UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II SCUOLA POLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE DIPARTIMENTO DI STRUTTURE PER L'INGEGNERIA E L'ARCHITETTURA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA Abstract VALUTAZIONE SPERIMENTALE DI PILE DA PONTE IN CALCESTRUZZO ARMATO CORROSE Relatori Ch.mo Prof. Ing. Andrea Prota Candidato Gianpiero Lepore Ch.mo Prof. Ing. Gian Piero Lignola Matr. M56/288 Correlatore Ing. Antonio Bossio ANNO ACCADEMICO 2015/16
Abstract L azione degli agenti atmosferici ha generato, nel tempo, condizioni tali da mostrare, negli ultimi decenni, la vulnerabilità del calcestruzzo armato; intaccando la fama di eternità che negli anni si era venuta a creare. L elevata incidenza di questo evento, ha fatto crescere l interesse per il degrado delle strutture, inteso come la perdita delle prestazioni iniziali a seguito di eventi lenti correlati all ambiente aggressivo per effetto di agenti naturali e artificiali. La corrosione delle armature rappresenta una delle più pericolose e invasive cause del rapido e imprevedibile processo di degrado del calcestruzzo armato, che non può quindi più essere considerato un materiale inalterabile di durata illimitata. A tal proposito, questo lavoro di tesi si inquadra all interno di un progetto di ricerca del DI.ST., che ha come obiettivo quello di determinare gli effetti che la corrosione delle armature causa sulle strutture realizzate in calcestruzzo armato in termini di perdita di capacità portante. In particolare il presente elaborato è volto all interpretazione del comportamento di pile da ponte cave realizzate in scala (1:3), che corrispondono nella realtà a colonne aventi un diametro di 1,80 m e un altezza di circa 8,00 m, e soggette al fenomeno della corrosione. Tale fenomeno si manifesta principalmente in seguito ad un attacco da ioni cloruro, il quale provoca una corrosione localizzata (pitting corrosion); o in presenza di carbonatazione, quando la soluzione nei pori del calcestruzzo passa da un PH>13 a un PH<9 distruggendo il film protettivo delle armature. Le pile da ponte, oggetto di studio, sono: due pile circolari cave, una con unico registro di armatura (P12) e l altra con doppio registro (P13), e una pila scatolare con doppio registro di armatura (P14). Figura 1. Sezioni delle pile È bene osservare, dalla figura 1, il decentramento della P12, verificatosi, durante la fase di getto della pila, inseguito ad uno spostamento della cassaforma a causa di una elevata pressione del calcestruzzo. Questo errore di esecuzione ha cambiato completamente la 1
geometria della sezione azzerando il copriferro da un lato e raddoppiandolo dall altro. Le pile sono state sottoposte ad un processo di ageing, un processo di corrosione accelerata. In particolare per simulare una corrosione da ioni cloruro sono state realizzate, alla base dei fusti delle pile, dei recipienti in laterizio riempiti con una soluzione di cloruro di sodio (NaCl) simulante acqua di mare; e le barre da corrodere, cerchiate in rosso in figura 1, sono state sottoposte ad una corrente tale da indurre una corrosione di 200 µm/anno. La strumentazione adottata per l esecuzione delle prove può distinguersi in: carico verticale, costituita da un sistema di trefoli precompressi, atta ad applicare un carico assiale costante durante la prova; carico orizzontale costituita da un attuatore elettroidraulico, avente capacità in fase di spinta di 500 kn e in fase di tiro di 300 kn; e monitoraggio costituita da potenziometri lineari. La prova ciclica è stata condotta effettuando 3 cicli di carico per ogni livello di drift. Inoltre è importante specificare che l azione di spinta del attuatore è tale da indurre la compressione delle armature corrose. A valle delle prove cicliche, per analizzare la risposta comportamentale delle pile, sono stati realizzati i diagrammi forza-spostamento e gli istogrammi forza-drift, dai quali è stato possibile identificare importanti effetti della corrosione: comportamento asimmetrico delle pile e differenza di resistenza tra i cicli positivi e negativi. È stata definita la capacità tagliante degli elementi con il modello UCSD di Priesley. La particolarità di tale modello consiste nel valutare la capacità a taglio in funzione della duttilità di spostamento per tener conto del fatto che con l aumentare delle deformazioni, le fessure si amplificano e i meccanismi di trasferimento dello sforzo tagliante nel calcestruzzo diminuiscono a causa della perdita di connessione fra gli aggregati. La capacità tagliante totale è somma delle aliquote riconducibili alla resistenza del calcestruzzo, a quella delle armature trasversali e al contributo da considerare in caso di presenza di sforzo assiale. L elaborazione è stata condotta considerando diversi livelli di corrosione, intesi come una riduzione del 10%, 20% e 30% del diametro delle staffe. Dunque, sono stati ottenuti vari domini della capacità tagliante e confrontati con il dominio della capacità flessionale al fine di stabilire il tipo di rottura degli elementi. Nello specifico si è visto che in assenza di corrosione delle armature trasversali le pile P13 e P14 manifestano una rottura di tipo duttile; viceversa per un determinato consumo di area delle staffe (10% per la P13 e 20% per la P14), si evince l interazione tra la capacità tagliante e flessionale, il che comporta una crisi di tipo mista o fragile. Per la pila P12, invece, l interazione delle capacità si verifica già in 2
assenza di corrosione. La conferma del secondo tipo di crisi (mista o fragile) è stata ottenuta osservando, innanzitutto, le inclinazioni delle fessure formatesi sulle pile, che si aggirano intorno ai 45 (tipiche di crisi a taglio); e in seguito analizzando i contributi dello spostamento. Di fatti all aumentare del livello di drift è stato riscontrato un aumento dell aliquota tagliante, il che preannuncia una rottura di tipo mista o fragile. A titolo di esempio si riporta l istogramma spostamento-drift (relativo alla pila P12) che mostra i valori dei vari contributi in funzione del livello di drift e l aumento del contributo tagliante. Infine è stata condotta un analisi al fine di descrivere il comportamento teorico delle pile. I risultati ottenuti dall analisi, espressi attraverso il diagramma Forza-spostamento, sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla prova ciclica (Figure 5 e 6). Dal confronto si è visto che l andamento teorico si discosta poco da quello ricavato sperimentalmente, garantendo un affidabilità dei dati acquisiti durante i test e utilizzati per le elaborazioni. La corrosione delle armature costituisce un reale e attuale problema che affligge molte strutture esistenti in calcestruzzo armato, anche opere di elevata utilità come le pile da ponte. Nello specifico dai risultati ottenuti si è visto che il fenomeno corrosivo ha comportato: una perdita di resistenza tra i cicli di un i-esimo livello di drift, una riduzione della capacità tagliante e un comportamento asimmetrico delle pile. Inoltre dal confronto tra la capacità tagliante e quella flessionale si è evinto che è sufficiente un minimo consumo dell area delle staffe (10% per la P13; 20% per la P14) per ottenere un cambiamento di crisi, da duttile a fragile. I viadotti in c.a. sono sensibili al fenomeno della corrosione, soprattutto dopo molti anni dalla loro realizzazione e necessitano quindi di una totale revisione e ristrutturazione con interventi di recupero mirati al ripristino della capacità strutturale. Tuttavia il fenomeno della corrosione è spesso sottovalutato sia per mancanza di sensibilità degli attori del processo costruttivo sia per un tornaconto economico, spesse volte irrisorio, se confrontato ai costi di ripristino di strutture non adeguatamente protette e/o mantenute. Figura 2 Capacità flessionale e tagliante; pile P12 e P13 3
Figura 3 Capacità flessionale e tagliante; pila P14 Figura 4. Istogramma δ-drift; pila P12 Figura 5. Diagramma F-δ teorico; pila P12 e P13 Figura 6. Diagramma F-δ teorico; pila P14 4