«IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE» Giornata di Studio: Il controllo dei materiali: tecniche non distruttive e sistemi di monitoraggio residenti «IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE» PARTE III Prof. Ing. Giacinto Porco Docente Università della Calabria Ore: 15.45 Venerdì 19 Giugno 2015 A.I.A.C. – Associazione Ingegneri Architetti Cittanova «Polo Solidale della Legalità» Viale Merano – Cittanova (RC)

Metodo Ultrasonoro

Prove Non Distruttive Calcestruzzo IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Scopi e campo di applicazione La norma UNI EN 12504-4:2005 specifica un metodo per la determinazione della velocità di propagazione degli impulsi delle onde longitudinali ultrasoniche nel calcestruzzo indurito, utilizzato per numerose applicazioni. Il metodo viene impiegato per controllare i diversi parametri quali: La variazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo nel tempo; La valutazione del modulo di elasticità dinamico longitudinale e di taglio; Il coefficiente dinamico di Poisson; Lo sforzo di compressione; L’indice percentuale dei vuoti; La stima della resistenza caratteristica del calcestruzzo; La presenza di difetti interni; La valutazione dell’entità di fessure superficiali o di strati danneggiati; Gli effetti prodotti da basse temperature; Lo spessore di elementi strutturali. Prove Non Distruttive Calcestruzzo

Metodo Ultrasonoro Principio IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Principio Un treno d'onde longitudinali è prodotto mediante un trasduttore elettroacustico tenuto in contatto con una superficie del calcestruzzo sottoposto a prova. Dopo aver attraversato un percorso di lunghezza nota, all'interno del calcestruzzo, il treno d'onda è convertito in segnale elettrico mediante un secondo trasduttore, e dei circuiti di temporizzazione elettronica consentono di misurare il tempo di transito degli impulsi.

Metodo Ultrasonoro Apparecchiatura Generalità IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Apparecchiatura Generalità L'apparecchiatura consiste in un generatore di impulsi elettrici, una coppia di trasduttori, un amplificatore e un dispositivo elettronico per la misurazione dell'intervallo di tempo che intercorre tra la partenza di un impulso generato dal trasduttore emittente e il suo arrivo al trasduttore ricevente. La presenza di una barra di calibrazione fornisce le linee di riferimento per la misurazione della velocità. Sono disponibili due tipi di apparecchi elettronici di misura dei tempi: a) un oscilloscopio sul quale il primo fronte di impulso è visualizzato in relazione ad una scala di tempo idonea; b) un contatore dei tempi con un display digitale a lettura diretta. Un oscilloscopio permette di esaminare la forma d'onda dell'impulso; ciò può essere vantaggioso in situazioni complesse di prova o nelle misurazioni dei sistemi automatici.

Metodo Ultrasonoro Apparecchiatura Requisiti prestazionali L'apparecchiatura deve essere conforme ai requisiti prestazionali seguenti: - deve essere in grado di misurare i tempi di transito sulla barra di calibrazione fino ad uno scostamento limite di ±0,1 µs e una accuratezza del 2%; - l'impulso di eccitazione elettronica applicato al trasduttore emittente deve avere un tempo di salita non maggiore di un quarto del suo periodo naturale. Ciò consente di garantire una forte pendenza del fronte d'onda di partenza; la frequenza di ripetizione degli impulsi deve essere sufficientemente bassa per assicurare che il fronte del segnale ricevuto sia privo di interferenze da riverberi. L'apparecchiatura deve essere utilizzata nei limiti delle condizioni di funzionamento dichiarate dal produttore.

Metodo Ultrasonoro Apparecchiatura Trasduttori IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Apparecchiatura Trasduttori La frequenza naturale dei trasduttori dovrebbe essere generalmente compresa nell'intervallo da 20 kHz a 150 kHz. Talvolta possono essere utilizzate frequenze basse dell'ordine di 10 kHz ed alte dell'ordine di 200 kHz. Gli impulsi ad alta frequenza hanno un fronte di partenza ben definito, ma, mano a mano che attraversano il calcestruzzo si attenuano più rapidamente degli impulsi di minor frequenza. Pertanto, è preferibile utilizzare trasduttori ad alta frequenza (da 60 kHz a 200 kHz) per percorsi di lunghezza breve (fino a 50 mm) e trasduttori a bassa frequenza (da 10 kHz a 40 kHz) per percorsi di lunghezza maggiore (fino ad un massimo di 15 m). I trasduttori con frequenza da 40 kHz a 60 kHz sono considerati utili per la maggior parte delle applicazioni.

Metodo Ultrasonoro Apparecchiatura IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Apparecchiatura Apparecchiatura per la determinazione del tempo di arrivo dell'impulso L'apparecchiatura deve essere in grado di determinare il tempo di arrivo del primo fronte dell'impulso con la soglia minima possibile, anche se questo può avere una minore ampiezza rispetto a quella della prima semi onda d'impulso

Metodo Ultrasonoro Procedimenti IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Procedimenti Determinazione della velocità di propagazione degli impulsi Disposizioni dei trasduttori Sebbene la direzione nella quale si propaga l'energia massima sia ad angoli retti rispetto alla faccia del trasduttore emittente, è possibile rilevare impulsi che hanno attraversato il calcestruzzo anche in altre direzioni. Pertanto, è possibile effettuare misurazioni della velocità di propagazione degli impulsi posizionando i due trasduttori su facce opposte (trasmissione diretta), o su facce adiacenti (trasmissione semidiretta), oppure sulla stessa faccia (trasmissione indiretta o superficiale) (vedere figura 1) di una struttura di calcestruzzo o di un provino.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Qualora sia necessario posizionare i trasduttori su facce opposte ma non in opposizione diretta tra di loro, tale disposizione deve essere considerata come trasmissione semidiretta (vedere figura 1.b). La disposizione di trasmissione indiretta è la meno sensibile e dovrebbe essere utilizzata quando solo una faccia del calcestruzzo è accessibile oppure quando interessa la qualità del calcestruzzo superficiale rispetto alla qualità complessiva. La disposizione di trasmissione semidiretta è utilizzata quando non può essere utilizzata la disposizione di trasmissione diretta, per esempio negli angoli delle strutture.

Metodo Ultrasonoro Misurazione della lunghezza di percorso IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Misurazione della lunghezza di percorso Per la trasmissione diretta, la lunghezza di percorso è la distanza più breve tra i due trasduttori. L'accuratezza della misurazione della lunghezza di percorso deve essere registrata con accuratezza di ±1%. Per la trasmissione semidiretta, generalmente si ritiene sufficientemente accurato considerare la lunghezza di percorso come la distanza misurata da centro a centro delle facce dei trasduttori. L'accuratezza della lunghezza di percorso è dipendente dalle dimensioni del trasduttore confrontate con la distanza da centro a centro. Con la trasmissione indiretta, non si misura la lunghezza di percorso, bensì si effettuano una serie di misurazioni con i trasduttori a diverse distanze. Accoppiamento del trasduttore al calcestruzzo Occorre stabilire un adeguato accoppiamento acustico tra il calcestruzzo e la faccia di ciascun trasduttore. Per molte superfici di calcestruzzo, la finitura è sufficientemente liscia da garantire un buon contatto acustico utilizzando un mezzo di accoppiamento come vaselina, grasso, lieve insaponatura, pasta di caolino/glicerina e premendo il trasduttore contro la superficie del calcestruzzo.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Si dovrebbero effettuare ripetute letture del tempo di transito fino ad ottenere un valore minimo che indichi che lo spessore del mezzo di accoppiamento è stato ridotto al minimo. Qualora la superficie di calcestruzzo sia molto ruvida e irregolare, l'area della superficie dovrebbe essere lisciata e livellata mediante levigatura o mediante l'utilizzo di una resina epossidica a presa rapida. Sono disponibili trasduttori speciali per l'impiego su superfici molto ruvide. Misurazione del tempo di transito Utilizzando il dispositivo elettronico l'intervallo di tempo indicato deve essere determinato in accordo alle istruzioni del produttore.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro All’inizio di ogni campagna di misure è opportuno eseguire la verifica di taratura della strumentazione con il blocco di calibrazione in dotazione. La BS1881-203:1986 prevede che le sonde siano applicate ad una distanza minima di 150 mm, qualora gli inerti abbiano una dimensione massima compresa tra 20 e 40 mm. Se gli aggregati hanno una dimensione massima di 20 mm, questa distanza può essere ridotta a 100 mm. Per il metodo indiretto la distanza minima viene maggiorata a 400 mm. Per l’esecuzione della prova, occorre essere sicuri che le onde ultrasoniche vengano effettivamente trasmesse alla superficie in esame. È pertanto necessario effettuare più letture del tempo di transito, sino a che venga raggiunto il valore minimo. La misura della velocità degli ultrasuoni dovrà essere effettuata in direzione perpendicolare al getto nello stampo. Per ogni provino è necessario eseguire 3 misure tra loro distanziate, aventi comunque una distanza dal bordo non inferiore a 20 mm. La differenza in valore assoluto tra ogni singola misura ed il valore medio non dovrà superare il 5% del valore medio stesso, in caso contrario il provino non potrà essere accettato.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Individuazione e controllo dei difetti: la individuazione, localizzazione e valutazione dell’entità dei difetti, vuoti o altre malformazioni del calcestruzzo si basa sulla diffrazione dell’impulso attorno alla zona difettosa che si manifesta con debole trasmissione dell’energia degli ultrasuoni attraverso l’aria e quindi con apparente diminuzione della velocità di propagazione, nonché sulla lettura di un’ampiezza più debole dell’impulso ricevuto. La presenza di fessure è quindi individuata dalle zone in cui in una misura superficiale il diagramma tempo-spazio presenta una discontinuità.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Con riferimento alla figura, si misurano dall’emettitore le distanze L1, L2, L3, L4 e si traccia il diagramma distanze (Li) in funzione del tempo (t) di transito.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Lo spessore dello stato deteriorato può essere calcolato, note le velocità di propagazione delle onde sia nel calcestruzzo deteriorato (Vc) che in quello non deteriorato (Vs), applicando la: Dove L0 è la distanza tra la sonda ricevente e quella emittente determinata nel suddetto diagramma nel punto in cui avviene un rapido cambiamento di direzione della curva sperimentale di velocità tracciata.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro È stato dimostrato che è possibile tracciare curve di calibrazione velocità/resistenza tramite sperimentazioni in laboratorio, ma il trasferimento al calcestruzzo in situ è particolarmente difficoltoso, occorre infatti valutare i fattori che influenzano i risultati (tipo di cemento, contenuto di cemento, composizione del cemento, tipo e dimensione degli inerti, condizioni di conservazione ed età del calcestruzzo etc.). Un metodo più affidabile è quello di determinare tale correlazione utilizzando carote prelevate da parti omogenee della struttura in esame. Uno studio eseguito su elementi strutturali relativamente articolati ha infatti evidenziato correlazioni differenti per le diverse parti, determinando la resistenza a compressione con un errore tra 20% e 25% per R20 MPa; tale errore si riduce al 5% per R40 MPa ed aumenta sino al 50% per R5 MPa.

Metodo Ultrasonoro Espressione dei risultati IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Espressione dei risultati Per la trasmissione diretta e semidiretta la velocità di propagazione degli impulsi deve essere calcolata dalla formula: V =L/T dove: V è la velocità di propagazione degli impulsi, in kilometri al secondo; L è la lunghezza di percorso, in millimetri; T è il tempo impiegato dall'impulso per attraversare la lunghezza, in microsecondi.

Metodo Ultrasonoro Resoconto di prova IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Resoconto di prova Il resoconto di prova deve includere le informazioni seguenti: - identificazione della struttura di calcestruzzo o dei provini sottoposti a prova; - luogo di realizzazione della prova; - data della prova; - descrizione del calcestruzzo, incluse le proporzioni dell'impasto (se conosciute); - età del calcestruzzo, al momento della prova (se conosciuta); - temperatura del calcestruzzo, al momento della prova; - tipo e marca dell'apparecchiatura utilizzata, incluso,

Metodo Ultrasonoro Resoconto di prova IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Resoconto di prova dimensioni delle superfici di contatto dei trasduttori, frequenza degli impulsi propri dei trasduttori, eventuali caratteristiche speciali; - disposizione dei trasduttori e metodo di trasmissione (con schema, se pertinente); - dettagli sulla presenza di armature o di elementi di acciaio nelle vicinanze delle zone di prova (se conosciuti); - condizioni superficiali e preparazione dei punti di prova; - valori misurati della lunghezza di percorso (per trasmissione diretta e semidiretta), incluso: a) metodo di misurazione, b) accuratezza di misurazione; - valori calcolati della velocità di propagazione degli impulsi lungo ciascun percorso; - una dichiarazione, da parte della persona tecnicamente responsabile della prova, che la prova è stata effettuata in accordo al presente documento; - eventuali scostamenti dai metodi esposti nel documento.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Valutazione della resistenza a compressione con gli ultrasuoni Un errore talmente elevato per ridotte tensioni di compressione induce a ritenere che la relazione tra velocità delle onde ultrasoniche V e resistenza a compressione del calcestruzzo Rc sia piuttosto complessa, e difficilmente riconducibile alla relazione esponenziale valida per tensioni elevate. Un ampio studio sull’argomento, dopo aver esaminato numerose equazioni, usando diversi tipi di criteri per stabilire il grado di correlazione, ha confermato la validità della relazione: con A e B parametri dipendenti dalle caratteristiche del calcestruzzo. Tali parametri variano ad esempio in funzione della maturazione del calcestruzzo. Il coefficiente di correlazione risulta elevato per ciascuna delle relazioni relativa ai differenti metodi di maturazione. Altri autori hanno invece proposto finzioni di tipo polinominiale. Resistenza e velocità sono correlate da una formula tipo: Le proposte avanzate dai vari Autori, tuttavia, sono abbastanza discordanti tra loro.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Influenze esterne sulla propagazione degli ultrasuoni Nel caso del conglomerato cementizio armato, i fattori che incidono sulla propagazione delle onde ultrasonore sono essenzialmente quelli dovuti a: Aggregati: prove sperimentali hanno mostrato che un incremento del volume degli aggregati incrementa la velocità ultrasonora. Quest’ultima dipende pure dal rapporto cemento-aggregato e dal tipo di attività del cemento. Entità del carico: prove di misura su provini cubici sottoposti ad un carico inferiore a quello di rottura, hanno evidenziato una correlazione significativa tra velocità e carico. Per valori di compressione superiori al 50% del carico di rottura, la velocità si riduce fino a raggiungere il 50% di quella corrispondente alla rottura. Età del calcestruzzo: la velocità degli ultrasuoni aumenta con la maturazione. Ad uno stesso valore di velocità, la resistenza del calcestruzzo maturato in acqua, risulta inferiore a quella relativa alla maturazione in aria.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Influenze esterne sulla propagazione degli ultrasuoni Condizione della superficie del calcestruzzo: liscia, rugosa. Forma e dimensione della struttura: la velocità degli ultrasuoni è indipendente dalla forma e dalle dimensioni dell’elemento sottoposto a prova, purché la dimensione minima laterale (d) in direzione ortogonale a quella di propagazione non sia inferiore ad un valore di 80 mm (RILEM) e la lunghezza attraversata (L) sia sufficientemente grande da non risentire in modo significativo della natura eterogenea del calcestruzzo (>100-150 mm). Lunghezza del percorso : esiste una dipendenza nei casi di percorsi molto brevi, dovuta alla natura eterogenea del calcestruzzo. L’intervallo di lunghezze di percorso è limitato: a) Inferiormente dall’influenza che le condizioni di rugosità superficiale, le caratteristiche fisiche del materiale (p.e. porosità), e soprattutto la composizione (distribuzione granulometrica degli aggregati) possono avere sulle misure.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Influenze esterne sulla propagazione degli ultrasuoni Di conseguenza vengono raccomandate le seguenti distanze minime di misura: - 100 mm per cls in cui la dimensione massima dell’aggregato è < di 30 mm; - 150 mm per cls in cui la dimensione massima dell’aggregato è < 45 mm. b) superiormente, dalla variazione subita dal segnale in ampiezza ed in frequenza. Presenza di armature: in prossimità di barre di armatura la velocità risulta maggiore in quanto l’impulso rilevato dalla sonda ricevente avrà viaggiato in parte nelle barre (la velocità degli ultrasuoni nell’acciaio è maggiore rispetto a quella del calcestruzzo). La diminuzione del tempo di propagazione dipende: - Dalla vicinanza delle barre di armatura rispetto all’asse congiungente i centri dei trasduttori; - Dalle dimensioni e dal numero delle barre di armatura; - Dal loro orientamento rispetto all’asse congiungente i centri dei trasduttori.

IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Ultrasonoro Influenze esterne sulla propagazione degli ultrasuoni Rapporto acqua/cemento: la velocità degli ultrasuoni si riduce al crescere del rapporto acqua/cemento. Stato di sollecitazione: la velocità ultrasonica aumenta per carichi inferiori al 20% del carico di rottura, e si riduce drasticamente se gli sforzi superano il 70% del carico di rottura. Temperatura: la velocità degli ultrasuoni varia di qualche unità percentuale per una temperatura ambientale compresa tra 0 °C e 40 °C. Umidità del calcestruzzo: l’umidità del calcestruzzo ha effetti modesti: i provini in condizioni sature presentano velocità maggiori del 2% rispetto a quelli in condizioni secche. Percentuale dei vuoti: la percentuale dei vuoti provoca una riduzione proporzionale della velocità.

Metodo Sonreb

Prove Non Distruttive Calcestruzzo Metodo Sonreb Scopi e campo di applicazione La combinazione dei metodi non distruttivi mediante sclerometro ed ultrasuoni consente di ottenere risultati più attendibili sulla resistenza del calcestruzzo. Apparecchiature Prove Non Distruttive Calcestruzzo

Metodo Sonreb I vantaggi del metodo possono essere così riassunti: IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE Metodo Sonreb I vantaggi del metodo possono essere così riassunti: Annullamento dell’influenza dell’umidità e del grado di maturazione del calcestruzzo sui risultati dell’analisi, in quanto essi hanno, a parità di effettiva resistenza a rottura, effetto opposto sulle misure della velocità di propagazione degli ultrasuoni e sull’indice di rimbalzo; Riduzione, rispetto al metodo ultrasonico, dell’influenza della granulometria dell’inerte, del dosaggio e del tipo di cemento e dell’eventuale additivo utilizzato per il getto del calcestruzzo; Diminuzione, rispetto al metodo sclerometrico, dell’importanza delle variazioni di qualità tra strati superficiali e strati profondi del calcestruzzo. Il metodo è applicato determinando per ogni area di saggio due coppie di valori: Velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici (VL); Indice di rimbalzo dello sclerometro (I)