Indagini sulle strutture e monitoraggi

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1 3 Indagini sulle strutture e monitoraggi Edifici in cemento armato Generalità L azione preliminare del professionista incaricato, riguarderà l acquisizione tanto dei progetti architettonici e strutturali del fabbricato in c.a., presso il committente, gli uffici preposti (ex Genio Civile, Prefettura) come pure del relativo collaudo statico ove espletato ai fini di una conferma dei sovraccarichi di progetto, sia le notizie indispensabili per ricostruire la vita del fabbricato stesso. Ovviamente nel caso di mancata acquisizione degli elaborati strutturali, sarà indispensabile un puntuale rilievo e una misurazione delle strutture portanti, ovviamente nei limiti della compatibilità con le operazioni tecnicamente possibili. Si osserva che, frequentemente, non è possibile rilevare tutte le strutture presenti poiché annegate nei manufatti di completamento, né è pensabile poter demolire i suddetti manufatti o effettuare una campagna estesissima di saggi distruttivi per accertare puntualmente tutte le membrature portanti. In questi casi si è del parere di formulare, una volta espletate le ispezioni visive elencate di seguito, una schematizzazione sintetica supportata da opportune indagini strumentali di cui si dirà nei paragrafi successivi, sempre che il professionista non ritenga assolutamente indispensabile l effettivo rilievo dello stato di fatto. Successivamente è fondamentale l osservazione sia generale che localizzata delle strutture portanti, soprattutto nelle parti visibili ad occhio nudo. Ciò vale in particolare nella prima fase delle indagini nel corso delle quali, il professionista dovrà ricostruire un quadro generale dello stato del fabbricato; se reperibili i grafici strutturali, sarà fondamentale un riscontro visivo per accertare eventuali alterazioni del come costruito. In detta fase, saranno anche utili, rilevazioni metriche a campione. Le osservazioni a vista riguarderanno: la presenza di fessurazioni ed il loro rilievo anche fotografico; la presenza di inclinazioni rispetto alla verticale apprezzabili ad occhio nudo; la presenza di frecce o deformate apprezzabili ad occhio nudo, soprattutto negli sbalzi o nelle strutture orizzontali di luce rilevanti; lo stato dei nodi visibili ad occhio nudo soprattutto nei locali interrati e tecnici dove generalmente, l assenza dell intonaco permette la visione di difetti di esecuzione, quali nidi di ghiaia, insufficienza di copriferro, ecc.; la presenza di macchie o di traccie di ossido di ferro sulle strutture a faccia vista che denotano processi ossidativi in atto e probabile carbonatazione; l osservazione attenta degli spigoli delle facce delle strutture orizzontali e verticali per accertare lo stato dei copriferri, la presenza di lesioni longitudinali in corrispondenza delle barre di armatura, che denotino l incipiente distacco del copri-

2 La statica degli edifici esistenti: indagini e monitoraggi 114 ferro stesso, l eventuale apprezzamento del passo delle staffe onde stabilire se esso è troppo ampio, soprattutto nelle zone nodali, ove la sollecitazione di taglio è significativa e causa di rotture fragili ecc.; l osservazione attenta delle pavimentazioni e dei manufatti verticali (pilastri, murature e tramezzature) per accertare sia deformazioni da assestamenti o cedimenti, sia presenza di infiltrazioni e conseguenti risalite capillari; ciò sarà particolarmente importante ai fini di stabilire l eventuale rottura di tratti di fognature presenza di falda; la presenza di tracce di eventuali incendi che possano aver interessato le strutture orizzontali e verticali e quindi il degrado delle loro caratteristiche meccaniche; il controllo dell apertura corretta di porte e finestre al fine di accertare, l eventuale presenza di distorsioni angolari in atto dovute a cedimenti differenziali; l osservazione puntuale delle zoccolature e delle lastre di rivestimento per accertare fenomeni di cedimenti basali o di distacco dal supporto dei paramenti, con rischio di caduta; l osservazione come sopra degli intonaci di facciata; l esame puntuale di cornicioni e frontalini onde accertare l integrità degli stessi oppure fenomeni di degrado in atto che possano costituire fonti di rischio di caduta di materiali; l osservazione delle aree esterne limitrofe riguardanti eventuali avvallamenti di pavimentazione e/o di giardini condominiali onde individuare le possibili cause generalmente dovute o a rottura di tubazioni fognarie e/o idriche, oppure assestamenti o movimenti attribuibili a cause geologiche, idrogeologiche o geotecniche; l ispezione di muri di sostegno limitrofi o di pareti di contenimento onde accertare eventuale dissesti; la ricognizione delle aree e degli edifici limitrofi onde accertare la presenza di fenomeni generalizzati quali assestamenti, presenza di cavità, aree in frana, allargamento dei giunti tecnici, andamento reciproco dei quadri fessurativi, ecc. Una volta eseguite le ispezioni visive descritte, acquisite le documentazioni progettuali oppure effettuate le rilevazioni necessarie, riportati i quadri fessurativi sui prospetti interessati, è necessario formulare, sulla base degli elementi multidisciplinari descritti nei capitoli precedenti, un giudizio sullo stato del fabbricato. Gli scenari possibili sono tre: 1. La sintomatologia rilevata è tale da non destare preoccupazione; il professionista ne darà ragione al committente mediante apposita nota sintetica in calce al Fascicolo, oppure con nota più esplicativa ove riterrà opportuno formulare l interpretazione dei fatti rilevati; 2. La sintomatologia rilevata denuncia la presenza di fenomeni in atto, oppure degni di essere approfonditi, anche perché possono sussistere fatti non rilevabili ad occhio nudo; in questo caso il professionista proporrà al committente, una serie calibrata di indagini finalizzate all interpretazione dei fenomeni in atto, sulla base dell elenco riportato nel seguito;

3 3. La sintomatologia rilevata è tale da destare preoccupazione per rischio di crolli più o meno generalizzati; il professionista proporrà puntellamenti più o meno generalizzati in rapporto alla gravità ed estensione dei fenomeni rilevati, nonché le indagini ulteriori ed i monitoraggi necessari. In casi particolarmente gravi, il professionista dovrà segnalare al Committente la necessità di sgombero del fabbricato. Resta in capo al professionista stesso il dovere/ potere, di segnalare alle Autorità competenti in particolare i Vigili del Fuoco le suddette situazioni di pericolo grave ed incombente, in quanto soggetto dotato dei requisiti di scienza e coscienza, nonché deontologicamente tenuto alla tutela della pubblica incolumità Controlli sul calcestruzzo I controlli più usuali adottati per la verifica delle caratteristiche dei calcestruzzi adoperati nelle strutture esaminate e dei quali il professionista intende accertarne parametri fisici, meccanici e chimici possono essere sintetizzati come in seguito riportato. Ovviamente la tipologia ed il numero di indagini da espletare dipenderanno dalla concreta situazione in atto, trovando un giusto compromesso tra le necessità cognitive e l esborso indispensabile per l esecuzione di un indagine esaustiva. I controlli in questione possono essere classificati, in funzione del luogo dove sono effettuati i rilevi parametrici in due tipologie: in situ, cioè direttamente sulle strutture; in laboratorio specializzato e, ove prescritto dalla Norma, autorizzato; nonché, in rapporto alla tipologia di esecuzione, in: distruttivi, cioè con prelievo di campioni; non distruttivi, leggendo direttamente i parametri sulle apparecchiature in situ Prove sclerometriche Le prove sclerometriche di tipo in situ e non distruttive sono finalizzate ad accertare le caratteristiche meccaniche dei calcestruzzi costituenti le strutture esaminate. Esse vengono condotte applicando lo sclerometro (tipo Schmidt, ecc.) in successive battute sulle facce dei manufatti indagati; il rimbalzo della massa battente fornisce una lettura la quale, opportunamente parametrizzata in funzione dell angolo di applicazione, fornisce un indicazione ovviamente orientativa della resistenza del calcestruzzo. Per individuare il probabile valore di resistenza, occorrono 9 battute ed il risultato finale sarà la media delle battute stesse; trattasi di un metodo molto pratico e veloce, il quale permette di effettuare rilievi, in giornata, di numerose strutture. Occorre, comunque un accorta interpretazione dei risultati, anche perché difetti locali possono influenzare i risultati stessi, come nel caso di presenza di inerti di pezzatura grossolana o di fenomeni di carbonatazione (vedi paragrafo ).

4 116 Si riportano esempi applicativi di prove effettivamente eseguite, nonché i diagrammi di correlazione forniti dalla casa costruttrice dello sclerometro adottato. In particolare dalla tabella riassuntiva delle letture ricavate e dei dati desunti si rileva la buona fattura del c.l.s. impiegato, in quanto le resistenze risultano tutte superiori a 40,0 N/mm 2. La statica degli edifici esistenti: indagini e monitoraggi Fig. 1 - Diagramma di correlazione tra la resistenza alla compressione e l indice di rimbalzo. Si noti la dipendenza dei dati sperimentali dall inclinazione dello strumento rispetto alla superficie esaminata Prove con ultrasuoni Le prove con ultrasuoni di tipo in situ e non distruttive sono finalizzate ad accertare la densità, la omogeneità e la compattezza dei calcestruzzi costituenti le strutture esaminate.

5 Esse sono basate sul principio che una struttura omogenea e compatta trasmette treni di onde elastiche meglio di una struttura disomogenea, fratturata o anelastica. Le indagini vengono condotte applicando due sonde, di cui una sorgente di ultrasuoni, cioè con frequenze superiori a Hz, l altra ricevente posta a distanza determinata e conosciuta L; rilevando il tempo T intercorso dall istante della trasmissione a quello della ricezione del treno di onde, si otterrà la velocità V di propagazione nel mezzo elastico attraverso la nota relazione V = L/T. Gli studi e le rilevazioni effettuate permettono di evidenziare che migliore è la qualità del calcestruzzo più elevata sarà la velocità di trasmissione nel mezzo. L attrezzatura impiegata consiste in uno strumento di facile trasporto e di dimensioni contenute. Le metodiche di prova sono del tipo: a) diretta, applicando le sonde su facce contrapposte della struttura indagata (esempio facce pilastro); b) semidiretta, applicando le sonde su facce contigue di uno spigolo (esempio faccia inferiore e laterale di una trave); c) indiretta, applicando le sonde sulla stessa faccia di un manufatto, rilevando le onde riflesse. Normalmente viene adottata la tabella, riportata in seguito, elaborata in base agli studi di Neville. Trattasi sostanzialmente di una classificazione qualitativa, in quanto parametri numerici debbono essere ricavati da altre tipologie di prove. Si evidenzia che nel caso di velocità comprese tra 3 e 3.5 m/s il Neville propone la classificazione di dubbia qualità ; in tale caso occorrono certamente altre tipologie di indagine poiché è indispensabile accertare l effettiva qualità del calcestruzzo. Il metodo permette anche di evidenziare l esistenza di soluzioni di continuità del tessuto strutturale quali cavità, nidi di ghiaia, fratture interne, difetti di ripresa, ecc. Si deve tener presente, nella valutazione finale dei risultati, che le armature influenzano la velocità di trasmissione, incrementandola da 1.3 fino a circa 1.9 volte. A tal fine, nel caso non siano direttamente visibili segni di presenza d armatura, è opportuna un indagine preliminare mediante pacometro (vedi paragrafo dedicato) onde eseguire le misurazioni in zone il più possibilmente lontane, oppure tenendo presente che i risultati ottenuti vanno depurati dei fattori incrementativi. V (Km/s) Qualità c.l.s. > 4.5 Eccellente Buona Dubbia Mediocre < 2.0 Pessima Fig. 2 - Tabella di correlazione Velocità/Qualità del c.l.s. secondo A.M. Neville. 117

6 118 Il metodo può essere ripetuto nel tempo onde accertare l eventuale accentuarsi di difetti riscontrati o di degrado della qualità del calcestruzzo Prove combinate sclerometro-ultrasuoni (metodo Sonreb) Le prove in questione di tipo in situ e non distruttive nate dalla combinazione dei due metodi di indagine già descritti, sono finalizzate ad accertare le caratteristiche meccaniche dei calcestruzzi costituenti le strutture esaminate, nonché forniscono preziose informazioni sull eventuale presenza di difetti strutturali, disomogeneità dell impasto originario, ecc. Detta correlazione è molto importante poiché permette di correlare la resistenza meccanica misurata in superficie (prova sclerometrica), con la tessitura strutturale in profondità (trasmissione ultrasuoni), coinvolgendo in definitiva l intero corpo della struttura indagata. L unica limitazione nel campo di applicabilità del metodo, è costituita dalla necessità di effettuare le rilevazioni ultrasoniche secondo la modalità di tipo diretto, secondo le indicazioni già fornite nel paragrafo precedente. Esse vengono condotte applicando lo sclerometro (tipo Schmidt, ecc ) in 9 battute successive sulle facce dei manufatti indagati nella zona centrale di applicazione della sonda sorgente; detta zona deve essere corrispondente al punto intermedio di tre misurazioni ultrasoniche effettuate linearmente sulla faccia medesima. La necessità di tre misurazioni discende dall esigenza di depurare i risultati ottenuti da eventuali errori locali; i parametri di trasmissione valutati vengono ottenuti mediando i risultati delle tre misurazioni ultrasoniche. Si riportano, a titolo esemplificativo, risultati sperimentali ottenuti in indagini effettuate sul campo e l elaborazione finale basata sulla nota formula: R C (N/mm 2 ) = X X Im 1.4 X V 2.6 La statica degli edifici esistenti: indagini e monitoraggi In cui Im è l indice di rimbalzo sclerometrico e V è la velocità ultrasonica misurata. Fig. 3 - Tabella dei valori di correlazione tra indice di rimbalzo e velocità ultrasonica misurata in sito. Il valore finale della resistenza denota per tutti i punti misurati un ottima fattura del c.l.s.

7 Carotaggi 119 Le prove in oggetto sono di tipo in situ e distruttive. Esse sono finalizzate a ottenere campioni di c.l.s. da sottoporre in laboratorio alle prove di tipo meccanico, fisico e chimico ritenute indispensabili. I carotaggi si effettuano estraendo dal corpo della struttura un campione detto carota da avviare al laboratorio, con le cautele del caso onde non alterarne lo stato. L attrezzatura impiegata consiste in una carotatrice elettromeccanica, con carotieri di vari diametri; essa è di dimensioni contenute e può essere facilmente trasportata. Il diametro da estrarre e la conseguente lunghezza del campione, pari almeno a 2 volte il diametro stesso, sarà un giusto compromesso tra la maggiore congruenza tra risultati sperimentali e parametri del manufatto, dipendente dal volume del campione e la necessità di prelevare quantità di materiale che non alteri il comportamento statico della struttura stessa. Usualmente si adottano diametri massimi di φ = 100 mm. È necessario, preliminarmente, appurare la presenza di armature anche con strisciate pacometriche (vedi paragrafo ) onde evitare di tranciare qualche barra presente. Dopo il prelievo i fori vengono suggellati con malte di tipo espansivo. Fig. 4 - Carotaggi effettuati su un solaio di copertura Prove di laboratorio di tipo meccanico Esse sono condotte sui campioni prelevati mediante carotaggio oppure su campioni massivi, opportunamente squadrati in laboratorio, provenienti da demolizioni anche parziali di strutture da indagare.

8 120 Le prove sono finalizzate a ottenere la misurazione diretta dei parametri che il tecnico ritenga indispensabile ai fini della conoscenza dello stato della struttura. I parametri più usuali da rilevare sono: la resistenza a rottura a compressione e a trazione, ma possono essere sperimentalmente indagati anche altri parametri quali resistenza a flessione, al taglio, alla torsione, modulo di elasticità E, ecc. Le prove, eseguite con idonea attrezzatura certificata mediante controlli e tarature periodiche, devono essere effettuate in laboratori ufficiali, debitamente autorizzati dal Ministero delle Infrastrutture, per avere valenza riconosciuta, quali collaudi, consulenze in ambito giudiziario, ecc. A parere di chi scrive, ciò vale anche in ambito dei controlli proposti, se necessari, dal professionista in merito alla redazione del Fascicolo del Fabbricato. Ovviamente anche buoni laboratori specializzati multidisciplinari possono fornire utili indicazioni nel corso di monitoraggi, quando sussistano motivi d urgenza. Si riporta un certificato tipo con i risultati delle analisi (vedi fig. 5) condotte su campioni prelevati su strutture di un edificio esistente. Risulta evidente per i pilastri carotati una grave insufficienza dei valori a rottura, largamente al di sotto dei limiti indicati dalle norme. La statica degli edifici esistenti: indagini e monitoraggi

9 121 Fig. 5 - Certificato di prova di laboratorio tipo (Fonte: ISTEDIL s.p.a.)

10 La statica degli edifici esistenti: indagini e monitoraggi Prove di laboratorio di tipo fisico Le prove di laboratorio di tipo fisico sono condotte su campioni prelevati mediante carotaggio oppure su campioni massivi e consentono di avere informazioni in merito a: peso specifico; parametri di imbibizione; porosità; studio di gelività. I primi tre parametri possono risultare utili quando si nutrono perplessità sulla fattura del c.l.s. (sono state già effettuate indagini in particolari condizioni di giacitura delle membrature portanti). Tipico esempio è quello di strutture fondazionali o controterra che presentano una porosità troppo elevata, tanto da permettere non solo risalita di acqua per capillarità, ma anche di sali disciolti nella stessa acqua dannosi per la durata dei manufatti. L ultima prova elencata (lo studio di gelività), invece, può fornire preziose informazioni anche sulla previsione del degrado delle capacità portanti di calcestruzzo esposti a ripetuti cicli di gelo-disgelo, soprattutto se correlata alla descritta indagine sulla porosità. Nell ambito delle norme sia A.S.T.M. che U.N.I. sono state proposte metodiche di indagini finalizzate a studiare il comportamento gelivo suddetto. Studi sperimentali hanno dimostrato che il modulo di elasticità diminuisce in funzione del numero di cicli gelo-disgelo. Con questo studio si può individuare il manifestarsi di danni anche prima che sia raggiunto il valore di soglia tipico del calcestruzzo impiegato. Convenzionalmente si effettuano 300 cicli gelo-disgelo, oppure si arresta la prova quando il modulo elastico diminuisce fino al 60% del suo valore originario, oppure ancora quando la perdita di massa ha raggiunto il 3%. In effetti gli studi in questione sono preziosi anche per valutare la durabilità del calcestruzzo. All organizzazione internazionale A.S.T.M. è stata proposta la seguente espressione: F = (N x E/E 0 )/ 300 Dove: F = fattore di durabilità N = numero di cicli alla fine della prova E = modulo elastico misurato E 0 = modulo elastico originario Prove di laboratorio di tipo chimico Di norma il ventaglio delle prove di laboratorio di tipo chimico si presenta assai ampio soprattutto perché permette di approfondire la conoscenza dei materiali base (leganti, inerti, acqua di impasto) nella fase di getto delle strutture.

11 Quando, invece, il professionista deve studiare strutture in essere, il suddetto ventaglio è più limitato. Le prove infatti, sempre condotte su campioni prelevati mediante carotaggio oppure su campioni massivi, sono finalizzate a ottenere dati in ordine a: determinazione del contenuto di cemento; determinazione di permeabilità allo ione cloruro; determinazione di permeabilità allo ione solfato. Le prove descritte quando non si voglia determinare i componenti del composto con procedure più sofisticate di analisi quali-quantitative permettono di individuare rispettivamente il contenuto in cemento (es. metodo Florentin), la presenza di cloruri molto dannosi per la curabilità del c.l.s. in ambiente esposto quale quello marino, la suscettività del composto a degradarsi per effetto di attacco solfatico causato dal solfato di sodio disciolto in acque inquinate (acque di fogna) o presente nell inquinamento atmosferico. In casi di strutture particolarmente interessate da incendi, è opportuno, ove si voglia lasciare in situ parte delle stesse, procedere ad una correlazione fisico-chimica tra campioni prelevati da strutture evidentemente degradate dal fuoco e campioni prelevati dalle parti ritenute ancora utili. Le analisi di tipo correlativo consistono in: analisi minero-petrografica e strutturale in sezione sottile; analisi minero-cristallografica per diffrazione ai raggi X, da eseguire sulle polveri; porosimetria mediante uso di porosimetro a mercurio; analisi termogravimetrica e termodifferenziale. Per una più approfondita disamina di problematiche specifiche si rimanda a testi specialistici Prove di carbonatazione Nel primo capitolo si è già trattato diffusamente del fenomeno della carbonatazione, particolarmente insidioso per la conservazione delle armature metalliche. Il fenomeno è particolarmente aggravato dalla concentrazione di CO 2 nell atmosfera, quindi in ambiente urbano inquinato. La velocità del processo è particolarmente accelerata dalla concentrazione di CO 2, dall umidità, dalla porosità e dallo stato delle superfici dei manufatti. Le prove di carbonatazione possono essere effettuate sia in sito che in laboratorio e sono finalizzate a riconoscere se i calcestruzzi sono interessati da fenomeni di alterazione, nonché gli spessori degli strati alterati. In sito si procede applicando sulle superfici scalfite della fenoftaleina o, anche, idrossido di manganese. Nel caso della fenoftaleina, sostanza più comune, la superficie trattata si presenterà con una colorazione rosa-violaceo in assenza di carbonatazione, viceversa non si presenterà nessuna alterazione (viraggio nullo) in caso di alterazione in atto. Si ricordi che la colorazione tende a scomparire con il tempo.