Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta”

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1 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

2 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)

3 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

4 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

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

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

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

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

9 H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo (t) Profondità di

10 H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo (t) Profondità di

11 H2O CO2 Corrosione da carbonatazione Tempo (t) Profondità di

12 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

13 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

14 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

15 Corrosione da carbonatazione
K c Plim Vcorr

16 Corrosione da carbonatazione
K c Plim Vcorr Ambiente/microclima

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

18 K c Plim Vcorr Corrosione da carbonatazione Ambiente/microclima
Calcestruzzo

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

20 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

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

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

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

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

25 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:

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

27 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

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

29 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

30 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

31 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, ...)

32 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, ...)

33 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

34 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

35 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

36 Fattori di progetto della durabilità
Drenaggio Progetto della struttura

37 Fattori di progetto della durabilità
struttura

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

39 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

40 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

41 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

42 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

43 1 - Nessun rischio di corrosione o di attacco
UNI EN 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

44 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.)

45 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 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

46 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.)

47 UNI 11104 - Valori limite 1) nessuna indicazione della vita utile
2) per tutti i cementi della UNI EN 197-1 UNI 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

48 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

49 Sviluppo della resistenza del calcestruzzo:
UNI ENV 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

50 Corrosione da carbonatazione
UNI EN (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”

51 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

52 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

53 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

54 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

55 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

56 - 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