben illuminata è ottima ed è possibile in alcuni strumenti l'uso di uno zoom, per l'avvicinamento dell'immagine al piano dell'oculare.
L'endoscopio flessibile è uno strumento costituito da un fascio di
fibre ottiche coerenti a cui coassialmente è montato un altro fascio di
fibre ottiche. In questo modo il fascio centrale trasporta l'immagine
dalla estremità obiettivo all'altra.
Le fibre che formano l'anello esterno sono invece utilizzate per illuminare la zona indagata. L'immagine che appare all'oculare è suddivisa
da un fitto reticolo costituito dai gruppi di fibre ottiche e ciò impedisce
un'alta definizione della stessa.
Il vantaggio è quello di poter raggiungere le zone da indagare anche
lungo percorsi tortuosi e di poter fare ispezioni da diverse posizioni
grazie alla mobilità della parte terminale che viene comandata dall'esterno.
Le immagini che giungono all'oculare di questi due tipi di endoscopio
possono essere registrate tramite una fotocamera collegata allo strumento con apposito raccordo.
Il videoscopio è un'apparecchiatura composta da una sonda endoscopica, dal videoprocessore e dal monitor.
La sonda comprende due parti: un fascio di fibre ottiche per l'illuminazione ed un sensore CCD che raccoglie i segnali luminosi e li trasmette via cavo al videoprocessore che li elabora in immagini che
vengono ricostruite su video.
Queste immagini possono essere registrate su cassetta ed eventualmente elaborate elettronicamente con funzioni: zoom, fermo immagine, contrasto, comparazione simultanea di due immagini, trasmissione dati via modem.
La lunghezza massima della sonda, per diametri attorno ai 10 mm, è
di circa 8 m.
Come nell'endoscopio flessibile è possibile comandare dall'esterno la
parte terminale della sonda.
L'endoscopia è una tecnica assai utile nella diagnostica, da la possibilità di poter osservare direttamente forma ed aspetto di quanto indagato e consente di effettuare valutazioni di tipo qualitativo ed in alcuni
casi quantitativo: misurazioni geometriche di particolari.
A parte alcune situazioni in cui è necessaria la flessibilità della sonda,
lo strumento più usato è l'endoscopio rigido che ad una ottima risoluzione dell'immagine unisce il non disprezzabile vantaggio di consentire all'operatore di conoscere in ogni momento la posizione nello spazio di quanto osservato.
L'affidabilità di questa tecnica di indagine è ottima per quanto riguarda
la qualità delle immagini ha la limitazione di essere una prova ristretta
alla superficie della cavità indagata per cui ad esempio in una muratura consente l'osservazione, sia pure per l'intero spessore, di una
superficie minima (in genere fori di pochi cm di diametro) per contro è
un ottimo strumento per altre tecniche di indagine come la termografia. Infatti un esempio classico è la definizione della tipologia strutturale di un solaio in cui con la termografia è possibile rilevare l'orditura
dello stesso sull'intera superficie mentre con l'endoscopio (fig. 7a)
vengono rilevati tipo e dimensioni degli elementi strutturali, nonché
nel caso di travi in legno (fig. 9b), viene fatta una prima valutazione
sul loro stato di conservazione, (rif. bibl. 21).
3.3. IO - Martinetti piatti
Non esiste alcun riferimento normativo per questa metodica, che
nasce per la determinazione in sito del modulo elastico e dello stato
tensionale degli ammassi rocciosi in galleria, si sviluppa nell'ambito
dei controlli sulle strutture in muratura e trova, più recentemente,
impiego nelle strutture in conglomerato cementizio armato precompresso ammalorate (rif. bibl. 22), per la determinazione dello stato
tensionale residuo delle armature di precompressione.
Quest'ultima applicazione consiste nel praticare un taglio nella struttura e ripristinare, mediante un martinetto di dimensioni ridotte, le condizioni iniziali precedenti al taglio. La misura della pressione, corretta
da opportuni coefficienti, che tengono conto dell'area del taglio, delle
dimensioni e della rigidità del martinetto, consente di risalire allo stato
di precompressione.
Fot. Sa: Frova con martinetti piatti - Fase di carico
Fot. 8b: Prova con martinetti piatti - Misura delle deformazioni.
Per quanto riguarda invece il più consolidato impiego nelle murature
si può dire che il notevole sviluppo subito da questa metodica è certamente riconducibile alle notevoli difficoltà che si presentano
nel prelievo dalle murature di campioni rappresentativi ed indisturbati.
D'altra parte le tecniche non distruttive, delle quali si è detto in precedenza come le prove soniche, la termografia, ecc...forniscono informazioni di tipo qualitativo sul comportamento fisico-meccanico dei
materiali.
E' perciò necessario ricorrere a tecniche diverse per la determinazione quantitativa dei parametri meccanici. Uno di questi è l'impiego dei
martinetti piatti che su certe tipologie di murature risulta efficace ed
affidabile nei seguenti casi:
a) determinazione dello stato di sollecitazione;
b) determinazione delle caratteristiche di deformabilità;
e) determinazione della resistenza al taglio lungo i corsi di malta.
Nel caso a, il martinetto viene inserito fra le basi di misura, posizionate ed azzerate prima del taglio e messo in condizioni di ripristinare lo
stato tensionale preesistente al taglio, tenendo conto delle dimensioni
del taglio At, della dimensione del martinetto Am, della costante del
martinetto, km determinata sperimentalmente in laboratorio. Lo stato
tensionale a, viene determinato mediante la relazione (6):
Per il rilievo delle caratteristiche di deformabilità si introduce nella
muratura un secondo martinetto a circa 50 cm dal primo. I due martinetti delimitano un campione di muratura sufficientemente rappresentativo al quale viene applicato uno stato di compressione monoassiale.
Vengono quindi eseguiti alcuni cicli di carico incrementando gradualmente il livello di sollecitazione allo scopo di determinare i moduli di
deformabilità per i diversi livelli tensionali.
L'attrezzatura di prova è costituita nei due casi da una sega, o da un
trapano e da utensili meccanici, per la realizzazione del taglio; da
comparatori meccanici o trasduttori elettronici per la misura delle
deformazioni; una centralina idraulica munita di manometro, o di un
trasduttore di pressione, per la misura del carico applicato,
a conoscenza della resistenza di una muratura a sollecitazioni di
taglio è di grande interesse per la caratterizzazione statico-strutturale
di edifici in muratura. Un parametro di grande importanza per questo
tipo di analisi è costituito dalla resistenza al taglio lungo i corsi di
malta. Con l'ausilio di martinetti piatti e di un martinetto idraulico è
possibile pervenire alla determinazione di questo importante parametro operando con tecniche di tipo non distruttivo. Si procede in primo
luogo all'estrazione di un mattone che viene sostituito da un martinetto idraulico. Questo martinetto applica una sollecitazione di taglio al
mattone adiacente che viene preventivamente isolato.
La componente di sollecitazione normale ai corsi di malta viene applicata mediante due martinetti piatti paralleli. Una serie di trasduttori
elettrici permette di misurare gli scorrimenti relativi del mattone sottoposto a prova rispetto ai corsi di mattoni adiacenti nonché le deformazioni in direzione normale ai corsi di malta.
Eseguendo alcune prove con diversi valori di sollecitazione normale è
possibile determinare il valore dell'angolo di attrito interno e quello
della coesione della malta, (rif. bibl. 23)
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