Indagini sperimentali sulla variabilità della resistenza del calcestruzzo negli elementi strutturali di edifici esistenti in c.a.

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1 Indagini sperimentali sulla variabilità della resistenza del calcestruzzo negli elementi strutturali di edifici esistenti in c.a. Angelo Masi 1, Mauro Dolce 1, Leonardo Chiauzzi 1, Domenico Nigro 1, Maurizio Ferrini 2 1 DiSGG, Università di Basilicata 2 Regione Toscana SOMMARIO La pianificazione dell'indagine conoscitiva sulle proprietà del calcestruzzo negli edifici esistenti richiede, oltre alla scelta dei metodi di prova più idonei, che vengano decise la localizzazione ed il numero di punti di misura necessari per valutare, con adeguata accuratezza e rappresentatività, le effettive caratteristiche del materiale in-situ. Per fornire un contributo su tale questione nel presente lavoro vengono presentati ed analizzati alcuni risultati di un ampio programma sperimentale, condotto nel laboratorio del DiSGG dell Università della Basilicata, relativo ad elementi estratti da un edificio in c.a. degli anni 5 e sottoposti ad indagini distruttive e non distruttive. I risultati ottenuti, relativi ad un elemento trave, hanno evidenziato l esistenza di una limitata variabilità lungo lo sviluppo dell elemento dei valori di indice sclerometrico e velocità ultrasonica misurata per trasparenza, mentre una variabilità più significativa mostra la resistenza delle carote estratte. Oltre alla intrinseca variabilità delle proprietà meccaniche e delle condizioni del materiale, nonché all influenza delle caratteristiche del metodo di prova utilizzato, si è rilevata l esistenza di una dipendenza tra l andamento delle caratteristiche di sollecitazione preesistenti nell elemento e la distribuzione delle resistenze. Ciò segnala l opportunità di individuare zone preferenziali, all interno degli elementi strutturali, nelle quali localizzare i punti di misura per la stima della resistenza in-situ. Introduzione L Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n del 2 marzo 23 [1], nonché la sua versione aggiornata, OPCM n del 3 maggio 25 [2], hanno introdotto forti elementi di novità nel campo della valutazione degli edifici esistenti. Il Capitolo 11 delle Norme tecniche per il progetto, la valutazione e l adeguamento sismico degli edifici, allegate alla OPCM 3431, tratta specificamente gli edifici esistenti evidenziando il ruolo della valutazione come elemento imprescindibile in un corretto processo di progettazione dell intervento di riabilitazione di un edificio, coerentemente con quanto prevedono altre norme internazionali sul tema [3, 4]. Un ruolo cruciale nella valutazione degli edifici esistenti in cemento armato è svolto dalla resistenza a compressione del calcestruzzo, la cui stima, presentando oggettive difficoltà di carattere tecnico, logistico ed economico, richieste l adozione di specifiche procedure. A tale scopo possono essere utilizzate prove distruttive e non distruttive. Nelle norme [2] vengono fornite alcune indicazioni per quanto riguarda le indagini da svolgere sul calcestruzzo, tra le quali: la misura delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo si ottiene mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove di compressione fino a rottura; 1

2 sono ammessi metodi di indagine non distruttiva di documentata affidabilità, che non possono essere impiegati in completa sostituzione di quelli distruttivi, ma sono consigliati a loro integrazione, purché i risultati siano tarati su quelli ottenuti con prove distruttive; vanno adottati metodi non distruttivi che limitino l influenza della carbonatazione degli strati superficiali sui valori di resistenza del calcestruzzo. Riguardo all entità delle indagini da svolgere, essa dipende essenzialmente dal livello di conoscenza che si vuole acquisire della struttura, che può essere limitata (LC1), adeguata (LC2), esaustiva (LC3). Vanno prelevati 1, 2 o 3 provini di calcestruzzo, rispettivamente per LC1, LC2 e LC3, per ogni elemento primario (trave, pilastro, ), per ogni piano e per ogni 3 m 2 di piano dell edificio. Peraltro, nelle norme si precisa che le suddette quantità hanno valore indicativo e vanno adattate ai singoli casi, tenendo conto dei seguenti aspetti: ai fini delle prove sui materiali è consentito sostituire alcune prove distruttive, non più del 5%, con un più ampio numero, almeno il triplo, di prove non distruttive, singole o combinate, tarate su quelle distruttive; il numero di provini da estrarre e sottoporre a prove di resistenza potrà esser variato, in aumento o in diminuzione, in relazione alle caratteristiche di omogeneità del materiale. Nel caso del calcestruzzo in opera tali caratteristiche sono spesso legate alle modalità costruttive tipiche dell epoca di costruzione e del tipo di manufatto, di cui occorrerà tener conto nel pianificare l indagine. Sarà opportuno, in tal senso, prevedere l effettuazione di una seconda campagna di prove integrative, nel caso in cui i risultati della prima risultino fortemente disomogenei. Emerge chiaramente come un aspetto fondamentale nella pianificazione ed esecuzione della campagna di indagini per la stima delle caratteristiche del materiale sia costituito dal campionamento, ossia dalla scelta del numero e della localizzazione (sia nella struttura che nei singoli elementi) dei punti di misura. Esso dovrà essere rappresentativo dello stato complessivo dell edificio indagato, pertanto più la struttura è eterogenea e più accurate ed approfondite dovranno essere le indagini [5]. Per quanto riguarda la distribuzione delle prove nella struttura, può essere utile individuare ambiti omogenei sulla base di prove non distruttive e poi effettuare in maniera mirata le prove distruttive. L efficacia di questo approccio è condizionata dalla distribuzione delle proprietà del calcestruzzo all interno dei singoli elementi strutturali, distribuzione che può presentare una consistente variabilità per diversi fattori. Nella scelta della localizzazione dei punti nell elemento, andrebbero evitate quelle zone ove il calcestruzzo ha tipicamente caratteristiche diverse da quelle medie come si verifica, ad esempio, in corrispondenza della sommità dei pilastri. Tipicamente la resistenza varia lungo l altezza, in particolare nei pilastri può verificarsi una riduzione del 2-3% passando dalla base alla sommità, per cui è opportuno effettuare le misure a circa metà altezza. Inoltre, anche l andamento delle sollecitazioni può determinare tassi di lavoro fortemente variabili negli elementi e, dunque, stati di fessurazione con riduzione della resistenza locale valutata nei test di laboratorio. Per fornire un contributo a tale questione nel presente lavoro vengono presentati ed analizzati i risultati di una attività sperimentale, condotta nel laboratorio del DiSGG 2

3 dell Università della Basilicata, costituita da prove distruttive e non distruttive su un elemento trave estratto da un edificio in c.a. degli anni 5. Metodi di indagine Per la stima della resistenza in situ sono disponibili metodi di indagine di tipo distruttivo, che implicano cioè asportazione localizzata di materiale (carotaggio), e non distruttivo (sclerometro, ultrasuoni, metodo combinato Sonreb). Il metodo sclerometrico è regolamentato dalla norma UNI EN [6]. Il metodo consiste nel misurare l altezza di rimbalzo di una massa battente d acciaio contro la superficie dell elemento da saggiare. È importante considerare che il risultato della prova è legato essenzialmente alla durezza dello strato superficiale, per cui non è lecito correlarlo in modo diretto con le altre proprietà del materiale. Nonostante tale limitazione, l indice sclerometrico, proporzionale all altezza di rimbalzo, viene correlato alla resistenza a compressione del calcestruzzo mediante curve in dotazione allo strumento o opportunamente ottenute [7]. Il metodo ultrasonico è regolamentato dalla norma UNI EN [8]. Esso si basa sulla misura della velocità di propagazione delle onde ultrasoniche all interno di un elemento e la successiva correlazione di questi dati con la resistenza a compressione del materiale. Le letture possono essere effettuate in diversi modi legati alla disposizione relativa dei due trasduttori ricevente e trasmittente, ossia per trasparenza, d angolo e superficiali [5]. Il modo più corretto, quindi da utilizzare laddove è possibile, è quello per trasparenza, cioè con i due trasduttori disposti in contrapposizione su due superfici tra loro parallele. Esiste una relazione teorica tra proprietà del materiale e velocità di propagazione delle onde ultrasoniche nel caso di materiali elastici, isotropi ed omogenei, mentre nel caso del calcestruzzo da c.a., tale relazione è influenzata da numerosi parametri, tra i quali il rapporto acqua/cemento, il contenuto di umidità, l età, lo stato di sollecitazione, la presenza di armature. Questo significa che non è possibile mettere a punto ed adoperare relazioni resistenza-velocità di carattere generale che non tengano conto delle specifiche caratteristiche del calcestruzzo in esame, come sottolineato in numerose norme internazionali (ad es. [9]). Il carotaggio, la cui esecuzione è regolamentata dalla norma UNI EN [1], è il metodo di tipo distruttivo più diffuso, in quanto consente di determinare la resistenza del conglomerato in maniera analoga a quella adottata per i campioni standard. Come già detto precedentemente, ed ancor più nel caso dei carotaggi per il loro carattere fortemente invasivo, particolare attenzione va riservata alla scelta dei punti da cui estrarre le carote. In generale i prelievi vanni effettuati in maniera casuale, senza privilegiare zone particolari, in modo tale da poter ritenere i risultati ottenuti, statisticamente rappresentativi delle proprietà del materiale dell intera struttura. Qualora si ritenesse necessario privilegiare zone particolari, ad esempio laddove il calcestruzzo si presenta particolarmente degradato o di scarsa qualità, si dovrebbero individuare diversi ambiti omogenei, mantenendo i risultati relativi alle diverse zone separati tra loro. Nell ambito dei singoli elementi, vanno scelte le zone meno sollecitate nell'ambito dell'elemento strutturale, e il prelievo deve essere preceduto da accurate rilevazioni pacometriche, in modo da individuare ed evitare le barre di armatura (almeno quelle principali). 3

4 Descrizione della sperimentazione La sperimentazione descritta nel presente lavoro è relativa ad un elemento trave di sezione 4x62 cm, proveniente da un edificio scolastico, in corso di demolizione, realizzato negli anni 5 nel comune di Aulla in Toscana. Fig. 1 - Schema della struttura con posizione dell elemento prelevato La sperimentazione, svolta presso il Laboratorio di Strutture dell Università di Basilicata e parzialmente finanziata dalla Regione Toscana, ha previsto una serie di prove distruttive (carotaggi) e non distruttive (sclerometro ed ultrasuoni) in numerosi punti distribuiti lungo l elemento. Prima delle prove, al fine di individuare ed evitare le armature longitudinali e trasversali presenti nella trave, sono state effettuate accurate rilevazioni pacometriche. Per localizzare i punti di misura sulla superficie laterale dell elemento è stato tracciato un reticolo di riferimento, individuando una serie di riquadri all interno dei quali sono state effettuate le misure. Sono stati individuati due allineamenti per complessivi 26 riquadri su ogni faccia dell elemento, in modo da far corrispondere in modo speculare i punti di prova sulle due facce parallele (figg. 2, 3). L indagine con lo sclerometro ha previsto 12 battute per ogni riquadro. Eliminando dalla serie il valore massimo e minimo si è calcolato l indice sclerometrico medio sulle restanti dieci battute. Questo valore è stato attribuito al rispettivo riquadro. Successivamente, sono state realizzate le prove ultrasoniche (con trasduttori da 5 khz) per ogni riquadro, in punti che non si sovrapponessero all armatura trasversale. Il valore di velocità ottenuto (media di almeno tre letture all interno di ogni riquadro) è stato riferito al riquadro analizzato. Le prove ultrasoniche sono state condotte sia per trasparenza che in modo indiretto (superficiale), in questo caso il valore riscontrato è stato riferito al riquadro collocato tra i due trasduttori. Infine sono stati effettuati i carotaggi lungo lo sviluppo dell elemento realizzando, ove possibile, un prelievo in ogni riquadro (fig. 4). 4

5 Fig. 2 - Foto della trave sperimentata Fig. 3 - Riquadri di riferimento con posizione dei punti di misura I risultati ottenuti dalle prove e riferiti ai singoli riquadri sono stati raccolti in due gruppi relativi alle zone superiore ed inferiore dell elemento, come mostrato in figura 5, e considerando solo i riquadri in cui sono stati ottenuti sia i valori delle prove non distruttive che di quelle distruttive. Entrambi i gruppi di risultati sono costituiti da 1 valori. Fig. 4 Foto dei carotaggi Figura 5 Posizione dei punti di misura 5

6 Risultati Riferendosi agli schemi delle figure 3 e 5, nelle figure 6-9 si riportano i grafici relativi alla distribuzione dei risultati delle prove distruttive e non distruttive effettuate lungo l elemento, separati per le parti superiore ed inferiore, insieme ai valori medi globali. Velocità ultrasuoni (trasparenza) [m/s] V_sup 1 V_inf 5 V_media Fig. 6 Velocità ultrasuoni (trasparenza) 4 Velocità ultrasuoni (superficiale) [m/s] Vs_sup 5 Vs_inf Vs_media Fig. 7 - Velocità ultrasuoni (superficiale) 4 Indice sclerometrico S_sup S_inf S_medio Resistenza cilindrica carote [MPa] fc_sup fc_inf fc_media Fig. 8 Indice sclerometrico Fig. 9 - Resistenza cilindrica carote L andamento dei valori mostra una limitata variabilità per l indice sclerometrico (fig. 8) ed, ancor più, per la velocità ultrasonica misurata per trasparenza (fig. 6), mentre una significativa variabilità emerge per la resistenza delle carote (fig. 9) e per la velocità superficiale (fig. 7). Ciò trova conferma anche esaminando i risultati delle statistiche elementari riportati in tabella 1, che mostrano valori del Coefficiente di Variazione (CV) dell ordine del 2% per i carotaggi, e variabili nell intervallo 18-36% per le velocità superficiali. Metodo Campione Valore medio CV (%) S_sup Sclerometro S_inf V_sup V_inf Ultrasuoni Vs_sup Vs_inf fc_sup Carotaggi fc_inf Tabella 1 - Statistiche principali 6

7 Al contrario, i risultati in tabella 1 mostrano valori medi praticamente coincidenti tra le zone inferiore e superiore per l indice sclerometrico (S), la velocità per trasparenza (V) e la resistenza delle carote (fc), mentre una limitata differenza si rileva per la velocità superficiale (Vs). Una certa dispersione nei risultati delle misure appare fisiologica in considerazione della intrinseca variabilità delle proprietà meccaniche e delle condizioni del materiale, nonché per le caratteristiche dei metodi di prova utilizzati. D altra parte va sottolineato come, ai fini della stima della resistenza di calcolo del calcestruzzo da adottare nella valutazione delle strutture esistenti, la significativa variabilità dei valori di fc lungo l elemento pone degli interrogativi rilevanti. Nel caso in esame la sperimentazione interessa l elemento in tutto il suo sviluppo, per cui è possibile individuare eventuali valori anomali e stimare il valore di interesse in termini medi. Al contrario, nelle situazioni reali, in cui si dispone in genere di un solo punto di misura per ogni elemento analizzato, il risultato ottenuto potrebbe non essere rappresentativo delle proprietà medie. Ad esempio emerge una forte differenza tra il minimo assoluto della resistenza delle carote (14.13 MPa), ed il massimo assoluto (33.65 MPa), con scarti percentuali, rispetto alla media di tutti i valori (22.51 MPa), pari, rispettivamente, al -37% ed al +49%. I risultati delle prove sclerometriche, per quanto siano influenzati in modo significativo dalla condizione superficiale dell area indagata, mostrano una differenza più piccola tra il minimo (26) ed il massimo (37),con scarti percentuali, rispetto alla media di tutti i valori (32), pari, rispettivamente, al -19% ed al +16%. Analogamente per i valori di velocità misurata per trasparenza, si ottengono un minimo (3771) ed un massimo (429), con scarti percentuali, rispetto alla media di tutti i valori (42), pari, rispettivamente, al -6% ed al +7%. Vanno considerati con particolare attenzione gli errori in eccesso in quanto porterebbero a sovrastimare la resistenza del calcestruzzo in situ. Gli andamenti di Vs e di fc fanno ritenere che una significativa influenza sui risultati possa derivare dal quadro fessurativo presente nella trave, sia come conseguenza dei differenti tassi di lavoro determinati dalla distribuzione disuniforme delle sollecitazioni lungo l elemento (microfessurazione), quanto della presenza di fessure singolari di entità rilevante (fig. 1). In fig. 1 è riportata la sezione longitudinale della trave con evidenziata la parte che si sta esaminando ed il diagramma del momento flettente da carichi verticali che si può ritenere fosse presente in esercizio. Le figure 11 e 12, disposte in continuità con la figura 1, mostrano l andamento qualitativo delle misure (i valori di velocità in m/s sono stati divisi per 1 per esigenze di scala), rispettivamente nelle zone superiore ed inferiore, allo scopo di evidenziare la presenza di valori anomali da addebitare all andamento del momento flettente e/o delle fessure. La fig. 12 mostra chiaramente una significativa riduzione dei valori di Vs nella zona inferiore interessata dai valori maggiori del momento flettente positivo. Le fessure causate dal momento flettente si sviluppano trasversalmente all asse della trave dunque interferiscono significativamente con la propagazione delle onde nel caso di misure superficiali, mentre non interferiscono nelle misure per trasparenza. Per quanto riguarda i carotaggi, quando la direzione di prelievo della carota è diretta parallelamente al piano di fessurazione, come nel caso in esame e come avviene normalmente nelle indagini in situ, le fessure presenti, parallele alla direzione principale di 7

8 compressione nella successiva prova di laboratorio, possono portare a valori della resistenza ridotti e condizionati dall entità della fessurazione (fig. 13). Figura 1 - Andamento del momento flettente da carichi verticali S, V/1, Vs/1, fc S_sup V_sup/1 Vs_sup/1 fc_sup Figura 11 - Distribuzione dei risultati delle prove nella zona superiore S, V/1, Vs/1, fc S_inf V_inf/1 Vs_inf/1 fc_inf Figura 12 - Distribuzione dei risultati delle prove nella zona inferiore 8

9 In conclusione, i risultati ottenuti hanno evidenziato l esistenza di una limitata variabilità lungo lo sviluppo dell elemento dei valori di indice sclerometrico e velocità ultrasonica misurata per trasparenza, mentre una variabilità più significativa mostra la resistenza delle carote estratte. Non sono emerse significative differenze tra i valori misurati nelle zone superiore ed inferiore della trave. Oltre alla intrinseca variabilità delle proprietà meccaniche e delle condizioni del materiale in-situ, è emersa l esistenza di una dipendenza tra l andamento delle caratteristiche di sollecitazione preesistenti nell elemento e la distribuzione delle resistenze. Ciò rafforza l esigenza di posizionare attentamente i punti di misura all interno degli elementi strutturali, collocandoli nelle zone meno sollecitate dai carichi statici, non danneggiate, e rappresentative delle condizioni medie del materiale insitu (ad es. a metà altezza nei pilastri). Figura 13 Influenza del quadro fessurativo sul valore dei carotaggi Bibliografia 1. OPCM Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri del 2 marzo 23 Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica, G.U. 8/5/ OPCM Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri del 3 maggio 25 Ulteriori modifiche ed integrazioni all ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n del 2 marzo 23, G.U. 1/5/ FEMA. NEHRP Commentary on the Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 274, Washington D.C., October CEN. Eurocode 8 - Design of structures for earthquake resistance - Part 3: Assessment and retrofitting of buildings (draft n. 6), pren , Brussels, A. Masi. La stima della resistenza del calcestruzzo in situ mediante prove distruttive e non distruttive, Il Giornale delle prove non distruttive, n. 1, UNI EN Prove non distruttive - Determinazione dell indice sclerometrico, dicembre Malhotra V. Mohan, Handbook on Nondestructive Testing of Concrete, Minister of Supply and Services Canada,

10 8. UNI EN Parte 4: Determinazione della velocità di propagazione degli impulse ultrasonici, gennaio ACI Committee 228. In Place Methods to Estimate Concrete Strength, ACI 228-1R-98, American Concrete Istitute, Farmington Hills, MI, UNI EN Carote Prelievo, esame e prova di compressione, aprile 22. 1