GLI EDIFICI ESISTENTI IN C.A. Le indagini sui materiali

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1 Corso sulle Norme Tecniche per le costruzioni in zona sismica (Ordinanza PCM 3274/2003) GLI EDIFICI ESISTENTI IN C.A. Le indagini sui materiali Prof. Ing.. Angelo MASI DiSGG, Università di Basilicata Centro di Competenza Regionale sul Rischio Sismico (CRiS)

2 Le indagini sugli edifici esistenti La scarsa attenzione spesso dedicata dai professionisti alle indagini sulle strutture, sia in termini globali che sui materiali costituenti, determina: - da un lato e più frequentemente assunzioni troppo conservative, dunque inutilmente dispendiose, negative rispetto ad una strategia globale di mitigazione del rischio sismico in condizioni di limitatezza delle risorse; - dall altro lato, per fortuna meno frequentemente, assunzioni non conservative con conseguenze potenzialmente gravi sulla sicurezza. Vanno riconosciute le difficoltà oggettive, sia di carattere logistico che economico, nelle quali il professionista è spesso chiamato ad operare, senza superare le quali è difficile che un passo avanti in tal senso possa essere compiuto. Va riconosciuto anche il ritardo culturale presente nel settore dell ingegneria civile sul tema della diagnosi, specie se raffrontato con altri settori come quello medico nel quale indagini, esami, analisi sono oramai patrimonio diffuso ed irrinunciabile da parte degli operatori e, cosa ancor più importante, da parte degli utenti-committenti.

3 Le indagini sugli edifici esistenti Le nuove norme consentono una graduazione dei coefficienti di sicurezza (o dei fattori di confidenza) in base al livello di conoscenza acquisito, dando più opportunità al professionista, ma anche maggiori responsabilità Il professionista dovrà (POTRÀ?) decidere di investire maggiori risorse nelle indagini per la conoscenza della struttura, da recuperare successivamente avendo la possibilità di effettuare interventi di adeguamento più mirati e meno onerosi. Stante il grande deficit di protezione sismica che si è accumulato nel nostro paese, l efficienza degli interventi appare importante in termini generali ed ancor più se ci riferisce al patrimonio edilizio pubblico costituito in larga parte da edifici non o parzialmente protetti dal sisma. Vanno però considerati gli aspetti economici, sia in termini di costi delle indagini che di tariffe professionali, che possono deprimere o favorire tale possibilità.

4 Le indagini sugli edifici esistenti Nel definire le modalità di svolgimento di una campagna di indagini due aspetti appaiono di particolare importanza: quali e quanti dati vanno raccolti per poter effettuare la valutazione di sicurezza; come vanno trattati ed interpretati questi dati. Meno rilevante appare l aspetto relativo alla individuazione ed applicazione delle diverse tecnologie e metodiche di indagine per le quali ci si dovrà avvalere di strutture o laboratori esperti nel settore. Il professionista dovrà conoscere le principali metodiche disponibili ed i vantaggi e svantaggi nell utilizzo di ognuna di esse, con particolare riferimento alla loro affidabilità ed ai limiti di applicabilità. Inoltre va detto che, per quanto tali metodiche abbiano subito una consistente evoluzione nel corso degli ultimi anni tale da renderle molto efficienti ed affidabili, è da ritenere che un ruolo determinante abbia ed avrà ancora l indagine visiva ( esame clinico ), attività di specifica pertinenza del professionista incaricato.

5 11.2 Valutazione della sicurezza Valutazione delle proprietà dei materiali Calcestruzzo: la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove di compressione fino a rottura. Acciaio: la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove a trazione fino a rottura con determinazione della resistenza a snervamento e della resistenza enza e deformazione ultima. Metodi di prova non distruttivi: non possono essere impiegati in sostituzione di quelli sopra descritti.

6 Metodo dei carotaggi Estrazione di una carota Carote

7 Valutazione delle proprietà del CLS: carotaggio Il carotaggio e' il metodo distruttivo più diffuso, in quanto consente di determinare la resistenza del conglomerato in maniera analoga a quella adottata per i campioni standard (stima diretta della resistenza). Il carotaggio e' necessario per giungere ad una definizione diretta della resistenza del conglomerato o per calibrare i risultati ottenuti con i metodi non distruttivi. Il prelievo di carote da strutture in opera e' regolato dalla norma UNI 6131/87. Il criterio fondamentale da adottare e' quello di ridurre al minimo imo l'effetto di rimaneggiamento dovuto all'estrazione estrazione. Il diametro delle carote deve essere non minore di 3 volte la dimensione massima dell'aggregato, mentre l'altezza (UNI 6130/80) deve essere possibilmente pari a 2 volte il diametro.

8 Valutazione delle proprietà del CLS: carotaggio La resistenza misurata sulle carote risente di numerosi fattori che la differenziano da quella che si misurerebbe su un equivalente provino standard: 1) diverse modalita' di preparazione e stagionatura 2) differente eta' di stagionatura tra carota e provino standard 3) posizione del prelievo nell'ambito dell'elemento strutturale (ad es. al piede o alla testa di un pilastro, parallelamente o ortogonalmente te alla direzione di getto) 4) il disturbo che consegue alle operazioni di prelievo 5) dimensioni delle carote (ad es. H/D diverso da 2) 6) presenza di armature incluse.

9 Elaborazione risultati del carotaggio (norme FEMA 274) Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote f car,i equivalenti in-situ f cis,i viene fornita la seguente relazione: nelle resistenze f cis,i = (F h/d * F dia * F r ) (F mc * F d ) f car,i I coefficienti nella prima parentesi servono a correggere la resistenza delle carote estratte per ottenere resistenze su campioni cilindrici di diametro 100 mm, rapporto altezza diametro h/d pari a 2 e prive di armature incluse: F h/d è il coefficiente correttivo relativo al rapporto h/d, da assumere pari a 0.87, 0.93, 0.96, 0.98 e 1.00 per h/d pari, rispettivamente, a 1.0, 1.25, 1.50, 1.75 e 2.00; F dia coefficiente correttivo relativo al diametro, da assumere pari a 1.06, 1.00 e 0.98 per D pari, rispettivamente, a 50, 100 e 150 mm; F r coefficiente correttivo relativo alla presenza di armature incluse, da assumere pari a 1.00, 1.08 e 1.13 per la presenza, rispettivamente, di nessuna barra, 1 e 2 barre.

10 Elaborazione risultati del carotaggio (norme FEMA 274) Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote f car,i equivalenti in-situ f cis,i viene fornita la seguente relazione: nelle resistenze f cis,i = (F h/d * F dia * F r ) (F mc * F d ) f car,i I coefficienti nella seconda parentesi portano in conto le differenze tra le condizioni della carota e quelle del calcestruzzo nella struttura: F mc porta in conto l effetto del contenuto di umidità nella carota al momento della prova, da assumere pari a 1.09 per carote sature d acqua e pari a 0.96 per carote completamentre asciutte; F d porta in conto l effetto del rimaneggiamento dovuto all estrazione pari a La resistenza da adottare nei calcoli viene riferita al valore medio m delle resistenze in-situ ottenute.

11 Elaborazione risultati del carotaggio (proposta Masi) Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote f car,i resistenze in-situ f cis,i viene proposta la seguente relazione: nelle corrispondenti f cis,i = (C h/d * C dia * C a * C d ) f car,i C h/d coefficiente correttivo per rapporti h/d diversi da 2, pari a 2/(1.5 + D/h); C dia coefficiente correttivo relativo al diametro, da assumere pari a 1.06, 1.00 e 0.98 per D pari, rispettivamente, a 50, 100 e 150 mm; C a è il coefficiente correttivo relativo alla presenza di armature incluse, da assumere pari a in funzione della posizione e del diametro della barra inclusa; C d è il coefficiente correttivo per tener conto del disturbo arrecato alla carota nelle operazioni di estrazione. Oltre al valore costante suggerito nelle FEMA 274, la bibliografia propone di assumere il valore Il rimaneggiamento è tanto maggiore quanto minore è la qualità del calcestruzzo, appare più convincente l indicazione riportata in (Collepardi 2002, UNI 5834) che suggerisce di assumere C d = 1.20 per f car < 20 MPa, e C d = 1.10 per f car > 20 MPa.

12 Prove Non Distruttive: SCLEROMETRO Cube Compressive Strenght (N/mm 2 ) Rebound Number Curva indice di rimbalzo-resistenza resistenza cubica a compressione

13 Prove Non Distruttive: ULTRASUONI Tx Tr Tx Tx Tr1 Tr2 Tr Letture ultrasoniche per trasparenza (a), d'angolo (b) e superficiali (c)

14 Prove Non Distruttive: ULTRASUONI 60 Compressive Strenght of Core (N/mm2) ,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Ultrasonic Pulse Velocity (km/sec) Relazione velocità ultrasonica-resistenza resistenza a compressione rilevata su carote

15 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. 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 mediante espressioni del tipo: R c R = a V b c S c

16 Valutazione della resistenza del CLS: 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 Curve di isoresistenza (Rilem) Rc [N/mmq] Rc = 20 MPa V [m/sec]

17 Prove Non Distruttive: metodo SONREB In bibliografia vengono fornite numerose espressioni per l applicazione del metodo SONREB: R c , 1 = S V 2.6 (1), Norme RILEM R c, 2 = S V 1.85 (2), Gasparik R c, 3 = S V (3), Di Leo - Pascale Nessuna di queste espressioni ha validità generale, ed in particolare non sono valide per calcestruzzi di bassa qualità.

18 Calibrazione risultati metodo SONREB PROCEDURA PER IL CALCOLO DI R cm Si calcola la resistenza cubica media R cm del calcestruzzo di un edificio esistente utilizzando i risultati di prove distruttive e non distruttive Nota la resistenza a cilindrica a compressione delle carote f c prelevate, l indice di rimbalzo S e la velocità ultrasonica V, ottenute dalle prove non distruttive, la procedura consente di valutare i coefficienti a, b e c delle curve Sonreb che forniscono R c, effettuando una regressione lineare in ambiente EXCEL: R c = a x S b x V c

19 Calibrazione risultati metodo SONREB CALCOLO DI R cm : Dati di partenza I risultati delle prove distruttive e non distruttive sono: prove distruttive (carotaggio): f c (N/mm 2 ): resistenza cilindrica a compressione della carota di cls h (mm) : altezza carota di cls d (mm): diametro carota di cls prove non distruttive (prove sclerometriche ed ultrasoniche): S : indice di rimbalzo sclerometro V (m/s): velocità ultrasonica

20 Calibrazione risultati metodo SONREB CALCOLO DI R cm si corregge la resistenza delle carote prelevate per tener conto del rimaneggiamento dovuto al prelievo, delle dimensioni d e (h/d), delle eventuali armature incluse della carota si calcola la resistenza cubica delle carote provate R c a partire dalla resistenza cilindrica f c dividendo per 0,8 si valutano i coefficienti a, b e c della curva Sonreb tramite regressione lineare a partire dai valori di S e V delle prove non distruttive effettuate sugli elementi strutturali su cui sono state effettuate anche prove distruttive si calcolano le resistenze cubiche delle prove non distruttive a partire dalla relazione trovata: R c =a x S b x V c si calcola la resistenza media cubica del cls R cm effettuando la media tra i valori ottenuti dalle prove non distruttive e quelli valutati tramite le curve Sonreb

21 Calibrazione risultati metodo SONREB ESEMPIO DI CALCOLO DI R cm si calcola la resistenza cubica R c a partire dalla resistenza cilindrica, tenendo conto anche della geometria della carota, del rimaneggiamento e delle armature incluse Dati prove distruttive N.carota f c (N/mm 2 ) h (mm) d (mm) 3/A 16, /A 17, /B 17, /A 8, /B 8, /A 5, Calcolo R c R c (N/mm 2 ) 21,81 23,02 23,02 11,40 11,40 7,32 7/B 5, ,32

22 Calibrazione risultati metodo SONREB ESEMPIO DI CALCOLO DI R cm noti R c dalle prove distruttive, S e V dalle prove non distruttive effettuate sugli stessi elementi strutturali su cui sono state eseguite le prove distruttive si valutano a, b e c tramite regressione lineare a partire dalla relazione: R c = a x S b x V c a b c 0, , ,16754 R c =0,00018 x S 2,81027 x V 0,16754

23 Calibrazione risultati metodo SONREB ESEMPIO DI CALCOLO DI R cm Si calcola R c negli elementi in cui sono state fatte soltanto prove non distruttive, tramite la relazione: R c =0,00018 x S 2,81027 x V 0,16754 Dati prove non distruttive ID_prova S V 106/A 33, /A /B 27, /A 37, /B 41, /A 34, Calcolo R c R c (N/mm 2 ) 12,94 7,56 7,09 19,22 25,06 15,00 6/B 34, ,74

24 Calibrazione risultati metodo SONREB ESEMPIO DI CALCOLO DI R cm Si calcola R cm come media dei valori ottenuti dalle prove distruttive e quelli calcolati per le prove non distruttive Calcolo Rcm Elemento testato Rc (N/mm 2 ) 3/A 21,81 4/A 23,02 6/A 11,40 7/A 7,32 5/A 20,72 106/A 12,94 109/A 7,57 109/B 7,09 5/A 19,22 5/B 25,06 6/A 15,00 6/B 14,74 R cm 15,49