INDAGINI E VERIFICHE DI STRUTTURE IN C.A. E ACCIAIO

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1 INDAGINI E VERIFICHE DI STRUTTURE IN C.A. E ACCIAIO Committente: COMUNE DI VIADANA Indirizzo: P.zza Matteotti, 2 VIADANA (MN) Opera: Tecnico incaricato delle verifiche Palasport G.Farina Via Vanoni, 15 Viadana (MN) Ing. Aldo Gerevini NS rif.: n 1854 /15 del 30/10/2015

2 INDICE Pag. 1 PREMESSA 3 2 PROVE ESEGUITE PRELIEVO DI CAMPIONI DI CALCESTRUZZO MEDIANTE CAROTAGGIO PROVA DI COMPRESSIONE DEL CALCESTRUZZO CARBONATAZIONE DEL CALCESTRUZZO INDAGINE PACHOMETRICA PER IL RILEVAMENTO DELLE ARMATURE PRELIEVO DI SPEZZONI DI ARMATURA PER PROVA DI TRAZIONE PROVA DI DUREZZA IN SITO SU ELEMENTI STRUTTURALI IN ACCIAIO 7 3 RISULTATI SPERIMENTALI RESISTENZA A COMPRESSIONE CALCESTRUZZO VALUTAZIONE DELLE CARATTERISTICHE DI RESISTENZA DEL CALCESTRUZZO PROFONDITA DI CARBONATAZIONE DEL CALCESTRUZZO INDAGINE PACHOMETRICA PROVA DI TRAZIONE DELLE BARRE DI ARMATURA PROVA DI DUREZZA IN SITO DELLE BARRE DI ARMATURA 14 ALLEGATI 2

3 1. PREMESSA Il Laboratorio Geotecnologico Emiliano S.r.l. di Parma è stato incaricato dal committente di effettuare una campagna di indagini nella struttura in c.a. del Palasport G. Farina sito in via Vanoni,15 a Viadana, nell ambito di una serie di verifiche finalizzate alla caratterizzazione meccanica della struttura in calcestruzzo dopo che l edificio è stato interessato dal crollo parziale della copertura. In particolare tali indagini sono state eseguite su pilastri in c.a., sia quelli perimetrali e sia quelli della tribuna, e sulla soletta della pavimentazione. I punti di prova, concordati col tecnico incaricato delle verifiche, sono evidenziati nella planimetria riportata al 3 Risultati Sperimentali. 2. PROVE ESEGUITE Le prove effettuate sono state le seguenti: 2.1 Prelievo di calcestruzzo mediante carotaggio; 2.2 Prova di compressione del calcestruzzo; 2.3 Determinazione dello spessore di carbonatazione del calcestruzzo; 2.4 Indagine non distruttiva mediante pachometro per la valutazione della posizione, del numero e del diametro dei ferri di armatura presenti nei pilastri; 2.5 Prelievo di spezzoni di armature da pilastri per prove di trazione dell acciaio. 2.6 Prove in sito di durezza per la stima delle caratteristiche di resistenza meccanica a trazione dell acciaio, effettuate sia sulle barre di armatura del calcestruzzo. 2.1 PRELIEVO DI CAMPIONI DI CALCESTRUZZO MEDIANTE CAROTAGGIO La tecnica del carotaggio consiste nel prelievo di campioni cilindrici di calcestruzzo indurito secondo le prescrizioni della norma UNI EN Essa consente di ottenere delle carote di materiale da sottoporre ad esame visivo ed a svariate prove di laboratorio, fra le quali quella di compressione secondo procedimenti normalizzati, al fine di valutare la resistenza meccanica del calcestruzzo in situ. La carotatrice è un rotore elettromeccanico che fa ruotare una tazza o foretto munito in punta di corona diamantata raffreddata ad acqua. I diametri delle tazze possono variare a seconda dell obiettivo dell indagine, ad esempio per la ricerca della profondità di carbonatazione o analisi stratigrafica/omogeneità può essere sufficiente una tazza con diametro ridotto inferiore anche ai 50 mm, mentre per la valutazione della resistenza a compressione la scelta della tazza dovrà tener conto di alcuni aspetti fondamentali come: il diametro dell inerte; la riduzione della sezione resistente dell elemento analizzato; ridurre il rischio di taglio delle armature dell elemento analizzato. La Normativa Tecnica e la prassi ormai consolidata suggeriscono che il diametro minimo dei campioni da utilizzare per le prove di compressione del calcestruzzo debba essere di minimo 100 mm, mentre in casi particolare si può ridurre tale diametro fino a 74 mm. Il numero minimo di carote da prelevare per caratterizzare il materiale del complesso strutturale in studio non deve essere inferiore a 3. 3

4 Preliminarmente al carotaggio viene eseguita di regola una prova pachometrica onde evitare la presenza di barre di armatura o tubazioni attraversanti l elemento. Ove previsto, tutti i fori di carotaggio andranno riempiti con malta strutturale ad espansione e/o ritiro controllato. 2.2 PROVA DI COMPRESSIONE DEL CALCESTRUZZO Le carote prelevate con modalità descritte al par 2.1 vengono tagliate e rettificate presso il Laboratorio, in base alla normativa UNI EN e UNI EN I provini così ottenuti vengono rettificati sulle facce di carico e quindi sottoposti alla prova di resistenza cilindrica a compressione. A riguardo le Linee Guida per la messa in opera del calcestruzzo strutturale e per la la valutazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo indurito mediante prove non distruttive del Ministero dei LL. PP. Precisa che La resistenza dei provini estratti per carotaggio generalmente è inferiore a quella dei provini preparati nel corso della messa in opera del calcestruzzo e stagionati in condizioni standard, fra i fattori che determinano tale differenza si possono citare: la procedura di messa in opera e di compattazione, la stagionatura, l effetto del prelievo ecc. 4

5 In mancanza di un esperienza diretta è accettabile assumere che, a parità di tempo di stagionatura, la resistenza in situ ottenuta attraverso il carotaggio sia non inferiore a 0,85 volte la resistenza cilindrica del calcestruzzo messo in opera. La resistenza ricavata dalle prove a compressione sui campioni ottenuti per carotaggio, in particolare la resistenza caratteristica, deve essere considerata con molta prudenza, a ragione della notevole influenza che la messa in opera e le condizioni di stagionatura del calcestruzzo hanno sulle caratteristiche delle carote. Il giudizio delle caratteristiche del calcestruzzo in opera, in base alla resistenza determinata su carote prelevate, deve tener conto dei fattori di conversione necessari a compensare l effetto della snellezza e della conversione resistenza cilindrica resistenza cubica. In prima approssimazione si può assumere che la resistenza di un campione avente diametro compreso tra 100 e 150 mm, ottenuto per carotaggio, avente altezza eguale al diametro, sia la medesima di un equivalente provino cubico da 150 mm, e che la resistenza di un campione ottenuto per carotaggio ed avente rapporto altezza diametro eguale a 2 sia eguale a quella di un equivalente provino cilindrico. 2.3 CARBONATAZIONE DEL CALCESTRUZZO I campioni prelevati mediante carotaggio sono sottoposti alla prova di carbonatazione, secondo la norma UNI 9944:1992 per determinare lo stato di conservazione del calcestruzzo. In particolare, la norma si riferisce alla determinazione della profondità di carbonatazione. La carbonatazione è un processo chimico per cui la Portlandite presente nel cemento, in presenza di anidride carbonica, dà luogo alla formazione di carbonato di calcio. Quando l'anidride carbonica dell'aria riesce a diffondersi dall'esterno nei pori della pasta cementizia, si innesca il processo di carbonatazione che modifica le proprietà alcaline del conglomerato cementizio poiché la conseguente riduzione dell'idrossido di calcio determina un abbassamento del ph della pasta cementizia. L'abbassamento del ph avviene ovviamente prima nelle zone corticali del materiale e solo successivamente in quelle più interne in funzione della porosità e/o del grado fessurativo del calcestruzzo. Nei calcestruzzi densi e compatti la carbonatazione interessa di norma solamente i primi millimetri, ma in quelli porosi e/o fessurati può penetrare in profondità fino ad attraversare il copriferro e raggiungere le armature. Per evidenziare le zone aggredite da fenomeni di carbonatazione si utilizza la fenolftaleina (indicatore di ph), usata in forma di soluzione in etanolo allo 0,1%. A ph inferiori a 8,2 è incolore, a ph superiori a 9,8 gli ossidrili perdono i loro idrogeni e la molecola impartisce un intenso color porpora alla soluzione. 5

6 2.4 INDAGINE PACHOMETRICA PER IL RILEVAMENTO DELLE ARMATURE La misurazione dello spessore del copriferro delle armature e l individuazione delle barre di armatura può essere effettuata utilizzando dispositivi denominati misuratori di ricoprimento o pachometri. Questi strumenti sono dispositivi magnetici che si basano sul principio per cui la presenza dell acciaio immerso nel calcestruzzo influenza il campo magnetico generato da un elettromagnete. La sonda di un attrezzatura tipica è costituita da un nucleo magnetico molto permeabile, a forma di U, sul quale sono montate due bobine, nella prima bobina è fatta passare una corrente alternata nota, la seconda serve per misurare la corrente indotta. La corrente indotta dipende dal valore della riluttanza del circuito magnetico, che, a sua volta, dipende dalla vicinanza delle barre d armatura: se il circuito magnetico comprende oltre al nucleo magnetico ed al calcestruzzo, anche una barra di armatura, la riluttanza diminuisce ed aumenta la corrente indotta nella bobina cantatrice, che viene misurata mediante un amperometro a bobina mobile. La riluttanza è influenzata sia dal diametro dell armatura sia dalla profondità a cui essa si trova al di sotto della superficie e pertanto è possibile correlare il valore della corrente misurata con lo spessore del copriferro ed il diametro dell armatura. Gli strumenti commerciali generalmente forniscono risultati attendibili per elementi debolmente armati e barre d armatura prossime alla superficie. 2.5 PRELIEVO DI SPEZZONI DI ARMATURA PER PROVE DI TRAZIONE Ogni prelievo consiste nell estrazione di uno spezzone di barra per ogni elemento indagato. Le operazioni svolte sono state le seguenti: 1. Rimozione dello strato superficiale di calcestruzzo; 2. Estrazione tramite taglio della porzione di barra da sottoporre ad analisi in laboratorio; 3. Saldatura della barra sostitutiva in acciaio ad aderenza migliorata dello stesso diametro, la saldatura con elettrodi a freddo eseguita con piccole passate per evitare lo snervamento delle barre dovuto al calore. La tipologia più comune delle giunzioni adottate per la saldatura delle barre di acciaio per c.a., e rappresentata nella figura qui sotto riportate: 6

7 La lunghezza del cordone di saldatura è indicativamente e pari in media a 10 volte il diametro delle barre da saldare. 4. Ripristino del ricoprimento con malta cementizia tixotropica ad alta resistenza tipo o equivalente. I campioni di acciaio prelevati sono successivamente sottoposti a prova di trazione al fine di determinare le seguenti caratteristiche meccaniche: - determinazione del diametro effettivo; - tensione di snervamento; - tensione di rottura. 2.6 PROVA DI DUREZZA IN SITU SU ELEMENTI STRUTTURALI IN ACCIAIO Nel caso delle armature del calcestruzzo la metodologia di prova consiste in una prima fase in cui si individua la posizione dell armatura mediante pachometro, poi si asporta lo strato superficiale di calcestruzzo, costituente il copriferro,in modo da mettere a nudo la barra Si effettua quindi la prova di durezza in situ con il micro-durometro secondo le modalità definite dalla norma ASTM A 956. Dal valore di durezza si risale alla resistenza a trazione stimata, mediante la quale si può classificare il campione in esame. Nel caso dei profilati in acciaio, invece, l unica operazione preliminare consiste nella preparazione della superficie finalizzata alla lisciatura mediante idoneo trattamento abrasivo. 7

8 3. RISULTATI SPERIMENTALI Nella tabella seguente vengono individuati i punti di indagine e le rispettive prove eseguite, la cui posizione in opera è schematizzata nella planimetria seguente: punto indagine elem posizione in opera PROVE ESEGUITE P1 pilastro tribuna C F D Pac P2 pilastro tribuna C F D Pac P3 pilastro perimetrale C D Pac P4 pilastro tribuna C F D Pac P5 pilastro perimetrale C D Pac P6 pilastro tribuna C D Pac P7 pilastro tribuna C D Pac P8 pilastro tribuna C D Pac P9 pilastro tribuna C F D Pac P10 pilastro tribuna C F D Pac P11 pilastro perimetrale C D Pac P12 pilastro tribuna C D Pac P13 pilastro perimetrale C D Pac P14 pilastro tribuna C D Pac P15 pilastro tribuna C D Pac P16 pilastro tribuna C F D Pac P17 pilastro perimetrale C D P18 pilastro perimetrale D PAV soletta pavimento campo C S19 setto tribuna C S20 setto tribuna C S21 setto tribuna C S22 setto tribuna C Legenda: C = carotaggio + compressione CLS D = prova durezza su armature Pac = indagine mediante sclerometro F = prelievo di armatura + trazione acciaio 8

9 Schema dei punti oggetto di indagine 9

10 3.1 RESISTENZA A COMPRESSIONE DEL CALCESTRUZZO Dallo schiacciamento delle carote, effettuato con le modalità prescritte nella UNI EN , sono stati ottenuti i seguenti valori di resistenza e di massa volumica: sigla carota Posizione in opera Res unit. a compress MPa Massa volumica Kg/m 3 C1 Pilastro P1 49, C2 Pilastro P2 30, C3 Pilastro P3 36, C4 Pilastro P4 28, C5 Pilastro P5 38, C6 Pilastro P6 32, C7 Pilastro P7 34, C8 Pilastro P8 31, C9 Pilastro P9 42, C10 Pilastro P10 42, C11 Pilastro P11 45, C12 Pilastro P12 37, C13 Pilastro P13 48, C14 Pilastro P14 43, C15 Pilastro P15 37, C16 Pilastro P16 38, C17 Pilastro P17 50, C19 Setto S19 42, C20 Setto S20 45, C21 Setto S21 34, C22 Setto S22 28, Cpav-A Soletta strato superiore 203, 2247 Cpav-B Soletta strato inferiore 38, Il calcestruzzo dei pilastri ha evidenziato una resistenza unitaria a compressione distribuita in un intervallo di valori piuttosto ampio, compreso fra 28,9 50,1 MPa e resistenza media calcolata in 39,3 MPa. 10

11 Anche nel caso dei setti i valori di resistenza unitaria a compressione sono stati piuttosto variabili, con valori compresi nell intervallo 22,2 45,1 MPa e resistenza media calcolata in 36,0 MPa. La carota estratta dalla soletta del pavimento del campo di gioco, pur evidenziando uno spessore complessivo di circa 20 cm, è risultata costituita da due strati distinti di calcestruzzo, ben aderenti fra loro. Lo strato superficiale, nel quale non è risultata presente alcuna armatura (nel punto di carotaggio), è risultato costituito da un calcestruzzo avente resistenza unitaria a compressione pari a 20,3 MPa; nello strato sottostante, invece, è stata rinvenuta una rete Φ10 mm posizionata quasi sul fondo, mentre la resistenza unitaria a compressione è risultata pari a 38,2 MPa. Per quel che concerne le masse volumiche del calcestruzzo, nei campioni a disposizione sono stati misurati valori compresi nell intervallo kg/m 3, coi valori più bassi associati ai calcestruzzi per i quali sono state determinate le resistenze a compressione più basse. Nel complesso, comunque, come valutazione generale si può dire che le masse volumiche sono attestate su valori mediamente riscontrabili nei comuni calcestruzzi con inerti siliceo-calcarei. 3.2 VALUTAZIONE DELLE CARATTERISTICHE DI RESISTENZA DEL CALCESTRUZZO La metodologia si basa sui presupposti definiti sia nelle Linee Guida e sia nella Circolare 2/2/09 - Istruzioni per l applicazione delle Norme Tecniche, ovvero che nel passaggio dalla resistenza caratteristica cilindrica f ck alla resistenza caratteristica cubica R ck, il fattore di correzione può assumersi pari a 0,83 se il rapporto lunghezza/diametro delle carote è pari a 2. Diversamente, e solo per carote di diametro compreso fra 100 e 150 mm, se il rapporto lunghezza/diametro è pari a 1, il fattore di correzione resistenza cilindrica/resistenza cubica si può assumere pari a 1. Per rapporti lunghezza/diametro intermedi compresi fra 1 e 2, si può utilizzare con buona approssimazione l interpolazione lineare. Il procedimento di calcolo è definito nella UNI EN (citato dalle Linee Guida) secondo il quale la resistenza caratteristica del calcestruzzo in opera può essere calcolata, nel caso in cui si disponga di almeno 15 carote come il valore minimo fra le relazioni 11

12 f ck,op = f m,op 1,48 s f ck,op = f min,op + 4 ( s = dev. st.) Per un numero di carote inferiori si calcolerà il valore minimo fra f ck,op = f m,op k ( k = 5, 6 o 7 a seconda del numero di carote) f ck,op = f min,op + 4 Dopo aver calcolato f ck,op, si applica il CRITERIO DI VALUTAZIONE definito nel paragrafo dell'ultima versione delle Norme Tecniche per le Costruzioni, inerente il controllo del calcestruzzo in opera, secondo il quale è accettabile un valore medio della resistenza strutturale, misurata con tecniche opportune (distruttive e non distruttive) e debitamente trasformata in resistenza cilindrica o cubica, non inferiore all'85% del valore medio definito in fase di progetto. Schematicamente, quindi, il procedimento di valutazione del calcestruzzo in opera è così riassumibile: Per carote con h/d = 1 N carote > 15 N carote < 15 f ck,op = f m,op 1,48 s f ck,op = f min,op + 4 f ck,op = f m,op k f ck,op = f min,op + 4 f ck,op = R ck,op > 0,85 R ck Queste relazioni permettono di associare alla resistenza caratteristica in opera, determinata sulle carote, la massima Rck ammissibile. A) Pilastri f min,op MPa 28,9 f m,op MPa 39,3 n 17 k 4 f ck,op MPa 35,3 f ck,op MPa 32,9 La classe di resistenza in opera calcolata è stata f ck,op = R ck,op = 32,9 MPa Applicando il criterio di valutazione dell 85% si deduce che per il calcestruzzo in esame la massima Rck ammissibile è Rck = 38,7 MPa. 12

13 B) Setti f min,op MPa 28,1 f m,op MPa 45,1 n 4 k 7 f ck,op MPa 30,5 f ck,op MPa 32,1 Nel caso dei setti, visto il basso numero di campioni utilizzati per il calcolo, la norma UNI EN impone di utilizzare un coefficiente K=7 molto cautelativo, per cui la classe in opera calcolata diventa f ck,op = R ck,op = 30,5 MPa. Applicando il criterio di valutazione dell 85% si deduce che per il calcestruzzo in esame la massima Rck ammissibile è Rck = 35,9 MPa. 3.3 PROFONDITA DI CARBONATAZIONE DEL CALCESTRUZZO Le carote in calcestruzzo estratte dai pilastri e dalle travi, prima di essere sottoposte alla prova di compressione, sono state trattate con fenol-ftaleina per evidenziare lo strato superficiale eventualmente interessato dal fenomeno della carbonatazione. La seguente tabella riassume i dati ottenuti dalle carote prelevate: Punto di misura elemento Spessore max carbonat (cm) C1 Pilastro P1 1,8 C2 Pilastro P2 3,8 C3 Pilastro P3 2,5 C4 Pilastro P4 3,4 C5 Pilastro P5 2,2 C6 Pilastro P6 3,6 C7 Pilastro P7 3,8 C8 Pilastro P8 3,6 C9 Pilastro P9 3,3 C10 Pilastro P10 2,0 C11 Pilastro P11 2,0 C12 Pilastro P12 2,6 C13 Pilastro P13 1,1 C14 Pilastro P14 2,4 C15 Pilastro P15 3,2 C16 Pilastro P16 3,3 C17 Pilastro P17 1,3 C19 Setto S19 2,1 C20 Setto S20 1,6 C21 Setto S21 2,2 C22 Setto S22 2,5 13

14 Nel complesso in tutti i punti di indagine si rileva una significativa presenza di carbonatazione, attestata già su valori comparabili con lo spessore del copriferro. 34 INDAGINE PACHOMETRICA Complessivamente sono stati esaminati 16 pilastri, 5 dei quali perimetrali all edificio ed i restanti localizzati in corrispondenza delle tribune. In particolare per uno dei pilastri (P1 in planimetria) l indagine è stata estesa per tutta l altezza accessibile fra la tribuna e le travi di copertura. I risultati degli elementi strutturali oggetto di indagine ed i relativi risultati sono riportati in dettaglio nel rapporto di prova in allegato. 3.5 PROVA DI TRAZIONE DELLE BARRE DI ARMATURA Dai 6 spezzoni di barre di armatura, prelevati da altrettanti pilastri, sono stati ricavati idonei provini da sottoporre alla prova di trazione ed allungamento. Tali campioni sono risultati essere barre nervate di diametro Φ 12 mm che, dalla prova di trazione effettuata secondo la UNI EN ISO 15630, ha evidenziato caratteristiche di resistenza a trazione, snervamento ed allungamento a rottura attestate su valori compatibili con l acciaio del tipo FeB 44K. 3.6 PROVA DI DUREZZA IN SITO DELLE ARMATURE DEL CALCESTRUZZO Al fine di rendere meno invasiva l indagine sulle caratteristiche meccaniche delle armature, è stata effettuata una serie di prove semi-distruttive basate sulla correlazione fra la durezza superficiale e resistenza a trazione dell acciaio in conformità alla ASTM A956. Dopo aver individuato la posizione dell armatura, è stato asportato lo strato del copriferro per circa una decina di centimetri al fine di mettere a nudo la barra. Quest ultima è stata infine sottoposta ad un 14

15 trattamento abrasivo per ottenere una piccola porzione sufficientemente liscia da sottoporre alla prova di durezza superficiale dell acciaio. Lo strumento utilizzato ha fornito direttamente i risultati in MPa, valori che mediamente sono sempre inferiori di circa i 10-15% rispetto alla reale resistenza a trazione, a causa soprattutto della difficoltà di rendere sufficientemente pulita e liscia la superficie di prova in barre che possono avere un diametro relativamente piccolo come quelle in esame. Di seguito i parametri caratteristici utilizzati per la valutazione delle varie classi di acciaio potenzialmente presenti in funzione del periodo di realizzazione del manufatto: Tipo di acciaio Fe B 38 k Fe B 44 k Unità di misura N/mm 2 N/mm 2 Tensione (unitaria) di rottura a trazione > 450 > 540 Ciò premesso, l insieme dei risultati ottenuti sulle armature dei pilastri è risultato compreso nell intervallo fra MPa, valori già di per sé compatibili con acciai FeB44k. Applicando la correzione del 10% si ottengono risultati compresi fra MPa, molto simili a quelli ottenuti dalle prove di trazione. IL RELATORE Dott. S.Dondi IL DIRETTORE DEL LABORATORIO Dott.Ing. G. Russo ALLEGATI Certificazione di prova N certificato / rapporto di prova Resistenza a compressione del calcestruzzo RdP 2310/N/P del 12/11/15 Resistenza a trazione barra acciaio RdP 2311/N/P del 12/11/15 Indagine pachometrica RdP 2312/N/P del 12/11/15 Durezza acciai RdP 2313/N/P del 12/11/15 15