1. INTRODUZIONE. Marzo

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1 Esempio di indagini sperimentali eseguite per il controllo e la qualificazione meccanica del calcestruzzo in opera mediante la prova di estrazione (pull out) con l'impiego di innovativo tassello post inserito Thoro. AUTORI: Fabrizio Gara, Stefano Bufarini, Vincenzo D'Aria, Marco Foglia Laboratorio Ufficiale Prove Materiali e Strutture Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Architettura Università Politecnica delle Marche 1. INTRODUZIONE. Nel presente lavoro viene descritta una campagna di indagini sperimentali finalizzata al controllo ed alla qualificazione del calcestruzzo in opera degli elementi strutturali di edifici esistenti con struttura a telaio in c.a. L obiettivo è quello di presentare una procedura di esecuzione standardizzata della prova di estrazione (o pull out) con inserti post inseriti che, grazie all utilizzo di un tassello innovativo in corso di brevettazione, consente di eseguire la prova in modo totalmente conforme alla vigente norma UNI EN. Con questa nuova metodologia la prova non risulta affetta dalle incertezze che possono riguardare le prove eseguite con i tasselli finora utilizzati; ciò rende il pull out con tasselli post inseriti, alla pari di quello con tasselli preinglobati, una delle prove non distruttive maggiormente affidabile, da affiancare a prove distruttive quali i carotaggi, per la stima della resistenza del calcestruzzo in opera. La campagna di indagini ha interessato un complesso formato da 6 edifici con struttura a telaio in c.a. risalente agli anni 70. Gli edifici, di forma rettangolare, presentano da 2 a 5 elevazioni fuori terra ed in alcuni casi un piano interrato per una superficie utile complessiva di circa m 2. Le indagini riportate si riferiscono ad un singolo edificio di 4 elevazioni, per una superficie utile di circa 5400 m 2 ; nel dettaglio sono state svolte: A) Indagini di tipo non distruttive consistenti: o nel rilievo magnetometrico per la localizzazione delle barre di armatura; o nella determinazione della forza di estrazione di un inserto post inserito nel calcestruzzo indurito (prova di pull out); o nella misura della profondità di carbonatazione nel calcestruzzo. B) Prove a compressione su provini cilindrici prelevati mediante carotaggio. Le indagini in situ e le prove a compressione sui provini cilindrici sono state eseguite nel settembre Marzo

2 2. INDAGINI NON DISTRUTTIVE. 2.1 Rilievo magnetometrico per la localizzazione delle barre di armatura. Le stazioni di misura sono state fissate dopo avere individuato, mediante rilievo magnetometrico, la posizione delle armature longitudinali e trasversali in modo da escludere tali zone dalle aree individuate per l esecuzione della prova di estrazione. Per il rilievo è stato utilizzato un magnetometro elettronico (Foto 1) prodotto dalla Elcometer Inspection Equipment modello P331H, munito di controllo acustico e visivo per la localizzazione e la disposizione delle barre d armatura, dotato di regolare certificato di taratura. Foto Determinazione della forza di estrazione di un inserto post inserito nel calcestruzzo indurito (prova di pull out). La prova di estrazione mediante inserto post inserito è stata eseguita con l obiettivo di: o valutare l uniformità del calcestruzzo; o stimare la resistenza a compressione del calcestruzzo in opera (definita come resistenza strutturale). Per l esecuzione della prova è stato impiegato un innovativo tassello post inserito ad espansione geometrica controllata, denominato Thoro (domanda di brevetto AN2014A000141), perfettamente conforme alle caratteristiche geometriche e dimensionali (Figura 1) richieste dalla UNI EN :2005 Prove sul calcestruzzo nelle strutture Parte 3: Determinazione della forza di estrazione, norma richiamata al capitolo "Controllo della resistenza del calcestruzzo in opera" delle Norme Tecniche per le Costruzioni del Ciascun tassello è stato inserito dopo aver eseguito una perforazione del calcestruzzo con punta elicoidale al widia azionata da trapano a percussione e, successivamente, aver creato, tramite alesaggio, un adeguato allargamento del foro ad una profondità di 25 mm dalla superficie esterna dell elemento strutturale indagato. Marzo

3 Figura 1 Caratteristiche geometriche e dimensionali del tassello post inserito secondo la norma Il tassello (Foto 2) è composto da un elemento di acciaio internamente cavo, comprendente una base che presenta una filettatura esterna per consentire l'avvitamento dello stelo estrattore del martinetto oleodinamico. Al di sopra della filettatura è previsto un allargamento esterno collegato all elemento cavo per fungere da fermo corsa durante l inserimento del tassello nel calcestruzzo. La parte terminale, internamente cava e collegata all allargamento esterno, è destinata ad essere inserita nel calcestruzzo; la stessa presenta intagli longitudinali che definiscono nervature terminanti con allargamenti esterni convergenti in sommità, ottenuti mediante aumento della sezione delle nervature, e formanti una porzione troncoconica alla testa del tassello. Gli intagli longitudinali e gli allargamenti formanti la porzione troncoconica sono destinati ad essere azionati, espandendosi, da una capsula che viene inserita dentro il tassello (Foto 3). Il tassello è inoltre dotato di una rondella aperta di acciaio disposta subito prima della porzione troncoconica la cui funzione è quella di garantire una più uniforme ripartizione del carico sul calcestruzzo durante l estrazione del tassello. Foto 2 Foto 3 Per eseguire le perforazioni, facendo in modo che risultino il più possibile ortogonali alla superficie del calcestruzzo, è stata utilizzata una guida a baionetta per trapano a percussione (Foto 4 e 5). Per eseguire il successivo alesaggio della sede della testa del tassello è stata utilizzata una fresa diritta con disco diamantato (Foto 6 e 7). Collocato il tassello nel calcestruzzo all interno della foratura si è quindi provveduto all espansione geometrica controllata dello stesso mediante battitura meccanica di una capsula metallica che viene forzatamente inserita nella parte cava del tassello (Foto 8 e 9). Marzo

4 Foto 4 Foto 5 Foto 6 Foto 7 Foto 8 Foto 9 L inserimento della capsula induce l espansione controllata della testa del tassello e della rondella che si collocheranno nella sede della perforazione precedentemente realizzata mediante alesaggio. Avvitato lo stelo estrattore del martinetto oleodinamico alla base filettata del tassello (Figura 2) si è proceduto con la prova di estrazione (Foto 10 12). Sono stati eseguite complessivamente n. 72 prove e in tutti i casi sono stati estratti frammenti troncoconici regolari simmetrici conseguenti a meccanismi di rottura perfettamente conformi alle direttive della norma (Foto 13). Per le prove è stata utilizzata la seguente strumentazione: o Martinetto oleodinamico BOVIAR con portata massima pari a 20 t; o Pompa manuale BOVIAR collegata al martinetto mediante tubo idraulico ad alta pressione, dotata di manometro digitale prodotto dalla Allemano, serie PGE, con fondo scala pari a 250 bar, dotato di regolare certificato di taratura. Marzo

5 I risultati delle prove di estrazione sono stati consegnati in forma tabellare riportando: o l indicazione del piano; o l indicazione dell elemento strutturale indagato; o l altezza del punto di estrazione del tassello rispetto alla quota calpestio, per i pilastri; o la distanza del punto di estrazione del tassello rispetto all'appoggio, per le travi; o il riferimento dell elemento strutturale indagato sulle tavole planimetriche; o il riferimento alla documentazione fotografica; o i valori della forza di estrazione F, espressa in kn. Figura 2 Sezione schematica del martinetto con lo stelo estrattore avvitato al tassello Foto 10 Foto 11 Foto 12 Foto 13 Marzo

6 2.3 Misura della profondità di carbonatazione nel calcestruzzo. La misura della profondità dello strato di calcestruzzo soggetto alla reazione chimica di carbonatazione è stata eseguita direttamente sui provini cilindrici estratti dagli elementi strutturali. Come indicatore chimico è stata usata una soluzione idro alcolica di fenolftaleina all 1%. L indicatore chimico vira di colore, passando ai toni del rosso, quando il calcestruzzo è ancora in condizioni di alta basicità (ph > 9,2). Viceversa, se l indicatore conserva il suo originale stato incolore (ph < 9,2), il calcestruzzo ha subito il processo della carbonatazione e non è più in grado di mantenere le sue condizioni di passività rispetto alle barre di armatura. La misura della profondità degli strati carbonatati è stata determinata con precisione di 1 millimetro ed in accordo alla norma UNI 9944:1992 Corrosione e protezione dell armatura del calcestruzzo. Determinazione della profondità di carbonatazione e del profilo di penetrazione degli ioni cloruro nel calcestruzzo. 3. PROVE A COMPRESSIONE SU PROVINI CILINDRICI PRELEVATI MEDIANTE CAROTAGGIO DA ELEMENTI STRUTTURALI IN C. A. Per correlare i valori ottenuti dalle prove non distruttive di estrazione con valori della resistenza a compressione ricavati sperimentalmente con prove a schiacciamento, sono stati prelevati complessivamente n. 18 campioni cilindrici tramite carotaggio. I prelievi sono stati eseguiti conformemente alla norma UNI EN :2009 Prove sul calcestruzzo nelle strutture Parte 1: Carote Prelievo, esame e prova di compressione. Prima di procedere alle operazioni di carotaggio è stata individuata mediante rilievo magnetometrico la posizione delle armature longitudinali e trasversali in modo da escludere le zone con presenza di armatura dalle aree di prelievo dei provini cilindrici. Per il prelievo si è fatto uso di una macchina carotatrice prodotta dalla HILTI (Foto 14) con carotiere a diamanti impregnati avente diametro interno pari a 93 mm. Immediatamente dopo le operazioni di prelievo, i campioni sono stati marcati in modo chiaro ed indelebile e, come descritto nel paragrafo precedente, è stato eseguito il test colorimetrico per la determinazione della misura degli strati carbonatati (Foto 15). Dopo le operazioni di taglio, finalizzate ad adeguare i campioni alle caratteristiche dimensionali riportate nella norma UNI EN :2012 Prova sul calcestruzzo indurito Parte 1: Forma, dimensioni ed altri requisiti per provini e per casseforme, in laboratorio sono state eseguite le misurazioni del diametro D, dell altezza H e del peso dei provini; i rapporti tra l altezza ed il diametro (H/D) dei campioni, in questo caso pari a 1 per tutti i provini, sono stati riportati nella tabella riassuntiva dei risultati. I provini cilindrici sono poi stati sottoposti a prova di compressione (Foto 16) secondo la norma UNI EN :2009 Prove sul calcestruzzo indurito Parte 3: Resistenza alla compressione dei provini, utilizzando una pressa prodotta dalla Metro Com con portata massima di 3000 kn. Nella foto 17 viene mostrata la fase di ripristino del foro provocato dal carotaggio mediante apposito betoncino cementizio a ritiro compensato. Marzo

7 I risultati delle prove eseguite sui provini cilindrici sono stati consegnati in forma tabellare, riportando per ciascun provino: o l indicazione dell'elemento strutturale dal quale è stato estratto (contrassegno e riferimento); o il riferimento dell elemento strutturale sulle tavole planimetriche; o il peso del provino, espresso in N; o il diametro, espresso in mm; o l'altezza, espressa in mm; o la massa volumica apparente, espressa in kn/m 3 ; o il rapporto altezza/diametro (1) ; o l'area della sezione trasversale su cui agisce la forza di compressione, espressa in mm 2 ; o il carico massimo a rottura, espresso in N; o la resistenza cilindrica fc a compressione (resistenza cilindrica strutturale in opera), espressa in N/mm 2 ; o il tipo di rottura (soddisfacente o non soddisfacente); o la misura della profondità di carbonatazione nel calcestruzzo, espressa in mm. Foto 14 Foto 15 Foto 16 Foto 17 (1) La UNI EN :2009 "Prove sul calcestruzzo nelle strutture Parte 1 Carote Prelievo, esame e prova di compressione" definisce che se i rapporti preferenziali altezza/diametro sono: a) 2.0, il risultato ottenuto della resistenza deve essere paragonata alla resistenza cilindrica (quindi Rc = fc/0,83); b) 1.0, il risultato ottenuto della resistenza deve essere paragonato alla resistenza cubica (quindi fc = Rc). Marzo

8 4. STIMA DELLA RESISTENZA A COMPRESSIONE DEL CALCESTRUZZO IN OPERA. La stima della resistenza del calcestruzzo in opera (definita resistenza strutturale) è stata valutata determinando la correlazione di tipo sperimentale esistente tra i valori della resistenza a compressione dei provini cilindrici fc (2) ed i valori della forza di estrazione F, ottenuti eseguendo le due tipologie di prove in punti vicini dello stesso elemento strutturale. Nella figura 3 viene riportata l'elaborazione eseguita con il programma Excel, che ha permesso di determinare la linea di tendenza, la relativa equazione nel piano fc F ed il valore R 2 (coefficiente di determinazione). Il valore elevato del coefficiente di determinazione e la constatazione che tutte le prove hanno fornito un esito attendibile dimostrano che la resistenza a compressione del calcestruzzo in opera può essere stimata con buona affidabilità tramite la prova non distruttiva di estrazione (pull out), se eseguita in modo conforme alla norma. Nel caso presentato i valori della resistenza cilindrica del calcestruzzo in opera, fc stimata, relativi ai diversi elementi strutturali indagati con la prova di pull out, sono stati stimati mediante l equazione: fc stimata (N/mm 2 ) = 0,8937 F Resistenza a compressione fc (N/mm²) y = 0,8937x R 2 = 0, Forza di estrazione F (kn) Figura 3 Risultati sperimentali e linea di tendenza (2) I valori della fc sono riferiti alle prove a compressione eseguite su provini cilindrici aventi rapporto H/D = 1. Marzo