Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta” Politecnico di Milano Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta” Convegno AICAP, “La Durabilità delle strutture in calcestruzzo” Ancona, 27 febbraio 2007 La progettazione della durabilità Luca Bertolini Politecnico di Milano

La durabilità Una struttura deve essere progettata in modo tale che il degrado che si dovesse verificare durante la sua vita utile di progetto non riduca le prestazioni della struttura al disotto del livello previsto, tenendo conto in modo adeguato del suo ambiente e del livello di manutenzione anticipata. (UNI EN 1990) La Durabilità, definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle strutture, è una proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezza vengano garantiti durante tutta la vita utile di progetto dell'opera. La durabilità è funzione dell'ambiente in cui la struttura vive e del numero di cicli di carico cui la struttura potrà essere sottoposta. (Norme tecniche sulle costruzioni)

1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

Corrosione delle armature e vita utile Fessurazione del calcestruzzo Penetrazione della corrosione Innesco della corrosione Tempo

Corrosione delle armature e vita utile Distacco del calcestruzzo Penetrazione della corrosione Innesco della corrosione Fessurazione del calcestruzzo Tempo

Corrosione delle armature e vita utile Collasso della struttura Penetrazione della corrosione Distacco del calcestruzzo Innesco della corrosione Fessurazione del calcestruzzo Tempo

tu = ti + tp Corrosione delle armature e vita utile Vita di servizio Penetrazione della corrosione Vita di servizio tu = ti + tp ti tp Tempo

H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo (t) Profondità di

H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo (t) Profondità di

H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo (t) Profondità di

ti t K = æ è ç ö ø ÷ H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo (t) Tempo di innesco: Tempo (t) Profondità di carbonatazione H2O CO2 c

t c K = æ è ç ö ø ÷ ti H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo (t) Tempo di innesco: ti Tempo (t) Profondità di carbonatazione c H2O CO2 c

t P V = t c K = æ è ç ö ø ÷ ti H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo di innesco: ti Tempo (t) Tempo di propagazione (tp): - velocità di corrosione (Vcorr) - penetrazione limite (Plim) t P V p lim = corr Profondità di carbonatazione c H2O CO2 c

Corrosione da carbonatazione K c Plim Vcorr

Corrosione da carbonatazione K c Plim Vcorr Ambiente/microclima

K c Plim Vcorr Corrosione da carbonatazione Ambiente/microclima Ambiente interno Carbonatazione accelerata K c Plim Vcorr Ambiente/microclima Calcestruzzo

K c Plim Vcorr Corrosione da carbonatazione Ambiente/microclima Calcestruzzo

K c Plim Vcorr Corrosione da carbonatazione Ambiente/microclima Calcestruzzo Calcestruzzo Geometria c d

K c Plim Vcorr Corrosione da carbonatazione Ambiente/microclima Calcestruzzo 0.1 1 10 40 50 60 70 80 90 Umidità relativa (%) Velocità di corrosione (mm/anno) 0% Cl - 0.4% Cl 1% Cl Calcestruzzo Geometria Ambiente/microclima

Corrosione da cloruri Cloruri Tenore critico Clcr Profondità H2O Cl- c

Corrosione da cloruri Cloruri Tenore critico Clcr Profondità H2O Cl- c

Corrosione da cloruri Cloruri Tenore critico Clcr Profondità H2O Cl- c

Vita di servizio tu  ti H2O Cl- Corrosione da cloruri Cloruri Tenore critico Clcr Profondità H2O Cl- c

Corrosione da cloruri t = ti II legge di Fick: Cloruri t = 28 anni Profondità Cloruri Tenore critico Clcr c t = ti II legge di Fick:

Dapp Cs Clcr c Corrosione da cloruri t = ti Ambiente/microclima Profondità Cloruri Tenore critico Clcr c t = ti Calcestruzzo

1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

tu = ti + tp Fattori di progetto della durabilità Vita di servizio Penetrazione della corrosione Vita di servizio tu = ti + tp ti tp Tempo

tu = ti + tp Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche ambientali Protezioni aggiuntive Progetto della struttura Spessore di copriferro Ispezione e manutenzione programmate Proprietà del calcestruzzo Vita di servizio tu = ti + tp

Fattori di progetto della durabilità Tempo Profondità di carbonatazione a/c copriferro ti,1 ti,2 ti,3 stagionatura - Rapporto a/c - Stagionatura - Tipo di cemento / aggiunte - Contenuto di cemento - Additivi - Lavorabilità - Posa in opera - Resistenza a compressione - Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...) Proprietà del calcestruzzo

Fattori di progetto della durabilità Proprietà del calcestruzzo 10 20 30 40 50 60 15 45 % sostituzione D (m2/s) Calcare Fly ash - Rapporto a/c - Stagionatura - Tipo di cemento / aggiunte - Contenuto di cemento - Additivi - Lavorabilità - Posa in opera - Resistenza a compressione - Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...)

Fattori di progetto della durabilità Proprietà del calcestruzzo Proprietà effettive del calcestruzzo in opera  controlli - Rapporto a/c - Stagionatura - Tipo di cemento / aggiunte - Contenuto di cemento - Additivi - Lavorabilità - Posa in opera - Resistenza a compressione - Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...)

tu = ti + tp Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche ambientali Proprietà del calcestruzzo Vita di servizio tu = ti + tp Protezioni aggiuntive Progetto della struttura Ispezione e manutenzione programmate Spessore di copriferro

Fattori di progetto della durabilità Spessore effettivo in opera Uno spessore molto alto può avere un comportamento peggiore rispetto a quello atteso (es. maggiore apertura delle fessure). Spessore di copriferro

tu = ti + tp Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche ambientali Proprietà del calcestruzzo Vita di servizio tu = ti + tp Protezioni aggiuntive Spessore di copriferro Ispezione e manutenzione programmate Progetto della struttura

Fattori di progetto della durabilità Drenaggio Progetto della struttura

Fattori di progetto della durabilità struttura

Fattori di progetto della durabilità Elementi sostituibili o protetti Progetto della struttura

tu = ti + tp Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche ambientali Protezioni aggiuntive Progetto della struttura Spessore di copriferro Ispezione e manutenzione programmate Proprietà del calcestruzzo Vita di servizio tu = ti + tp

tu = ti + tp Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche ambientali Proprietà del calcestruzzo Vita di servizio tu = ti + tp Protezioni aggiuntive Spessore di copriferro Progetto della struttura Ispezione e manutenzione programmate

1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

tu = ti + tp Approccio standard Azioni meccaniche Azioni ambientali Proprietà del calcestruzzo Vita di servizio tu = ti + tp Protezioni aggiuntive Progetto della struttura Ispezione e manutenzione programmate Spessore di copriferro

1 - Nessun rischio di corrosione o di attacco UNI EN 206-1 - Classi d’esposizione 1 - Nessun rischio di corrosione o di attacco 2 - Corrosione causata da carbonatazione 3 - Corrosione causata da cloruri 4 - Corrosione causata da cloruri provenienti dall’acqua di mare 5 - Attacco da gelo-disgelo 6 - Attacco chimico

UNI EN 206-1 Classe di esposizione Nessun rischio X0 Corrosione da XC1 (secco/saturo) carbonatazione XC2 (sempre umido) XC3 (mod. umido) XC4 (cicli bagn.) Corrosione da cloruri XS1 (sulla costa) da acqua di mare XS2 (sommerso) XS3 (spruzzi) Corrosione da cloruri XD1 (mod. umido) da altre fonti XD2 (umido) XD3 (cicli bagn.)

UNI EN 206-1 - Valori limite raccomandati 1) nel presupposto di una vita utile di 50 anni 2) per CEM I (32,5) UNI EN 206-1 - Valori limite raccomandati Classe di esposizione Max. Min. Min. cem. a/c resist. (kg/m3) Nessun rischio X0 - C12/15 - Corrosione da XC1 (secco/saturo) 0,65 C20/25 260 carbonatazione XC2 (sempre umido) 0,60 C25/30 280 XC3 (mod. umido) 0,55 C30/37 280 XC4 (cicli bagn.) 0,50 C30/37 300 Corrosione da cloruri XS1 (sulla costa) 0,50 C30/37 300 da acqua di mare XS2 (sommerso) 0,45 C35/45 320 XS3 (spruzzi) 0,45 C35/45 340 Corrosione da cloruri XD1 (mod. umido) 0,55 C30/37 300 da altre fonti XD2 (umido) 0,55 C30/37 300 XD3 (cicli bagn.) 0,45 C35/45 320

UNI 11104 Classe di esposizione Nessun rischio X0 Corrosione da XC1 (secco/saturo) carbonatazione XC2 (sempre umido) XC3 (mod. umido) XC4 (cicli bagn.) Corrosione da cloruri XS1 (sulla costa) da acqua di mare XS2 (sommerso) XS3 (spruzzi) Corrosione da cloruri XD1 (mod. umido) da altre fonti XD2 (umido) XD3 (cicli bagn.)

UNI 11104 - Valori limite 1) nessuna indicazione della vita utile 2) per tutti i cementi della UNI EN 197-1 UNI 11104 - Valori limite Classe di esposizione Max. Min. Min. cem. a/c resist. (kg/m3) Nessun rischio X0 - C12/15 - Corrosione da XC1 (secco/saturo) 0,60 C25/30 300 carbonatazione XC2 (sempre umido) 0,60 C25/30 300 XC3 (mod. umido) 0,55 C28/35 320 XC4 (cicli bagn.) 0,50 C32/40 340 Corrosione da cloruri XS1 (sulla costa) 0,50 C32/40 340 da acqua di mare XS2 (sommerso) 0,45 C35/45 360 XS3 (spruzzi) 0,45 C35/45 360 Corrosione da cloruri XD1 (mod. umido) 0,55 C28/35 320 da altre fonti XD2 (umido) 0,50 C32/40 340 XD3 (cicli bagn.) 0,45 C35/45 360

C25/30 XC2 S3 30 mm - classe di resistenza - classe di esposizione Prescrizioni sul calcestruzzo (minimo per 50 anni) C25/30 - classe di resistenza - classe di esposizione - classe di consistenza - dimensione massima dell’aggregato XC2 S3 30 mm

Sviluppo della resistenza del calcestruzzo: UNI ENV 13670-1 - Durata della stagionatura Classi X0 e XC1: - almeno 12 ore Altre classi: - finché non si raggiunge il 50% della resistenza richiesta a 28 giorni Tempo di stagionatura (giorni) Sviluppo della resistenza del calcestruzzo: r = Rcm2/Rcm28 Temperatura della super-ficie del calcestruzzo (T): Rapido r  0.50 Medio r = 0.30 Lento r = 0.15 Molto lento r  0.15 T  25 1.0 1.5 2.0 3.0 25 > T  15 5 15 > T 10 4.0 7 10 10 > T 5 6 15

Corrosione da carbonatazione UNI EN 1992-1 (Eurocodice 2) - Spessore di copriferro Classe di esposizione Minimo spessore di copriferro (mm) (*) c.a. c.a.p. Nessun rischio X0 10 Corrosione da carbonatazione XC1 15 25 XC2, XC3 35 XC4 30 40 Corrosione da cloruri XS1, XD1 45 XS2, XD2 50 XS3, XD3 55 (*) In funzione della “classe strutturale”

1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

richiesta di una vita di servizio elevata, Approccio prestazionale richiesta di una vita di servizio elevata, elevata aggressività ambientale (es. parti critiche della struttura, zona degli spruzzi, ...) inaccessibilità della struttura per controlli, elevati costi diretti o indiretti di manutenzione. Metodi deterministici  Metodi probabilistici

g =R(t) - S(t) Approccio prestazionale Funzione dello stato limite: Esempio: Valutazione del tempo di innesco della corrosione da cloruri Profondità Cloruri Tenore critico copriferro

g =R(t) - S(t) Approccio prestazionale - DuraCrete Probabilistic Performance Based Durability Design of Concrete Structures g =R(t) - S(t) Valore di progetto del tenore critico di cloruri Valore di progetto della concentrazione superficiale di cloruri Valore di progetto dello spessore di copriferro Valore di progetto della resistenza alla penetrazione dei cloruri Valutazione del tempo di innesco della corrosione da cloruri

Approccio prestazionale - DuraCrete Tenore critico di cloruri Concentrazione superficiale di cloruri Valore di progetto dello spessore di copriferro Valore di progetto della resistenza alla penetrazione dei cloruri Resistenza alla penetrazione determinata al tempo t0 con una prova di conformità Cl- + - no Cl- cls

- Definizione dei parametri di calcolo del modello Approccio prestazionale - Limiti - Definizione dei parametri di calcolo del modello - Individuazione delle procedure per le prove di conformità - Attendibilità dei fattori correttivi - Verifica dei risultati a lungo termine