Napoli, 10 giugno 2005
SEMINARIO DI STUDIO
CNR-DT 200/2004
“ISTRUZIONI PER LA PROGETTAZIONE,
L’ESECUZIONE ED IL CONTROLLO DI INTERVENTI DI
CONSOLIDAMENTO STATICO MEDIANTE L’UTILIZZO DI
COMPOSITI FIBRORINFORZATI”
Installazione, monitoraggio e controllo
Luciano Feo
Università degli Studi di Salerno
Andrea Prota
Università degli Studi di Napoli
“Federico II”
SCOPO DELL’INTERVENTO
Installazione, monitoraggio e controllo
Lo scopo del presente intervento è quello di
contribuire alla diffusione delle Istruzioni contenute nel
DT-CNR 200/2004 ed in particolare di approfondire
criticamente alcuni aspetti specifici concernenti le
modalità di:
• INSTALLAZIONE
• MONITORAGGIO
• CONTROLLO
di interventi di placcaggio con FRP di strutture sia in
c.a. che in muratura.
INTRODUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Il funzionamento ottimale di un rinforzo strutturale di
materiale composito è subordinato ai seguenti due
aspetti:
1) preparazione del substrato (c.a. o muratura) su cui
il rinforzo è applicato,
2) messa in opera del rinforzo.
Il peso di ciascuno di questi aspetti varia a seconda
che ci si riferisca ad applicazioni:
- “per aderenza” (rinforzo a flessione o a taglio),
- “per contatto” (confinamento passivo di pilastri in
c.a. o di colonne in muratura).
INTRODUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Il documento CNR-DT 200/2004 descrive le prove che
possono effettuarsi per verificare il livello di qualità
delle applicazioni dei materiali compositi e per
monitorarne nel tempo il funzionamento sia nel caso
di rinforzo di strutture di c.a. che di quelle di
muratura.
La progettazione del tipo di prove ed il numero di
prove da eseguire deve essere commisurata
all’importanza dell’applicazione, valutando:
INTRODUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
- se si tratta di edificio o infrastruttura strategica la cui
funzionalità durante gli eventi sismici assume rilievo
fondamentale per le finalità di protezione civile o il cui ruolo
assume rilevanza in relazione alle conseguenze di un eventuale
collasso;
- se l’intervento riguarda elementi strutturali primari (es. travi e
pilastri in c.a.; volte, cupole, archi e pareti in muratura) o
secondari (es. solai; piattabande e tiranti in strutture murarie);
-quale sia l’estensione dell’intervento in rapporto alle dimensioni
della struttura;
-la valenza storica e culturale della struttura oggetto di rinforzo.
CONTROLLO E PREPARZIONE DEL SUBSTRATO
Installazione, monitoraggio e controllo
•
Il controllo delle condizioni del substrato coinvolge i
seguenti aspetti:
- valutazione
substrato;
del
grado
di
deterioramento
del
- rimozione e ricostruzione del calcestruzzo
ammalorato o della muratura ammalorata;
- eventuale trattamento delle barre metalliche;
- condizioni di umidità e temperatura dell’ambiente e
del substrato.
VALUTAZIONE DEL DETERIORAMENTO DEL SUBSTRATO
Installazione, monitoraggio e controllo
•
Prima dell’applicazione del rinforzo
verificare le caratteristiche del substrato.
è
necessario
•
Nel caso di strutture in c.a. la resistenza a compressione
del calcestruzzo non deve essere inferiore a 15 N/mmq.
•
In caso contrario, la tecnica di rinforzo descritta nel
documento CNR-DT 200/2004 non può essere applicata.
VALUTAZIONE DEL DETERIORAMENTO DEL SUBSTRATO
Installazione, monitoraggio e controllo
•
Nel caso di strutture murarie le caratteristiche del
substrato devono essere verificate eseguendo
prove di omogeneità su tutta l’area da rinforzare ed
effettuando il rilievo strutturale del degrado del
materiale, per esempio mediante reticoli metallici.
•
Il periodo di osservazione non dovrebbe essere
inferiore a sei mesi.
VALUTAZIONE DEL DETERIORAMENTO DEL SUBSTRATO
Installazione, monitoraggio e controllo
Le prove di caratterizzazione meccanica della muratura
vanno previste in ragione di almeno 1 prova per 100 mq di
area da rinforzare, con un minimo di 2 prove per ogni zona
omogenea, secondo una almeno delle seguenti modalità:
• prova di compressione su campione di muratura;
• prova a taglio su campione di muratura;
• prova con martinetti piatti;
• prova di taglio con martinetto;
• prova dilatometrica per muratura a sacco;
• prove con ultrasuoni.
VALUTAZIONE DEL DETERIORAMENTO DEL SUBSTRATO
Installazione, monitoraggio e controllo
Le prove di omogeneità su tutta l’area della muratura da rinforzare,
qualora eseguite, vanno distribuite secondo una griglia a maglia
quadrata con passo di 1 m per estensioni inferiori a 5 mq e
proporzionalmente maggiore per estensioni superiori, ad eccezione
delle zone critiche. Esse possono essere effettuate mediante:
• ispezioni manuali a mezzo di battitura;
• analisi radiografica;
• velocità degli ultrasuoni in modalità omeosuperficiale;
• velocità di impulsi sonici (con martello strumentato e accelerometri);
• penetrometria;
• termografia;
• tomografia.
Installazione, monitoraggio e controllo
RIMOZIONE E RICOSTRUZIONE DEL SUBSTRATO
Il substrato può risultare danneggiato:
-
-
a causa di un deterioramento fisico-chimico, fisicomeccanico,
a causa di un eventuale impatto.
Il calcestruzzo ammalorato va rimosso da tutta la zona
danneggiata in modo da accertare lo stato delle armature
metalliche e quindi di progettare l’esecuzione di eventuali
interventi che eliminino le cause responsabili del
deterioramento dello stesso calcestruzzo.
Se è in atto un processo corrosivo a carico delle armature
metalliche, è necessario rimuovere lo strato deteriorato
mediante spazzolatura o sabbiatura e poi trattare la superficie
con idonei inibitori di corrosione.
RIMOZIONE E RICOSTRUZIONE DEL SUBSTRATO
Installazione, monitoraggio e controllo
La rimozione delle parti di muratura deteriorata consente di
verificare lo stato del materiale lapideo, naturale o artificiale,
e della malta e quindi di programmare l’esecuzione di
interventi
per eliminare ove possibile le cause del
deterioramento della muratura stessa.
Qualora sui materiali sia in atto un processo di esfoliazione, di
polverizzazione, di fessurazione o un attacco chimico-fisico, è
necessario rimuovere lo strato deteriorato mediante
spazzolatura o sabbiatura e poi trattare la superficie con
idonei inibitori del processo in atto.
RIMOZIONE E RICOSTRUZIONE DEL SUBSTRATO
Installazione, monitoraggio e controllo
-
Una volta che le parti deteriorate siano state rimosse e
siano stati adottati i provvedimenti più opportuni per
arrestare i fenomeni di degrado si può procedere alla
loro ricostruzione mediante betoncini espansivi da
ripristino o prodotti compatibili con la muratura.
•
Prima di procedere alla installazione del rinforzo è
necessario sabbiare la superficie interessata dal
rinforzo.
•
In tutti i casi in cui il rinforzo di FRP debba essere
applicato intorno a spigoli, è necessario procedere
preliminarmente all’arrotondamento di questi ultimi,
assicurando un raggio di curvatura almeno pari a 20
mm.
CONDIZIONI DI UMIDITA’ E TEMPERATURA
DELL’AMBIENTE E DEL SUBSTRATO
Installazione, monitoraggio e controllo
•
Si sconsiglia di installare rinforzi di composito se l’ambiente è
molto umido.
•
I rinforzi non vanno installati su substrati che presentino un grado
di umidità superficiale maggiore del 10%.
•
È sconsigliato installare il rinforzo se le suddette temperature non
ricadono nell’intervallo 10°C - 35°C. In ambienti a bassa
temperatura, se la tempistica di cantiere non consente di differire
l’installazione, è opportuno riscaldare artificialmente le zone
interessate dal rinforzo.
•
Parimente, è sconsigliato installare il rinforzo nel caso in cui la
superficie di calcestruzzo sia esposta a forte soleggiamento.
PARTICOLARI COSTRUTTIVI E NORME DI ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
•
Per il progetto dei particolari di estremità del rinforzo, è
opportuno assicurare una lunghezza di ancoraggio
almeno pari a 200 mm nel caso di strutture in c.a. e
una lunghezza di ancoraggio almeno pari a 300 mm
nel caso di strutture murarie.
•
In alternativa, se possibile, si possono adottare
connettori meccanici.
•
Nei casi di applicazione di fibre di carbonio che
potrebbero venire a diretto contatto con parti di acciaio,
è opportuno prevedere strati di materiale isolante in
grado di evitare l’innesco di corrosione galvanica.
PROTEZIONE DEL SISTEMA DI RINFORZO
Installazione, monitoraggio e controllo
•
Nel caso di applicazioni in ambiente esterno è sempre
consigliabile proteggere il sistema di rinforzo mediante
l’impiego di vernici acriliche protettive.
•
In alternativa, si può ottenere una protezione maggiore
mediante l’applicazione sul composito già messo in
opera di intonaci o malte.
•
Ai fini della protezione al fuoco si possono adottare
due differenti soluzioni:
- l’uso di pannelli intumescenti
- l’applicazione di intonaci protettivi.
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Controllo di qualità dell’esecuzione
Prove semi-distruttive Prove non distruttive
9di strappo normale
9di strappo a taglio
9di tipo acustico stimolato
9ultrasoniche ad alta frequenza
9termografiche
9in emissione acustica
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Prove semi-distruttive
Strappo normale
Strappo a taglio
Resistenza a trazione del substrato e
dell’incollaggio
Resistenza a taglio dell’interfaccia substratoFRP
In vista di prove di controllo semi-distruttive, è buona
norma, all’atto dell’installazione, prevedere zone
aggiuntive (“testimoni”) di rinforzo in parti della
struttura opportunamente selezionate.
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Prova di strappo normale
1. Incollaggio piastre
- diametro: 4-5 cm
- materiale: acciaio
- spessore: 2 cm
2. Intaglio
- con fresa
- substrato (1-2 mm)
3. Prova
- almeno 80% prove con:
Picco 0.9-1.2 MPa (c.a.)
Picco > 10% fc (mur.)
- crisi al di sotto dell’
interfaccia
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Prova di strappo a taglio
1. Incollaggio piastre
- lunghezza: 10-15 cm
- materiale: acciaio
- spessore: 0.5-1 cm
2. Prova
- almeno 80% prove con:
Picco > 24 kN (c.a.)
Picco > 5% fc (mur.)
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Prove non distruttive
di tipo acustico stimolato
- fondate sul diverso comportamento oscillatorio
del composito con o senza coerenza col substrato.
- battitura manuale o con sistema automatizzato
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Prove non distruttive
Ultrasoniche ad alta frequenza
- individuazione di difetti mediante riflessione
(all’interfaccia tra due materiali che presentano
una diversa impedenza acustica) con frequenze >
1.5 MHz e sonde con D < 25mm
- gli spessori in gioco sono piccoli (dell’ordine dei
decimi di mm), quindi si lavora ad alte frequenze
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Ultrasoniche ad alta frequenza
SENZA DIFETTO: il 1° picco si riferisce al segnale emesso; il 2°
picco è quello riflesso all’interfaccia. Il resto del segnale si
disperde nel calcestruzzo
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Ultrasoniche ad alta frequenza
CON DIFETTO: il picco è più alto, a causa della maggiore quota
di energia riflessa, rispetto al caso precedente; si rileva un
secondo picco che rappresenta la riflessione tra difetto e
calcestruzzo
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Ultrasoniche ad alta frequenza
Esempio
Controllo
non
distruttivo
Maglia di
mappatura
della superficie
Risoluzion
e minima
per lo
spessore
del difetto
Assente
fasciature, con eccezione della zona di sovrapposizione nel
caso di realizzazioni a singolo strato
facoltativo
250 mm
3 mm
Debole
zona centrale di rinforzi piani molto estesi
facoltativo
250 mm
3 mm
zona centrale di rinforzi longitudinali a flessione
consigliato
100 mm
0.5 mm
zone di ancoraggio, zone di sovrapposizione tra gli strati,
staffe di rinforzo a taglio, zone di interfaccia con i
connettori, zone con vistose asperità o fessurazioni del
substrato
obbligatorio
50 mm
0.1 mm
Trasf. di
tensioni di taglio
all’interfaccia
Moderato o
potenziale
Critico
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Prove non distruttive
termografiche
- efficaci solo per materiali a bassa conducibilità
termica (poco adatte a carbonio e acciaio)
-attenzione a livello di temperatura che non deve
essere troppo vicino a Tg (danneggiamento
rinforzo)
- vantaggi: velocità di esecuzione, tecnica di campo,
assenza di contatto diretto
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Esempio di termografia su pannello rinforzato
Ciclo di riscaldamento
Ciclo di raffreddamento
CONTROLLO DI QUALITA’ DELL’ESECUZIONE
Installazione, monitoraggio e controllo
Prove non distruttive
emissione acustica
- metodo di controllo passivo che registra i
“rumori” generati dalla formazione di fessure o
distacchi che si propagano nel mezzo come onde
elastiche
- può essere usata per rilevare difetti di
applicazione o inizi di distacco del rinforzo
QUALIFICA DEGLI OPERATORI
Installazione, monitoraggio e controllo
•
La peculiarità di alcune delle tipologie di prova sopra
indicate
presuppone
specifiche
competenze
professionali da parte degli operatori preposti.
•
Il Documento CNR-DT 200/2004 entra nel merito dei
competenti profili professionali, individuando tre livelli
di qualifica in conformità con la UNI EN 473 e la UNI
EN 45013.
QUALIFICA DEGLI OPERATORI
Installazione, monitoraggio e controllo
9 Livello 1 Æ regolare apparecchiatura, eseguire
prove, registrare e classificare risultati, stendere
resoconto di prova
9 Livello 2 Æ scegliere modalità operativa, definire i
limiti di applicazione della prova, tradurla in istruzioni
pratiche, effettuare e sorvegliare le prove, interpretare
i risultati alla luce delle norme, addestrare personale
livello inferiore
9 Livello 3 Æ interpretare norme e codici, stabilire
procedure specifiche, assumere responsabilità di un
laboratorio di prova e del personale, …..
Installazione, monitoraggio e controllo
MONITORAGGIO DELL’INTERVENTO
Monitoraggio dell’intervento di rinforzo
Parametri da mantenere sotto controllo
9 temperatura
9 umidità dell’ambiente
9 andamento spostamenti e deformazioni
9 danneggiamento delle fibre
9 estensione dei difetti e distacchi
Installazione, monitoraggio e controllo
MONITORAGGIO DELL’INTERVENTO
Esempio di applicazione di fibre ottiche
- Progetto di ricerca sviluppato nel Centro di
Eccellenza SCIC
- rifrattometria in fibra ottica
- indice di rifrazione resina correlato alla sua
densità e quindi al grado di polimerizzazione
qi
qr
n1
interfaccia
n2
qt
Installazione, monitoraggio e controllo
MONITORAGGIO DELL’INTERVENTO
Esempio di applicazione di fibre ottiche
1
0.8
0.6
0.4
rifrattometro
DSC
0.2
0
20
40
60
t, min
80
100
Installazione, monitoraggio e controllo
Indice di rifrazione-Tem peratura
1,575
1,570
1,565
Indice di rifrazione
MONITORAGGIO DELL’INTERVENTO
Esempio di applicazione di fibre ottiche
curing 0,0
1,560
curing 0,3
curing0,7
1,555
curing 1,0
1,550
1,545
1,540
0
5
10
15
20
25
Tem peratura [°C]
30
35
40
Installazione, monitoraggio e controllo
Indice di rifrazione - Grado di curing
1,575
1,570
1,565
Indice di rifrazione
MONITORAGGIO DELL’INTERVENTO
Esempio di applicazione di fibre ottiche
T = 10°C
T = 15°C
1,560
T = 20°C
T = 25°C
1,555
T = 30°C
T = 35°C
1,550
1,545
1,540
0,0
0,2
0,4
0,6
Grado di curing
0,8
1,0
Installazione, monitoraggio e controllo
MONITORAGGIO DELL’INTERVENTO
Esempio di applicazione di fibre ottiche
Rifrattometria con fibra ottica come potenziale strumento per:
• Monitorare l’indice di rifrazione della resina;
• Valutarne il grado di polimerizzazione;
• Effettuare il controllo di qualità dell’applicazione di FRP e poi
il monitoraggio nel tempo per individuare eventuale
deterioramento della resina.