PROGETTARE LA DURABILITA’ DELLE

STRUTTURE IN CA E CAPprof. ing. Sergio Tattoni

Università degli Studi di CagliariFacoltà di Ingegneria - Dipartimento di ingegneria strutturale

Giornata di Aggiornamento su“Degrado e Consolidamento delle Strutture in Cemento Armato”

Firenze, 30 novembre 2007.

Quanto può durare una struttura in c.a.?

… ma sarà poi vero?

Nei vecchi testi di costruzioni in c.a si leggeva che“… il calcestruzzo protegge l’acciaio dalla corrosione …”

Cosa si intende per durabilità?

Dal DM 14/09/2005 Norme Tecniche per le CostruzioniReq

uisi

to p

rest

azio

nale

Vita utile.

La vita utile di progetto è il periodo durante il quale si assume che la struttura sarà utilizzata per i suoi scopi previsti, con manutenzione anticipata, ma senza che risultino necessari sostanziali interventi di riparazione (UNI EN 1991-1).

Req

uisi

to p

rest

azio

nale

Quantificazione della vita utile

Dal DM 14/09/2005 Norme Tecniche per le Costruzioni

Req

uisi

to p

rest

azio

nale

Oneri finanziari legati alla durabilità

L’onere finanziario di una costruzione va ben oltre il suo costo di costruzione...

…ma è destinato ad aumentare nel tempo per le necessità di manutenzioni ordinarie e straordinarie.

Aspe

tti e

cono

mic

i

Investimento totale

L’investimento per una struttura non è limitato al suo costo di costruzione, ma deve tenere conto della sua manutenzione e del costo delle riparazioni.

Aspe

tti e

cono

mic

i

Struttura durevole

Caso di una struttura durevole.La probabilità di danneggiamento e quindi di una manutenzione straordinaria, è modesto.

Aspe

tti e

cono

mic

i

Struttura poco durevole

Caso di una struttura poco durevole.Aumenta la probabilità di danneggiamento e l’investimento si incrementa ben oltre le aspettative.

Aspe

tti e

cono

mic

i

Danneggiamento e riparazione

Non sempre la riparazione, se non muta i meccanismi di alterazione, consente alla struttura di raggiungere la sua aspettativa di vita..

Aspe

tti e

cono

mic

i

La durabilità rientra nella logica degli SL,ultimi ...

Dal DM 14/09/2005 Norme Tecniche per le Costruzioni

… o di esercizio.

Dal DM 14/09/2005 Norme Tecniche per le Costruzioni

In sintesi:

Dal DM 14/09/2005 Norme Tecniche per le Costruzioni

Ed ≤ Rd

Effetto dell’azione

Corrispondente resistenza

Progetto di vita utile.

• Identificare e formulare le prestazioni funzionali• Determinare le proprietà ed il tipo di aggressività dell’ambiente in cui si trova la struttura• Scegliere i materiali e le tecniche costruttive più appropriate• Impiegare modelli matematici che descrivono le interrelazioni tra ambiente, proprietà dei materiali ed i meccanismi di deterioramento.• Monitorare i processi di deterioramento attraverso prove ed analisi (possibilmente non distruttive) per quantificare l’effettivo stato di degrado e programmare gli interventi di manutenzione.

Classi di esposizione

… che vengono poi completata da sottoclassi in funzione delle condizioni di esercizio.Az

ioni

Cosa si intende per aggressività?

Grado di attaccoAgente aggressivo nelle acqueDebole Moderato Forte

pH 6.5 – 5.5 5.5 – 4.5 4.5 – 4.0CO2 aggressiva (mg CO2/l) 15 - 30 30 - 60 60 - 100Ioni ammonio (mg NH4

+/l) 15 - 30 30 - 60 60 - 100Ioni magnesio (mg MG2

+/l) 100 - 300 300 - 1500 1500 –3000Ioni solfato (mg SO4

2-/l) 200 – 600 600 – 3000 3000 –6000Agente aggressivo nel terreno

Ioni solfato (mg SO42-/kg di

terreno seccato all’aria)2000 - 6000 6000-12000 > 12000

Azio

ni

Cause più frequenti di degrado

• Gelività• Dilavamento (attacco acido)• Attacco solfatico:

in climi caldi ettringite, freddi thaumasite)• Reazione alcali aggregato• Carbonatazione ossidazione delle armature• Carbonatazione + presenza di cloruri ossidazione

delle armature

È sempre comunque necessario l’ingresso nei pori o nelle fessure del conglomerato di gas (O2 o CO2), ioni e liquidi (H2O).

Contro la gelività

Nella tecnologia del calcestruzzo il miglioramento della durabilità alla azione del gelo della microstruttura porosa avviene attraverso l’uso di additivi aeranti che producono vuoti in misura del 5% del volume del manufatto.Affinché tale approccio sia realmente efficace le bolle devono distribuirsi nel volume della matrice secondo una spaziatura ottimale: il raggio di influenza di una bolla sferica deve cioè sovrapporsi a quello delle bolle contigue.

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Protezione dal dilavamento

L’accurata impermeabilizzazione preserva il calcestruzzo dall’infiltrazione dell’acqua.

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Protezione da attacchi solfatici e reazione alcali aggregato

• Conoscenza degli inquinanti nel terreno• Analisi della reattività degli aggregati• Protezione delle strutture dalla penetrazione dell’acqua e degli inquinanti• Scelta di un cemento solfato-resistente (p.e. pozzolanico)

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Diffusione della carbonatazione (1)

Diffusione della carbonatazione (2)

Diffusione della carbonatazione (3)

0 10 20 30 40 500

10

20

30

40

50

cls durevolecls non durevole

PROFONDITA' DI CARBONATAZIONE

tempo [anni]

spes

sore

[mm

]

.

Carbonatazione e copriferro (1)

2510

Un calcestruzzo durevole impiega 10 anni a raggiungere 10 mm di carbonatazione e 63 anni per raggiungere 25 mm.Un calcestruzzo non durevole impiega rispettivamente 3 e 19 anni.Dopo tale termine può iniziare il processo di corrosione delle armature.

Carbonatazione e copriferro (2)

3510

Un calcestruzzo durevole impiega 10 anni a raggiungere 10 mm di carbonatazione e 122 anni per raggiungere 35 mm.Un calcestruzzo non durevole impiega rispettivamente 3 e 37 anni.Dopo tale termine può iniziare il processo di corrosione delle armature.

Valori limite raccomandati per la composizione del cls

La composizione del calcestruzzo incide sulla velocità di diffusione della carbonatazione.

Rapporto massimo A/C

Classe di resistenza minima

Contenuto minimo di cemento kg/m3

Contenuto minimo aria %

Altri requisiti

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Copriferro per classe di esposizione

Viene prescritto un copriferro minimo in funzione della classe di esposizione.Pr

oget

to d

ella

dur

abili

tà

Stima della profondità di carbonatazione

Da ACISpecial Publication, Concrete Durability1987

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Determinazione del copriferro in funzione della vita utile, resistenza e presenza di cloruri.

DaInstitution of CivilEngineeringImprovementDurability 1986.

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Effetti sulla progettazione

• Lo spessore di copriferro elevato riduce le sezioni untili (maggiori dimensioni nominali delle sezioni)• Lo spessore del copriferro deve essere essere riferito all’armatura più esterna (staffe) di ciascun elemento strutturale• Si può rendere necessaria una armatura di pelle (inox) atta ad evitare il distacco del copriferroPr

oget

to d

ella

dur

abili

tà

Il distanziatore … questo sconosciuto!Pr

oget

to d

ella

dur

abili

tà

Cura del particolare costruttivo

Si dovrà curare il dettaglio della disposizione delle armature, rispettando anche l’interferro.

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Copriferro negli interventi di recupero

Nelle strutture esistenti,ove il copriferro potrebbe essere insufficiente,è possibile intervenire senza incrementare lo spessore degli elementi costruttivi mediante una adeguata protezione.

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Protezione con vernici elastomeriche(Tattoni 1977)

La protezione del calcestruzzo è possibile in quanto lo strato protettivo èin grado di sostenere l’apertura di sottostanti fessure senza lacerarsi (bridging effect)Pr

oget

to d

ella

dur

abili

tà

Protezione con malte modificate(Mantegazza, Penna, Tattoni 1994)

La realizzazione di malte cementizie modificate con polimeri, consente di ottenere strati di bassa porosità, difficilmente penetrabili da agenti aggressivi e per i quali èpossibile instaurare una equivalenza di spessorecon calcestruzzo ordinario in modo da ridurre l’effettivo spessore del ricoprimento.

Prog

etto

del

la d

urab

ilità

Calcolo della vita utile – CTE 1990 (1)

Conformemente allo spirito degli stati limite:

Tsd ≤ Tud

Vita utile richiesta

Vita utile calcolata

Verif

ica

Calcolo della vita utile – CTE 1990 (2)

Vita limite convenzionale (100 anni)

Verif

ica

Tud = T0×α1× α2 × α3 × α4 × α5 × α6 × α7 × α8

α1 dipende dal rapporto A/C

α2 dipende dalla lavorabilità dell’impasto

α3 dipende dalla resistenza del calcestruzzo

α4 dipende dall’ambiente

α5 dipende dal tipo di struttura

α6 dipende dal copriferro effettivo/al minimo richiesto

α7 dipende dalla classe di esposizione

α8 tiene conto di casi particolari

Calcolo della vita utile – CTE 1990 (3)

1.00> 12.0

1.0012.0

0.958.0

0.80< 4.0

α2Slump cm

0.70> 0.60

0.700.60

0.800.55

0.900.50

0.950.45

1.000.40

α1Rapporto A/C

1.00> 35

1.0035

0.9530

0.9025

0.8520

0.7516

α3fck

Verif

ica

0.95--vapore

1.000.950.85curing

0.950.850.70nessuno

protettonormaleseveroTrattamento

Ambienteα4

Calcolo della vita utile – CTE 1990 (4)Ve

rific

a

1.001.000.90speciale

1.000.850.75corrente

0.550.750.90nessuna2b esterno3, 4 e 5

1.001.000.90speciale

0.800.951.00corrente

0.700.850.95nessuna2a esterno2b coperto

1.001.001.00speciale

0.951.001.00corrente

0.850.951.00nessuna1 e2a coperto

1.00non armatotutte

fessuratonon fessuratocompressoProtezioneClasse di esposizione

Stato fessurativoα5

Calcolo della vita utile – CTE 1990 (5)

1.0010

0.955

0.900

α6c-cmin (mm)

0.705c

0.705b

0.805a

0.854

0.903

0.952

1.001

α7Classi di esposizion

e

Verif

ica

0.75Cap con cavi “unbonded”

0.85Cap con cavi post-tesi iniettati

1.00Nei casi non menzionati

α8Caso

Esempio:edificio industriale prefabbricato in ca e cap, classe di esposizione 5a, A/C = 0.45, consistenza semifluida, fck 35, maturazione a vapore, ammesse fessurazioni, copriferro minimo

Tud = 100×1.00×0.95×1.00×0.95×0.55×0.90×0.80×1.00 = 36 anni

Conclusioni

• Rck che corrisponda al rapporto A/C da adottare in relazione alla classe di esposizione ambientale

• classe di consistenza adeguata alla realtà del cantiere

• dimensione nominale massima degli aggregati definita in funzione delle dimensioni degli elementi strutturali e delle relative armature

• corretta posa in opera e costipazione del calcestruzzo

• stagionatura umida della superficie del calcestruzzo per almeno 3 giorni dopo la scasseratura

• uso di distanziatori

• controllo degli SLE (tensioni, deformazioni, fessurazione)

L’uomo nobile aspira all’eternità …

Per me si va ne la città dolente,per me si va ne l'etterno dolore,per me si va tra la perduta gente.…

…Dinanzi a me non fuor cose createse non etterne, e io etterno duro.Lasciate ogne speranza, voi ch'intrate.

… ma può accontentarsi di un tempo sufficientemente lungo ...

Grazie per l’attenzione!