Analisi e controllo dei pali (parte seconda)

Analisi e controllo dei pali (parte seconda) Ing. C. Menta TEKNE S.R.L.

Difetti riscontrabili nei pali www.ulrichengineers.com Intrusioni di fango durante il getto del cls Discontinuità lineari Cavità isolata Segregazione del cls Sezioni irregolari 2

Rotture per sisma Rottura per sisma (www.testconsult.co.uk) Rottura per sisma (www.kenken.go.jp) Rottura per sisma (www.kenken.go.jp) 3

Metodologie e tecniche di controllo Metodologie dirette (distruttive) Carotaggio del palo Metodologie indirette Prova ecometrica Ultrasuoni (Cross-Hole) Ammettenza meccanica 4

Carotaggio del palo Il carotaggio del palo viene eseguito lungo l asse longitudinale della struttura, è un metodo distruttivo con asportazione de materiale dall elemento strutturale indagato. Ovviamente, il carotaggio produce dei danni sulla struttura sia per l asportazione del calcestruzzo si per il taglio dei ferri di armatura incontrati nel suo percorso lungo il fusto del palo. La tecnica per l estrazione delle carote dai pali è la stessa utilizzata per l estrazione di carote da altri elementi in calcestruzzo. Per l esecuzione di tali carotaggi si usano generalmente delle perforatrici elettriche con delle aste di prolunga per il carotaggio continuo. Il carotaggio è un metodo distruttivo ma a volte è necessario eseguirlo: In caso di contenziosi per verificare la lunghezza del palo; Per estrarre campioni da sottoporre a prove di schiacciamento; Per la taratura dei metodi indiretti; Per l installazione post-opera dei tubi per la Cross-Hole.

Ammettenza meccanica Definizione La prova si basa sulla misura dell impedenza meccanica della struttura sottoposta a vibrazioni armoniche e permette di analizzare l interazione tra il palo ed il terreno in cui è immerso (rigidezza e smorzamento del sistema palo-terreno). Questa prova permette inoltre di ricostruire la geometria del palo (lunghezza, area della sezione, ) di verificare la presenza di soluzioni di continuità strutturali e di stimare il fattore di punta ed il cedimento elastico del palo, analizzando le modalità di vibrazione quando esso viene sollecitato con un impulso meccanico lungo il suo asse maggiore. 6

Principi del metodo di prova La metodologia consiste nel sollecitare con un apposito martello la parte sommitale del palo e nel registrare mediante un accelerometro il segnale riflesso. L onda di pressione, generata dal martello, contiene un ampio spettro di frequenze le quali vengono modificate e smorzate prima di essere riflesse dalla base del palo e successivamente registrate dall accelerometro. Possibili fonti di riduzione dell ampiezza del segnale sono dovute a: Assorbimento del materiale costituente il palo e direttamente legato al suo diametro; Assorbimento del terreno in contatto con il palo; Variazione dell omogeneità del palo e delle caratteristiche stratigrafiche del terreno. 7

Ogni riflessione delle onde è determinata da una variazione dell impedenza del palo. L impedenza (Z) riflette molte caratteristiche del sistema palo-terreno ed è principalmente legata all area (A) del palo, alla densità (ρ), al modulo di elasticità (E), nonché alla velocità delle onde longitudinali (Vp) del palo attraverso alcune formule. Mediante l elaborazione dei segnali della forza, F, e della velocità, V, attraverso la trasformata di Fourier, è possibile ottenere la curva dell ammettenza (o mobilità), dall analisi della quale si può risalire alla lunghezza dei pali ed avere indicazioni sulla forma degli stessi. Attraverso l elaborazione, con programma dedicato, è possibile disegnare le tre curve della velocità misurata, della velocità e della forza calcolata, in funzione del tempo e della grandezza L/c, nonché il profilo d`impedenza modellato e relativo alla successione delle sezioni trasversali del palo e lacurva dell ammettenza. 8

L apparecchiatura di prova E composta da una centralina d acquisizione dati, da un personal computer portatile, da un martello strumentato con un accelerometro e testa in nylon e da un accelerometro ricevitore. Per la corretta esecuzione della prova, è necessario scapitozzare la parte superiore del palo, in modo da eseguire la prova sperimentale direttamente sulla testa pressoché spianata. Successivamente, si ripulisce la superficie del palo, in modo da avere un area sufficientemente libera da materiale e perpendicolare al palo. In quest area viene collocato il sensore (accelerometro) e viene battuto il colpo con il martello strumentato in dotazione. Il sensore è pressato con la mano sulla testa del palo da investigare, utilizzando un opportuna pasta accoppiante che consente di rilevare i segnali in una banda di frequenze.. 9

Elaborazione dei dati L elaborazione dei dati acquisiti viene eseguita calcolando la funzione di ammettenza meccanica del palo, nel dominio del tempo o della frequenza. Tale ammettenza viene definita, nel dominio della frequenza, come il rapporto fra la velocità dell onda eco riflessa dalla struttura del palo (calcolata dall integrazione dell accelerazione misurata dal secondo sensore accelerometrico), e la forza indotta dalla battuta del martello (calcolata dal prodotto della massa del martello per l accelerazione misurata dal primo sensore accelerometrico). Si dimostra che, in un palo integro la funzione di ammettenza meccanica, nel dominio della frequenza, presenta dei picchi di ammettenza equidistanti e che dalla loro misura si può calcolare la lunghezza del palo. In un palo difettato si presentano picchi secondari, fra loro equidistanti e dalla cui distanza si può calcolare la misura del difetto dalla testa del palo.. 10

Palo integro Associazione dei Geologi della Provincia di Siracusa 11

Palo difettato Associazione dei Geologi della Provincia di Siracusa 12

Strumentazione utilizzata Ripulitura area e preparazione sonde Acquisizione dati Restituzione dati 13

Prove ecometriche La tecnica d analisi si fonda sullo studio della propagazione di impulsi di vibrazione meccanica, lungo una serie di traiettorie, all interno della struttura da analizzare. Tale metodologia si basa sul principio che nel calcestruzzo di buone caratteristiche meccaniche, integro, omogeneo e compatto, si hanno velocità di propagazione degli impulsi di vibrazione e caratteristiche di attenuazione definite. Se lungo una o più traiettorie in esame o in prossimità di esse, si ha la presenza di calcestruzzo dilavato, di vespai, di intrusioni di materiale sciolto o disomogeneità ecc., si ha localmente un decadimento delle caratteristiche di trasmissione degli impulsi di vibrazione, rispetto al valore che questo assume nelle zone di calcestruzzo regolare. L emissione degli impulsi di vibrazione avviene per mezzo di un martello e la ricezione tramite un sensore collocato sulla testa del palo. 14

Prove ecometriche Con l esecuzione di tale prova si rileva la lunghezza e/o il comportamento del palo, a seguito della sollecitazione prodotta dal colpo di martello, ma non fornisce dati quantitativi sulla sezione del palo. L onda d urto, generata dalla battuta del martello sull estremità superiore del palo, si propaga con una velocità compresa, in genere per i pali gettati in opera, tra 3500 e 4000 m/sec ed è legata alla qualità del cls. L onda, giunta alla base del palo, viene parzialmente riflessa verso l alto e rilevata dall accelerometro posto sulla testa del palo. La risposta del palo viene presentata sotto forma di un segnale riportato su un diagramma tempo-velocità, dalla cui analisi è possibile evincere anche la presenza di eventuali difetti. 15

Prove ecometriche L onda d urto, generata dalla battuta del martello sull estremità superiore del palo, si propaga con una velocità compresa, in genere per i pali gettati in opera, tra 3500 e 4000 m/sec ed è legata alla qualità del cls. L onda, giunta alla base del palo, viene parzialmente riflessa verso l alto e rilevata dall accelerometro posto sulla testa del palo. La risposta del palo viene presentata sotto forma di un segnale riportato su un diagramma tempo-velocità, dalla cui analisi è possibile evincere anche la presenza di eventuali difetti. 16

Apparecchiatura di prova Le prove sono state eseguite mediante l apparecchiatura elettronica portatile munita di un martello (emette la sollecitazione impulsiva prodotta dal colpo meccanico) e di un accelerometro (riceve il segnale emesso dal martello e lo trasferisce alla centralina). La centralina computerizzata registra il segnale solo quando viene prodotto il giusto impulso di scatto, che corrisponde alla netta sollecitazione della battuta del martello. I dati e quindi i diagrammi ottenuti vengono successivamente registrati dall operatore e poi riportati su PC, per l elaborazione e la restituzione grafica. La centralina elettronica digitale, che consente l acquisizione, l elaborazione e la visualizzazione del segnale, è caratterizzata da una frequenza di campionamento pari a 40 khz ed è dotata di un software interno che elabora il segnale acquisito e lo visualizza sul display, consentendo all operatore di accertare la qualità del segnale rilevato. Il sensore, ad elevata sensibilità, è costituito da un accelerometro amplificato mentre il martello ha la testa antirimbalzo in nylon di diametro pari a 40 mm. 17

Fattori di influenza del segnale Esistono alcuni fattori che possono influenzare il segnale acquisito, inteso come risposta del palo alla sollecitazione, quali: densità del cls, modulo elastico e sezione trasversale del palo. Ulteriore fattore importante, che influenza il segnale, è l attrito superficiale che il terreno esercita sul palo. Questo produce una attenuazione del segnale stesso con conseguente minore evidenza del riflesso di base. Il valore dell attrito, ed in pratica gli effetti di attenuazione che produce sul segnale, sono minimi per i terreni argillosi e massimi per quelli sabbiosi. E possibile, comunque, ridurre questi effetti amplificando il segnale rilevato seguendo una legge esponenziale. Poiché l amplificazione è funzione crescente del tempo, vengono amplificati maggiormente i segnali provenienti dal fondo del palo. Sulla scorta delle esperienze effettuate nel campo del controllo dei pali di fondazione con il metodo ecometrico e considerati i vari fattori che influenzano il segnale e quindi l esito della prova stessa, si può asserire che le misure sono mediamente affette da incertezza variabile tra il 5 ed il 10%. 18

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Settaggio strumentazione Pulizia della testa del palo Visualizzazione e controllo dei risultati sul campo Esecuzione della prova 21

Prove Cross-Hole Le prove ad ultrasuoni cross-hole consentono di valutare Fonte: Boviar l integrità dei pali di fondazione attraverso un controllo svolto su tre sezioni tomografiche verticali con l utilizzo di due sonde ultrasoniche fatte scorrere dal basso all alto all interno di tubi metallici posti a 120 in pianta e fissati alla gabbia di armatura al momento dell esecuzione dei pali e per tutta la loro lunghezza. Tale prova permette, tramite l'analisi dei dati registrati, di controllare la qualità del calcestruzzo costituente il palo, verificando l'omogeneità e la continuità del getto, e quindi di individuare l'eventuale presenza di intrusioni, interruzioni di getto, nonché la profondità dello stesso (ad esclusione della parte finale di 60 cm circa in cui convergono i ferri d armatura). L'emissione e la ricezione dei segnali US avviene tramite tre sonde (una trasmittente, una ricevente e una bifida trasmittente e ricevente al tempo stesso) di tipo radiale, che si spostano all'interno di appositi tubi inglobati nel palo in fase di getto. 22

La tecnica di analisi della prova si fonda sullo studio della propagazione, attraverso il materiale da investigare, di impulsi ultrasonici generati dalla sonda trasmittente. La trasmissione delle onde in un mezzo elastico avviene secondo le leggi fisiche che descrivono i fenomeni di propagazione del suono. In particolare in un mezzo omogeneo, isotropo, in stato elastico lineare, la velocità di propagazione delle onde longitudinali primarie di compressione (onde P) e delle onde trasversali secondarie di taglio (onde S), dipende dalla densità e dalle costanti elastiche del materiale: v p = (1) v s = (2) dove: r = densità del materiale (kg/m 3 ); v p = velocità di propagazione delle onde P (km/sec); v s = velocità di propagazione delle onde S (km/sec); n = modulo di Poisson; E = modulo di Young (MPa). Le relazioni (1) e (2) sono valide nell'ipotesi di omogeneità, isotropia e comportamento elastico lineare del materiale. 23

Nel caso del calcestruzzo, com'è noto, pur non sussistendo pienamente tali condizioni, queste relazioni sono normalmente utilizzate per l'analisi dei fenomeni microsismici. V e lo c i tà d i p r o p a g a z i o n e [m / s e c ] 1 5 0 0 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0-1 Poiché le onde longitudinali P sono più veloci di quelle trasversali S ( =1,6 1,9), in queste prove l'arrivo del primo fronte d'onda P viene rilevato con sufficiente precisione, mentre le onde S giungono in tempi successivi e si sovrappongono alle altre onde P in arrivo. La velocità v p è direttamente legata alle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo, quindi, dall'analisi dei risultati della prova cross-hole è possibile valutarle qualitativamente. In definitiva, in presenza di un difetto all'interno del getto di calcestruzzo, ad una data profondità, si osserva un aumento dei tempi di propagazione delle onde US ovvero una riduzione della velocità di propagazione delle stesse. I valori della velocità di propagazione dell'onda nel calcestruzzo risultano generalmente compresi tra 2500 e 4000 m/sec, a seconda del tipo, della qualità e dell'età del calcestruzzo. P r o f o n d i tà [m ] -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 -1 0-1 1 24

E composta da una centralina d acquisizione dati, da un personal computer portatile e da sonde da foro di tipo piezoelettrico con trasmettitore ad alta potenza e ricevitori preamplificati. Le distanze tra i tubi di misura non deve essere superiore ai 3 m. Nei pali attrezzati con più tubi di misura l apparecchiatura consente di effettuare la prova contemporaneamente lungo tre percorsi, ottenendo le diagrafie corrispondenti ai 3 singoli percorsi. Le sonde vengono fatte risalire nei tubi manualmente generando e ricevendo contemporaneamente gli impulsi ultrasonici ed un sistema di guida, con encoder, permette la sincronizzazione degli impulsi di energizzazione programmati prima della risalita. 25

I tubi di alloggiamento delle sonde sono comunemente predisposti già in fase di getto e disposti parallelamente all'asse longitudinale del palo in modo da aderire alla gabbia di armatura. I tubi utilizzati sono di tipo metallico per evitare rotture provocate dal getto o dalle manovre di posizionamento. La profondità dei tubi è pari alla gabbia d armatura ad esclusione del tratto, di circa 60 cm, in cui i ferri in punta convergono. Per evitare che le sonde possano rilevare difetti non esistenti i tubi metallici non devono essere sporchi di olio, grasso o ricoperti da elevati strati di ruggine. I tubi devono essere adeguatamente chiusi alle estremità per evitare l'intrusione di fango o altro che potrebbe impedire il passaggio delle sonde. Preparazione del palo di prova 26

In genere i tubi predisposti per l'esecuzione della prova sono in numero di due per pali con diametro < 600 mm, ed in numero di tre (posizionati ai vertici di un triangolo equilatero interno alla sezione) per pali di diametro superiore.ovviamente in pali dal diametro molto grandi, nulla vieta di predisporre un numero maggiore tubi di alloggiamento. Per ricavare dalle prove cross-hole dati affidabili sulla qualità del getto occorre che il calcestruzzo abbia raggiunto un accettabile grado di maturazione, in genere almeno 10 giorni anche se è preferibile un tempo anche maggiore (28 giorni). Per posizionare al meglio la strumentazione, per lo spostamento delle sonde all'interno dei tubi, è necessario che la testa del palo sia adeguatamente ripulita e resa accessibile. I tubi devono essere riempiti con acqua pulita in modo da realizzare un continuo tra le sonde e la parete dei tubi e permettere la migliore propagazione del segnale emesso; devono sporgere almeno 20 cm sopra la testa del palo per le pulegge di guida dei cavi. Configurazione a due fori Configurazione a tre fori

Preparazione del palo di prova In fase di esecuzione dei pali, i tubi di alloggiamento delle sonde vengono fissati all'armatura per tutta la lunghezza del palo. Prima dell'esecuzione delle prove vengono riempiti d'acqua i tubi. Successivamente, si provvede al rilievo degli interassi a cui sono posti i tubi nei singoli pali; i dati raccolti sono inseriti nel software di acquisizione che consente di ricavare le successive diagrafie. Per ogni palo, viene effettuata un unica risalita con tutte le sonde disponibili (due/tre) che forniscono le diagrafie come risultato.

Prove di carico La verifica dell'integrità strutturale dei pali così come la valutazione della loro capacità portante può essere ottenuta tramite delle prove sperimentali. La tecnica consiste generalmente nel perturbare il palo o il sistema "palo-terreno" con una sollecitazione esterna e nel misurare una o più grandezze che risultino variate a seguito della perturbazione. Nelle prove di carico statico la sollecitazione esterna è in genere una forza applicata assialmente o trasversalmente sulla testa del palo e la grandezza misurata è lo spostamento assiale o trasversale della testa del palo stesso. Nelle prove cosiddette "dinamiche" il palo è sottoposto a sollecitazioni impulsive o periodiche e le grandezze misurate, in uno o più punti, sono in genere forze, accelerazioni, velocità ed, eventualmente, spostamenti. Le prove di carico statiche forniscono come output delle curve carichi-cedimenti dalle quali è possibile ottenere direttamente il carico limite ultimo (prove di progetto) o desumerlo per estrapolazione (prove di collaudo) e, in ogni caso, rilevare il comportamento del complesso "palo-terreno in condizioni di esercizio.

Prove di carico Le prove possono essere eseguite su pali appositamente strumentati, questoconoscere le modalità di trasferimento dei carichi esterni lungo il fusto e alla punta. Le prove di carico "statico" forniscono anche indicazioni, ancorché indirette, sulla integrità dei pali. Per le modalità con cui i pali sono sollecitati, simili a quelle connesse con la costruzione e l'esercizio delle strutture in elevazione, e per la qualità e quantità di informazioni che è possibile desumere, le prove di carico "statico«sono da considerarsi attualmente non sostituibili con altri diversi tipi di valutazione sperimentale della capacità portante e del comportamento in condizioni di esercizio. Gli inconvenienti delle prove di carico statico sono ben noti ed essenzialmente legati ai lunghi tempi di esecuzione e ai costi elevati. Anche per questo motivo le diverse normative (D.M. 11 marzo 1988) prevedono un numero percentualmente molto esiguo, 2 ogni 100, di pali da sottoporre obbligatoriamente a prove di carico (di collaudo).