UNIVERSITA DEGLI STUDI DI MESSINA TECNICHE DI ANALISI DEI DATI DI EMISSIONE ACUSTICA PER LA VALUTAZIONE DEL DANNO IN STRUTTURE IN CALCESTRUZZO ARMATO

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI MESSINA FACOLTA DI SCIENZE MM.FF.NN. CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN GEOFISICA TECNICHE DI ANALISI DEI DATI DI EMISSIONE ACUSTICA PER LA VALUTAZIONE DEL DANNO IN STRUTTURE IN CALCESTRUZZO ARMATO TESI DI LAUREA CANDIDATO: Dott. Gianpaolo Garilli RELATORE: Chiar.mo Prof. Antonio Teramo CORRELATORE: Chiar.mo Prof. Edoardo Proverbio ANNO ACCADEMICO Università degli Studi di Messina 1

2 INTRODUZIONE Fra le procedure di diagnostica strutturale non invasiva che, per la complessità delle problematiche correlate, hanno una notevole rilevanza nell identificazione di danni e difetti nei materiali da costruzione, in funzione delle definizioni degli interventi di adeguamento sismico di edifici in c.a., sono da evidenziare quelle che utilizzano l emissività acustica dei materiali soggetti a stress. Lo studio delle emissioni acustiche (EA) consente, infatti, di individuare lesioni prodotte dalla concentrazione di stati tensionali su materiali metallici o lapidei e di valutarne l evoluzione. L innesco e la propagazione delle lesioni determina l'emissione di onde elastiche, che si propagano nel materiale e possono essere rilevate da un trasduttore di tipo piezoelettrico (risonante o a banda larga) applicato sulla superficie dell'elemento strutturale. Tale trasduttore è caratterizzato da sensibilità, frequenza di monitoraggio khz (variabile a seconda del tipo di materiale, khz per il calcestruzzo, khz per l acciaio) nonché da un sistema di amplificazione del segnale (ubicato in posizione molto prossima al trasduttore), con un guadagno (gain) espresso in db (di norma, 40 db). Sono sorgenti di emissione acustica i differenti meccanismi di deformazione e frattura di materiali sottoposti a stress; nei metalli sono associate al movimento delle dislocazioni che accompagna qualsiasi deformazione 4

3 plastica nonché all innesco ed alla propagazione di microcricche o cricche in una struttura soggetta a sollecitazione meccanica, termica ecc.; nei materiali compositi sono associate alla frattura della matrice o del rinforzo [16]. Altre sorgenti di EA sono la fusione e la solidificazione, le trasformazioni di fase, gli stress termici, le rotture in raffreddamento (es. cricche di tempra) e i fenomeni di corrosione. Talvolta, tali sorgenti sono chiamate sorgenti secondarie, per distinguerle da quelle primarie riconducibili a deformazioni plastiche di materiali soggetti a sforzo. Lo studio delle emissioni acustiche consente, inoltre, di rilevare con tempestività cricche, corrosioni, incrinature e deformazioni, anche a livello microscopico, individuando, contestualmente, tipologia e ubicazione della sorgente. 5

4 CAPITOLO 1 IL METODO DELL EMISSIONE ACUSTICA 1.1 Stato dell arte In questi ultimi anni l utilizzo della tecnica delle emissioni acustiche, come metodo d indagine non distruttiva, ha assunto sempre maggiore diffusione in differenti settori applicativi, in relazione all affidabilità dei risultati e alla notevole economia di costi e tempi di esecuzione. Con la tecnica delle EA è possibile monitorare, infatti, a differente scala, l'evoluzione del danneggiamento, anche se le fessure non sono visibili o sono molto irradiate sulla superficie dell'elemento strutturale, con trasduttori in grado di rilevare difetti o anomalie sino a un raggio di 10 m dall ubicazione della sorgente. Le onde elastiche generate durante il processo di frattura si trasmettono, infatti, con bassa attenuazione nei materiali compatti come acciaio, calcestruzzo, purché non siano smorzate da vuoti. Uno dei settori di maggiore impiego dello studio delle emissioni acustiche è il monitoraggio dello stato di usura di macchine utensili impiegate nelle lavorazioni meccaniche (TCM - Tool Condition Monitoring) [30]. Lo studio delle EA è anche un ottimo strumento nel rilevamento di cricche in tubi di impianti di combustibili fossili, per acquisire indicazioni sulla vita media residua del piping analizzato. Cricche dell ordine dei µm e cricche dovute a fenomeni di creep in corrispondenza di saldature sono rilevate tramite EA e confermate da 6

5 tecniche ad ultrasuoni. Altre possibili applicazioni della tecnica di EA sono effettuate su serbatoi utilizzati per il trasporto di gas, o su quelli di grandi dimensioni utilizzati per lo stoccaggio di fluidi. 1.2 Metodi diagnostici attivi e passivi La tecnica dell emissione acustica (EA) ha applicazioni nella valutazione dello stato di deterioramento di un mezzo solido. La rottura dei legami nei solidi cristallini, caratterizzati da una distribuzione atomica regolare, determina infatti, per effetto di stress ripetuti in regime anelastico, il degrado delle caratteristiche meccaniche del materiale con contestuale produzione di emissioni acustiche, che vengono correlate sia all entità delle sollecitazioni indotte che all evoluzione del quadro fessurativo rilevato. I procedimenti utilizzati sono distinti in metodi passivi ed attivi; quelli passivi consentono di identificare eventuali criticità in relazione all aumento delle emissioni acustiche a bassa frequenza; con quelli attivi vengono identificate eventuali discontinuità mediante la determinazione degli incrementi dei tempi di volo dei fronti d onda tra sorgente e trasduttore di ricezione. 7

6 1.3 Effetto Kaiser ed effetto Felicity L effetto Kaiser è una conseguenza dell irreversibilità del fenomeno dell emissione acustica, secondo la quale, un materiale sottoposto a cicli di carico produce EA solo dopo aver superato il livello del carico massimo già applicato. Dalla misurazione dell attività acustica rilevata per effetto di un determinato carico Q, è possibile risalire al valore di Q indipendentemente dalla durata e dall entità del carico applicato nei cicli precedenti. L effetto Kaiser dipende dalla tipologia del materiale e non viene rilevato per alcune leghe dopo un periodo prolungato di mancata applicazione di cicli di carico [16]. In particolare, in alcuni materiali compositi, si rileva l effetto Felicity (Felicity Effect) che caratterizza l emissione acustica in cicli successivi per valori di carico più basso rispetto a quello dei cicli precedenti. L effetto Felicity (Felicity ratio), indicativo del danneggiamento interno proprio del materiale composito, è definito come il rapporto tra il carico per il quale si osserva emissione acustica nella fase di ricarico, e il carico massimo precedentemente applicato: F = L L 0 dove L è il nuovo valore del carico ed L0 è il carico massimo precedentemente applicato. 8