Strutture in muratura soggette ad azioni sismiche. Livelli di Conoscenza e Indagini(1)

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1 Corso di Riabilitazione Strutturale POTENZA, a.a Strutture in muratura soggette ad azioni sismiche. Livelli di Conoscenza e Indagini(1) Dott. Marco VONA Scuola di Ingegneria - Università di Basilicata marco.vona@unibas.it

2 Quadro fessurativo

3 Quadro fessurativo Presenza e rappresentazione ed anmalisi dell eventuale quadro fessurativo Meccanismi 1 e 2 Meccanismo 3

4 Quadro fessurativo Presenza e rappresentazione ed anmalisi dell eventuale quadro fessurativo Meccanismo 3

5 Quadro fessurativo Presenza e rappresentazione ed anmalisi dell eventuale quadro fessurativo Meccanismi 1 e 2

6 Verifiche in situ LIMITATE Esami visivi della tessitura della muratura e degli elementi (blocchi e malta) di cui è costituita. Almeno un esame per ogni tipo di muratura presente e per ogni piano dell edificio- Non sono richieste prove sperimentali Verifiche in situ ESTESE Almeno una prova su ciascun tipo di muratura presente, in aggiunta alle verifiche visive Verifiche in situ ESAUSTIVE Almeno tre prove su ciascun tipo di muratura presente, in aggiunta alle verifiche visive

7 Prove di Laboratorio o in Situ PROVE DISTRUTTIVE PROVE MODERATAMENTE DISTRUTTIVE PROVE NON DISTRUTTIVE FASE DI PRELIEVO Significatività dei risultati Non distruttività del campionamento Non disturbo del campione A causa della difficoltà di campionamento di prismi di muratura di dimensioni significative, generalmente il prelievo interessa solo singoli elementi (malta, pietre o mattoni) o assemblaggi di limitate dimensioni

8 La qualità della muratura deve essere verificata: a) in situ, mediante il rilievo della tessitura muraria in superficie e in sezione b) in laboratorio, mediante la caratterizzazione di malte, pietre e/o mattoni, porzioni di muratura prelevati in situ

9 Il prelievo di materiale per le prove di laboratorio deve essere condotto in modo da bilanciare le esigenze di significatività dei risultati e l esigenza di non invasività del campionamento Il campione prelevato deve essere il più possibile indisturbato per essere effettivamente rappresentativo della situazione in situ

10 Le finalità di queste prove possono essere molteplici. Possono interessare: La caratterizzazione dei materiali da un punto di vista chimico, fisico / meccanico L individuazione dell origine stessa del materiale, per impiegarne di simili nell intervento di riparazione La conoscenza della composizione della muratura La misura del degrado, della durabilità, della resistenza ad agenti aggressivi di nuovi materiali da impiegare nel restauro

11 Data la difficoltà di campionamento di prismi di muratura di dimensioni significative, generalmente il prelievo interessa solo singoli elementi (malta, pietre o mattoni) o assemblaggi di limitate dimensioni Prelievo di mattoni, pietre e malte La metodologia di campionamento dipende direttamente dalle caratteristiche del singolo materiale

12 Prelievo di mattoni, pietre e malte In linea generale, possono essere espressi alcuni principi guida: 1. il prelievo deve essere condotto nel rispetto dell integrità dell edificio 2. la quantità di materiale prelevato deve essere compatibile con lo scopo della prova e le richieste in termini di affidabilità della tecnica sperimentale 3. se il fine delle prove è la caratterizzazione e la verifica dell estensione del danno, il prelievo di materiale deve essere effettuato su diverse parti dell edificio; in questo modo è possibile individuare l eventuale presenza di vari tipi di degrado

13 Prelievo di mattoni, pietre e malte 3. il campionamento deve riguardare porzioni dell edificio non soggette all azione della pioggia o a precedenti riparazioni, specialmente se il fine dell indagine è la caratterizzazione dei leganti e degli aggregati delle malte 4. il numero di campioni deve essere sufficientemente alto, perché il risultato sia statisticamente significativo e rappresentativo della condizione della muratura

14 Corso di Riabilitazione Strutturale POTENZA, a.a Strutture in muratura soggette ad azioni sismiche. Indagini e livelli di conoscenza (2) Dott. Marco VONA Scuola di Ingegneria - Università di Basilicata marco.vona@unibas.it

15 Prove sulle malte 1. Inesistenza di prove standardizzate per le caratteristiche chimico-fisico e meccaniche 2. Difficoltà di prelevare campioni di dimensioni sufficienti per la caratterizzazione meccanica 3. Acquisizione di informazioni relativamente a composizione della malta e stato del degrado

16 PROVE SULLE MALTE Analisi chimiche e petrografiche Tipo di legante e di aggregato Rapporto legante/aggregato Grado ed estensione della carbonatazione; Presenza di reazioni chimiche e di sostanze di nuova formazione (reazionipozzolaniche, reazioni tra aggregati e leganti, reazioni alcali -aggregati ecc.) Trattamenti termici o chimici, Metodi ottici Separazione inerti/legante per la valutazione della granulometria Realizzazione di campioni

17 PROVE SULLE MALTE La granulometria e la distribuzione degli aggregati può essere misurata attraverso la separazione degli aggregati stessi dal legante (trattamenti termici o chimici o con metodi ottici) La conoscenza della composizione di una malta anche se non esatta al 100% permette la riproduzione di malte 100 o miscele da iniezione 80 con caratteristiche simili a quelle originarie o 60 comunque compatibili, 40 da usare in eventuali 20 operazioni di riparazione 0 % cumulativa Passsante Luce netta del setaccio Setaccio Passante mm %

18 PROVE SULLE MALTE: Riconoscimento dei Sali solubili Il riconoscimento dei sali può fornire indicazioni sulle cause di degrado ed accertare la loro presenza contribuisce a determinare lo stato di conservazione della muratura. Le analisi chimiche sono rivolte a verificare la presenza di: 1. Solfati. Disciolti nei leganti, sono altamente dannosi perché fortemente solubili, quindi facilmente trasportabili nella muratura, e cristallizzano innescano il meccanismo di sfogliamento 2. Nitrati. Derivano dalla decomposizione di sostanze organiche e indicano spesso la risalita di acqua inquinata nelle pareti 3. Alogenuri. Presenti nelle antiche murature sono legati a fenomeni di migrazione di Sali

19 PROVE SULLE MALTE ATTREZZATURA DI PROVA MODALITÀ DI PROVA DIMENSIONE PROVINI Banco a fatica servoassistito Trasduttori di spostamento induttivi C-F tra le piastre, G-J sui lati Ciclica a carico imposto. Velocità di prova: valore di rottura in minuti 40x40x100mm

20 PROVE SULLE MALTE: Analisi chimiche perdita al fuoco 13.7 Fe 2 O Residuo insolubile CO CaO Na 2 O 1.17 SiO MgO 1.61 K 2 O 1.3 Al2O 3 + Fe2O SO Sil.Sol 0.38 Rapporto legante/aggregato Gardo Carbonatazione

21 PROVE SU PIETRE E MATTONI Prove Chimiche Prove per l individuazione di solfati alcalini Analisi ottiche e mineralogiche Osservazioni ottiche (stereomicroscopio, SEM) Osservazioni petrografichesu sezione sottile Prove di Durabilità Prove di gelo e disgelo Prove di cristallizzazione salina

22 PROVE SU PIETRE E MATTONI Prove Meccaniche Prove di compressione e di trazione indiretta Prove di durezza superficiale Prove Fisiche Misura del peso specifico Misura dell assorbimento d acqua per immersione totale o per risalita capillare Diffrattometria a raggi X Porosimetria a mercurio Misura dei coefficienti di espansione termica e in acqua

23 PROVE SU PIETRE E MATTONI ATTREZZATURA DI PROVA Banco a fatica servoassistito B cella di carico, C trasduttore Trasduttori di spostamento induttivi F-I tra le piastre, J-M sui lati Estensometri D-E sui lati MODALITÀ DI PROVA DIMENSIONE PROVINI Monotona (controllo di spostamento) 40x40x120 (3 cubi sovrapposti)

24 PROVE SU PIETRE E MATTONI: prova statica

25 PROVE SU PARETI: prova ciclica

26 PROVE SU PARETI: prova ciclica

27 PROVE SU PARETI: prova di compressione diagonale

28 PROVE DISTRUTTIVE IN SITU: prove su pannelli Adottate sia per la compressione che per il taglio, vengono realizzate in sito isolando il campione con dei tagli verticali per eliminare il confinamento laterale ed applicando il carico attraverso una struttura di contrasto Per l esecuzione delle prove distruttive a taglio secondo tale procedura, possono efficacemente utilizzarsi gli stipiti delle aperture come superficie sulle quali applicare l attrezzatura di contrasto

29 PROVE DISTRUTTIVE IN SITU: prove su pannelli Isolamento di una striscia di muro con due tagli verticali e messa in carico mediante martinetto nella zona centrale della parete Strumentazione della parete secondo le due diagonali dei due semipannelli individuati dalla retta di applicazione del carico Lo schema della prova è del tipo beam test e corrisponde all applicazione di un carico di compressione diagonale sui due semipannelli

30 PROVE DISTRUTTIVE IN SITU: prove su pannelli La prova è effettuata in presenza della compressione esistente nella parete per effetto dei carichi ad essa sovrastanti Nei casi in cui questi si rivelino insufficienti, il carico di compressione viene fornito mediante mezzi e modalità simili allo svolgimento della prova di compressione diretta

31 PROVE DISTRUTTIVE IN SITU: prove su pannelli Isolamento di pannelli di forma circa quadrata per fare prove di compressione diagonale

32 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA 1. Effettuando un limitato scasso nella muratura

33 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA 1. Mediante carotratrice a rotazione con testa diamantata

34 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA All interno delle perforazioni, possono essere introdotti endoscopi, collegati o meno ad una apparecchiatura fotografica o ad una videocamera, per una successiva ricostruzione della sezione

35 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ENDOSCOPIO Gli endoscopi sono strumenti di indagine che dal campo medico e industriale sono sempre più utilizzati anche nel settore della diagnostica edilizia, della conservazione e del restauro, in modo particolare delle murature storiche Per definizione l analisi endoscopica ha lo scopo di analizzare la muratura attraverso una ripresa reale documentabile con foto e video

36 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ENDOSCOPIO La semplice procedura di eseguire un foro con una punta di La semplice procedura di eseguire un foro con una punta di trapano, ad esempio da 35 mm trasversalmente alla muratura, con l inserimento di una cannula endoscopica attrezzata con una videocamera per la ripresa video e fotografica, ci permette di leggere la reale condizione della muratura

37 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ENDOSCOPIO Alcune trasformazioni dell'immagine ci consentono di aumentarne la lettura della materia presente all'interno della muratura

38 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA Vantaggi Prova più indicata per l analisi della morfologia muraria Visione diretta della sezione muraria Informazioni importanti sulla presenza di cavità

39 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA Svantaggi Impossibilità di prelevare campioni integri Numero di prove non elevato Informazioni locali

40 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) La tecnica è stata originariamente applicata per determinare in situ i livelli di sforzo nella muratura Successivamente il metodo è stato calibrato per rilevare le caratteristiche di deformabilità della muratura stessa Già dalle prime applicazioni su monumenti storici sono apparse chiaramente le notevoli potenzialità del metodo

41 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) Si tratta di una tecnica, forse l unica disponibile al momento, in grado di fornire informazioni attendibili sulle caratteristiche meccaniche di una muratura in termini di stato di sforzo, deformabilità e resistenza La prova è condotta introducendo un martinetto piatto in un taglio effettuato lungo un giunto di malta

42 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) Forme tipiche

43 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) Preparazione ed esecuzione del taglio mediante sega circolare con disco diamantato avente dimensioni leggermente superiori al martinetto

44 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) La prova è condotta introducendo un martinetto piatto in un taglio effettuato lungo un giunto di malta

45 Prova con Martinetto piatto singolo La prova è leggermente distruttiva: a fine prova lo strumento può essere facilmente rimosso e il giunto eventualmente risarcito Lo stato di sforzo può essere determinato grazie al rilassamento causato dal taglio perpendicolare alla superficie muraria Il rilascio determina una parziale chiusura del taglio

46 Prova con Martinetto piatto singolo La prova prosegue ponendo il martinetto piatto nell apertura e aumentando la pressione in modo da riportare i lembi della fessura alla distanza originaria, misurata prima del taglio La parte interessata dall operazione deve essere strumentata con estensimetri rimovibili In tal modo è possibile misurare con precisione gli spostamenti prodotti dal taglio sulla muratura e dal martinetto durante la prova

47 Prova con Martinetto piatto singolo Chiamando con P f la pressione idraulica nel martinetto, corrispondente al pieno recupero delle deformazioni a cavallo del taglio, la relazione di equilibrio è data da: dove S f valore calcolato dello sforzo K j costante di calibrazione del martinetto (<1) K a costante di taglio e del martinetto (<1) P f pressione del martinetto piatto

48 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) Nelle murature di mattoni, il taglio può essere effettuato facilmente lungo i giunti orizzontali. In tali casi si utilizza un martinetto rettangolare In altri casi, il taglio può essere fatto con un disco rotante, fornito di una lama diamantata Il martinetto piatto avrà quindi la stessa geometria del taglio

49 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) L uso dei martinetti piatti su murature di pietra irregolare, non è semplice, data la difficoltà nell individuazione di giunti continui regolari Il taglio e il successivo inserimento del martinetto, quindi, interesserà direttamente i corsi di pietra È da sottolineare che nel caso di murature a più paramenti, la prova fornisce indicazioni concernenti esclusivamente gli strati più esterni Una richiesta fondamentale, per quanto riguarda l efficacia della prova, è l affidabilità della misura della pressione di equilibrio

50 Prova con Martinetto piatto doppio

51 Prova con Martinetto piatto doppio

52 Prova con Martinetto piatto doppio

53 Prova con Martinetto piatto doppio Vantaggi Fornisce informazioni attendibili sulle principali caratteristiche meccaniche della muratura in termini di deformabilità, stato di sollecitazione e resistenza Svantaggi Informazioni sul paramento di prova Difficoltà nella muratura di pietrame informe o sbozzato Sensitività nei confronti della pressione di equilibrio Inapplicabilità per edifici bassi

54 PROVE SEMI DISTRUTTIVE Prova penetrometrica sulle malte La resistenza alla penetrazione della malta è correlata con le sue caratteristiche meccaniche mediante l analisi statistica dei dati rilevati Misurazione dell energia spesa per praticare una cavità in un giunto di malta Forza di foratura costante durante la prova La taratura dello strumento deve essere condotta confrontando l energia di penetrazione su giunti di malta di murature realizzate in laboratorio con malte di riferimento la cui resistenza è stata misurata con prove standard a compressione (UNI EN /2007)

55 PROVE SEMI DISTRUTTIVE Prova penetrometrica 1) Profondità di perforazione di mm 2) Moderata perturbazione del giunto 3) Meccanismo attivabile a mano 4) Estrema adattabilità alle condizioni in situ 5) Facile trasportabilità

56 PROVE SEMI DISTRUTTIVE SCLEROMETRO A PENDOLO: Schmidt hammer rebound test Verifica la qualità dei giunti di malta. Il principio della prova consiste nell assorbimento di parte dell energia potenziale della massa battente in deformazione plastica del letto di malta; la rimanente aliquota di energia si traduce in un rimbalzo della massa I limiti della tecnica sono legati alla strumentazione disponibile, calibrata per malte di cemento e, quindi, spesso inadatta per malte di calce, caratterizzate da una minore resistenza

57 PROVE SEMI DISTRUTTIVE SHOVE TEST Chiamato anche Push-test, è finalizzato a misurare in situ la resistenza a taglio di un letto di malta. È necessario rimuovere un mattone e un letto di malta verticale sul lato opposto di quest ultimo Viene letto lo spostamento orizzontale del mattone spinto da un martinetto idraulico e la forza orizzontale richiesta. Lo stato di compressione è valutato mediante martinetti piatti

58 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE FINALITÀ individuazione di elementi strutturali nascosti individuazione di zone non omogenee nella muratura valutazione dell estensione del danno meccanico individuazione del degrado superficiale verifica delle proprietà meccaniche e fisiche dei componenti controllo di alcune tecniche di riparazione

59 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE TERMOGRAFIA Rileva e suddivide le radiazioni infrarosse emesse spontaneamente dai singoli punti di un corpo caldo, in un certo istante Il risultato è una immagine termica dell oggetto, visualizzabile attraverso scale di colori o di toni del grigio. Ad ogni colore o tono della scala di grigi, corrisponde un intervallo di temperatura Generalmente le differenze di temperatura associate a tale distribuzione sono dell ordine di frazioni di grado centigrado

60 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE L analisi termografica può essere condotta in modo attivo o passivo: nelle applicazioni di tipo passivo si analizzano gli effetti di cicli termici naturali (insolazione e successivo raffreddamento) nel caso attivo, invece, le superfici sono riscaldate artificialmente la termografia PASSIVA interessa solo lo strato più superficiale della muratura, quella ATTIVA può essere utilizzata per indagare strati collocati ad una certa profondità (fino a cm) In tal caso, la superficie da indagare è riscaldata per diverse ore, in modo che il calore, grazie alla conducibilità termica del materiale, interessi strati più profondi nel muro

61 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE TERMOGRAFIA

62 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE. TERMOGRAFIA Vantaggi Applicabilità a vaste porzioni di murature Utilizzabile nella diagnostica di pareti affrescate o rivestite in quanto non richiede il contatto diretto Valida per l individuazione di vuoti o cavità, di inclusioni di differenti materiali, di anomalie e modifiche nella tessitura, per la verifica della presenza umidità, per il rilievo di impianti incassati Svantaggi In assenza di adeguata sollecitazione termica, la termovisione di antichi manufatti si limita agli strati più esterni Sensibilità alle condizioni al contorno Necessità di calibrazione degli algoritmi di acquisizione

63 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE La tecnica di indagine sonica si basa sulla generazione di impulsi sonici in un punto della struttura, attraverso la percussione con appositi strumenti o con trasduttori elettrodinamici L elaborazione dei dati, invece, consiste nel calcolo del tempo e della velocità di attraversamento dell impulso dato nella muratura

64 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE

65 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE È possibile individuare la presenza di cavità macroscopiche, fessure o porzioni di muratura aventi caratteristiche differenti, intercettate lungo il percorso di trasmissione dell onda (l onda sonora per il principio di Fermat segue sempre il percorso a velocità maggiore ovvero nel materiale a maggiore densità) Controllo della qualità degli interventi mediante confronto delle proprietà caratteristiche fisiche della muratura pre e post intervento

66 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE Oscilloscopio Ingresso Trigger Ingresso Impulsi Filtraggio Sensore Massa battente Amplificazione