CorsoCorso didi MeccanicaMeccanica deidei MaterialiMateriali A.A. 2010A.A. 2010--20112011

DEGRADO DEI MATERIALIDEGRADO DEI MATERIALI

Michele Michele BuonsantiBuonsanti **

DipartimentoDipartimento MeccanicaMeccanica e e MaterialiMaterialiFacoltFacoltàà didi IngegneriaIngegneria UniversitUniversitàà didi Reggio CalabriaReggio Calabria

EE--mail: mail: michele.buonsanti@unirc.itmichele.buonsanti@unirc.it

Un classico esempio di degrado strutturale

Combinazione degrado - frattura

Degrado di componenti meccanici

Individuazione di cricche con liquidi penetranti

Deterioramento e frattura per componenti metallici

CAUSE DEL DEGRADO STRUTTURALECAUSE DEL DEGRADO STRUTTURALEOriginiOrigini

Insufficiente manutenzioneInsufficiente manutenzioneProblemi igrometriciProblemi igrometriciDifetti costruttivi allDifetti costruttivi all’’origineorigineInsufficienze statiche riferite a stati limite di esercizioInsufficienze statiche riferite a stati limite di esercizio

EffettiEffettiFessurazioniFessurazioniDeformazioni eccessiveDeformazioni eccessiveDisgregazione delle malteDisgregazione delle malteCorrosione degli elementi metalliciCorrosione degli elementi metalliciDegrado delle strutture ligneeDegrado delle strutture lignee

INIZIO DEL DISSESTO STATICOINIZIO DEL DISSESTO STATICO

RILEVAMENTO DELLO STATO DI FATTO RILEVAMENTO DELLO STATO DI FATTO E DEL DEGRADOE DEL DEGRADO

Procedure di esame per gradiProcedure di esame per gradi

A A –– Rilievo visivo della costruzione Rilievo visivo della costruzione B B –– Rilievo geometrico Rilievo geometrico C C –– Indagine sui materiali impiegatiIndagine sui materiali impiegatiD D –– Sondaggi sui principali elementi costruttivi:Sondaggi sui principali elementi costruttivi:

QualitQualitàà dei materialidei materialiDettagli costruttiviDettagli costruttivi

AFFIDABILITAAFFIDABILITA’’ STRUTTURALESTRUTTURALE

ACCERTAMENTO DELLE CAUSE DEL DISSESTOACCERTAMENTO DELLE CAUSE DEL DISSESTO

Azioni sismicheAzioni sismicheDifetti strutturaliDifetti strutturali dello stato di fattodello stato di fattoModifiche strutturaliModifiche strutturali apportate con interventiapportate con interventisuccessivisuccessiviDifetti esecutiviDifetti esecutiviModifica dei carichi di esercizioModifica dei carichi di esercizioEffetti igrometriciEffetti igrometriciAttacco di agenti aggressiviAttacco di agenti aggressiviMancanza di manutenzioneMancanza di manutenzione

Sulla base dei dati acquisiti, integrata da una accurata analisiSulla base dei dati acquisiti, integrata da una accurata analisidei carichi (predei carichi (pre--post) si effettueranno le indagini teoriche pipost) si effettueranno le indagini teoriche piùùopportune finalizzate sia alla individuazione delle cause del opportune finalizzate sia alla individuazione delle cause del dissesto in atto, che alla previsione di quelle future.dissesto in atto, che alla previsione di quelle future.

PROBLEMA CINEMATICO: PROBLEMA CINEMATICO: IL MOTO NELLA FATISCENZA MURARIAIL MOTO NELLA FATISCENZA MURARIA

Traslazione verticaleTraslazione verticaleTraslazione orizzontaleTraslazione orizzontaleRotazioneRotazione

RigidiRigidiDeformantiDeformantiInterni alle struttureInterni alle strutture

MOTIMOTI RELATIVIRELATIVIMOTI ASSOLUTI (suolo)MOTI ASSOLUTI (suolo)

Problematiche relative alla diagnosi dei materialiProblematiche relative alla diagnosi dei materiali

““ Diagnostica strutturale globale Diagnostica strutturale globale ““: metodologie atte a : metodologie atte a determinare il comportamento strutturale di manufatti, determinare il comportamento strutturale di manufatti, integri o apparentemente integri, sottoposti allintegri o apparentemente integri, sottoposti all’’esercizio di esercizio di carichi con lo scopo di individuare le qualitcarichi con lo scopo di individuare le qualitàà e le prestazionie le prestazioni..

11°° Gruppo: Metodi di rilevamento delle prop. fisico Gruppo: Metodi di rilevamento delle prop. fisico ––meccanichemeccaniche

22°° Gruppo: Metodi per il rilevamento dei difetti, del Gruppo: Metodi per il rilevamento dei difetti, del danneggiamento e del degradodanneggiamento e del degrado

33°° Gruppo: Procedura di diagnostica globale Gruppo: Procedura di diagnostica globale

Strumentazioni diagnosticheStrumentazioni diagnostiche

CAUSE DEL DEGRADO

Determinazione della vita media della struttura Determinazione della vita media della struttura in funzione della profonditin funzione della profonditàà di carbonatazionedi carbonatazione

Effetti della corrosione sulla sicurezza Effetti della corrosione sulla sicurezza strutturalestrutturale

Influenza sulla resistenza Influenza sulla resistenza

Valutazione dellaValutazione della sicurezzasicurezzastrutturalestrutturale

Determinazione della capacitDeterminazione della capacitàà prestazionale prestazionale

diminuzione delle caratteristiche meccanichediminuzione delle caratteristiche meccanicheincremento dei carichi di esercizioincremento dei carichi di esercizio

Aspetti concettualiAspetti concettuali

aspetti normativiaspetti normativiaspetti di modellazione staticaaspetti di modellazione staticarequisiti di progettorequisiti di progetto

Formulazione di un problema a non linearitFormulazione di un problema a non linearitàà costitutiva, costitutiva, geometrica e di vincologeometrica e di vincolo

Forme di degrado del calcestruzzo

- fisici (causati da variazioni termiche naturali, come il gelo-disgelo, o artificiali, come quelle prodotte da incendi);

- meccanici (abrasione, erosione, urto, esplosione);

- chimici (attacco acido, solfatico, da solfuri, da acque pure, da acqua di mare, reazioni alcali-aggregati);

- biologici (azione del fouling);

- strutturali (sovraccarichi, assestamenti, sollecitazioni ripetute ciclicamente).

Fenomeni del degrado

Carbonatazione del calcestruzzoCarbonatazione del calcestruzzo

Reazione che descrive il fenomeno della carbonatazione:

CO2 + Ca(OH)2 →H2O, NaOH→CaCO3 +H2O

Andamento della funzione penetrazione della carbonatazione:

. Legge della velocità di penetrazione:

ntKs1

×=

nn

tnK

dtds )1( −

×=

Andamento qualitativo della velocità di carbonatazione al variare dell’umidità relativa.

Carbonatazione del calcestruzzo in funzione del microclima.

Umidità relativa (%)

20

Vel

ocità

di c

arbo

nata

zion

e

40 60 80 100

201510

Prof

ondi

tà d

i car

bona

tazi

one

(mm

)

5

Tempo (anni)

20 °C e 65 UR

Esterno (riparato)

Esterno (superfice piana)

Influenza della durata dei periodi di bagnamento e asciugamento sulla velocità di carbonatazione.

Influenza dei cicli di bagnamento e asciugamento nella velocità di carbonatazione.

20

10

15

5

0

Tempo (anni)

0

Prof

ondi

tà d

i car

bona

tazi

one

(mm

)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

mezzo anno seccomezzo anno bagnato

1 mese secco1 mese bagnato

1 settimana secca1 settimane bagnata

una volta alla settimana

una volta al mese

nessun bagnamento

100908070605040302010

Prof

ondi

tà d

i car

bona

tazi

one

(mm

)

0Tempo (anni)

0

5

10

15

20

25

30

due volte l'anno

Forme di corrosione delle armatureCorrosione generalizzata:La corrosione generalizzata, si verifica su strutture metalliche immerse in ambienti corrosivi (sia naturali che artificiali) o esposte ad atmosfere aggressive, procede in maniera uniforme provocando l'assottigliamento del metallo o addirittura l'avaria della struttura.

Corrosione Galvanica o per contatto Galvanico:Avviane quando due materiali metallici di nobiltà differente, a diretto contatto fra loro o connessi elettricamente, vengono immersi in un ambiente corrosivo o esposti a un'atmosfera umida aggressiva.

Corrosione Galvanica di un rivestimento di magnesio che è stato colato intorno ad un nucleo di acciaio.

Corrosione per vaiolatura (pitting corrosion):E’ una forma di attacco corrosivo localizzato che determina la formazione di vaiolature (pit) quando il metallo è esposto ad ambienti contenenti ioni alogenidrici.

Corrosione per vaiolature di un acciaio inossidabile in un ambiente aggressivo.

Corrosione sotto sforzo: E’ un tipo di corrosione localizzata dovuta all'azione combinata di una tensione meccanica e di un mezzo corrosivo specifico a blanda azione corrosiva.

Corrosione Erosione:Può essere definita come l'aumento della velocità di corrosione in un metallo conseguente al moto relativo tra un fluido corrosivo e la superficie dei metallo.

Variazione dell'allungamento ultimo "Au" in funzione del livello della corrsionre

Riduzione sezione barra [%]

[%] A

u

Variazione del rapporto fu/fy in funzione del livello di corrosione

Riduzione sezione barra [%]

fu/fy

[%]

Riduzione sezione barra [%]

Variazione di fu e fy in funzione del livello di corrosione

Legami costitutivi di una barra di armatura in funzione delle caratteristiche meccaniche del materiale.

Corrosione localizzata

( ) ( )( )min

0reqr η11e

η11rπ4EηE

−−×

−−××××=

Modello di danno meccanico

( ) ( )[ ]−−++ ×−+×−= ijijij σd1σd1σModello di danno accoppiato

d**= 1-( 1-d+)×(1- dchem)d *-= 1-( 1-d-)×(1- dchem)

Legge costitutiva globale

σij = (1- dchem)[( 1-d+)σij+ + (1-d-) σij

-]=[( 1- d*+)σij

+ + (1- d*-)σij-]

Modello di corrosioneQuesto accoppia ai modelli di danno meccanico-ambientale una legge di riduzione della sezione di armatura del tipo:

( ) ( )[ ]4

200 ttXnN

tA css

−××−Φ××=

π

Car

ico

(KN

)

Spostamento (mm)

Numerico Sperimentale

Car

ico

(KN

)

Spostamento (mm)

EFFETTI DEL DEGRADO STRUTTURALE

MANIFESTAZIONI SUPERFICIALI

EVOLUZIONE DEL DEGRADO

Il comportamento di tipo fragile è generato da una fessurazione instabile prodotta da microfessure e scollamenti tra i componenti granulari e la matrice, che estendendosi possono formare una fessura macroscopica che separa improvvisamente in due parti l’elemento strutturale. Tali materiali perciò si rompono in modo improvviso, quando la risposta è ancora sostanzialmente elastica e lineare, quindi il limite elastico può essere considerato anche un limite di rottura. Il rapporto tra resistenza a trazione e resistenza a compressione è di molto inferiore all’unità.

Comportamento dei materiali quasi-fragili

DEGRADO NEI MATERIALI QUASI-FRAGILI

Fonte: tesi E. Calabrese

PROBLEMATICHE E SOLUZIONI ANALITICHE

Problematiche del degrado di manufatti storici e/o monumentali in materiale lapideo/roccioso invitano alla formulazione di modellirigorosi simulanti la fisica del fenomeno

Formulazione di un modello in forma chiusa che consenta la formulazione di un problema di equilibrio

Aspetti sperimentali e reali sul danno composto. Meccanica dellesuperfici e fenomeni di swelling

Minimizzazione del funzionale energetico incrementato con termini di interfaccia.

Condizioni di equilibrio

Fonte: tesi E. Calabrese

Diagrammi di comportamentoDiagrammi di comportamento

Fonte: tesi E. Calabrese

Stato di rotturaPrima della rottura il materiale presenta uno stato di fessurazione locale e il modello atto a descrivere il danno è il modello della fessura coesiva (Hillerborg) ove il materiale è caratterizzato da due leggi costitutive

1. tensione – deformazione elastica 2. tensione – apertura della fessura

L’area sottesa dalla curva tensione – apertura della fessura rappresenta l’energia necessaria per creare una fessura di area unitariaL’ipotesi quindi su cui si fonda è l’esistenza di un potenziale di deformazione, si assume cioè che il processo comporti l’immagazzinamento di una energia, detta energia di deformazione

∫= ij

ijijij dW ε εσε0

)(Fonte: tesi E. Calabrese

DEGRADO DEI MATERIALI quasi-FRAGILI

Lo studio del degrado dei materiali lapidei viene sviluppato mediante descrizione degli effetti e della morfologia utilizzando le definizioni Normal, raccomandazioni elaborate dal CNR e dall’Istituto Centrale per il Restauro, considerando che molti fenomeni sono dovuti al concorso di più cause:

Fenomeni che producono apporto di materiale estraneo

Fenomeni che producono asporto di materiale originale

Fenomeni che non producono ne apporto ne asporto di materiale

Fonte: tesi E. Calabrese

Fonte: tesi P.Costantino

Tessitura OMOBLASTICA Tessitura XENOBLASTICA

Morfologia granulare regolare e tondeggiante con scarsa interconnessione

Morfologia granulare ritorta e allungata con notevole interconnessione

PARTICOLARITA’ DEI MATERIALI Q. FRAGILI:IL MARMO

AZIONE BIOLOGICA AGGRESSIVA

Presenza riscontrabile macroscopicamente di micro e/omacro organismi (alghe, funghi, licheni, muschi, piante

superiori).

Fonte: tesi E. Calabrese

LA MACCHIATURA

Variazione cromatica localizzata della superficie, correlata sia allapresenza di determinati componenti naturali del materiale

(concentrazione di pirite nei marmi) sia alla presenza di materialeestraneo (acqua, prodotti di ossidazione di materiali metallici,

sostanze organiche, vernici, microrganismi).

Fonte: tesi E. Calabrese

Efflorescenza

Formazione superficiale di aspetto cristallino opolverulento o filamentoso, generalmente di colore

biancastro.

Fonte: tesi E. Calabrese

Patina biologicaStrato sottile, omogeneo,costituito prevalentemente da microrganismi,

variabile per consistenza, colore e adesione al substrato.

Fonte: tesi E. Calabrese

Meccanica del Danneggiamento

Il fenomeno fessurativo si manifesta, attraverso una serie di processi micro - meccanici irreversibili che alterano in maniera permanente la struttura cristallina del solido

La meccanica del danneggiamento indaga come si manifesta il deterioramento delle caratteristiche meccaniche nell’arco del processo che inizia con la propagazione dei microdifetti e termina con la rottura del materiale

Fonte: tesi E. Calabrese

Definizione della variabile di danno

Ipotizzando quindi che i microdifettipresenti all’interno di un volume siano uniformemente distribuiti in tutte le direzioni, il danno relativo si può rappresentare dalla formula

In caso di tensione monoassiale la variabile danno si può esprimere attraverso la relazione:

SSD D=

EDE )1(

*

−==

σσε

Fonte: tesi E. Calabrese

Processi chimici di danneggiamento

Un importante fenomeno è la solfatazione umida, in cui attraverso reazioni catalitiche, l’anidride solforosa si trasforma in anidride solforica che reagendo con l’acqua origina l’acido solforico che a contatto con le superfici marmoree composte prevalentemente da carbonato di calcio forma solfato di calcio detto comunemente gesso

Fonte: tesi E. Calabrese

La solfatazione secca, avviene quando si è in presenza di una forte umidità, ma non direttamente dalla pioggia

La reazione avviene quando l’anidride solforosa reagisce con la superficie, in presenza di umidità, provocando la formazione di solfiti e poi di solfatiSi forma quindi a contatto con una molecola di carbonato di calcio una molecola di solfato di calcio

OHCaSOOHOOHCaSO

COOHCaSOOHSOCaCO

242223

223223

221

21

21

21

21

⋅→⋅+⋅

+⋅→++

2242232

21

2 COOHCaSOOSOCaCO OH +⋅→⋅+

Una volta formato questo strato esterno di gesso, se esposto, può essere trascinato dalla pioggia

Le croste che si formano possono subire degli stress meccanici i quali addizionano fenomeni di decoesione che permettono l’infiltrazione delle acque

Fonte: tesi E. Calabrese

Chimica delle Microstrutture

Nelle immagini fotografiche si osserva l’attacco microscopico (puntini neri); si notano a destra i cristalli oblunghi del solfato di calcio che si vanno sostituendo pian piano ai cristalli di carbonato di calcio. Questo rappresenta l’inizio della solfatazione

Fonte: tesi E. Calabrese

Meccanica delle Superfici

La meccanica delle superfici è una disciplina che studia le interazioni tra le superfici, in particolare la tribologia studia il comportamento dei solidi nei confronti dell’attrito e dell’usura condizionato dalla microstruttura superficiale

Nel nostro caso parliamo di usura della superficie di un materiale per effetto dell’azione corrosiva degli ossidi

Si parla quindi di assorbimento chimico e fisico delle molecole e degli atomi di sostanze che vengono in contatto con una superficie solida

Nell’analisi dei processi di decoesione l’approccio più diretto utilizza metodi legati alla meccanica della frattura elastico lineare

L’effetto graduale della decoesione può essere rappresentato con modelli di interfaccia attraverso un modello costitutivo

Un modello possibile definisce una interfaccia con elasticità e danno a gradiente, in pratica si ipotizza che la microstruttura granulare coinvolta produca interazioni spaziali elastiche e di danno lungo la superficie del materiale

Fenomeni di SwellingLa deformazione di un solido in seguito all’insorgere di fenomeni riferiti ad una variazione del volume del materiale

L’analisi di questo fenomeno di rigonfiamento del materiale prende il nome di swelling

UN CASO REALE DI DEGRADO MATERIALE

FINLAND HALL di HELSINKI

Pochi anni dopo il completamentodell’opera i bordi dei pannelli si sono rialzati di circa 10 cm,divenendo concavi. In alcuni casisi sono distaccati dal piano di applicazione.

Royer-Carfagni ha effettuato una disaminaai raggi-X, dalla quale ha diagnosticato chel’attacco chimico è responsabile solamentedel degrado superficiale, mentre le

deformazioni sono conseguenza del climarigido, e soprattutto dell’ escursione termica.

Il marmo è composto per il 99% da cristalligranulari di calcite, di forma romboedrica,che in questo caso appaiono distaccati.

Infatti il degrado termico ha generato ilfenomeno della decoesione granulare, che

comporta incremento di volume.

DEGRADO TERMICO

a – dilatazione per scorrimento tra i grani b – tratto pseudo-orizzontalec – cambiamento pendenza e recupero stress a d – temperatura ridotta ulteriormente

con espansionee – il materiale si ri-espande e la pendenza è uguale al caso b

Referenze bibliograficheReferenze bibliografiche

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