Roberto Giacchetti, Stefano Bufarini, Vincenzo D Aria

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1 Il controllo strutturale degli edifici in cemento armato e muratura Tecniche diagnostiche, indagini strumentali, esempi di prove su materiali e strutture secondo le nuove normative tecniche e sismiche Roberto Giacchetti, Stefano Bufarini, Vincenzo D Aria Conoscere per progettare, sperimentare per conoscere: sei parole che fanno da leit motiv ad un volume che rappresenta un testo fondamentale per tutti coloro alle prese con i problemi del controllo dei materiali e delle strutture esistenti. Il libro, che utilizza il notevole patrimonio professionale accumulato dagli autori in oltre 25 anni di attività, offre tutti gli strumenti per apprendere le tecniche di indagine, per progettare consapevolmente un programma di indagini sperimentali in situ ed in laboratorio, per elaborare i risultati ottenuti dalla sperimentazione e, infine, per formare il quadro diagnostico dell edificio. Nella prima parte del volume grande attenzione è dedicata sia al Testo Unico delle Norme tecniche, sia, più specificatamente, dall Ordinanza PCM 3274/03 e successive per le indagini conoscitive. Nel secondo capitolo sono presentate le tecniche avanzate di indagine per la definizione del modello geometrico e del quadro defectologico delle strutture, necessarie a completare il rilievo strutturale. Poi, gli autori si soffermano sui metodi di indagine strumentale per la definizione del modello fisico-meccanico dei materiali in situ, con esempi pratici di applicazione, di elaborazione dei dati e con la discussione dei risultati. I metodi di controllo sono raggruppati a seconda del loro grado di invasività: quelli distruttivi (ad alta invasività), semi-distruttivi (a media invasività) e non distruttivi (a bassa invasività). Infine, nell ultimo capitolo, si affronta il tema del monitoraggio diagnostico, cioè del controllo delle caratteristiche e delle prestazioni strutturali nel tempo, finalizzato principalmente all individuazione delle cause di dissesto. Importante anche l appendice nella quale sono riportati alcuni esempi di rapporti di prova riguardanti la presentazione dei risultati dei tipi di controllo distruttivo e non distruttivo negli edifici in c.a. più frequentemente utilizzati nella pratica professionale.

2 INDICE GENERALE Premessa... 7 CAPITOLO 1 IL CONTROLLO DELLA SICUREZZA DEGLI EDIFICI ESISTENTI Introduzione Il processo di diagnosi Caratteristiche generali degli edifici in c.a. esistenti Caratteristiche generali degli edifici in muratura Le indagini conoscitive secondo l Ordinanza PCM Edifici in cemento armato e acciaio CAPITOLO 2 TECNICHE DI INDAGINE PER LA DEFINIZIONE DEL MODELLO GEOMETRICO E DEL QUADRO DEFECTOLOGICO DELLE STRUTTURE Tecniche di indagine a campo pieno Fotogrammetria Termografia infrarossa Tecniche di indagine puntuali Endoscopia Metodi pacometrici Metodi radiografici e radioattivi

3 2.2.4 Metodi chimici (colorimetrici) Misura del potenziale elettrodico per il controllo della probabilità di innesco di processi corrosivi Controllo della reazione alcali-aggregato Georadar Metodo sonico Metodi vibrazionali per il controllo dei pali di fondazione Metodo ultrasonico Analisi defectologica delle strutture in c.a CAPITOLO 3 INDAGINI STRUMENTALI PER LA DEFINIZIONE DEL MODELLO FISICO-MECCANICO DEI MATERIALI Prove ad alta invasività Carotaggio Prove meccaniche dirette sulle murature Determinazione delle proprietà meccaniche delle barre di acciaio nelle strutturein opera e valutazione dello stato di tensione attuale Prove a media invasività Microcarotaggio Shove-test Metodi di estrazione Metodo di penetrazione mediante sonda Windsor Prove a bassa invasività sulla muratura Martinetti piatti Prove a bassa invasività sul calcestruzzo Metodo di durezza superficiale (sclerometrico) Metodo microsismico con vibrazioni ad alta frequenza (ultrasonico) Valutazione della resistenza a compressione in situ IL CONTROLLO STRUTTURALE DEGLI EDIFICI IN C.A. E MURATURA

4 CAPITOLO Valutazione del modulo dinamico del calcestruzzo Influenza dello stato tensionale sulla capacità di predizione del valore della resistenza stimato con il metodo ultrasonico Metodi combinati per la stima della resistenza del calcestruzzo in situ Metodo SONREB TECNICHE DI MONITORAGGIO DIAGNOSTICO Introduzione Controllo dell evoluzione dello stato fessurativo Controllo dell evoluzione della configurazione geometrica (spostamenti e rotazioni) Controllo vibrazionale di tiranti in strutture arcuate a spinta eliminata Il modello delle azioni esterne di natura statica (temperatura e spostamenti del terreno) APPENDICE Esempi di rapporti di prova riguardanti i controlli di materiali e strutture in situ ed in laboratorio Carotaggio di elementi in c.a. - rapporto di prova Indagine sclerometrica - Rapporto di prova Indagine ultrasonica - Rapporto di prova Applicazione del metodo SONREB per la stima della resistenza del calcestruzzo Rapporto di prova Bibliografia

5 PREMESSA Esiste unanime consenso nel ritenere che, nell ambito della progettazione strutturale, la problematica della manutenzione e della riparazione degli edifici esistenti, nonché del loro miglioramento o adeguamento alle norme, sia per l edilizia in generale sia sismiche in particolare, costituisca una branca molto specialistica dell ingegneria civile. La trattazione di questi temi progettuali richiede, infatti, non soltanto una profonda conoscenza della meccanica (statica, cinematica e dinamica), quindi di una scienza matematica, ma anche, e talvolta soprattutto, una raffinata cultura umanistica che spazia dalla storia, alla sociologia, alla filosofia e, anche, alla regola dell arte. In questo senso la brutale applicazione delle norme, sganciata da ogni riferimento culturale di altro tipo, può risultare devastante per qualsiasi manufatto ed in particolare per gli edifici di carattere storico e monumentale. A rendere ancora più complesso il tema è la necessità di confrontarsi con la condizione di stato dell edificio esistente dettata dalla sua vetustà, dal cimento dei materiali, dalle trasformazioni che l organismo ha subito nel corso della sua esistenza. Questo richiede un sapere in più: la conoscenza dei metodi di indagine strumentale e delle tecniche di controllo strutturale che permettono al progettista di acquisire la base di dati indispensabile per potere formulare un ipotesi di intervento. Come è stato già detto, questo solo non basta; ben altre sono le nozioni che il tecnico accorto ha bisogno di padroneggiare prima di affrontare il tema del recupero. In questo volume viene messa a disposizione del lettore una buona quantità di informazioni specialistiche che, se non lo trasformeranno in un esperto sperimentatore, gli consentiranno però di apprendere le tecniche di indagine, di progettare consapevolmente un programma di indagini sperimentali in situ ed in laboratorio, di elaborare i risultati ottenuti dalla sperimentazione e, infine, di formarsi il quadro diagnostico dell edificio. Molte delle tecniche di controllo che sono presentate nel volume trovano già da tempo collocazione nei prezzari regionali o nei capitolati di importanti stazioni appaltanti. Molto spesso, però, le difficoltà operative insite nei metodi di indagine non sono evidenti e, di conseguenza, anche le voci dei prezzi sono di difficile decifrazione. Di qui è nata l esigenza di formulare un testo chiaro, in qualche modo persino didattico, che metta anche il non esperto nelle condizioni di potere giudicare con piena consapevolezza l ambito di applicazione, l affidabilità e l onerosità dei metodi di indagine sulle costruzioni in c.a. e in muratura. 7

6 CAPITOLO 1 IL CONTROLLO DELLA SICUREZZA DEGLI EDIFICI ESISTENTI 1.1 Introduzione Molti eventi nella storia recente hanno riproposto all opinione pubblica la necessità di tenere sotto controllo lo stato del patrimonio edilizio del nostro paese in cui attualmente circa il 70% degli edifici ha un età superiore ai 50 anni. Il problema del rischio edilizio deve essere affrontato, innanzitutto, individuando le cause di vulnerabilità degli edifici potenzialmente a rischio. Per una serie di ragioni, in Italia, la qualità delle costruzioni, specie quelle realizzate negli ultimi cinquant anni, è di basso livello rispetto a quelle coeve di altre nazioni europee. La vulnerabilità fisica degli edifici esistenti è stata attribuita a due categorie principali: degrado per vetustà e degrado per ragioni costruttive. Da una recente analisi del CENSIS, nel Rapporto del 1999 sulla situazione sociale italiana emerge che abitazioni a rischio statico devono essere sottoposte a verifica; di queste il 36,5% per ragioni d anzianità ed il 63,5% per 9

7 cause tecniche (Tab. 1.1). Gran parte degli edifici in Italia sono stati costruiti nel dopoguerra; fino agli anni 80 il patrimonio ad alta vetustà rappresentava il 25% del totale, dopo vent anni l incidenza supera il 40% ed è destinata ad aumentare. I rischi di bassa qualità tecnica degli edifici e di scarse verifiche progettuali sono dovute al rapido processo di edificazione. Una notevole quota di rischio va attribuita al boom edilizio della fine degli anni sessanta ed in genere alla rapida ed improvvisa urbanizzazione di quell epoca. Tab Il patrimonio edilizio a rischio TIPOLOGIA DI DEGRADO ALLOGGI A RISCHIO VALORE % SUL TOTALE GENERALE VETUSTA - edilizia storica nelle grandi città ,9 - edilizia storica nel resto del patrimonio nazionale ,1 - edifici con oltre 40 anni di vita ,5 TOTALE ,5 RAGIONI COSTRUTTIVE - boom edilizio fine anni edifici abusivi multipiano* ,5 TOTALE ,5 TOTALE GENERALE (*antecedenti al condono edilizio 1986/87) Fonte Censis 1999 Dal 1999 ad oggi si sono verificati una serie di crolli provocati sia da cedimenti strutturali sia da esplosioni dovute a fughe di gas. Dopo il crollo della palazzina di cinque piani, avvenuto alla fine del 1998, il Comune di Roma ha posto all ordine del giorno la necessità di istituire il fascicolo di fabbricato. L idea riproposta e sottoscritta da più parti (unioni inquilini, ordini professionali, amministrazioni comunali, associazioni e leghe ambientaliste) aveva incontrato una certa resistenza soprattutto dei proprietari, che paventavano una perdita di valore degli immobili. Le Autorità locali hanno deciso, ugualmente, di istituire il documento del fascicolo fabbricato, nel tentativo di risolvere i problemi legati alla sicurezza degli edifici. Il fascicolo è stato approvato dalla Giunta del Comune di Roma il 12 gennaio Anche la Giunta della Re- 10 IL CONTROLLO STRUTTURALE DEGLI EDIFICI IN C.A. E MURATURA

8 gione Lazio, quasi contemporaneamente con l Amministrazione comunale, il 2 febbraio 1999 ha presentato la proposta di legge in materia di sicurezza dei fabbricati. Successivamente, l 11 novembre 1999, il crollo del palazzo in Viale Giotto a Foggia ha messo definitivamente alla ribalta nazionale il problema di garantire adeguate condizioni di sicurezza statica degli edifici. La risposta del governo è stata il disegno di legge n.4339-bis. Sulla scia di Roma anche il Comune di Napoli ha deciso l istituzione, pur non obbligatoria, del Fascicolo del Fabbricato. Anche la regione Lombardia opta per un controllo dello stato di salute degli edifici attraverso una scheda di autovalutazione del fabbricato predisposta dal Politecnico di Milano. La Giunta Comunale di Roma con la delibera n. 473 del maggio 2000 ha approvato lo schema del fascicolo del fabbricato realizzato da una Commissione di tecnici scelti dal Comune e dagli Ordini Professionali. Successivamente alla sospensiva determinata dal Tar Lazio il vuoto legislativo è stato colmato dalla legge regionale n. 31 del 12 settembre 2002 in cui si demanda ai comuni la facoltà di istituire il fascicolo del fabbricato nell ambito del proprio territorio. Il fascicolo del fabbricato dovrebbe contenere l insieme degli accertamenti di carattere ricognitivo per la verifica dell esistenza dei requisiti statico - funzionali posti alla base della sicurezza di un edificio. Nella fase preliminare gli adempimenti da svolgere sono riferiti soprattutto alla constatazione visiva diretta dello stato degli immobili in esito alla quale dovrebbero essere evidenziati eventuali elementi di criticità. In questa fase risulta pertanto decisiva l esperienza ed il bagaglio di conoscenze del tecnico incaricato dell indagine. Detti requisiti sono indispensabili per la formulazione di un quadro della pericolosità delle situazioni analizzate, il più esaustivo possibile. Determinante per il buon esito delle indagini preliminari risulterà il rispetto delle norme comportamentali e deontologiche da parte del tecnico. Per rispettare le regole deontologiche nella compilazione dell elaborato è auspicabile la richiesta di consulenza a specialisti dei vari settori, soprattutto in merito alle problematiche strutturali, impiantistiche, geologiche e agroforestali. A conclusione degli accertamenti, il tecnico incaricato, recependo i suggerimenti dei singoli specialisti, deve proporre le azioni necessarie per ridurre nei limiti accettabili i fattori di rischio individuati. Focalizzando l attenzione all ambito della sicurezza strutturale occorre però osservare che la valutazione dell idoneità statica della costruzione richiede di procedere ad accertamenti più approfonditi e specialistici e a ricorrere ad indagini strumentali per controllare il reale livello di pericolosità di quanto riscontrato. La fase autoptica preliminare consente di individuare la tipologia e la con- 11

9 sistenza strutturale dell edificio (c.a., muratura, acciaio, legno, mista, travi, pilastri, solai, ecc.) e, sulla base della tipologia strutturale, di ricercare e descrivere i sintomi più evidenti. I segni più ricorrenti, rilevabili a vista, con una sommaria valutazione di alcune delle manifestazioni sono quelli di seguito indicati, con riferimento alle singole tipologie strutturali. Edifici con struttura in cemento armato a) fuori piombo; b) pilastri con ferri longitudinali scoperti e/o inflessi; c) travi, pilastri o pareti con caduta del copriferro e conseguente esposizione delle armature; d) calcestruzzo degradato e facilmente asportabile anche con modeste azioni manuali; e) fessure verticali e/o inclinate, rispettivamente in mezzeria ed in prossimità degli appoggi delle travi; f) serie di fessure verticali, anche di piccola ampiezza, sui pilastri; g) sbalzi ed aggetti (balconi, cornicioni, ecc.) lesionati con segni di ruggine in corrispondenza delle armature metalliche e con pendenze superiori a quelle necessarie allo smaltimento dell acqua meteorica. Edifici in muratura e legno a) fuori piombo; b) distacchi di murature tra loro perpendicolari: pericolose in quelle originariamente ammorsate; c) lesioni diagonali sulle murature portanti; d) lesioni sulle architravi di porte e finestre; e) riduzioni notevoli e diffuse dello spessore dei muri portanti; f) rigonfiamenti della muratura (non del solo intonaco) con lesioni verticali diffuse nelle pareti portanti; g) deformazioni di archi e di volte; h) fuori piombo verso l esterno di pareti interessate dalla spinta di archi o volte; i) deformazione del capochiave delle catene degli archi; 12 IL CONTROLLO STRUTTURALE DEGLI EDIFICI IN C.A. E MURATURA

10 j) lesioni nella parte centrale delle volte; k) solai in legno con lesioni e/o sconnessioni nelle travi principali e/o con evidente deterioramento del materiale agli appoggi; l) sconnessioni dovute a rottura degli ammorsamenti in corrispondenza delle giunzioni delle travi principali; m) tetti a falde (privi di catene) con presenza di fuori piombo o lesioni sui muri di appoggio; n) tetti con orditura principale e secondaria con lesioni e/o con deterioramento del materiale agli appoggi e/o pronunciate inflessioni; o) elementi verticali inflessi; p) elementi lignei strutturali interessati da funghi o parassiti. La presenza isolata o associata dei sintomi sopra elencati forniscono un quadro della rischiosità delle strutture, che può risultare tranquillizzante, ovvero suggerire un approfondimento dei controlli con il ricorso anche a metodi di indagine in sito distruttive e non distruttive, da effettuare, comunque, nella seconda fase. Dall esame a vista si desumono informazioni sull esistenza di dissesti e di lesioni sulle strutture, sulla loro storia, sulla loro stabilizzazione e sui mezzi di indagine utilizzati in precedenza. Si richiede anche un accenno ipotetico e sommario (non diagnostico) sulle principali cause del dissesto riscontrato, riconducibili perlopiù a cedimenti delle fondazioni e/o a collasso dei materiali. Occorre, tuttavia, tenere conto che in molti casi fabbricati realizzati in conformità a disposti legislativi e regolamentari vigenti all epoca della costruzione, non garantiscono, nel corso della loro vita utile, le medesime condizioni di sicurezza, sia per la vetustà dei materiali, che da condizione fisiologica si trasforma in una situazione patologica in assenza di manutenzione, sia per la radicale modifica delle condizioni ambientali esterne. L analisi delle lesioni, eventualmente riscontrate, dovrà riguardare sia le strutture verticali che quelle orizzontali con l ausilio, come già precisato in precedenza, di rilievi del quadro fessurativo e di adeguata documentazione fotografica. Nel quadro dei rischi di trasformazione sopra accennati, è opportuno specificare le modifiche apportate all impianto statico originario comportanti implicazioni sull assetto dei carichi trasmessi al terreno dalle fondazioni. In seguito al tragico evento della scuola di San Giuliano di Puglia (CB) il 20/03/2003 il Presidente del Consiglio dei Ministri ha varato l Ordinanza n. 13

11 3274, pubblicata sul supplemento ordinario n. 72 della G.U.105 dell 8 maggio 2003, in cui si provvede all individuazione, formazione ed aggiornamento dell elenco delle zone sismiche e si introduce una nuovo regolamento che disciplina le costruzioni nelle zone sismiche. La nuova classificazione sismica, con l introduzione di quattro zone, estende il rischio di eventi tellurici praticamente all intero territorio nazionale, rendendo di fatto obbligatoria una seria valutazione della sicurezza nei riguardi del terremoto che va ben oltre la mera certificazione di idoneità statica sulla quale pare basarsi il fascicolo del fabbricato. All Ordinanza PCM 3274/03 sono seguite modifiche ed integrazioni; in particolare, per quanto attiene all Allegato 2 Edifici, il testo definitivo è contenuto nell OPCM 3431 del 3 maggio Nel capitolo 11 che riguarda esclusivamente gli edifici esistenti viene, in premessa, sottolineato che questi si distinguono da quelli di nuova progettazione per gli aspetti seguenti: - il progetto riflette lo stato delle conoscenze al tempo della loro costruzione; - il progetto può contenere difetti di impostazione concettuale e di realizzazione non evidenziabili. Tali edifici possono essere stati soggetti a terremoti passati o di altre azioni accidentali i cui effetti non sono manifesti. Di conseguenza la valutazione della sicurezza ed il progetto degli interventi sono normalmente affetti da un grado di incertezza diverso da quello degli edifici di nuova progettazione. Ciò comporta l impiego di adeguati fattori di confidenza nelle verifiche di sicurezza come pure metodi di analisi e di verifica dipendenti dalla completezza e dall affidabilità dell informazione disponibile. L OPCM 3274 e successive sono state incorporate nelle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni come uno dei documenti di riferimento per l analisi sismica delle costruzioni. Le Norme Tecniche per le Costruzioni, concepito come Testo Unico riguardante qualsiasi tipo di costruzione sita in qualsiasi area territoriale del Paese, dedicano il capitolo 9 alle costruzioni esistenti; al punto 9.2 Criteri generali viene prescritto che per le strutture per le quali non sia reperibile il progetto esecutivo dell opera, la relazione di calcolo, i disegni costruttivi ovvero le indagini originali sui materiali e sui terreni di sedime, si potrà impostare una campagna di accertamenti in situ, possibilmente mediante prove non distruttive ed indagini che non alterino il comportamento dei terreni di fondazione. La valutazione della sicurezza deve permettere di stabilire se: - l uso della costruzione possa continuare senza interventi; - l uso debba essere modificato nel verso di un minore cimento statico (declassamento); 14 IL CONTROLLO STRUTTURALE DEGLI EDIFICI IN C.A. E MURATURA

12 - debba essere necessario procedere ad aumentare la capacità portante (consolidamento); - debba essere necessario procedere a ripristinare la capacità portante preesistente ad un danno (riparazione); - debba essere necessario adeguare la sicurezza dell opera, in tutto od in parte, alle prescrizioni della seguente norma (adeguamento). Le costruzioni esistenti devono essere sottoposte a valutazione della sicurezza quando ricorrono le seguenti situazioni: 1) scadenza della vita di servizio a partire dalla fine della costruzione, ovvero dalla data del collaudo statico; 2) in caso di evidente riduzione della capacità resistente dei materiali o elementi strutturali nel loro insieme; 3) a seguito di azioni ambientali (sisma, vento, neve e temperatura) che abbiano compromesso la capacità resistente della struttura; 4) per degrado e decadimento delle caratteristiche meccaniche dei materiali dei componenti strutturali della struttura nel suo complesso; 5) in caso di azioni accidentali (urti, incendi esplosioni), e di situazioni di funzionamento ed uso anomalo; 6) in presenza di distorsioni significative da deformazioni del terreno di fondazione; 7) per riscontrati errori di progetto o di costruzione; 8) a seguito di trasformazione delle condizioni d uso della struttura; 9) a seguito di un cambio della destinazione d uso della costruzione con variazione dei carichi variabili della costruzione; 10) per aumentato cimento statico delle strutture. La valutazione di cui al punto 1 sarà la base di riferimento per la compilazione del fascicolo del fabbricato. Nel paragrafo 9.3 riguardante gli interventi sulle costruzioni esistenti la diagnosi del costruito assume un ruolo centrale nella definizione delle scelte progettuali. Gli interventi sono classificati a seconda che siano finalizzati all aumento della sicurezza delle costruzioni o in conseguenza di nuove esigenze e/o trasformazioni della costruzione. 15