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
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:
a) La variazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo nel tempo;
b) La valutazione del modulo di elasticità dinamico longitudinale e di taglio;
c) Il coefficiente dinamico di Poisson;
d) Lo sforzo di compressione;
e) L’indice percentuale dei vuoti;
f) La stima della resistenza caratteristica del calcestruzzo;
g) La presenza di difetti interni;
h) La valutazione dell’entità di fessure superficiali o di strati danneggiati;
i) Gli effetti prodotti da basse temperature;
j) Lo spessore di elementi strutturali.
Prove Non Distruttive Calcestruzzo
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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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• 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.
Tempo
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Vel
oci
tà
Spazio
Emettitore
Ricevitore
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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.
L4
L3
L2
L1
T
Calcestruzzo
Sano
R1
Calcestruzzo
Danneggiato
R2
R3
R4
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Metodo Ultrasonoro
L0 Vs  Vd
c
2 Vs  Vd
Distanze (Li)
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:
L4
Vd
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.
L3
L0
L2
L1
Vs
T1
T2
T3
T4
Tempo di Transito (t)
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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.
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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.
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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,
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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.
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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:
Rc  Ae BV
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:
Rc  A  BV C
Le proposte avanzate dai vari Autori, tuttavia, sono abbastanza discordanti tra loro.
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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.
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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.
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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.
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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
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
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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)