Metodi di indagine per la determinazione delle caratteristiche meccaniche dei materiali In fase di realizzazione di una struttura in cemento armato, si mettono in atto procedure per la qualificazione ed il controllo dei materiali, che prevedono l'esecuzione di prove e misure. Sulle strutture già realizzate, la qualificazione dei materiali viene eseguita utilizzando metodologie diverse. Un utile punto di partenza è la conoscenza delle caratteristiche dei materiali utilizzati all'epoca della costruzione, che si può reperire dalle normative e dai manuali tecnici allora in uso.

Prove di qualificazione degli acciai da cemento armato Prova di trazione Il fine della prova, le cui modalità sono riportate nella norma UNI EN 10002/1, è la determinazione dei valori delle seguenti grandezze: *tensione di snervamento f y *tensione di rottura f t *allungamento % a rottura A% PROVE DI QUALIFICAZIONE DEI MATERIALI PER LE COSTRUZIONI NUOVE

Prova di piegamento Scopo della prova è determinare la capacità delle barre di adattarsi alle piegature, previste nel loro impiego, senza subire danneggiamento (manifestabile, questo, con cricche o fenditure nella zona di piegatura); le modalità di prova sono indicate nella UNI 564. La prova, consiste nel piegare di 180° (barre lisce) o nel piegare e raddrizzare (per barre ad aderenza migliorata con  > 12 mm) la barra intorno ad un mandrino di diametro D funzione di . Ai sensi della L. 1086/71 e decreti, gli acciai da c.a. devono essere controllati in stabilimento. Comunque, il D.L. ha obbligo di prelevare in cantiere un certo numero di barre di diversi diametri e far eseguire le prove di trazione e piega in Laboratorio.

Prove di qualificazione del calcestruzzo in fase di esecuzione Prove sui campioni prelevati dai getti: prova di compressione prova di trazione diretta prova di trazione indiretta (prova brasiliana) prova di flessione determinazione del modulo elastico a compressione La prima di tali prove è la più comune, essendo di più facile esecuzione e più immediata interpretazione ed essendo prescritta dalla maggior parte delle normative; le altre prove vengono effettuate meno frequentemente, di solito per scopi di ricerca.

prova di compressione

prova di trazione indiretta (prova brasiliana)

Normativa di riferimento: UNI EN :2002 – Prova sul cls indurito. Forma, dimensioni ed altri requisiti per provini e per casseforme. UNI EN :2002 – Prova sul cls indurito. Confezione e stagionatura dei provini per prove di resistenza. UNI EN :2003 – Prova sul cls indurito. Resistenza alla compressione dei provini. UNI EN :2002 – Prova sul cls indurito. Resistenza a flessione dei provini. UNI EN :2002 – Prova sul cls indurito. Resistenza a trazione indiretta dei provini. Ai sensi della L. 1086/71 e decreti attuativi, il D.L. ha l'obbligo di effettuare prelievi del cls (1 prelievo consiste di due provini) e di far eseguire prove di compressione in Laboratorio.

Acciaio Relativamente alle barre di armatura, la cosa più importante è rilevarne la quantità e la posizione. Si possono fare rilievi con pacometro e in alcuni punti rilievi a vista e misure dei diametri, previa asportazione del copriferro. Relativamente alla qualità degli acciai, una volta riconosciuta la forma delle barre, di solito si fa riferimento alla manualistica dell'epoca di costruzione per quanto riguarda le caratteristiche di resistenza. In casi molto limitati, si ricorre al prelievo di campioni di armatura, su cui possono essere eseguite prove di trazione, in analogia a quelli nuovi. PROVE DI QUALIFICAZIONE DEI MATERIALI IN OPERA

Tipologie di barre da c.a.

Determinazione della qualità del calcestruzzo in opera Per la determinazione della qualità del calcestruzzo indurito non si può procedere come per le strutture in fase di getto. Sono state messe a punto diverse metodologie, ciascuna con le sue potenzialità ma anche coi suoi limiti. Una fondamentale distinzione è fra prove dirette (distruttive) e prove indirette (non distruttive). Le prime danno risultati affidabili, ma, essendo "distruttive", possono essere fatte in numero limitato. Viceversa per le seconde: possono essere impiegate estensivamente (sono anche meno impegnative dal punto di vista economico), ma danno risultati meno affidabili (essendo "indirette").

Un corretto modo di operare è: eseguire estensivamente prove non distruttive per individuare zone in cui il calcestruzzo è omogeneo; per ogni zona eseguire un numero limitato di prove distruttive. I valori ottenuti dalle prove distruttive servono per tarare i risultati delle prove non distruttive. In questo modo i risultati di poche prove distruttive possono essere estesi a zone ampie, con le variazioni messe in evidenza dalle prove non distruttive.

Prove sul calcestruzzo in opera prove dirette di resistenza su campioni prelevati dagli elementi strutturali sono considerate prove distruttive prove indirette in cui si misurano caratteristiche fisiche diverse dalla resistenza, a cui si risale attraverso correlazioni, in genere di tipo empirico sono prove non distruttive (alcune moderatamente distruttive)

Prove dirette: carotaggi microcarotaggi Prove indirette: non distruttive (sono le più utilizzate nel campo degli edifici esistenti): sclerometro velocità di propagazione degli ultrasuoni metodi combinati moderatamente distruttive: prove di estrazione: pull-out test con inserti pre-inseriti con inserti post-inseriti prova di penetrazione: Windsor Probe Test pull-off break-off

Metodo dei carotaggi prelievo di campioni (carote) dalle strutture finite, per mezzo di apposite attrezzature dotate di mole a corona diamantata: carotatrici

Sulle carote si possono effettuare: prove di compressione prove di trazione indiretta prove per la determinazione del modulo elastico e del modulo di Poisson talvolta prove chimiche

La resistenza misurata sulle carote è influenzata da fattori connessi col metodo di prova: operazioni di perforazione: se si usa una buona carotatrice ben fissata all'elemento strutturale, non influenzano apprezzabilmente i risultati la presenza nella carota di una porzione della superficie del getto, che in genere ha caratteristiche inferiori, altera il risultato della prova;

diametro della carota in rapporto alla dimensione massima dell'inerte: per rapporti piccoli si ha un sensibile aumento del coefficiente di variazione (la normativa impone rapporto minimo pari a 3) presenza di spezzoni di armatura:  in direzione dell’asse aumento fittizio della resistenza  in direzione ortogonale all’asse rottura prematura si deve evitare; se la carota include spezzoni con asse parallelo a quello della carota, questa è inservibile, se lo spezzone è perpendicolare si taglia la carota in modo da eliminarlo

Indebolimento delle strutture in conseguenza delle operazioni di carotaggio Le zone in cui effettuare i carotaggi devono essere scelte in modo da non alterare la capacità portante dell'elemento strutturale. Particolare attenzione in prossimità dei nodi strutturali. Negli elementi compressi (pilastri) occorre assolutamente evitare di effettuare fori in posizione eccentrica. Nelle travi, sono preferibili le zone ai quarti della luce e all'altezza dell'asse neutro. Non ci si deve comunque attendere che la riduzione di capacità portante delle strutture soggette a compressione possa essere completamente compensata dal riempimento del foro mediante malte additivate.

Microcarotaggio se il diametro delle carote è inferiore a 3 volte il diametro massimo dell'inerte, allora le carote sono dette "microcarote" i risultati di resistenza che si ottengono dalla prova a compressione su microcarote sono molto dispersi; questo fatto dipende dalla distribuzione casuale degli inerti: carote di piccolo diametro prelevate dallo stesso getto possono differire l'una dall'altra per le dimensioni massime degli inerti contenuti in ciascuna; inoltre, alcuni inerti piccoli o frantumi di inerti possono distaccarsi dalla superficie laterale indebolendo la sezione, in misura maggiore quanto più questa è piccola. per ottenere risultati affidabili, occorre effettuare le prove su un numero maggiore di campioni; è possibile comunque estrarre un numero ridotto di microcarote sufficientemente lunghe, da poter ricavare, da ciascuna di queste, più campioni.

Principio di base: il rimbalzo di una massa elastica dipende dalla durezza della superficie su cui urta. L'energia di impatto, costante caratteristica dello strumento, viene in parte assorbita dal calcestruzzo sotto forma di deformazioni anelastiche permanenti ed in parte restituita alla massa mobile che rimbalza: quindi quanto maggiore è la resistenza del materiale, tanto minori sono le deformazioni permanenti e quindi tanto maggiore risulta l'altezza di rimbalzo. Metodo dello sclerometro o dell'indice di rimbalzo

Limiti intrinseci del metodo: la valutazione è basata sulla resistenza di uno strato di piccolo spessore (da 1 a 3 cm circa) della superficie dell'elemento strutturale, strato che peraltro risulta poco rappresentativo a causa delle alterazioni che subisce per fattori ambientali.

La risposta dello strumento deve essere controllata periodicamente sull'incudine di riferimento. Le misure devono essere effettuate: su una superficie di circa 20x20 cm priva di difetti superficiali lontana dalle barre di armatura adeguatamente preparata e pulita per eliminare le asperità superficiali Nella zona devono essere effettuate almeno 10 battute: l'indice di rimbalzo medio si ricava come media dei valori misurati. E' opportuno valutare anche la deviazione standard: se i valori sono troppo dispersi, la prova è poco affidabile.

Precauzioni d'impiego del metodo E' sconsigliabile fare prove sulla superficie libera (non a contatto con casseri) di un getto. Questa zona è in genere ricca di parti più fini, è caratterizzata da elevati rapporti acqua/cemento, ha subito una maggiore evaporazione. E' opportuno non effettuare prove nelle zone prossime agli spigoli: è sufficiente porsi a distanze dell'ordine di 10 cm. I punti dove si effettuano le battute devono essere sufficientemente distanti fra loro per evitare una influenza reciproca (almeno 2-3 cm). Prima di ogni prova si deve verificare che il colpo non interessi degli inerti di grandi dimensioni.

E' sconsigliabile l'uso di uno sclerometro quando: - si hanno zone con difetti locali nel getto; - i calcestruzzi sono realizzati con inerti di elevate dimensioni (maggiori di 40 mm); - i calcestruzzi hanno una resistenza ridotta (<15 MPa) (si rischia di fare misure solo sull'inerte); - i calcestruzzi sono molto vecchi o molto giovani (< 3 gg.); - si è in prossimità di cavi di precompressione (comportamento fortemente influenzato dallo stato tensionale); - si hanno elementi molto sottili in direzione ortogonale alla prova (< 100 mm); - i calcestruzzi non hanno una qualità uniforme allontanandosi dalla superficie (calcestruzzi soggetti a gelo, aggressioni di carattere chimico, fuoco,....)

La dispersione dei risultati riguardanti uno stesso tipo di materiale è piuttosto piccola; pertanto, le prove sclerometriche si prestano bene per rilevare l'uniformità delle caratteristiche del calcestruzzo nelle strutture o per misure di confronto con calcestruzzi di caratteristiche note. Misura dell'indice sclerometrico per la stima della resistenza del calcestruzzo Nella determinazione della resistenza del calcestruzzo in situ, invece, sono molti i fattori che influenzano le misure sclerometriche: tipo di cemento, tipo di aggregato, tipo di superficie, umidità superficiale, carbonatazione, età del calcestruzzo, modalità di maturazione, compattazione. E' quindi molto importante tener conto degli effetti dei vari fattori di influenza per una corretta interpretazione delle prove sclerometriche.

Misura della velocità di propagazione degli ultrasuoni Principio di base: la velocità con cui gli impulsi vibrazionali si propagano in un mezzo è funzione delle caratteristiche elastiche del mezzo (modulo di elasticità e modulo di Poisson dinamici) e della sua densità.

Il metodo diretto è l'unico che dà risultati di una certa affidabilità Utilizzazione del metodo per la misura della profondità delle lesioni: poco affidabile nel cls

La misura della velocità degli ultrasuoni può essere completata da quella di attenuazione dell'onda: l'onda è tanto più attenuata quanto più piccola è l'ampiezza del segnale in arrivo Teoricamente, la misura dell'attenuazione potrebbe essere utile per l'individuazione di difetti interni. L'ampiezza del segnale è però molto influenzata dalle condizioni di accoppiamento delle sonde alla superficie del calcestruzzo, perciò le misure sono poco affidabili.

traiettorie 1 e 6: le misure forniscono di valori di velocità e di attenuazione relativi al calcestruzzo di base traiettoria 2: fessura priva di zone di contatto fra i lembi: velocità più bassa fessura con zone di contatto fra i lembi: velocità circa uguale, attenuazione maggiore

traiettoria 3: presenza di un vuoto: velocità minore e attenuazione maggiore traiettoria 4: presenza di un vespaio, cioè di vuoti con piccole zone di contatto: velocità circa uguale, marcata attenuazione traiettoria 5: zona di cls con diverse caratteristiche elasto- meccaniche: diversa velocità

Misura della velocità degli ultrasuoni per la stima della resistenza del cls. La stima della resistenza presenta delle difficoltà legate alla eccessiva sensibilità della strumentazione in rapporto alla disomogeneità interna del materiale: percentuale di vuoti, forma e dimensione degli aggregati, presenza di barre di armatura, ecc. Per questo è opportuno eseguire sempre misure della velocità e dell'attenuazione: quando le variazioni di velocità sono accompagnate da variazioni dell'attenuazione, siamo probabilmente in presenza di difetti e non di differenze delle caratteristiche delle proprietà meccaniche. La stima della resistenza dovrà essere fatta sulla base dei valori di velocità in corrispondenza dei quali si registra la minore attenuazione.

L'affidabilità del metodo in sé è piuttosto scarsa, ma può fornire buoni risultati se utilizzato in combinazione con altri metodi di indagine. In questo modo si cerca di neutralizzare gli effetti dei fattori di disturbo; ad esempio: grado di umidità e grado di maturazione: influenzano la velocità di propagazione con effetto opposto rispetto a quanto rilevato per le prove sclerometriche.

Metodi combinati La scarsa affidabilità dei metodi non distruttivi se usati come unico mezzo di indagine e considerazioni circa la compensazione degli effetti dei fattori d'influenza per talune prove, hanno suggerito la sperimentazione e la messa a punto di metodi combinati di indagine.

Combina misure di velocità di onde ultrasoniche con misure dell'indice di rimbalzo, ottenute con uno sclerometro Schmidt tipo N: -l'influenza dell'umidità e del grado di maturazione si compensano, avendo effetti opposti nei due metodi componenti; -si ha una riduzione, rispetto al metodo ultrasonico, dell'influenza della natura e dimensione dell'inerte, del dosaggio e del tipo di cemento e delle discontinuità in genere presenti nel getto; -si ha una diminuzione, rispetto al metodo sclerometrico, dell'influenza della durezza superficiale. Metodo SONREB

Riferimenti bibliografici Pucinotti R.: “Patologia e diagnostica del cemento armato”, Flaccovio Ed., 2005 Beconcini M.L.: "La valutazione della resistenza del calcestruzzo", Atti del Dipartimento di Ingegneria Strutturale, n° 8, 2001 Cianfrone F.: "Indagini microsismiche ed ultrasoniche", Atti Seminario AICAP, Venezia, 1993

Riferimenti normativi UNI EN :2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Forma, dimensioni ed altri requisiti per provini e per casseforme. UNI EN :2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Confezione e stagionatura dei provini per prove di resistenza. UNI EN :2003 – Prova sul calcestruzzo indurito. Resistenza alla compressione dei provini. UNI EN :2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Resistenza alla compressione - Specifiche per macchine di prova. UNI EN :2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Resistenza a flessione dei provini. UNI EN :2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Resistenza a trazione indiretta dei provini. UNI EN :2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Massa volumica del calcestruzzo indurito. UNI EN :2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Profondità di penetrazione dell'acqua sotto pressione.

UNI 6131:2002 – Prelevamento campioni di calcestruzzo indurito. UNI 10157:1992 – Calcestruzzo indurito. Determinazione della forza di estrazione mediante inserti post-inseriti ad espansione geometrica e forzata. UNI 10766:1999 – Calcestruzzo indurito. Prove di compressione su provini ricavati da microcarote per la stima delle resistenze cubiche locali del calcestruzzo in situ. UNI EN : Prove sul calcestruzzo nelle strutture. Carote. Prelievo, esame e prova di compressione. UNI EN :2001 – Prove sul calcestruzzo nelle strutture. Prove non distruttive. Determinazione dell'indice sclerometrico. UNI EN : Prove sul calcestruzzo nelle strutture. Parte 3: Determinazione della forza di estrazione. UNI EN : Prove sul calcestruzzo nelle strutture. Parte 4: Determinazione della velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici.