Metodi di indagine per la determinazione
delle caratteristiche meccaniche dei materiali
In fase di realizzazione di una struttura in cemento armato, si
mettono in atto procedure per la qualificazione ed il controllo dei
materiali, che prevedono l'esecuzione di prove e misure.
Sulle strutture già realizzate, la qualificazione dei materiali viene
eseguita utilizzando metodologie diverse.
Un utile punto di partenza è la conoscenza delle caratteristiche dei
materiali utilizzati all'epoca della costruzione, che si può reperire
dalle normative e dai manuali tecnici allora in uso.
PROVE DI QUALIFICAZIONE DEI MATERIALI
PER LE COSTRUZIONI NUOVE
Prove di qualificazione degli acciai da
cemento armato
Prova di trazione
Il fine della prova, le cui modalità sono riportate nella norma
UNI EN 10002/1, è la determinazione dei valori delle seguenti
grandezze:
* tensione di snervamento
fy
* tensione di rottura
ft
* allungamento % a rottura
A%
Prova di piegamento
Scopo della prova è determinare la capacità delle barre di
adattarsi alle piegature, previste nel loro impiego, senza subire
danneggiamento (manifestabile, questo, con cricche o fenditure
nella zona di piegatura); le modalità di prova sono indicate nella
UNI 564.
La prova, consiste nel piegare di 180° (barre lisce) o nel piegare
e raddrizzare (per barre ad aderenza migliorata con  > 12 mm)
la barra intorno ad un mandrino di diametro D funzione di .
Ai sensi della L. 1086/71 e decreti, gli acciai da c.a. devono
essere controllati in stabilimento. Comunque, il D.L. ha obbligo
di prelevare in cantiere un certo numero di barre di diversi
diametri e far eseguire le prove di trazione e piega in Laboratorio.
Prove di qualificazione del calcestruzzo
in fase di esecuzione
Prove sui campioni prelevati dai getti:
• prova di compressione
• prova di trazione diretta
• prova di trazione indiretta (prova brasiliana)
• prova di flessione
• determinazione del modulo elastico a compressione
La prima di tali prove è la più comune, essendo di più facile
esecuzione e più immediata interpretazione ed essendo prescritta
dalla maggior parte delle normative; le altre prove vengono
effettuate meno frequentemente, di solito per scopi di ricerca.
•
prova di compressione
•
prova di trazione indiretta (prova brasiliana)
Normativa di riferimento:
UNI EN 12390-1:2002 – Prova sul cls indurito. Forma,
dimensioni ed altri requisiti per provini e per casseforme.
UNI EN 12390-2:2002 – Prova sul cls indurito. Confezione e
stagionatura dei provini per prove di resistenza.
UNI EN 12390-3:2003 – Prova sul cls indurito. Resistenza alla
compressione dei provini.
UNI EN 12390-5:2002 – Prova sul cls indurito. Resistenza a
flessione dei provini.
UNI EN 12390-6:2002 – Prova sul cls indurito. Resistenza a
trazione indiretta dei provini.
Ai sensi della L. 1086/71 e decreti attuativi, il D.L. ha l'obbligo di
effettuare prelievi del cls (1 prelievo consiste di due provini) e di
far eseguire prove di compressione in Laboratorio.
PROVE DI QUALIFICAZIONE
DEI MATERIALI IN OPERA
Acciaio
Relativamente alle barre di armatura, la cosa più importante è
rilevarne la quantità e la posizione.
Si possono fare rilievi con pacometro e in alcuni punti rilievi a
vista e misure dei diametri, previa asportazione del copriferro.
Relativamente alla qualità degli acciai, una volta riconosciuta
la forma delle barre, di solito si fa riferimento alla manualistica
dell'epoca di costruzione per quanto riguarda le caratteristiche
di resistenza.
In casi molto limitati, si ricorre al prelievo di campioni di
armatura, su cui possono essere eseguite prove di trazione, in
analogia a quelli nuovi.
Tipologie di barre da c.a.
Determinazione della qualità del
calcestruzzo in opera
Per la determinazione della qualità del calcestruzzo indurito
non si può procedere come per le strutture in fase di getto.
Sono state messe a punto diverse metodologie, ciascuna con le
sue potenzialità ma anche coi suoi limiti.
Una fondamentale distinzione è fra prove dirette (distruttive) e
prove indirette (non distruttive).
Le prime danno risultati affidabili, ma, essendo "distruttive",
possono essere fatte in numero limitato.
Viceversa per le seconde: possono essere impiegate
estensivamente (sono anche meno impegnative dal punto di
vista economico), ma danno risultati meno affidabili (essendo
"indirette").
Un corretto modo di operare è:
•
•
eseguire estensivamente prove non distruttive
individuare zone in cui il calcestruzzo è omogeneo;
per
per ogni zona eseguire un numero limitato di prove
distruttive.
I valori ottenuti dalle prove distruttive servono per tarare i
risultati delle prove non distruttive.
In questo modo i risultati di poche prove distruttive possono
essere estesi a zone ampie, con le variazioni messe in evidenza
dalle prove non distruttive.
Prove sul calcestruzzo in opera
prove dirette di resistenza su campioni prelevati dagli
elementi strutturali
sono considerate prove distruttive
prove indirette in cui si misurano caratteristiche fisiche
diverse dalla resistenza, a cui si risale attraverso correlazioni,
in genere di tipo empirico
sono prove non distruttive (alcune moderatamente distruttive)
Prove dirette:
• carotaggi
• microcarotaggi
Prove indirette:
non distruttive (sono le più utilizzate nel campo degli edifici
esistenti):
• sclerometro
• velocità di propagazione degli ultrasuoni
• metodi combinati
moderatamente distruttive:
• prove di estrazione: pull-out test
con inserti pre-inseriti
con inserti post-inseriti
• prova di penetrazione: Windsor Probe Test
• pull-off
• break-off
Metodo dei carotaggi
prelievo di campioni (carote) dalle strutture finite, per mezzo di
apposite attrezzature dotate di mole a corona diamantata:
carotatrici
Sulle carote si possono effettuare:
• prove di compressione
• prove di trazione indiretta
• prove per la determinazione
del modulo elastico e del
modulo di Poisson
• talvolta prove chimiche
La resistenza misurata sulle carote è influenzata da fattori
connessi col metodo di prova:
• operazioni di perforazione: se si usa una buona carotatrice
ben fissata all'elemento strutturale, non influenzano
apprezzabilmente i risultati
• la presenza nella carota di una porzione della superficie del
getto, che in genere ha caratteristiche inferiori, altera il
risultato della prova;
• diametro della carota in rapporto alla dimensione massima
dell'inerte: per rapporti piccoli si ha un sensibile aumento del
coefficiente di variazione (la normativa impone rapporto
minimo pari a 3)
• presenza di spezzoni di armatura:


in direzione dell’asse
aumento fittizio della
resistenza
in direzione ortogonale all’asse
rottura prematura
si deve evitare; se la carota include spezzoni con asse
parallelo a quello della carota, questa è inservibile, se lo
spezzone è perpendicolare si taglia la carota in modo da
eliminarlo
Indebolimento delle strutture in conseguenza delle operazioni
di carotaggio
Le zone in cui effettuare i carotaggi devono essere scelte in modo
da non alterare la capacità portante dell'elemento strutturale.
Particolare attenzione in prossimità dei nodi strutturali.
Negli elementi compressi (pilastri) occorre assolutamente evitare
di effettuare fori in posizione eccentrica.
Nelle travi, sono preferibili le zone ai quarti della luce e all'altezza
dell'asse neutro.
Non ci si deve comunque attendere che la riduzione di capacità
portante delle strutture soggette a compressione possa essere
completamente compensata dal riempimento del foro mediante
malte additivate.
Microcarotaggio
se il diametro delle carote è inferiore a 3 volte il diametro
massimo dell'inerte, allora le carote sono dette "microcarote"
i risultati di resistenza che si ottengono dalla prova a
compressione su microcarote sono molto dispersi; questo fatto
dipende dalla distribuzione casuale degli inerti: carote di piccolo
diametro prelevate dallo stesso getto possono differire l'una
dall'altra per le dimensioni massime degli inerti contenuti in
ciascuna; inoltre, alcuni inerti piccoli o frantumi di inerti possono
distaccarsi dalla superficie laterale indebolendo la sezione, in
misura maggiore quanto più questa è piccola.
per ottenere risultati affidabili, occorre effettuare le prove su un
numero maggiore di campioni; è possibile comunque estrarre un
numero ridotto di microcarote sufficientemente lunghe, da poter
ricavare, da ciascuna di queste, più campioni.
Metodo dello sclerometro
o dell'indice di rimbalzo
Principio di base: il rimbalzo di una massa elastica dipende dalla
durezza della superficie su cui urta.
L'energia di impatto, costante caratteristica dello strumento,
viene in parte assorbita dal calcestruzzo sotto forma di
deformazioni anelastiche permanenti ed in parte restituita alla
massa mobile che rimbalza: quindi quanto maggiore è la
resistenza del materiale, tanto minori sono le deformazioni
permanenti e quindi tanto maggiore risulta l'altezza di rimbalzo.
Limiti intrinseci del metodo: la valutazione è
basata sulla resistenza di uno strato di
piccolo spessore (da 1 a 3 cm circa) della
superficie dell'elemento strutturale, strato
che peraltro risulta poco rappresentativo a
causa delle alterazioni che subisce per fattori
ambientali.
La risposta dello strumento deve essere controllata periodicamente
sull'incudine di riferimento.
Le misure devono essere effettuate:
• su una superficie di circa 20x20 cm
• priva di difetti superficiali
• lontana dalle barre di armatura
• adeguatamente preparata e pulita per eliminare le asperità
superficiali
Nella zona devono essere effettuate almeno 10 battute: l'indice di
rimbalzo medio si ricava come media dei valori misurati.
E' opportuno valutare anche la deviazione standard: se i valori
sono troppo dispersi, la prova è poco affidabile.
Precauzioni d'impiego del metodo
E' sconsigliabile fare prove sulla superficie libera (non a
contatto con casseri) di un getto. Questa zona è in genere ricca
di parti più fini, è caratterizzata da elevati rapporti
acqua/cemento, ha subito una maggiore evaporazione.
E' opportuno non effettuare prove nelle zone prossime agli
spigoli: è sufficiente porsi a distanze dell'ordine di 10 cm.
I punti dove si effettuano le battute devono essere
sufficientemente distanti fra loro per evitare una influenza
reciproca (almeno 2-3 cm).
Prima di ogni prova si deve verificare che il colpo non interessi
degli inerti di grandi dimensioni.
E' sconsigliabile l'uso di uno sclerometro quando:
si hanno zone con difetti locali nel getto;
i calcestruzzi sono realizzati con inerti di elevate
dimensioni (maggiori di 40 mm);
i calcestruzzi hanno una resistenza ridotta (<15 MPa) (si
rischia di fare misure solo sull'inerte);
i calcestruzzi sono molto vecchi o molto giovani (< 3 gg.);
si è in prossimità di cavi di precompressione
(comportamento fortemente influenzato dallo stato
tensionale);
si hanno elementi molto sottili in direzione ortogonale alla
prova (< 100 mm);
i calcestruzzi non hanno una qualità uniforme
allontanandosi dalla superficie (calcestruzzi soggetti a
gelo, aggressioni di carattere chimico, fuoco, ....)
-
-
La dispersione dei risultati riguardanti uno stesso tipo di
materiale è piuttosto piccola; pertanto, le prove sclerometriche si
prestano bene per rilevare l'uniformità delle caratteristiche del
calcestruzzo nelle strutture o per misure di confronto con
calcestruzzi di caratteristiche note.
Misura dell'indice sclerometrico per la stima della resistenza
del cls
Nella determinazione della resistenza del calcestruzzo in situ,
invece, sono molti i fattori che influenzano le misure
sclerometriche: tipo di cemento, tipo di aggregato, tipo di
superficie, umidità superficiale, carbonatazione, età del
calcestruzzo, modalità di maturazione, compattazione.
E' quindi molto importante tener conto degli effetti dei vari fattori
di influenza per una corretta interpretazione delle prove
sclerometriche.
Misura della velocità di propagazione
degli ultrasuoni
Principio di base: la velocità con cui gli impulsi vibrazionali si
propagano in un mezzo è funzione delle caratteristiche elastiche
del mezzo (modulo di elasticità e modulo di Poisson dinamici) e
della sua densità.
VP 
Ed
1  d
 1   d 1  2  d 
Impulsi
Sonda trasmittente
Timer e
Display
L
Sonda ricevente
Il metodo diretto è
l'unico che dà
risultati di una
certa affidabilità
Utilizzazione del
metodo per la
misura della
profondità delle
lesioni: poco
affidabile nel cls
La misura della velocità degli ultrasuoni può essere completata da
quella di attenuazione dell'onda: l'onda è tanto più attenuata quanto
più piccola è l'ampiezza del segnale in arrivo
Teoricamente, la misura dell'attenuazione potrebbe essere utile per
l'individuazione di difetti interni. L'ampiezza del segnale è però
molto influenzata dalle condizioni di accoppiamento delle sonde alla
superficie del calcestruzzo, perciò le misure sono poco affidabili.
traiettorie 1 e 6: le misure forniscono di valori di velocità e di
attenuazione relativi al calcestruzzo di base
traiettoria 2:
fessura priva di zone di contatto fra i lembi: velocità
più bassa
fessura con zone di contatto fra i lembi: velocità circa
uguale, attenuazione maggiore
traiettoria 3: presenza di un vuoto: velocità minore e attenuazione
maggiore
traiettoria 4: presenza di un vespaio, cioè di vuoti con piccole zone
di contatto: velocità circa uguale, marcata attenuazione
traiettoria 5: zona di cls con diverse caratteristiche elastomeccaniche: diversa velocità
Misura della velocità degli ultrasuoni per la stima della
resistenza del cls.
La stima della resistenza presenta delle difficoltà legate alla
eccessiva sensibilità della strumentazione in rapporto alla
disomogeneità interna del materiale: percentuale di vuoti, forma
e dimensione degli aggregati, presenza di barre di armatura, ecc.
Per questo è opportuno eseguire sempre misure della velocità e
dell'attenuazione: quando le variazioni di velocità sono
accompagnate da variazioni dell'attenuazione, siamo in presenza
di difetti e non di differenze delle caratteristiche delle proprietà
meccaniche.
La stima della resistenza dovrà essere fatta sulla base dei valori
di velocità in corrispondenza dei quali si registra la minore
attenuazione.
L'affidabilità del metodo in sé è piuttosto scarsa, ma può fornire
buoni risultati se utilizzato in combinazione con altri metodi di
indagine.
In questo modo si cerca di neutralizzare gli effetti dei fattori di
disturbo; ad esempio:
grado di umidità e grado di maturazione: influenzano la velocità
di propagazione con effetto opposto rispetto a quanto rilevato
per le prove sclerometriche.
Metodi combinati
La scarsa affidabilità dei metodi non distruttivi se usati come
unico mezzo di indagine e considerazioni circa la
compensazione degli effetti dei fattori d'influenza per talune
prove, hanno suggerito la sperimentazione e la messa a punto di
metodi combinati di indagine.
Metodo SONREB
Combina misure di velocità di onde ultrasoniche con misure
dell'indice di rimbalzo, ottenute con uno sclerometro Schmidt
tipo N:
- l'influenza dell'umidità e del grado di maturazione si
compensano, avendo effetti opposti nei due metodi
componenti;
- si ha una riduzione, rispetto al metodo ultrasonico,
dell'influenza della natura e dimensione dell'inerte, del
dosaggio e del tipo di cemento e delle discontinuità in genere
presenti nel getto;
- si ha una diminuzione, rispetto al metodo sclerometrico,
dell'influenza della durezza superficiale.
Riferimenti bibliografici
Pucinotti R.: “Patologia e diagnostica del cemento armato”,
Flaccovio Ed., 2005
Beconcini M.L.: "La valutazione della resistenza del
calcestruzzo", Atti del Dipartimento di Ingegneria Strutturale, n°
8, 2001
Cianfrone F.: "Indagini microsismiche ed ultrasoniche", Atti
Seminario AICAP, Venezia, 1993
Riferimenti normativi
UNI EN 12390-1:2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Forma,
dimensioni ed altri requisiti per provini e per casseforme.
UNI EN 12390-2:2002 – Prova sul calcestruzzo indurito.
Confezione e stagionatura dei provini per prove di resistenza.
UNI EN 12390-3:2003 – Prova sul calcestruzzo indurito. Resistenza
alla compressione dei provini.
UNI EN 12390-4:2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Resistenza
alla compressione - Specifiche per macchine di prova.
UNI EN 12390-5:2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Resistenza
a flessione dei provini.
UNI EN 12390-6:2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Resistenza
a trazione indiretta dei provini.
UNI EN 12390-7:2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Massa
volumica del calcestruzzo indurito.
UNI EN 12390-8:2002 – Prova sul calcestruzzo indurito. Profondità
di penetrazione dell'acqua sotto pressione.
UNI 6131:2002 – Prelevamento campioni di calcestruzzo indurito.
UNI 10157:1992 – Calcestruzzo indurito. Determinazione della
forza di estrazione mediante inserti post-inseriti ad espansione
geometrica e forzata.
UNI 10766:1999 – Calcestruzzo indurito. Prove di compressione
su provini ricavati da microcarote per la stima delle resistenze
cubiche locali del calcestruzzo in situ.
UNI EN 12504-1:2002 - Prove sul calcestruzzo nelle strutture.
Carote. Prelievo, esame e prova di compressione.
UNI EN 12504-2:2001 – Prove sul calcestruzzo nelle strutture.
Prove non distruttive. Determinazione dell'indice sclerometrico.
UNI EN 12504-3:2005 - Prove sul calcestruzzo nelle strutture.
Parte 3: Determinazione della forza di estrazione.
UNI EN 12504-4:2005 - Prove sul calcestruzzo nelle strutture.
Parte 4: Determinazione della velocità di propagazione degli
impulsi ultrasonici.