Corso sulle Norme Tecniche Corso sulle Norme Tecniche per le costruzioni in zona sismicaper le costruzioni in zona sismica

(Ordinanza PCM 3274/2003)(Ordinanza PCM 3274/2003)

GLI EDIFICI ESISTENTI IN C.A.GLI EDIFICI ESISTENTI IN C.A.Le indagini sui materialiLe indagini sui materiali

Prof. Prof. IngIng. Angelo MASI. Angelo MASIDiSGG, Università di BasilicataDiSGG, Università di Basilicata

Centro di Competenza Regionale sul Rischio Sismico (CRiS)Centro di Competenza Regionale sul Rischio Sismico (CRiS)

Le indagini sugli edifici esistentiLe indagini sugli edifici esistenti

La scarsa attenzione spesso dedicata dai professionisti alle indagini sulle strutture, sia in termini globali che sui materiali costituenti, determina:- da un lato e più frequentemente assunzioni troppo conservative, dunque inutilmente dispendiose, negative rispetto ad una strategia globale di mitigazione del rischio sismico in condizioni di limitatezza delle risorse;- dall’altro lato, per fortuna meno frequentemente, assunzioni non conservative con conseguenze potenzialmente gravi sulla sicurezza.

Vanno riconosciute le difficoltà oggettive, sia di carattere logistico che economico, nelle quali il professionista è spesso chiamato ad operare, senza superare le quali è difficile che un passo avanti in tal senso possa essere compiuto. Va riconosciuto anche il ritardo culturale presente nel settore dell’ingegneria civile sul tema della diagnosi, specie se raffrontato con altri settori come quello medico nel quale indagini, esami, analisi sono oramai patrimonio diffuso ed irrinunciabile da parte degli operatori e, cosa ancor più importante, da parte degli utenti-committenti.

Le indagini sugli edifici esistentiLe indagini sugli edifici esistenti

Le nuove norme consentono una graduazione dei coefficienti di sicurezza (o dei fattori di confidenza) in base al livello di conoscenza acquisito, dando più opportunità al professionista, ma anche maggiori responsabilità

Il professionista dovrà (POTRÀ ?) decidere di investire maggiori risorse nelle indagini per la conoscenza della struttura, da recuperare successivamente avendo la possibilità di effettuare interventi di adeguamento più mirati e meno onerosi.

Stante il grande deficit di protezione sismica che si è accumulato nel nostro paese, l’efficienza degli interventi appare importante in termini generali ed ancor più se ci riferisce al patrimonio edilizio pubblico costituito in larga parte da edifici non o parzialmente protetti dal sisma.

Vanno però considerati gli aspetti economici, sia in termini di costi delle indagini che di tariffe professionali, che possono deprimere o favorire tale possibilità.

Le indagini sugli edifici esistentiLe indagini sugli edifici esistenti

Nel definire le modalità di svolgimento di una campagna di indagini due aspetti appaiono di particolare importanza:• quali e quanti dati vanno raccolti per poter effettuare la valutazione di sicurezza;• come vanno trattati ed interpretati questi dati.

Meno rilevante appare l’aspetto relativo alla individuazione ed applicazione delle diverse tecnologie e metodiche di indagine per le quali ci si dovràavvalere di strutture o laboratori esperti nel settore. Il professionista dovrà conoscere le principali metodiche disponibili ed i vantaggi e svantaggi nell’utilizzo di ognuna di esse, con particolare riferimento alla loro affidabilità ed ai limiti di applicabilità. Inoltre va detto che, per quanto tali metodiche abbiano subito una consistente evoluzione nel corso degli ultimi anni tale da renderle molto efficienti ed affidabili, è da ritenere che un ruolo determinante abbia ed avràancora l’indagine visiva (“esame clinico”), attività di specifica pertinenza del professionista incaricato.

11.2 Valutazione della sicurezza11.2 Valutazione della sicurezza

Valutazione delle proprietà dei materialiValutazione delle proprietà dei materiali•• Calcestruzzo:Calcestruzzo: la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene

mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove di mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove di compressione fino a rottura.compressione fino a rottura.

•• Acciaio:Acciaio: la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene mediante la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove a trazione fino a estrazione di campioni ed esecuzione di prove a trazione fino a rottura rottura con determinazione della resistenza a snervamento e della resistcon determinazione della resistenza a snervamento e della resistenza e enza e deformazione ultima.deformazione ultima.

•• Metodi di prova non distruttivi:Metodi di prova non distruttivi: non possono essere impiegati in non possono essere impiegati in sostituzione di quelli sopra descritti.sostituzione di quelli sopra descritti.

Metodo dei carotaggiMetodo dei carotaggi

Estrazione di una carotaEstrazione di una carota

CaroteCarote

Valutazione delle proprietà del CLS: carotaggioValutazione delle proprietà del CLS: carotaggio

•• Il carotaggio e' il metodo distruttivo piIl carotaggio e' il metodo distruttivo piùù diffuso, in quanto diffuso, in quanto consente di determinare la resistenza del conglomerato in consente di determinare la resistenza del conglomerato in maniera analoga a quella adottata per i campioni standard maniera analoga a quella adottata per i campioni standard (stima diretta della resistenza).(stima diretta della resistenza).

•• Il carotaggio e' necessario per giungere ad una definizione Il carotaggio e' necessario per giungere ad una definizione diretta della resistenza del conglomerato o per calibrare i diretta della resistenza del conglomerato o per calibrare i risultati ottenuti con i metodi non distruttivi.risultati ottenuti con i metodi non distruttivi.

•• Il prelievo di carote da strutture in opera e' regolato dalla noIl prelievo di carote da strutture in opera e' regolato dalla norma UNI rma UNI 6131/87.6131/87.

•• Il criterio fondamentale da adottare e' quello di ridurre al minIl criterio fondamentale da adottare e' quello di ridurre al minimo imo l'effetto di l'effetto di rimaneggiamentorimaneggiamento dovuto all'dovuto all'estrazioneestrazione..

•• Il diametro delle carote deve essere non minore di 3 volte la Il diametro delle carote deve essere non minore di 3 volte la dimensione massima dell'aggregato, mentre l'altezza (UNI 6130/80dimensione massima dell'aggregato, mentre l'altezza (UNI 6130/80) ) deve essere possibilmente pari a 2 volte il diametro.deve essere possibilmente pari a 2 volte il diametro.

Valutazione delle proprietà del CLS: carotaggioValutazione delle proprietà del CLS: carotaggio

La resistenza misurata sulle carote risente di numerosi La resistenza misurata sulle carote risente di numerosi fattorifattori che che la differenziano da quella che si misurerebbe su un equivalente la differenziano da quella che si misurerebbe su un equivalente provino standard:provino standard:

1)1) diverse diverse modalita'modalita' di preparazione e stagionaturadi preparazione e stagionatura

2)2) differente differente eta'eta' di stagionatura tra carota e provino standarddi stagionatura tra carota e provino standard

3)3) posizione del prelievo nell'ambito dell'elemento strutturale (adposizione del prelievo nell'ambito dell'elemento strutturale (ad es. al es. al piede o alla testa di un pilastro, parallelamente o ortogonalmenpiede o alla testa di un pilastro, parallelamente o ortogonalmente te alla direzione di getto)alla direzione di getto)

4)4) il disturbo che consegue alle operazioni di prelievoil disturbo che consegue alle operazioni di prelievo

5)5) dimensioni delle carote (ad es. H/D diverso da 2)dimensioni delle carote (ad es. H/D diverso da 2)

6)6) presenza di armature incluse.presenza di armature incluse.

Elaborazione risultati del carotaggio (norme FEMA 274)Elaborazione risultati del carotaggio (norme FEMA 274)

Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote fcar,i nelle resistenze equivalenti in-situ fcis,i viene fornita la seguente relazione:

fcis,i = (Fh/D * Fdia * Fr ) (Fmc * Fd) fcar,i

I coefficienti nella prima parentesi servono a correggere la resistenza delle carote estratte per ottenere resistenze su campioni cilindrici di diametro 100 mm, rapporto altezza diametro h/D pari a 2 e prive di armature incluse:

• Fh/D è il coefficiente correttivo relativo al rapporto h/D, da assumere pari a 0.87, 0.93, 0.96, 0.98 e 1.00 per h/D pari, rispettivamente, a 1.0, 1.25, 1.50, 1.75 e 2.00;

• Fdia coefficiente correttivo relativo al diametro, da assumere pari a 1.06, 1.00 e 0.98 per D pari, rispettivamente, a 50, 100 e 150 mm;

• Fr coefficiente correttivo relativo alla presenza di armature incluse, da assumere pari a 1.00, 1.08 e 1.13 per la presenza, rispettivamente, di nessuna barra, 1 e 2 barre.

Elaborazione risultati del carotaggio (norme FEMA 274)Elaborazione risultati del carotaggio (norme FEMA 274)

Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote fcar,i nelle resistenze equivalenti in-situ fcis,i viene fornita la seguente relazione:

fcis,i = (Fh/D * Fdia * Fr ) (Fmc * Fd) fcar,i

I coefficienti nella seconda parentesi portano in conto le differenze tra le condizioni della carota e quelle del calcestruzzo nella struttura:

• Fmc porta in conto l’effetto del contenuto di umidità nella carota al momento della prova, da assumere pari a 1.09 per carote sature d’acqua e pari a 0.96 per carote completamentre asciutte;

• Fd porta in conto l’effetto del rimaneggiamento dovuto all’estrazione pari a 1.06.

La resistenza da adottare nei calcoli viene riferita al valore mLa resistenza da adottare nei calcoli viene riferita al valore medio edio delle resistenze delle resistenze inin--situsitu ottenute.ottenute.

Elaborazione risultati del carotaggio (proposta Masi)Elaborazione risultati del carotaggio (proposta Masi)

Per convertire le N resistenze ottenute sulle carote fcar,i nelle corrispondenti resistenze in-situ fcis,i viene proposta la seguente relazione:

fcis,i = (Ch/D * Cdia * Ca * Cd) fcar,i

• Ch/D coefficiente correttivo per rapporti h/D diversi da 2, pari a 2/(1.5 + D/h);• Cdia coefficiente correttivo relativo al diametro, da assumere pari a 1.06, 1.00 e 0.98

per D pari, rispettivamente, a 50, 100 e 150 mm;• Ca è il coefficiente correttivo relativo alla presenza di armature incluse, da assumere

pari a 1.02-1.13 in funzione della posizione e del diametro della barra inclusa;• Cd è il coefficiente correttivo per tener conto del disturbo arrecato alla carota nelle

operazioni di estrazione. Oltre al valore costante suggerito nelle FEMA 274, la bibliografia propone di assumere il valore 1.10. Il rimaneggiamento è tanto maggiore quanto minore è la qualità del calcestruzzo, appare più convincente l’indicazione riportata in (Collepardi 2002, UNI 5834) che suggerisce di assumere Cd = 1.20 per fcar

< 20 MPa, e Cd = 1.10 per fcar > 20 MPa.

Prove Non Distruttive: SCLEROMETROProve Non Distruttive: SCLEROMETRO

10

20

30

40

50

15 25 35 45 55Rebound Number

Cube

Com

pres

sive

Stre

nght

(N/m

m2 )

Curva indice di rimbalzoCurva indice di rimbalzo--resistenza cubica a compressioneresistenza cubica a compressione

Prove Non Distruttive: ULTRASUONIProve Non Distruttive: ULTRASUONI

TxTr Tx

TrTx Tr1 Tr2

Letture ultrasoniche per trasparenza (a), d'angolo (b) e superfiLetture ultrasoniche per trasparenza (a), d'angolo (b) e superficiali (c)ciali (c)

Prove Non Distruttive: ULTRASUONIProve Non Distruttive: ULTRASUONI

Relazione velocitRelazione velocitàà ultrasonicaultrasonica--resistenza a compressione rilevata resistenza a compressione rilevata su carotesu carote

0

10

20

30

40

50

60

3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Ultrasonic Pulse Velocity (km/sec)

Com

pres

sive

Stre

nght

of C

ore

(N/m

m2)

Prove Non Distruttive: metodo SONREBProve Non Distruttive: metodo SONREB

Per ridurre gli errori commessi con le prove ultrasoniche e Per ridurre gli errori commessi con le prove ultrasoniche e sclerometrichesclerometriche éé stato sviluppato il metodo combinato SONREB stato sviluppato il metodo combinato SONREB ((SONicSONic + + REBoundREBound = ultrasuoni+sclerometro). = ultrasuoni+sclerometro). Si Si éé infatti notato che il contenuto di umiditinfatti notato che il contenuto di umiditàà fa sottostimare fa sottostimare l'indice l'indice sclerometricosclerometrico e sovrastimare la velocite sovrastimare la velocitàà ultrasonica, e che, ultrasonica, e che, all'aumentare dell'etall'aumentare dell'etàà del calcestruzzo, l'indice del calcestruzzo, l'indice sclerometricosclerometricoaumenta mentre la velocitaumenta mentre la velocitàà ultrasonica diminuisce. ultrasonica diminuisce. L'uso combinato delle due prove consente quindi di compensare L'uso combinato delle due prove consente quindi di compensare in parte gli errori commessi usando singolarmente le due in parte gli errori commessi usando singolarmente le due metodologie. metodologie. L'applicazione del metodo L'applicazione del metodo SonrebSonreb richiede la valutazione dei valori richiede la valutazione dei valori locali della velocitlocali della velocitàà ultrasonica ultrasonica VV e dell'indice di rimbalzo e dell'indice di rimbalzo SS, a , a partire dai quali partire dai quali èè possibile ottenere la resistenza del calcestruzzo possibile ottenere la resistenza del calcestruzzo RRcc mediante espressioni del tipo:mediante espressioni del tipo:

RRcc = a = a VVbb SScc

Valutazione della resistenza del CLS: metodo SONREBValutazione della resistenza del CLS: metodo SONREB

La valutazione della resistenza del CLS con il metodo SONREB La valutazione della resistenza del CLS con il metodo SONREB richiede la conoscenza della velocitrichiede la conoscenza della velocitàà ultrasonica V e dellultrasonica V e dell’’indice indice sclerometricosclerometrico S.S.

Curve di isoresistenza (Rilem) Rc [N/mmq]

10

20

30

40

50

6070

12

16

20

24

28

32

36

40

44

48

52

3000 4000 5000 6000V [m/sec]

S

38003800

RcRc = 20 = 20 MPaMPa

Prove Non Distruttive: metodo SONREBProve Non Distruttive: metodo SONREB

In bibliografia vengono fornite numerose espressioni per In bibliografia vengono fornite numerose espressioni per ll’’applicazione del metodo SONREB:applicazione del metodo SONREB:

1027.9 6.24.1111, VSRc ⋅⋅⋅= −

(1), Norme RILEM(1), Norme RILEM

85.1246.182, 1006.8 VSRc ⋅⋅⋅= − (2), (2), GasparikGasparik

446.2058.193, 102.1 VSRc ⋅⋅⋅= − (3), Di Leo (3), Di Leo -- PascalePascale

Nessuna di queste espressioni ha validitNessuna di queste espressioni ha validitàà generale, ed generale, ed in particolare non sono valide per calcestruzzi di bassa in particolare non sono valide per calcestruzzi di bassa qualitqualitàà..

Calibrazione risultati metodo SONREBCalibrazione risultati metodo SONREB

PROCEDURA PER IL CALCOLO DI Rcm

• Si calcola la resistenza cubica media Rcm del calcestruzzo di un edificio esistente utilizzando i risultati di prove distruttive e non distruttive

• Nota la resistenza a cilindrica a compressione delle carote fcprelevate, l’indice di rimbalzo S e la velocità ultrasonica V, ottenute dalle prove non distruttive, la procedura consente di valutare icoefficienti a, b e c delle curve Sonreb che forniscono Rc, effettuando una regressione lineare in ambiente EXCEL:

Rc = a x Sb x Vc

Calibrazione risultati metodo SONREBCalibrazione risultati metodo SONREB

CALCOLO DI Rcm : Dati di partenza

I risultati delle prove distruttive e non distruttive sono:

• prove distruttive (carotaggio):– fc (N/mm2): resistenza cilindrica a compressione della carota di cls– h (mm) : altezza carota di cls– d (mm): diametro carota di cls

• prove non distruttive (prove sclerometriche ed ultrasoniche):– S : indice di rimbalzo sclerometro– V (m/s): velocità ultrasonica

Calibrazione risultati metodo SONREBCalibrazione risultati metodo SONREB

CALCOLO DI Rcm

• si corregge la resistenza delle carote prelevate per tener conto del rimaneggiamento dovuto al prelievo, delle dimensioni d e (h/d), delle eventuali armature incluse della carota

• si calcola la resistenza cubica delle carote provate Rc a partire dalla resistenza cilindrica fc dividendo per 0,8

• si valutano i coefficienti a, b e c della curva Sonreb tramite regressione lineare a partire dai valori di S e V delle prove non distruttive effettuate sugli elementi strutturali su cui sono state effettuate anche prove distruttive

• si calcolano le resistenze cubiche delle prove non distruttive a partire dalla relazione trovata: Rc=a x Sb x Vc

• si calcola la resistenza media cubica del cls Rcm effettuando la media tra i valori ottenuti dalle prove non distruttive e quelli valutati tramite le curve Sonreb

Calibrazione risultati metodo SONREBCalibrazione risultati metodo SONREB

ESEMPIO DI CALCOLO DI Rcm

• si calcola la resistenza cubica Rc a partire dalla resistenza cilindrica, tenendo conto anche della geometria della carota, del rimaneggiamento e delle armature incluse

Dati prove distruttiveN.carota fc (N/mm2) h (mm) d (mm)

3/A 16,66 200 1054/A 17,63 198 1054/B 17,63 198 1056/A 8,73 198 1056/B 8,73 198 1057/A 5,61 198 1057/B 5,61 198 105 7,32

7,32 11,40

11,40 23,02 23,02 21,81

Rc(N/mm2)Calcolo Rc

Calibrazione risultati metodo SONREBCalibrazione risultati metodo SONREB

ESEMPIO DI CALCOLO DI Rcm

• noti Rc dalle prove distruttive, S e V dalle prove non distruttive effettuate sugli stessi elementi strutturali su cui sono state eseguite le prove distruttive

• si valutano a, b e c tramite regressione lineare a partire dallarelazione:

Rc = a x Sb x Vc

a b c0,00018 2,81027 0,16754

Rc=0,00018 x S2,81027 x V 0,16754

Calibrazione risultati metodo SONREBCalibrazione risultati metodo SONREB

ESEMPIO DI CALCOLO DI Rcm

Si calcola Rc negli elementi in cui sono state fatte soltanto prove non distruttive, tramite la relazione:

Rc=0,00018 x S2,81027 x V 0,16754

Dati prove non distruttive ID_prova S V

106/A 33,3 3279109/A 28 2438109/B 27,4 23815/A 37,9 39725/B 41,6 40536/A 34,9 36106/B 34,7 3571 14,74

15,0025,0619,227,097,56

12,94Rc (N/mm2)Calcolo Rc

Calibrazione risultati metodo SONREBCalibrazione risultati metodo SONREB

ESEMPIO DI CALCOLO DI Rcm

Si calcola Rcm come media dei valori ottenuti dalle prove distruttive e quelli calcolati per le prove non distruttive

Calcolo RcmElemento testato Rc (N/mm2)

3/A 21,814/A 23,026/A 11,407/A 7,325/A 20,72

106/A 12,94

109/A 7,57109/B 7,095/A 19,225/B 25,06

6/A 15,006/B 14,74

Rcm 15,49