VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA DELLE BARRE DI ARMATURA DI ELEMENTI STRUTTURALI MEDIANTE PROVA NON DISTRUTTIVA DI DUREZZA IN SITO

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1 VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA DELLE BARRE DI ARMATURA DI ELEMENTI STRUTTURALI MEDIANTE PROVA NON DISTRUTTIVA DI DUREZZA IN SITO P. Cavallo 1, M. Vitti 1, U. Calò 1, L. Tricarico 2 1 LandNet snc - via F.Caracciolo, OSTUNI (BR) - tel 0831/ m.vitti@landnet.info; p.cavallo@landnet.info 2 Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management - Politecnico di Bari ; V.le Japigia 182, BARI ; tel 080/ ; tricarico@poliba.it Keywords: durezza, Leeb, barre di armatura, trazione, conversione, prove in sito, diagnostica SOMMARIO Nel campo della diagnostica delle strutture, un problema è da sempre rappresentato dalla valutazione delle caratteristiche meccaniche delle barre di armatura degli elementi strutturali esistenti in calcestruzzo armato. Acquisire contezza della resistenza a trazione di tali elementi è fondamentale al fine di progettare gli interventi necessari per le strutture esistenti. Il presente lavoro propone una soluzione al problema, non distruttiva, a basso costo, applicabile in sito. L opportunità giunge dall ambito industriale, nel quale la valutazione della resistenza a trazione di manufatti metallici è raggiunta in maniera indiretta mediante l utilizzo di durometri portatili digitali. Tali strumenti performano una prova di durezza eseguibile direttamente sul sito di produzione o di esercizio, senza causare danno al manufatto. Nel presente lavoro si evince la possibilità di compiere tale prova di durezza secondo il metodo Leeb, regolato dalla normativa ASTM A956, sulle barre di armatura inglobate nel getto di calcestruzzo. Il risultato di tale prova di durezza può essere espresso nella scala di durezza Vickers e infine essere convertito in un valore di resistenza a trazione mediante l UNI EN ISO 18265, valore che costituisce risultato finale della prova. Necessità di una PND in sito per le barre di armatura in elementi strutturali in c.a. Il D.M. 14 gennaio 2008, al Capitolo 8 tratta del problema delle Costruzioni esistenti, che rappresenta uno dei temi più delicati in Ingegneria Strutturale, specialmente in Italia. Gli edifici esistenti si distinguono da quelli di nuova progettazione in termini di difetti nella realizzazione, per conoscenze legate a esperienze e norme pregresse, per situazioni di degrado. Nella definizione dei modelli strutturali si dovrà tenere conto che: - la geometria e i dettagli costruttivi sono definiti e la loro conoscenza dipende solo dalla documentazione disponibile e dal livello di approfondimento delle indagini conoscitive; - la conoscenza delle proprietà meccaniche dei materiali non risente delle incertezze legate alla produzione e posa in opera ma solo della omogeneità dei materiali stessi all interno della costruzione, del livello di approfondimento delle indagini conoscitive e dell affidabilità delle stesse;

2 - i carichi permanenti sono definiti e la loro conoscenza dipende dal livello di approfondimento delle indagini conoscitive. (cfr. DM Cap.8.2) Le costruzioni esistenti devono essere, cioè, sottoposte a valutazione della sicurezza in tutte le situazioni declinate dal Normatore, attraverso l obbligo di procedere a verifiche. In esse le situazioni concretamente riscontrabili sono le più diverse ed è quindi impossibile prevedere regole specifiche per tutti i casi. Di conseguenza, il modello per la valutazione della sicurezza dovrà essere definito e giustificato dal Progettista, caso per caso, in relazione al comportamento strutturale attendibile della costruzione. Nel paragrafo C8.2 Criteri generali della Circolare Esplicativa n. 617 del 2 febbraio 2009 sono introdotti i fattori di confidenza, strettamente legati al livello di conoscenza conseguito nelle indagini conoscitive, e che vanno preliminarmente a ridurre i valori medi di resistenza dei materiali della struttura esistente, per ricavare i valori da adottare, nel progetto o nella verifica. Tali fattori sono poi essi stessi ulteriormente da ridurre, quando previsto, mediante i coefficienti parziali di sicurezza. La stessa circolare in appendice afferma, a proposito delle proprietà meccaniche di conglomerato e acciaio che le informazioni devono provenire, oltre che dalle indicazioni iniziali di progetto, da risultati di prove sperimentali eseguite all atto del collaudo strutturale o successivamente ad esso [ ]. Per l acciaio, in assenza di dati sperimentali adeguati, è consentito far riferimento alle caratteristiche del materiale prescritto in sede di progetto previa limitata verifica a campione dell effettivo utilizzo dello stesso. La tabella C8A.1.2 della Circolare Esplicativa classifica la conoscenza in tre livelli (LC1, LC2, LC3), puntualizzando che è possibile raggiungere ciascun livello rispettivamente mediante limitate o estese o esaustive prove in-situ. Nell O.P.C.M. 3 maggio 2005, n si spiega puntualmente il significato dei termini limitate, estese, esaustive; infatti nella tabella 11.2a è prescritto che, per ogni 300 m 2 di piano dell edificio occorre rispettivamente prelevare uno, due o tre campioni d armatura. Nelle note esplicative della tabella stessa è detto che Le prove sugli acciai sono finalizzate all'identificazione della classe dell'acciaio utilizzata con riferimento alla normativa vigente all'epoca di costruzione. Ai fini del raggiungimento del numero di prove sull'acciaio necessario per il livello di conoscenza è opportuno tener conto dei diametri (nelle strutture in c.a.) o dei profili (nelle strutture in acciaio) di più diffuso impiego negli elementi principali con esclusione delle staffe. Ai fini delle prove sui materiali è consentito sostituire alcune prove distruttive, non più del 50%, con un più ampio numero, almeno il triplo, di prove non distruttive, singole o combinate, tarate su quelle distruttive. Nella presente memoria si propone la prova di durezza Leeb, come pnd-in-situ correlabile alla prova di trazione su campione d armatura. La conversione dei valori di durezza in resistenza a trazione. All interno del panorama normativo troviamo più norme che si occupano della conversione dei valori di durezza: la ISO 18265, la UNI EN ISO (che costituisce il recepimento italiano della precedente), la DIN 50150, ecc.; in questa memoria si analizzerà la norma UNI poiché relativa a un intervallo di valori di durezza più ampio della DIN. In particolare si focalizzerà l attenzione sulle considerazioni riguardanti gli acciai da carpenteria. La norma UNI stila al suo interno una serie di tabelle correlative delle varie scale di durezza (HB, HV ) con la scala di resistenza a trazione (MPa), redatte

3 per più categorie di materiali metallici. In questa memoria si pone l attenzione sul prospetto A.1, proprio degli «Acciai Non Legati, Basso Legati, Ghisa», proponendola come significativa per profilati e barre per carpenteria (figura 1). Res.Traz. (Mpa) Durezza (HV) RESISTENZA A TRAZIONE (Mpa) UNI EN ISO PROSPETTO A.1 Vickers HV10 Brinell HB Rockwell HRA Rockwell HRB Rockwell HRC Rockwell HRD Rockwell HRF Rockwell HR15N Rockwell HR30N Rockwell HR45N Figura 1. Esempio di tabella e grafico del prospetto A1 della UNI EN ISO 18265:2005 DUREZZA La prova di durezza Leeb. Gli indentatori strumentati che si basano sul metodo Leeb, normati dalla ASTM A956 (in seguito chiamata norma) operano in maniera sensibilmente diversa dagli altri misuratori di durezza dinamici. Anche se le dimensioni della impronta generata sono connesse con la durezza del materiale, esse sono indirettamente misurate attraverso la perdita di energia del corpo impattante. Figura 2. Principio di funzionamento di un durometro di Leeb Per generare l impatto, una massa è accelerata e fatta impattare contro la superficie del provino a una determinata velocità, in altre parole un determinato valore di energia cinetica. L impatto provoca una deformazione plastica della superficie impattata, l impronta, a causa della quale il corpo impattante perde parte della sua velocità iniziale, cioè parte dell energia cinetica iniziale. Tale perdita cresce con l aumentare delle dimensioni dell impronta, ed è maggiore per metalli teneri. Tecnicamente, questo principio di misura è implementato per mezzo di un corpo impattante (dardo), munito di una punta sferica di carburo di tungsteno, che è sparato contro la superficie del provino dalla forza elastica di una molla elicoidale. Le velocità prima e dopo l impatto sono misurate senza che vi sia contatto col dardo. Ciò è possibile grazie ad un piccolo magnete permanente, racchiuso nel dardo, il quale genera una tensione indotta al suo passaggio attraverso la bobina sita alla bocca della sonda, tensione che è proporzionale alla velocità del dardo. L inventore svizzero di questo metodo, D. Leeb, ha definito anche un proprio valore di durezza, il Leeb. Il valore di

4 durezza Leeb, HL, è calcolato dal rapporto tra la velocità d impatto (VI) e quella di rimbalzo (VR). V HL V R I 1000 Pur essendo l'unità Leeb una fondamentale espressione della fisica di questo processo, esso non ha valenza pratica; usualmente si converte questo valore in scale comuni (HV, HB, HS, HRC, HRB), conversioni che sono memorizzate in tutti gli strumenti che eseguono questa prova. Sperimentazione preliminare su profilati in acciaio da carpenteria. La presente campagna di prove, svolta presso l'azienda LandNet, ha avuto come scopo la valutazione della bontà delle misure di durezza acquisite con un durometro Leeb. In particolare è stata analizzata la sensibilità delle misure di durezza Leeb al variare di variabili come la rigidezza della zona del campione sottoposto a prove di durezza e l'orientazione e lo stato della superficie del campione. La campagna sperimentale è stata realizzata con un durometro portatile digitale Leeb Digimess dp 300, munito di sonda D, e con una termocamera Flir thermacam b4. Le prove durezza sono state eseguite su campioni ottenuti da profilati in acciaio e con massa superiore ai 5kg, come richiesto da norma. Le superfici dei campioni sono state preparate con carte abrasive aventi grana compresa tra 80 e 400. Le operazioni di finitura superficiale sono state eseguite manualmente e con l'obiettivo di realizzare sulla superficie di ciascuna zona in esame tre porzioni con le seguenti finiture: (i) tal quale, corrispondente allo stato di conservazione presso fornitore; (ii) laminato, equivalente alla situazione di post-laminazione;(iii) lucidato, ovvero come da norma. La norma prevede di contenere la rugosità superficiale entro 2 µm, precisando che è possibile raggiungere questo stato usando abrasivi a grana 200; nella presente sperimentazione si è usato carta abrasiva a grana 400, refrigerando la lucidatura con acqua demineralizzata. Minuti Temperatura ( C) (hh:mm) Start Figura 3. Monitoraggio termografico della lavorazione e tabella delle temperature rilevate L operazione di finitura superficiale è stata, altresì, sottoposta a prova termografica, di cui i risultati sono proposti in figura 3. La termografia ha consentito di affermare che la lavorazione non ha prodotto una variazione termica, nel campione, degna di nota. La prima azione della campagna è stata quella di confermare l attendibilità delle misure prodotte dal durometro mediante misure di durezza su un campione tarato, della durezza 794,8 HL (cui corrispondono 667 HV), annesso allo strumento.

5 Il software dello strumento utilizzato ha consentito di ottenere direttamente il valore della durezza, in funzione del materiale da sottoporre a prova, della direzione d impatto (la prova prevede quella verticale come predefinita) e della scala di durezza desiderata. Con riferimento alla superficie di un campione evidenziata in figura 4, le prove di durezza sono state eseguite sulle seguenti 5 distinte zone, caratterizzate da una differente rigidezza: ala destra, mezzala destra, anima, mezzala sinistra, ala sinistra. Figura 4. Suddivisione della superficie del campione, operazioni preliminari. Figura 5. Dp 300, verifica taratura con blocco, esecuzione delle misure di durezza In accordo con quanto previsto dalla norma, la durezza Leeb è stata calcolata mediando il risultato di 10 battute condotte nell'area di un pollice quadrato. Il corrispondente range di valore di resistenza a trazione, espresso in MPa, è stato calcolato utilizzando il prospetto A.1 della norma UNI EN ISO Con riferimento alla tabella di figura 1, se per esempio la media è pari a 137 HV, è stata convertita la misura assumendo che la resistenza a rottura sia compresa tra 430 e 450 MPa. La norma ora citata non consente, infatti, l interpolazione dei risultati; tuttavia, la totalità dei committenti interpellati ha accettato la forma prescritta da norma. Tutte le acquisizioni sono state effettuate due volte: la prima sul campione in orizzontale, la seconda col campione in verticale. La campagna sperimentale ha prodotto un'importante quantità di risultati che sono stati organizzati in grafici del tipo di quelli illustrati in figura 6. Per non compromettere la leggibilità dei grafici, nella figura 6 sono riportati gli andamenti della sola resistenza massima; ulteriori risultati sono disponibili in [1]. I grafici evidenziano una certa variabilità nei risultati. In particolar modo i valori picco per ciascuna porzione sono stati rilevati in corrispondenza dell anima del profilato, vale a dire dove la rigidezza della zona sottoposta a misura è maggiore, il che conferma l'importanza della massa del campione (la normativa sulla prova, infatti, prescrive un minimo di 5kg), ma questa deve essere intesa più come massa della regione che supporta la zona sottoposta a misura, piuttosto che come massa complessiva del campione. Risulta, poi, che l orientazione verticale del profilato non inficia la bontà della misura, com era tra l altro atteso, essendosi avvalsi nella

6 campagna sperimentale della funzione di compensazione della orientazione propria del software dello strumento. Infine è evidente l effetto dello stato della superficie, poiché la zona ossidata cioè quella ritenuta equivalente alla superficie laminata, si è rivelata più dura di quella lucidata. Figura 6. Andamento dei risultati ottenuti per uno dei campioni di profilato indagati. Prova Leeb in sito su barre di armatura. Il tondo d acciaio, inglobato in un getto di calcestruzzo, presenta caratteristiche interessanti per l applicazione della prova Leeb. La massa del tondo, relativa all area di prova di un pollice quadrato, non raggiunge la massa minima di 5 kg. La norma, in tal caso, prescrive di serrare il campione a un supporto rigido e di massa opportuna: un tondo d armatura, inglobato in un elemento strutturale, risponde ottimamente a questo requisito. Si può intuire, poi, che la disposizione di una barra di armatura, in una trave o in un pilastro, richieda di dover compensare l orientazione del campione. Figura 7. Durometro DP-IT con sonda D e anello adattatore. Tondo lucidato e test Leeb Per le presenti campagne di misura l'azienda LandNet ha utilizzato il durometro Leeb Arw dp-it, di cui è stata verificata la taratura mediante blocco campione annesso. In sito, si è proceduto preliminarmente al rilievo pacometrico delle armature, al fine di individuare punti con minore copriferro. A seguito della apertura, è stata esaminata la superficie dei tondi per valutare la presenza della nervatura e lo stato di corrosione. Attraverso spazzole lamellari e carte abrasive, come spiegato nel paragrafo relativo alla sperimentazione preliminare su profilati, si è raggiunta la finitura superficiale richiesta da norma.

7 Figura 8. Grafici rappresentanti i risultati delle prove Leeb e delle prove di trazione Non si è ritenuto opportuno spianare il tondo, ma ci si è limitati a rasare la nervatura, preservando la curvatura della superficie. Tale curvatura, per problemi d appoggio della sonda, può inficiare la prova; nella sperimentazione sono stati comunque utilizzati anelli adattatori, normati e commercialmente disponibili in varie forme, che sono stati applicati alla base della sonda dello strumento, risolvendo il problema dell'appoggio. Nella figura 7 sono evidenziati il durometro con l'anello utilizzato ed il tondo pronto per la fase di misura di durezza Leeb. La bontà della procedura di preparazione della superficie del tondo è stata valutata eseguendo su tale superficie tre impronte nello spazio di 3mm e verificando che le durezze misurate siano comprese in un intervallo di 6 HL; a valle di questa verifica, sono state eseguite 10 battute su una fascia di lunghezza di circa 10cm (in modo da analizzare una superficie corrispondente al pollice quadrato prescritto dalla norma), ottenendo i corrispondenti 10 valori di durezza Vickers. La media matematica di tali valori è stata utilizzata per calcolare, sulla base della norma UNI EN ISO 18265, l'intervallo di resistenza a trazione rappresentativo delle 10 misure di durezza Leeb, come descritto nel

8 paragrafo relativo alla campagna sperimentale preliminare sui profilati. I risultati delle indagini in campo sono riassunti nei grafici proposti nella figura 8. I dati sono relativi a prove di durezza Leeb eseguite su differenti pilastri e travi corrispondenti a porzioni della struttura e elementi strutturali organizzati in tre distinti siti e a prove di trazione eseguite su prelievi di campioni di armatura effettuati per ogni sito o porzione della struttura. Pilastri, porzioni della struttura, elementi strutturali e siti sono stati identificati con lettere convenzionali, per ragioni di riservatezza. Le prove di trazione, che sono state eseguite presso il Laboratorio Ufficiale "Salvati" del Politecnico di Bari, hanno premesso di confrontare i valori di resistenza minimi e massimi corrispondenti alle prove di durezza Leeb, con le resistenze a trazione Rt e allo snervamento Ry ottenute in laboratorio. E possibile leggere dai grafici che le prove Leeb condotte presso il sito A hanno dato risultati più omogenei rispetto agli altri siti. Per questo motivo i risultati ottenuti nei siti B e C sono stati organizzati per porzioni della struttura, per quanto riguarda il sito B e per elemento strutturale, nel caso del sito C. Figura 9. Correlazione tra prove distruttive e prove non distruttive (sito B) Nel sito A si è prelevato un campione di armatura e si è riscontrato che la media delle prove Leeb è confidente con il limite di snervamento del campione sottoposto a prova di trazione. Nel sito B, invece, si è prelevato un campione di armatura per ogni porzione della struttura. Nel grafico corrispondente è evidente come le medie delle prove Leeb seguano l andamento dei dati di resistenza a rottura, pur essendo numericamente prossime ai valori della resistenza allo snervamento, come già evidenziato commentando i risultati ottenuti sul sito A. I risultati ottenuti sul sito B, offrono una base per poter verificare una correlazione tra la resistenza del materiale ottenuta con la prova distruttiva e quella stimata con la prova non distruttiva. La verifica è stata eseguita nell'ipotesi che uno stesso corpo di una struttura sia stato realizzato con tondi in acciaio appartenente alla stessa classe, in modo che sia lecito ritenere che il risultato delle prove Leeb eseguite sui vari tondi di una stessa porzione di struttura, sia la misura della stessa quantità. In quest'ipotesi, mediando i risultati delle durezze Leeb ottenute in una stessa porzione, è stata ottenuta la correlazione evidenziata in figura 9. L'adattamento dei risultati ottenuti nei tre distinti corpi, conferma che la prova Leeb, a prescindere dal diametro del tondo, per valori almeno uguali a 12mm (per diametri inferiori possono insorgere problemi vibrazionali), fornisce indicazioni sulle proprietà meccaniche del materiale del tondo. Le indagini compiute nel sito C hanno previsto il prelievo di un singolo campione di armatura, pertanto non è stato possibile suddividere il corpo di fabbrica in porzioni. Nel grafico è possibile notare due punti nei quali i risultati della prova Leeb coincidono con la

9 prova di trazione. Questa evidenza spinge a chiedersi se sia possibile individuare, in una struttura, punti ottimali per l esecuzione della prova. CONCLUSIONI La presente memoria propone di caratterizzare la resistenza a rottura dei tondi d armatura inglobati in elementi strutturali, correlando la prova di trazione condotta su prelievi di campioni alla prova non distruttiva di durezza Leeb in sito. La prova di durezza Leeb, normata dall ASTM A956, è basata su un indentatore dinamico a rimbalzo. Dalla misura delle velocità d impatto e di rimbalzo si ricava la misura di durezza, espressa in varie scale; la media dei valori rilevati su barre o profili in acciaio da carpenteria, estesa a tutto il sito d indagine, è convertita in valori di resistenza a trazione (MPa), mediante il prospetto A1 della UNI EN ISO La sperimentazione preliminare, condotta in laboratorio, su campioni di profili in acciaio da carpenteria, ha evidenziato l importanza del controllo di variabili di prova come la rigidezza della regione che supporta la superficie sottoposta a prova e lo stato di tale superficie; i risultati ottenuti hanno permesso di approfondire la comprensione dei limiti imposti dalla normativa. Eseguire la prova Leeb su barre di armatura inglobate in elementi strutturali, risulta vantaggioso poiché le stesse, aventi massa insufficiente ai fini della prova, sono naturalmente inglobate in un oggetto, il pilastro (o la trave), che, fungendo da supporto della prova Leeb, presenta caratteristiche favorevoli di rigidezza. Le campagne d indagine condotte in sito su barre inglobate in elementi strutturali mostrano che vi è omogeneità tra gli andamenti delle medie dei risultati delle prove Leeb (espressi in MPa) e i risultati delle prove di trazione. Sulla base di queste considerazioni è stata verificata una correlazione tra la resistenza del materiale ottenuta con prove distruttive e quella stimata con prove non distruttive utilizzando il valore medio ottenuto da prove Leeb circoscritte in una porzione delimitata di una struttura, cui sia riferibile un prelievo di campione d armatura. Questa correlazione è in pratica basata sulla verosimile considerazione che la prova Leeb debba stimare la stessa resistenza a rottura per tondi presenti nella stessa porzione di struttura, assumendo che in tale struttura siano state utilizzate barre il cui acciaio appartenga alla stessa classe e quindi dalle identiche caratteristiche e proprietà. Ringraziamenti Gli autori desiderano ringraziare il Dott. Filippo L. Bovio e il Dott. Ezio Giuffrè per la cortese collaborazione nella fase sperimentale. Bibliografia [1] Caratterizzazione di materiali metallici mediante prove di durezza Leeb, Tesi di laurea di Pasquale Cavallo, Rel. Chiar.mo Prof. Ing. Luigi Tricarico, Corr. Ing. Michele Vitti; [2] ASTM A956:2006 Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products [3] UNI EN ISO 18265:2005 Materiali metallici: Conversione dei valori di durezza. [4] Decreto Ministero delle Infrastrutture 14 gennaio [5] Circolare Esplicativa n.617 del 2 febbraio 2009 : Istruzioni per l'applicazione delle Nuove norme tecniche per le costruzioni di cui al decreto ministeriale 14 gennaio [6] O.P.C.M del 3 maggio 2005 : norme tecniche per il progetto, la valutazione e l adeguamento sismico degli edifici.