Controlli dei livelli di efficienza degli edifici in c.a. mediante il monitoraggio strutturale. M. Condino*, F. Morrone**, G.Porco**, D.

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1 Conferenza Nazionale sulle Prove non Distruttive - Monitoraggio Diagnostica, Milano 2005 Controlli dei livelli di efficienza degli edifici in c.a. mediante il monitoraggio strutturale. M. Condino*, F. Morrone**, G.Porco**, D.Romano** * Sismlab s.r.l., spin-off Università della Calabria, Rende (cs) **Dipartimento di Strutture, Università della Calabria, Arcavacata di Rende (CS), Italy Sommario La valutazione dei livelli d efficienza degli edifici in c.a., è oggi una delle problematiche che con maggiore frequenza interessa i tecnici dell ingegneria civile. La verifica dello stato d affidabilità statica riguarda non solo edifici con un buon numero di anni di servizio, ma anche immobili di recente costruzione. Inoltre è sempre più evidente la necessità di dotare le nuove strutture, di piani manutentivi, di strumenti residenti per eseguire test in tempo reale e predisporre aree d ispezione, il tutto affinchè, nel corso della loro vita utile sia possibile effettuare, in modo non invasivo e programmato, un controllo finalizzato alla verifica del corretto funzionamento statico dell opera. Con il presente lavoro si vuole fornire un contributo, attraverso l identificazione di tecniche sperimentali e la predisposizione di piani di controllo, alla verifica programmata dell efficienza statica degli edifici di nuova costruzione in calcestruzzo armato. In particolare saranno illustrate tecniche sperimentali, finalizzate alla misura degli stati tensionali in opera ed al controllo dell efficienza e della conservazione dei materiali, il tutto secondo un programma di controlli da effettuare nel corso della vita di esercizio della struttura. Introduzione Oggi il quadro normativo e legislativo relativo alla materia lavori pubblici, evidenzia come la manutenzione degli immobili stia assumendo una particolare rilevanza economica ed organizzativa [1],[2],[3],[4], [5],[6]. L obbligo di redazione del Piano di manutenzione per le opere pubbliche costituisce una novità di rilievo soprattutto sotto il profilo culturale, visto che sino ad ora la manutenzione aveva interessato in particolar modo il settore industriale nel quale, è sempre stata presente una predisposizione al controllo durante l esercizio, ed una progettazione improntata alla prevenzione del danno e quindi ad una programmazione degli interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria. Ben diverso è il quadro che presenta il settore civile dove la programmazione della manutenzione e del controllo, finalizzata alla verifica di efficienza statica, è sempre stata disattesa. Infatti oggi, gran parte del patrimonio edilizio pubblico e privato, versa in uno stato di approssimativa conservazione, manifestando diverse condizioni di inidoneità statica, conseguenti alla drastica riduzione dei coefficienti di sicurezza. I recenti casi di dissesti edilizi registrati sul territorio nazionale, hanno infatti messo in luce la necessità di un controllo migliore delle strutture, sia in fase di esecuzione che nel tempo e di prevedere, per le opere di nuova realizzazione, una serie di azioni da attivare già in fase di

2 progettazione, che consentano in modo non invasivo di poter verificare, nel corso della vita utile, il livello di efficienza ed il mantenimento dei livelli di sicurezza previsti in fase di progettazione. La materia è quindi vasta e complessa ma oggi le soluzioni innovative non mancano. Le nuove tecnologie basate su metodologie non invasive (identificazione dinamica, sensori a fibre ottiche, apparecchi di controllo miniaturizzati, verifiche NDT per i materiali) offrono soluzioni in grado di fornire un quadro completo e preciso sullo stato delle strutture e sulla stabilità temporale dei materiali a costi contenuti [7],[8] e [9]. La possibilità offerta della legislazione vigente, circa le prescrizioni in materia di redazione dei piani di manutenzione, unitamente alla disponibilità di tecniche innovative per il controllo in tempo reale delle strutture, potrebbe fornire, con una opportuna programmazione delle verifiche periodiche, un potente strumento di prevenzione e di mantenimento in perfetta efficienza, delle strutture in c.a. Il presente lavoro ha lo scopo di proporre un Piano di Azioni basato sul controllo periodico dell efficienza strutturale con metodi di prova non distruttivi da applicare ai materiali (controllo da effettuare in zone d ispezione appositamente predisposte) ed il monitoraggio strutturale con sensori innovativi residenti sulla struttura, sin dalle fasi di costruzione (controllo della struttura). Tale sistema combinato, costituisce il modo più semplice ma soprattutto più efficace, per predisporre un protocollo procedurale di controllo nel tempo della struttura e dei materiali. Pertanto, potrà essere utilmente inserito nel Piano di manutenzione dell opera in modo da disciplinare tutti i controlli finalizzati alla verifica di affidabilità statica che fino ad oggi sono sempre stati disattesi Il controllo dell efficienza statica degli edifici: monitoraggio e indagini sui materiali. Con l espressione monitoraggio si intende un complesso di operazioni volte a raccogliere in modo manuale e/o automatico dati relativi ad opportuni parametri strutturali, che poi vengono elaborati per ottenere il quadro sul comportamento della struttura. Per comprendere come e quanto il monitoraggio strutturale può intervenire nel processo diagnostico/manutentivo, è utile elencare nei suoi termini più generali l articolazione teorica di un processo di monitoraggio di tipo evoluto immaginato residente sull opera da controllare e inserito all interno di un programma avanzato di manutenzione di una struttura. Il processo si compone essenzialmente di alcune fasi tipiche: la misurazione dello stato deformativi e/o dei campi di spostamento; la trasmissione del dato rilevato nella sede di lettura ed elaborazione; 1 interpretazione del dato numerico come indicatore dello stato di efficienza; Questa sequenza, se intesa in prospettiva come azione routinaria nei confronti del processo di decadimento nel tempo dei livelli qualitativi degli elementi strutturali, apre la strada verso 1 innovazione del tradizionale fare manutenzione da una prassi per lo più collocata a valle dei processi di degrado come controllo sull edificio, ad un intervento diagnostico che tende sempre più a caratterizzarsi come momento preventivo nella gestione della qualità dell edificio nel tempo. E possibile riconoscere due diverse tipologie di monitoraggio, il monitoraggio ad evento ed il monitoraggio continuato. Il monitoraggio continuato viene svolto attraverso la lettura costante nel tempo dei dati raccolti dalle diverse strumentazioni installate sulle strutture da controllare e si rivela fondamentale per una valutazione, in tempo reale

3 circa l integrità, affidabilità e durabilità della struttura. Il monitoraggio ad evento, si distingue dal primo, perché si attua solamente per il tempo limitato e comunque utile, ad eseguire le prove richieste. Purtroppo, allo stato attuale le strutture vengono progettate ancora in maniera tradizionale ed i sistemi di monitoraggio continui e sistematici vengono impiegati solamente su strutture uniche, quali sistemi infrastrutturali complessi o dighe, comunque strutture soggette ad azioni antropiche ed ambientali estremamente gravose. La possibilità oggi di utilizzare il monitoraggio strutturale come strumento di controllo della efficienza statica durante la vita utile della struttura, è un evento possibile, sia perché i costi per la realizzazione di sistemi residenti diventano via via più accessibili sia perché le ultime modifiche in tema di disposizioni legislative (art. 40 DPR 554/99 per le Opere Pubbliche e Ordinanza 3274/2003 per le Strutture in Zona Sismica) hanno prodotto un notevole impulso in tema di manutenzione e adeguamento delle strutture. Un monitoraggio regolare, continuo di una struttura può incrementare la conoscenza del suo comportamento reale (riducendo le incertezze sui materiali, sulle azioni e di conseguenza aiutando la progettazione di strutture future più economiche e sicure) e consentire verifiche in tempi ravvicinati, attraverso le quali è possibile stabilire se la struttura ha ancora i requisiti di progetto e se le diverse membrature presentano gli stessi stati di sollecitazione rilevati all epoca dell entrata in servizio dell opera. Se il monitoraggio consente di sapere con certezza la presenza di eventuali anomalie sulla struttura (indagine globale che indica la presenza della caduta prestazionale), i metodi di prova non distruttivi consentono di effettuare particolari controlli, in prossimità di zone d ispezione preventivamente scelte, in grado di individuare le eventuali forme di degrado in atto, le loro cause, l estensione del danno subito dalla struttura e la sua evoluzione futura (indagine locale per indagare sulle cause che hanno indotto una caduta prestazionale). In particolare sulle strutture in c.a. l uso delle tecniche NDT è oramai estremamente attuale ed affidabile. Infatti, è possibile disporre di metodologie che tramite comparazione, su tempi diversi, consentano di valutare eventuali decadimenti delle proprietà del materiale e quindi intervenire in tempo utile prima che i livelli di sicurezza arrivino al di sotto dei limiti di progetto. La tecnica, che può essere utilizzata come metodologia di controllo dei materiali in opera con i requisiti di ridotta invasività e ripetitibilità negli stessi punti, prefigurando a regime una valutazione comparativa è quella ad ultrasuoni [10], [11]. L articolazione del controllo ultrasonoro sugli elementi resistenti di una costruzione è abbastanza agevole. È necessario eseguire, già in fase di realizzazione, delle misure sulle membrature che saranno successivamente oggetto di controllo periodico, in modo da correlare le velocità di transito ottenute con i parametri a rottura ricavati sui cubi prelevati durante le fasi realizzative. Le curve di correlazione ricavate all origine, costituiranno successivamente, il valore di riferimento per eseguire, nel corso degli anni la verifica di affidabilità dei materiali. Da quanto su esposto, appare chiaro che la proposta contenuta nella presente nota è basata sulle seguenti operazioni di controllo: 1. Verifica degli stati di sollecitazione in opera mediante sistemi residenti; 2. Controllo della stabilità nel tempo dei calcestruzzi mediante metodologia ultrasonora;

4 Prima di illustrare la proposta operativa di controllo eseguita su un edificio di nuova costruzione, è necessario riportare alcune informazioni di carattere generale sui sistemi di monitoraggio a fibra ottica. Per quanto attiene agli approfondimenti sulla metodologia di controllo sui materiali si rimanda alla cospicua bibliografia di riferimento Sistemi a fibra ottica residenti per il monitoraggio strutturale Tra i sistemi di controllo degli spostamenti in remoto, con la possibilità di essere residente in opera, assume particolare rilievo la metodologia a fibra ottica. Noto come Optical Fibre Strain Monitoring System (Sistema di monitoraggio della tensione a fibre ottiche), o semplicemente Smart Fibre System (Sistema di fibre intelligenti), il dispositivo è costituito da un insieme ordinato di fibre ottiche annegabili nelle strutture di calcestruzzo (ponti o edifici). L Optical Fibre Strain Sensor System raccoglie ed elabora i dati fornendo informazioni immediate sulle condizioni della struttura esaminata, oppure consentendo un monitoraggio a lungo termine della sua sicurezza strutturale. Il corretto impiego di tali tecniche, che vanno sotto il nome di damage detection e health monitoring, può portare benefici notevoli in termini sia di prevenzione dei rischi connessi a lesioni e/o crolli delle strutture, nonché in termini di controllo continuo della efficienza statica. I sistemi di misura mediante sensori di deformazione a fibre ottiche si adattano a molteplici applicazioni e possono dare informazioni utili sia durante le fasi di costruzione sia a lungo termine. I fattori che hanno prodotto la loro rapida diffusione sono da ricercare nelle loro piccole dimensioni ( l ordine di grandezza si assesta sui micron ), la bassa attenuazione del segnale ottenuta grazie alla tecnologia di fabbricazione, l immunità ai campi elettromagnetici e radio frequenze ( EM RF ), la possibilità di un collegamento remoto, l elevata precisione, l alta risoluzione, circa 1 µε. Un altra interessante particolarità dei sensori risiede nella possibilità di installazione direttamente nel calcestruzzo, nelle iniezioni di malta, nei cementi, nei calcestruzzi spruzzati. Questo consente, da quanto già detto, la misura delle deformazioni subito dopo il getto e in seguito a lungo termine. Per ottenere un sistema di monitoraggio permanente che dia le misurazioni in tempo reale, è necessario disporre dei seguenti elementi (Fig.1): Sensori I sensori vengono installati sulla struttura e servono per rilevare il fenomeno fisico. Centralina acquisizione dati I dati rilevati dai sensori vengono inviati a centraline periferiche che hanno il compito di amplificare i segnali al fine di evitare disturbi dovuti alla trasmissione a distanza di segnali molto deboli. Unità centrale L unità centrale serve per la raccolta, il controllo e la lavorazione dei dati.

5 Figura 1 - Componenti e funzionamento del sistema SOFO statico Con l ausilio di un sistema di controllo statico ed una strumentazione ad ultrasuoni è stata progettata e resa operativa una proposta di un piano di manutenzione su un edificio in c.a Proposta di un Piano di Manutenzione per un fabbricato per civile abitazione L edificio oggetto di studio è costituito da un piano seminterrato, un piano terra, due piani in elevazione e la relativa copertura. L altezza dell immobile è di circa 14m, con una estensione in pianta di 500mq. La proposta della predisposizione di un Piano di manutenzione si sviluppa attraverso l uso di un sistema tecnologico composto da: un monitoraggio permanente per mezzo di sensori a fibre ottiche e di controlli non distruttivi di tipo ultrasonoro da effettuare periodicamente su elementi in c.a. opportunamente predisposti. L obiettivo è dunque, quello di controllare il regime di sollecitazione presente in alcune membrature al momento dell entrata in servizio della struttura e di utilizzare queste misure come termini comparativi. Inoltre, la valutazione di opportune curve di correlazione, attraverso misure di velocità e valori di resistenza a rottura sui cubi prelevati, rappresentano il termine di confronto per la verifica del livello di conservazione dei calcestruzzi in opera Sistema di monitoraggio permanente per il controllo strutturale La collocazione dei sensori di deformazione statici è stata accuratamente studiata al fine di individuare punti critici della struttura in grado di essere rappresentativi della condizione prestazionale di tutti gli elementi che la compongono. La tipologia utilizzata è quella semplice per le travi e quella parallela per i pilastri allo scopo del controllo delle sollecitazioni flettenti per le prime, e della sollecitazione composta per i secondi (Fig.2,3). Per ogni elemento strutturale è stato previsto un box locale (di cui tener debitamente conto nella fase di costruzione dell opera) che ha la funzione di ospitare la coda di ogni sensore e permettere la connessione di opportune prolunghe allo scopo di poter raggiungere i box intermedi di piano.

6 Questi ultimi svolgono la stessa funzione dei box locali permettendo di raggiungere il box di lettura centrale che, posto al piano terra, facilità le operazioni di acquisizione dati per mezzo della centralina SOFO statica. Figura 2 Pianta fondazioni - ubicazione sensori Figura 3 Predisposizione sensori sugli elementi resistenti

7 3.2. Le zone d ispezione per il controllo dei materiali Per quanto riguarda le indagini non distruttive, il progetto conferisce alla struttura in oggetto la massima manutentibilità dei suoi elementi componenti attraverso la predisposizione di opportune zone di controllo (Fig.4) (superfici di prova degli elementi prive di intonaco allo scopo di facilitare le operazioni diagnostiche) (Fig.5). Figura 4 Predisposizione zone di ispezione Figura 5 Ubicazione aree di ispezione

8 A tal proposito sono stati dotati di spazi utili, alla esecuzione delle prove ultrasonore periodiche, alcune delle travi e dei pilastri. Allo scopo di evitare un forte impatto architettonico delle zone d ispezione (si pensi ad esempio alle cassette per gli impianti elettrici), tenendo anche presente il loro numero elevato, si è pensato di utilizzare delle lastre di cartongesso che riducono praticamente a zero il problema e inoltre consentono di avere superfici di prova per tutta l estensione della superficie dell elemento da investigare. Nelle aree di ispezione, opportunamente collocate verranno eseguite, al termine della costruzione, le indagini ultrasonore che costituiranno le misurazioni zero in opera. Con tali valori, sarà possibile in seguito effettuare i controlli comparativi sui materiali e verificare eventuali variazioni in termini di rigidezza e di resistenza, utilizzando le misure di correlazione ricavate in fase di realizzazione dell opera Programmazione dei controlli Per quanto riguarda la programmazione dei controlli strutturali possono essere diverse le frequenze; esse dipendono dalla importanza della struttura, dalle condizioni del sito ove essa è ubicata e dalla possibilità di resistere accidentalmente alle modifiche del regime di sollecitazione rispetto allo standard della vita utile. In linea generale possono essere adottati, a secondo la situazione, tre valori di frequenze dei controlli: - bassa (2 3 anni); - media (1 2 anni); - alta (6 12 mesi ). Per l edificio oggetto di studio, visto la destinazione d uso dell immobile (civile abitazione), è stata scelta la frequenza bassa di controllo. Tale frequenza di controllo potrà comunque essere variata in occasione di eventi, quali sisma o modifiche delle condizioni al contorno in modo da verificare tempestivamente l eventuale presenza di sollecitazioni diverse da quelle previste in fase di progetto. Conclusioni La disponibilità oggi di tecnologie di controllo a bassa invasività e con costi accettabili, sia per le verifiche strutturali che di analisi dei materiali, consente di avviare opportune procedure di diagnosi per la verifica, durante il corso della vita utile, degli edifici in c.a.. Tale opportunità, basata su sistemi di monitoraggio residenti e tecniche NDT, ormai di corrente uso sui materiali, è uno strumento per avviare definitivamente, anche nel campo civile, la cultura della manutenzione programmata. Da quanto esposto nelle sezioni precedenti, la metodologia, di tipo comparativo, si estrinseca attraverso misure di sollecitazioni in opera e verifiche di affidabilità dei materiali basate sulle misure ultrasuonore. Tali controlli da eseguire periodicamente, in funzione alle caratteristiche intrinseche ed alla importanza dell opera, permettono di rendere operativo ed in maniera efficace, il piano di manutenzione. Inoltre, forniranno un continuo aggiornamento sullo stato di salute delle strutture anticipando, eventualmente, i tempi per la predisposizione, ove necessario, degli interventi ordinari e straordinari di manutenzione.

9 Bibliografia 1. UNI 10224: 1993 Principi fondamentali della funzione manutenzione. 2. UNI 10366: 1994 Criteri di progettazione della manutenzione. 3. UNI FA1 95 : 1995 Classificazione dei servizi manutentivi. 4. UNI 10584: 1997 Sistema informativo di manutenzione. 5. UNI 10874: 2000 Manutenzione dei patrimoni immobiliari Criteri di stesura e struttura dei manuali d uso e di manutenzione. 6. UNI 10951: 2001 Sistemi informativi per la gestione della manutenzione dei patrimoni immobiliari. Linee guida. 7. Indicators for inspection and maintenance planning of concrete structures, M.H. Faber, (Swiss Federal Institute of Technology, Z & u rich, Switzerland), J.D Sorensen (Department of Building Technology, University of Aalborg, Sohngaardsholmsvej, Aalborg, Denmark). 8. Sensor systems for use in reinforced concrete structures, W. John McCarter (School of the Built Environment, Heriot Watt University, Edinburgh, EH14 4AS, Scotland, UK) Oystein Vennesland (Department of Structural Engineering, Norwegian University of Science and Technology, N 7491 Trondheim, Norway). 9. Two probabilistic life cycle maintenance models for deteriorating civil infrastructures Jan M. van Noortwijk (HKV Consultants, P.O. Box 2120, NL-8203 AC Lelystad, The Netherlands and Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science, Delft University of Technology, P.O. Box 5031, NL-2600 GA Delft, The Netherlands) Dan M. Frangopol (Department of Civil, Environmental, and Architectural Engineering, University of Colorado, Boulder, CO , USA). 10. Caiaro R., De Paola S., Porco G. Indagini non distruttive per il controllo dei calcestruzzi di media e alta resistenza. Conferenza Nazionale sulle Prove non Distruttive Monitoraggio Diagnostica. 10 Congresso Nazionale AIPnD, 2-4 Aprile 2003 Ravenna. 11. G. Menditto, S. Bufarini, V. D Aria, M. Massaccesi, G. Porco, Nuove curve di correlazione per il controllo dell affidabilità dei calcestruzzi mediante indice di rimbalzo e velocità ultrasonora, AICAP: 23 Convegno Nazionale: Migliorare le costruzioni di calcestruzzo strutturale:l esistente e il nuovo, Verona Maggio 2004.

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