La valutazione di edifici in c.a. Applicazione dei metodi di indagine distruttive e non distruttive

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1 Corso di Riabilitazione Strutturale POTENZA, a.a La valutazione di edifici in c.a. Applicazione dei metodi di indagine distruttive e non distruttive Dott. Marco VONA Scuola di Ingegneria - Università di Basilicata

2 SCHEMA DELLA STRUTTURA La sperimentazione è relativa ad un elemento trave estratto da una scuola in c.a. in corso di demolizione, costruita in Italia (Aulla) negli anni 50. Il progetto della struttura fu eseguito considerando soltanto i carichi verticali come richiesto dalle norme italiane dell epoca. Trave estratta

3 40 40 ELEMENTO STRUTTURALE ESTRATTO Trave estratta ELEMENTI STRUTTURALI ANALIZZATI PIANO SUPERIORE PIANO POSTERIORE Z Y X 312 PIANO INFERIORE PIANO ANTERIORE 40

4 PROGRAMMA SPERIMENTALE: PND Griglia di riferimento dei punti di misura Test pacometrici Prove sclerometriche Prove Ultrasoniche diretta semi-diretta superficiale

5 PROGRAMMA SPERIMENTALE: CAROTAGGI Griglia di riferimento dei punti di misura CAROTAGGI In direzione ortogonale al getto e all asse della trave In direzione ortogonale al getto e paralleli all asse della trave In direzione parallela al getto

6 POSIZIONE PUNTI DI PROVA SUP INF Allineamenti Superiore ed Inferiore dei punti di misura lungo la trave Posizione dei punti di prova lungo la sezione trasversale

7 RISULTATI : VELOCITÀ ULTRASONICA V (DIRETTA) Ultrasonic Velocity (direct) [m/s] V_sup V_inf V_med Location of test points [cm] V

8 RISULTATI : VELOCITÀ ULTRASONICA V (superficiale) 4500 Ultrasonic Velocity (surface) [m/s] Vs_sup Vs_inf Vs_med Location of test points [cm] Vs

9 RISULTATI : INDICE SCLEROMETRICO Rebound number S_sup S_inf S_med Location of test points [cm] S

10 RISULTATI DEI TEST: RESISTENZA DELLE CAROTE f core Core strength [MPa] fcore_sup fcore_inf fcore_med f core Location of test points [cm]

11 ANALISI DEI RISULTATI DEI TEST Ultrasonic Velocity (direct) [m/s] V_sup V_inf V V_med Location of test points [cm] Ultrasonic Velocity (surface) [m/s] Vs_sup Vs_inf Vs_med Location of test points [cm] Vs Ultrasonic pulse velocity, V (direct) Ultrasonic pulse velocity, Vs (surface) Rebound number S_sup S_inf S S_med Location of test points [cm] Core strength [MPa] fcore_sup fcore_inf fcore_med f core Location of test points [cm] Rebound number Core strength

12 ANALISI DEI RISULTATI DEI TEST Metodo Campione Min value Max value Mean value CV (%) Metodo sclerometrico S_sup S_inf V_sup [m/s] Velocità Ultrasonica V_inf [m/s] Vs_sup [m/s] Vs_inf [m/s] Carotaggi fcore_sup [MPa] fcore_inf [MPa] SW_sup [kn/m 3 ] SW_inf [kn/m 3 ] Valori minimi, massimi, medi e Coefficienti di Variazione (CV) dei principali risulati dei test (SW = peso specifico delle carote)

13 CALCOLO DELL ESPRESSIONE SONREB N NDT = 20 punti Ncore = 8 punti scelti in modo random Relazioni Sonreb f c ( S, V ) = V S fc( S, Vs ) = S Vs Resistenze carote fc R = fc (S, V) Resistenze stimate fc (S, V) fc R = fc (S, Vs) Resistenze stimate fc (S, Vs)

14 RUOLO DELLA STORIA DI CARICO La dispersione nei valori rilevati di f core e V s mostra che una significativa influenza sui risultati può derivare dalla distribuzione della fessurazione lungo la trave Ciò può essere determinanto da molte cause, tra le quali la ditribuzione delle sollecitazioni lungo la trave dovute a vecchi carichi applicati Diagramma del momento flettente dovuto ai passati carichi verticali Trave estratta Lesioni rilevate

15 RUOLO DELLA STORIA DI CARICO Diagramma del momento flettente dovuto ai passati carichi verticali Trave estratta Lesioni rilevate S, V/100, Vs/100, fcore S_inf V_inf/100 Vs_inf/100 fcore_inf Location of test points [cm] I valori di Vs misurati lungo la parte inferiore della trave hanno lo stesso andamento del diagramma del momento. La fessurazione causata dalla flessione interferisce con la propagazione di onde soniche in direzione longitudinale e quindi con la velocità misurata per trasmissione superficiale.

16 INFLUENZA DELLO STATO DI FESSURAZIONE MICROFESSURA MICROFESSURA MICROFESSURA carotaggi Lo stato di fessurazione condiziona notevolmente le misure di velocità e le resistenze delle carote estratte. La velocità ultrasonica superficiale consente di leggere in maniera media lo stato dell elemento, mentre le velocità per trasparenza e le caratteristiche delle carote sono maggiormente condizionate dalla situazione locale.

17 CONSIDERAZIONI SUI RISULTATI OTTENUTI I risultati ottenuti hanno evidenziato l esistenza di una limitata variabilità dell indice sclerometrico S e della velocità ultrasonica per trasparenza V, lungo lo sviluppo dell elemento Una variabilità più significativa è emersa per la resistenza delle carote estratte f car Non sono emerse significative differenze tra i valori misurati nelle zone superiore ed inferiore della trave Oltre alla intrinseca variabilità delle proprietà meccaniche e delle condizioni del materiale in-situ, è emersa l esistenza di una dipendenza tra l andamento delle caratteristiche di sollecitazione preesistenti nell elemento e la distribuzione delle resistenze

18 CONSIDERAZIONI SUI RISULTATI OTTENUTI E necessario posizionare attentamente i punti di misura all interno degli elementi strutturali, collocandoli nelle zone meno sollecitate dai carichi statici, non danneggiate, e rappresentative delle condizioni medie del materiale in-situ (ad es. a metà altezza nei pilastri)

19 Corso di Riabilitazione Strutturale POTENZA, a.a La valutazione di edifici in c.a. Il metodo combinato SONREB Dott. Marco VONA DiSGG, Università di Basilicata

20 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

21 PROVE NON DISTRUTTIVE: METODO SONREB 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 f c mediante espressioni del tipo: f c = a S b V c

22 PROVE NON DISTRUTTIVE: METODO SONREB La valutazione della resistenza del CLS con il metodo SONREB richiede la conoscenza della velocità ultrasonica V e dell indice sclerometrico S S 52 Curve di isoresistenza (Rilem) Rc [N/mmq] fc = 20 MPa V [m/sec]

23 PROVE NON DISTRUTTIVE: METODO SONREB In letteratura sono presenti numerose espressioni per l applicazione del metodo SONREB: f c = a S 1.4 b V 2.6 c Norme RILEM, 1993 f c = S V Gasparik, 1992 f c = S V Di Leo Pascale, 1994 f c = S V Del Monte et al., 2004 Nessuna di queste espressioni ha validità generale ed in particolare nel caso di calcestruzzi di bassa qualità

24 CALIBRAZIONE RISULTATI METODO SONREB DEFINIZIONE DELLA ESPRESSIONE SONREB VALIDA PER IL CALCESTRUZZO IN ESAME Si calcola la resistenza cilindrica media f cm del calcestruzzo di un edificio esistente utilizzando i risultati di prove distruttive e non distruttive effettuate negli stessi punti Nota la resistenza cilindrica a compressione delle carote f c prelevate, l indice di rimbalzo S e la velocità ultrasonica V, ottenute dalle prove non distruttive, si valutano i coefficienti a, b e c delle curve Sonreb che forniscono f c, effettuando una regressione lineare in ambiente EXCEL: f c = a S b V c

25 CALIBRAZIONE RISULTATI METODO SONREB CALCOLO DI f cm : Dati di partenza PROVE DISTRUTTIVE (CAROTAGGIO): f c (N/mm 2 ): resistenza cilindrica a compressione della carota h (mm) : altezza carota D (mm): diametro carota caratteristiche della carota PROVE NON DISTRUTTIVE (SCLEROMETRICHE E ULTRASONICHE): S : indice di rimbalzo sclerometro V (m/s): velocità ultrasonica

26 ESPRESSIONE SONREB CALIBRATA Le PND non sono affidabili per stimare la resistenza del calcestruzzo, se non calibrate con risultati di test su carote Indice sclerometrico Velocità ultrasonica Carotaggi S (in N PND punti) V (in N PND punti) f c (in N CAR punti, N CAR < N PND ) S, V, f c best correlation f c = a S b V c Applicando l espressione ottenuta è possibile stimare la resistenza anche nei punti in cui sono state effettuate solo PND

27 ESPRESSIONE SONREB CALIBRATA: ESEMPIO OGGETTO DELL ESEMPIO Sono stati sottoposti a prove distruttive e non distruttive 14 elementi strutturali in c.a. prelevati da un edificio scolastico nel comune di Fivizzano (Toscana) realizzato nel 1977 come sopraelevazione di un edificio esistente realizzato nel 1959 (progettato per soli carichi verticali)

28 ESPRESSIONE SONREB CALIBRATA: ESEMPIO OGGETTO DELL ESEMPIO Planimetria dell edificio scolastico

29 ESPRESSIONE SONREB CALIBRATA: ESEMPIO OGGETTO DELL ESEMPIO P5 P2 P8 T4 P4 P9 P6 P3 EL3 T3 P1 EL2T2 P7 EL1 T1 Planimetria dell edificio scolastico

30 RISULTATI DELLE PND & PD Valori medi e variabilità dei risultati Sclerometro S Ultrasuoni (Trasp.) V [m/s] Carotaggi f c [MPa] Elemento Punti di Media Dev.St CV (%) misura/prelievo EL EL EL Totale 132 EL EL EL Totale 84 EL EL EL Totale 21

31 RISULTATI DELLE PND & PD Sono stati correlati alcuni valori delle resistenze f c ai risultati delle corrispondenti PND selezionando in modo casuale tre terne di valori (S, V, fc), una per ognuno degli elementi EL1, EL2 e EL3 Prima di effettuare la regressione è stata controllata l esistenza di un legame di proporzionalità diretta tra i valori di resistenza fc ed i corrispondenti valori S e V delle tre terne prescelte Trave S V [m/s] f c [MPa] EL EL EL f c = E S V 2.737

32 METODI COMBINATI: Espressione Sonreb calibrata La maggiore affidabilità della procedura rispetto alle espressioni consolidate di letteratura è stata ampiamente dimostrata in passati lavori EL1 EL2 EL3 Media Scarto Media CV Media CV Media CV Totale [MPa] (%) [MPa] (%) [MPa] (%) [MPa] (%) f c (carote) f c con espr. Calibrata f c (Rilem) f c (Gasparik) f c (Pascale) f c (Del Monte)

33 METODI COMBINATI: Espressione Sonreb calibrata Confronto tra valori di f c stimati con diverse espressioni Sonreb e le resistenze ottenute dai carotaggi fc [MPa] Pascale Di Leo Rilem Gasparik Del Monte fc [MPa] fc, Sonreb [MPa] fc, espr. CALIBRATA [MPa]

34 CALIBRAZIONE RISULTATI METODO SONREB PROCEDURA PER IL CALCOLO DI f cm si valuta la resistenza cilindrica f c delle carote tenendo conto del rimaneggiamento, delle dimensioni D e (h/d), delle eventuali armature incluse si valutano i coefficienti a, b, c della curva Sonreb tramite regressione lineare a partire dai valori di S e V rilevati sugli elementi strutturali su cui sono state effettuate anche prove distruttive si calcolano le resistenze cilindriche nei punti in sono state eseguite solo le prove non distruttive impiegando la relazione trovata: f c = a * S b * V c si calcola la resistenza media f cm effettuando la media tra i valori ottenuti dalle prove distruttive e quelli valutati tramite le curve Sonreb

35 PROVE NON DISTRUTTIVE: RAPPRESENTATIVITÀ RN f c [Mpa] V [m/s] f c [Mpa]

36 CALIBRAZIONE RISULTATI METODO SONREB PROCEDURA PER IL CALCOLO DI f cm si valuta la resistenza cilindrica f c delle carote tenendo conto del rimaneggiamento, delle dimensioni D e (h/d), delle eventuali armature incluse si valutano i coefficienti a, c della curva Sonreb tramite regressione lineare a partire dai valori di V rilevati sugli elementi strutturali su cui sono state effettuate anche prove distruttive si calcolano le resistenze cilindriche nei punti in sono state eseguite solo le prove non distruttive impiegando la relazione trovata: f c = a * V c si calcola la resistenza media f cm effettuando la media tra i valori ottenuti dalle prove distruttive e quelli valutati tramite prove non distruttive

37 LA CARBONATAZIONE NEL CALCESTRUZZO La carbonatazione nel calcestruzzo consiste nella formazione di carbonato di calcio in uno strato superficiale del materiale più o meno profondo Si verifica per effetto della reazione dell anidride carbonica presente nell aria con l idrossido di calcio disciolto nella soluzione acquosa che permea la pasta di cemento: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O

38 LA CARBONATAZIONE NEL CALCESTRUZZO Non provoca danni al calcestruzzo Può avere invece significative conseguenze sulle armature in quanto produce una riduzione del ph all interno dello strato superficiale carbonatato a valori vicino alla neutralità. L acciaio presente all interno dello strato carbonatato si viene a trovare in un ambiente caratterizzato da un ph ben al disotto di 11.5, valore minimo necessario per assicurare condizioni di passività. La carbonatazione condiziona i risultati delle prove sclerometriche

39 MISURA DELLA PROFONDITÀ DI CARBONATAZIONE La determinazione dello spessore dello strato carbonatato può essere effettuata secondo la norma UNI 9944 Si asportano appositamente alcuni pezzi di calcestruzzo dalla superficie degli elementi in esame o si adoperano direttamente le carote prelevate, in modo da ottenere una sezione ortogonale alla superficie esposta all aria Su tale sezione, subito dopo l estrazione, si spruzza una soluzione alcolica di fenolftaleina: il calcestruzzo carbonatato non modifica il suo colore, mentre il calcestruzzo non ancora soggetto a carbonatazione assume il classico colore rosa della fenolftaleina in ambiente alcalino

40 MISURA DELLA PROFONDITÀ DI CARBONATAZIONE

41 LE PROVE SULLE ARMATURE La determinazione delle proprietà meccaniche dell acciaio insitu è operazione in genere complessa in quanto non esiste allo stato attuale una idonea procedura non distruttiva La stima diretta delle proprietà meccaniche richiede il prelievo di spezzoni di armatura da sperimentare successivamente in laboratorio. Gli spezzoni vanno prelevati con modalità ed, in particolare, in punti tali da non compromettere l integrità strutturale dell edificio riducendo al minimo il danno che ne deriva.

42 LE PROVE SULLE ARMATURE Poiché l acciaio è un prodotto industriale, dunque con una casistica limitata, il tipo può in molti casi essere identificato dalla semplice ispezione visiva tenendo conto del suo aspetto, del periodo di realizzazione dell opera e di eventuali informazioni, anche parziali, ricavabili dalla documentazione tecnica. A tale scopo è utile fare riferimento alle caratteristiche meccaniche degli acciai previsti dalle norme sulle costruzioni in c.a. succedutesi in passato. Normativa Resistenza [kg/cm 2 ] σ amm / Rottura Snervamento σ max Allung. a rottura R.D. 2229/39 Acciaio dolce % 20% D.M. 30/05/72 Controlli Acciaio semiduro % 16% 2/1000 Acciaio duro % 14% Barre lisce % camp. Barre ader. migl % (facoltativo se control. in stab.)

43 LE PROVE SULLE ARMATURE Gli spezzoni di armatura prelevati vanno sottoposti alla classica prova di trazione per la stima della tensione di snervamento, della resistenza e dell allungamento a rottura Le modalità di esecuzione e l interpretazione dei risultati della prova di trazione sono uguali al caso di strutture nuove Si raccomanda di porre attenzione nell individuare l eventuale presenza di processi di corrosione delle barre, in corso o già avvenuti. Tale condizione, oltre a poter ridurre la sezione resistente delle barre d acciaio, può condizionare negativamente ed in maniera significativa il legame di aderenza acciaiocalcestruzzo. La presenza di corrosione va indagata con particolare attenzione nel caso in cui la profondità di carbonatazione sia risultata superiore allo spessore medio del copriferro

44 PRELIEVO DI BARRE DI ACCIAIO La presenza di corrosione va indagata con particolare attenzione nel caso in cui la profondità di carbonatazione sia risultata superiore allo spessore medio del copriferro Individuazione della reale saldabilità delle barre prelevate Selezione del numero e del diametro delle barre Individuazione degli elementi in cui estrarre il campione Individuazione della posizione in cui estrarre il campione Predispozione delle misure di sicurezza per l estrazione Ripristino della barra estratta

45 PRELIEVO DI BARRE DI ACCIAIO Lunghezza campione da testare Lc Lunghezza barra da estrarre L / 3 Lunghezza di ancoraggio/sovrapposizione Saldabilità L

46 ESECUZIONE DELLE PROVE DI TRAZIONE La prova di trazione (tensile test) classica consiste nel sottoporre un provino ad una deformazione a velocità costante, applicando un carico di trazione lungo l asse del campione Generalmente il valore del carico è misurato da una cella di carico ed il livello di deformazione da un estensimetro I risultati dovrebbero essere riportati in un diagramma forza spostamento (influenzato dal diametro del provino) o in un diagramma tensione deformazione Il limite di snervamento f y è la tensione in corrispondenza della quale si oltrepassa il campo elastico Se tale limite non è determinabile con esattezza si assume il limite convenzionale con deformazione plastica allo 0,2%

47 ESECUZIONE DELLE PROVE DI TRAZIONE

48 ESECUZIONE DELLE PROVE DI TRAZIONE I campioni su cui eseguire la prova sono ricavati dal materiale estratto Per rendere attendibile la prova è necessario preparare il campione: utilizzare campioni il più possibile unificati aventi (caratteristiche dimensionali e di forma) raccordare le estremità con la macchina di prova mediante organi di presa della macchina

49 CARATTERIZZAZIONE DELL ACCIAIO Nel comportamento dell acciaio da costruzione si individuano generalmente cinque fasi differenti I fase, elastica lineare. L allungamento cresce in proporzione al carico impresso II fase di elasticità non lineare III fase, plasticità. Il campione subisce deformazioni permanenti IV fase, snervamento. Si ha lo snervamento del campione (deformazione senza incremento di carico). Il carico di snervamento caratterizza l inizio della fase plastica V fase, rottura. Nella zona di rottura la sezione si riduce e presenta il cosiddetto fenomeno della strizione

50 CARATTERIZZAZIONE DELL ACCIAIO 200 Forza - Spostamento [kn] [mm] φ 18

51 CARATTERIZZAZIONE DELL ACCIAIO 200 Forza - Spostamento [kn] [mm] φ 8

52 CARATTERIZZAZIONE DELL ACCIAIO φ 18 φ Tensione - Spostamento 800 Tensione - Spostamento [N/mm 2 ] [N/mm 2 ] [mm] [mm]

53 CARATTERIZZAZIONE DELL ACCIAIO PARAMETRI CARATTERISTICI DELLA PROVA CARICO ELASTICO CARICHI DI SNERVAMENTO CARICO DI ROTTURA MODULO DI ELASTICITÀ ALLUNGAMENTO PERCENTUALE (rapporto fra l allungamento permanente dopo la rottura e la lunghezza iniziale)

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