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)
La prevenzione della corrosione
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
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
Penetrazione
della corrosione
Innesco della
corrosione
Fessurazione
del calcestruzzo
Tempo
Corrosione delle armature e vita utile
Penetrazione
della corrosione
Distacco del
calcestruzzo
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
Corrosione delle armature e vita utile
Penetrazione
della corrosione
Vita di servizio
tu = ti + tp
ti
tp
Tempo
Corrosione da carbonatazione
Tempo (t)
sK t
Profondità di
carbonatazione
H 2O
CO2
c
Corrosione da carbonatazione
Tempo (t)
sK t
Profondità di
carbonatazione
H 2O
CO2
c
Corrosione da carbonatazione
Tempo (t)
sK t
Profondità di
carbonatazione
H 2O
CO2
c
Tempo di innesco:
c 
t i   K ÷
2
Tempo (t)
Corrosione da carbonatazione
sK t
ti
c
H 2O
CO2
c
Profondità di
carbonatazione
Tempo di innesco:
c 
t i   K ÷
2
Tempo (t)
Corrosione da carbonatazione
sK t
ti
c
H 2O
CO2
c
Profondità di
carbonatazione
Tempo (t)
Corrosione da carbonatazione
Tempo di innesco:
c 
t i   K ÷
2
sK t
ti
Tempo di propagazione (tp):
c
- velocità di corrosione (Vcorr)
- penetrazione limite (Plim)
Plim
tp 
Vcorr
H 2O
CO2
c
Profondità di
carbonatazione
Corrosione da carbonatazione
2
Plim
c
t u  ti  t p    
 K  Vcorr
K
c
Plim
Vcorr
Corrosione da carbonatazione
2
K
c
Plim
Vcorr
Ambiente/microclima
Profondità di carbonatazione (mm)
Plim
c
t u  ti  t p    
 K  Vcorr
25
Atmosfera asciutta
(20°C e 65% U.R.)
20
15
10
Esterno
(riparato)
5
Esterno
(orizzontale)
0
0
5
10
15
Tempo (anni)
Corrosione da carbonatazione
2
Plim
c
t u  ti  t p    
 K  Vcorr
Ambiente/microclima
Calcestruzzo
c
Plim
Vcorr
Carbonatazione
accelerata
25
K (mm/anno0.5)
K
30
20
15
10
Ambiente interno
5
0
0.40
0.50
0.60
Rapporto a/c
0.70
0.80
Corrosione da carbonatazione
2
Plim
c
t u  ti  t p    
 K  Vcorr
K
Ambiente/microclima
Calcestruzzo
c
Plim
Vcorr
Corrosione da carbonatazione
2
Plim
c
t u  ti  t p    
 K  Vcorr
K
Ambiente/microclima
Calcestruzzo
c
Plim
Vcorr
Calcestruzzo
Geometria
c
d
c
d
Corrosione da carbonatazione
2
Plim
c
t u  ti  t p    
 K  Vcorr
K
Ambiente/microclima
c
Plim
Vcorr
Calcestruzzo
Geometria
Ambiente/microclima
Velocità di corrosione (mm/anno)
Calcestruzzo
10
1
0% Cl 0.4% Cl 1% Cl 0.1
40
50
60
70
80
90
Umidità relativa (%)
Cloruri
Corrosione da cloruri
Tenore critico Clcr
Profondità
H 2O
Cl-
c
Cloruri
Corrosione da cloruri
Tenore critico Clcr
Profondità
H 2O
Cl-
c
Cloruri
Corrosione da cloruri
Tenore critico Clcr
Profondità
H 2O
Cl-
c
Vita di servizio
tu  ti
Cloruri
Corrosione da cloruri
Tenore critico Clcr
Profondità
H 2O
Cl-
c
Cloruri
Corrosione da cloruri
t = ti
t = 28 anni
Tenore critico Clcr
c
C
 2C
II legge di Fick:
D 2
t
x
Profondità

 x
C ( x, t )  C s 1  erf 
 2 Dt




Dapp
Cs
Clcr
c
Ambiente/microclima
Cloruri
Corrosione da cloruri
t = ti
Calcestruzzo
Tenore critico Clcr
Profondità
c
25
Altezza (m)
2.5
Cloruri
(% in massa
di cemento)
D app (10-12 m2/s)
20
2.0
5%
15
1.5
1%
10
0.1%
2%
1
0.5%
0.5
5
0
0.40
0.5
0.50
0.60
Rapporto a /c
0.70
-1
0.80
50
40 30 20 10
Profondità (mm)
0
La prevenzione della corrosione
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
Fattori di progetto della durabilità
Penetrazione
della corrosione
Vita di servizio
tu = ti + tp
ti
tp
Tempo
Fattori di progetto della durabilità
Azioni
meccaniche
Proprietà del
calcestruzzo
Spessore di
copriferro
Azioni
ambientali
Vita di servizio
tu = ti + tp
Progetto della
struttura
Protezioni
aggiuntive
Ispezione e
manutenzione
programmate
Fattori di progetto della durabilità
a/c
Profondità di
carbonatazione
copriferro
- Rapporto a/c
- Stagionatura
Proprietà -del
Tipo di cemento / aggiunte
calcestruzzo
- Contenuto di cemento
stagionatura
ti,1 ti,2
- Additivi
- Lavorabilità
- Posa in opera
- Resistenza a compressione
- Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...)
ti,3
Tempo
Fattori di progetto della durabilità
Proprietà del
calcestruzzo
60
- Rapporto a/c
- Stagionatura
- Tipo di cemento / aggiunte
- Contenuto di cemento
- Additivi
- Lavorabilità
- Posa in opera
- Resistenza a compressione
D (m2/s)
50
Calcare
Fly ash
40
30
20
10
0
0
- Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...)
15
30
45
% sostituzione
Fattori di progetto della durabilità
Proprietà del
calcestruzzo
- Rapporto a/c
- Stagionatura
- Tipo di cemento / aggiunte
- Contenuto di cemento
- Additivi
- Lavorabilità
- Posa in opera
- Resistenza a compressione
- Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...)
Proprietà effettive
del calcestruzzo
in opera

controlli
Fattori di progetto della durabilità
Azioni
meccaniche
Proprietà del
calcestruzzo
Spessore di
copriferro
Azioni
ambientali
Vita di servizio
tu = ti + tp
Progetto della
struttura
Protezioni
aggiuntive
Ispezione e
manutenzione
programmate
Fattori di progetto della durabilità
Uno spessore molto alto può avere un
comportamento peggiore rispetto a
quello atteso (es. maggiore apertura
delle fessure).
Spessore effettivo in opera
Spessore di
copriferro
Fattori di progetto della durabilità
Azioni
meccaniche
Proprietà del
calcestruzzo
Spessore di
copriferro
Azioni
ambientali
Vita di servizio
tu = ti + tp
Progetto della
struttura
Protezioni
aggiuntive
Ispezione e
manutenzione
programmate
Fattori di progetto della durabilità
Drenaggio
Progetto della
struttura
Fattori di progetto della durabilità
Progetto della
struttura
Fattori di progetto della durabilità
Progetto della
struttura
Elementi sostituibili
o protetti
Fattori di progetto della durabilità
Azioni
meccaniche
Proprietà del
calcestruzzo
Spessore di
copriferro
Azioni
ambientali
Vita di servizio
tu = ti + tp
Progetto della
struttura
Protezioni
aggiuntive
Ispezione e
manutenzione
programmate
Fattori di progetto della durabilità
Azioni
meccaniche
Proprietà del
calcestruzzo
Spessore di
copriferro
Azioni
ambientali
Vita di servizio
tu = ti + tp
Progetto della
struttura
Protezioni
aggiuntive
Ispezione e
manutenzione
programmate
La prevenzione della corrosione
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
Approccio standard
Azioni
meccaniche
Proprietà del
calcestruzzo
Spessore di
copriferro
Azioni
ambientali
Vita di servizio
tu = ti + tp
Progetto della
struttura
Protezioni
aggiuntive
Ispezione e
manutenzione
programmate
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
carbonatazione
XC1 (secco/saturo)
XC2 (sempre umido)
XC3 (mod. umido)
XC4
(cicli bagn.)
Corrosione da cloruri
da acqua di mare
XS1
XS2
XS3
(sulla costa)
(sommerso)
(spruzzi)
Corrosione da cloruri XD1
da altre fonti
XD2
XD3
(mod. umido)
(umido)
(cicli bagn.)
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
Nessun rischio
X0
Max.
a/c
Min.
resist.
Min. cem.
(kg/m3)
-
C12/15
-
Corrosione da
carbonatazione
XC1 (secco/saturo)
XC2 (sempre umido)
XC3 (mod. umido)
XC4
(cicli bagn.)
0,65
0,60
0,55
0,50
C20/25
C25/30
C30/37
C30/37
260
280
280
300
Corrosione da cloruri
da acqua di mare
XS1
XS2
XS3
(sulla costa)
(sommerso)
(spruzzi)
0,50
0,45
0,45
C30/37
C35/45
C35/45
300
320
340
Corrosione da cloruri XD1
da altre fonti
XD2
XD3
(mod. umido)
(umido)
(cicli bagn.)
0,55
0,55
0,45
C30/37
C30/37
C35/45
300
300
320
UNI 11104
Classe di esposizione
Nessun rischio
X0
Corrosione da
carbonatazione
XC1 (secco/saturo)
XC2 (sempre umido)
XC3 (mod. umido)
XC4
(cicli bagn.)
Corrosione da cloruri
da acqua di mare
XS1
XS2
XS3
(sulla costa)
(sommerso)
(spruzzi)
Corrosione da cloruri XD1
da altre fonti
XD2
XD3
(mod. umido)
(umido)
(cicli bagn.)
1) nessuna indicazione della vita utile
2) per tutti i cementi della UNI EN 197-1
UNI 11104 - Valori limite
Classe di esposizione
Nessun rischio
X0
Max.
a/c
Min.
resist.
Min. cem.
(kg/m3)
-
C12/15
-
Corrosione da
carbonatazione
XC1 (secco/saturo)
XC2 (sempre umido)
XC3 (mod. umido)
XC4
(cicli bagn.)
0,60
0,60
0,55
0,50
C25/30
C25/30
C28/35
C32/40
300
300
320
340
Corrosione da cloruri
da acqua di mare
XS1
XS2
XS3
(sulla costa)
(sommerso)
(spruzzi)
0,50
0,45
0,45
C32/40
C35/45
C35/45
340
360
360
Corrosione da cloruri XD1
da altre fonti
XD2
XD3
(mod. umido)
(umido)
(cicli bagn.)
0,55
0,50
0,45
C28/35
C32/40
C35/45
320
340
360
Prescrizioni sul calcestruzzo (minimo per 50 anni)
- classe di resistenza
C25/30
- classe di esposizione
XC2
- classe di consistenza
S3
- dimensione massima dell’aggregato
30 mm
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 superficie 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
1.0
2.0
3.0
5
15 > T 10
2.0
4.0
7
10
10 > T 5
3.0
6
10
15
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
10
Corrosione da
carbonatazione
XC1
15
25
XC2, XC3
25
35
XC4
30
40
XS1, XD1
35
45
XS2, XD2
40
50
XS3, XD3
45
55
Corrosione da
cloruri
(*) In funzione della “classe strutturale”
La prevenzione della corrosione
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
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
Approccio prestazionale
Funzione dello stato limite:
g =R(t) - S(t)
Cloruri
Esempio: Valutazione del tempo di innesco della corrosione da cloruri
g( t
Tenore critico
copriferro
Profondità
d
)  c cr
d
d
 c ( x ,t )
Approccio prestazionale - DuraCrete
Probabilistic Performance Based Durability
Design of Concrete Structures
g =R(t) - S(t)
Valutazione del tempo di innesco della corrosione da cloruri
d



x

g (t )  ccrd  c d ( x d , t )  ccrd  csd,cl  1  erf 

 2 t / R d t   
cl



c crd Valore di progetto del tenore critico di cloruri
c sd,cl Valore di progetto della concentrazione superficiale di cloruri
x d Valore di progetto dello spessore di copriferro
Rcld Valore di progetto della resistenza alla penetrazione dei cloruri
Approccio prestazionale - DuraCrete
Tenore critico di cloruri
c c 
d
cr
c
cr
1
c
cr
Concentrazione superficiale di cloruri
csd,cl  Acs ,cl  (a / c )   cs ,cl
Valore di progetto dello spessore di copriferro
x d  x c  x
Valore di progetto della resistenza alla penetrazione dei cloruri
Rclc ,0
R (t ) 
d
cl
k
c
e,cl
k
c
c ,cl
 t0 
 
t 
+
c
ncl
  Rcl
Resistenza alla penetrazione determinata
al tempo t0 con una prova di conformità
Rc
no Clcls
Cl-
-
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