Consolidamento delle strutture - Appunti

IL PROCESSO DI CONOSCENZA

Il primo processo da realizzare è quello di conoscenza dell’edificio → è

importante capire: - la tipologia di struttura

- la normativa di riferimento (che dipende dall’anno in cui la struttura è stata

realizzata) - La sismicità o meno della zona

- le eventuali modifiche che il manufatto ha subito nel tempo

- Gli eventi che hanno interessato l’edificio

Dato che difficilmente si hanno informazioni sufficienti per il nostro edificio, c’è

bisogno di effettuare un rilievo geometrico-strutturale dell’edificio → si

deve individuare il sistema strutturale dell’edificio, le dimensioni e la posizione

degli elementi resistenti e la carpenteria di ciascun piano (è un processo che

presenta molte difficoltà).

Grazie al rilievo possiamo costruire il modello geometrico di riferimento,

applicare i carichi e valutare le azioni sismiche e i loro effetti, in termini di

spostamenti e sollecitazioni, attraverso una metodologia di analisi (stat. lin,,

modale, statica non lin...)

• La conoscenza della struttura è basata sulla conoscenza di 3 parametri

fondamentali:

- Geometria della struttura → posizioni e dimensioni degli elementi strutturali,

carpenteria, analisi dei carichi (strutturali e non strutturali), fondazioni...

- Dettagli strutturali → quantità e disposizione delle armature negli elementi

strutturali, dedotte direttamente o attraverso un progetto simulato

- Caratteristiche dei materiali → proprietà, resistenze medie e moduli dei

materiali (cls e acciaio)

• Livelli di conoscenza → la normativa prevede 3 livelli di conoscenza (LC)

per i parametri della conoscenza, i quali determinano sia i metodi di analisi

utilizzabili, sia i fattori di confidenza da applicare alle proprietà dei materiali

(valori con cui ridurre le proprietà):

LC1 → Conoscenza Limitata

LC2 → Conoscenza Adeguata

LC3 → Conoscenza Accurata

Il livello di conoscenza da assegnare all’intera struttura sarà il minore dei 3,

valutandoli per ciascun parametro di conoscenza

L’LC si definisce insieme al committante, in base alle potenzialità economiche e

all’invasività delle prove (per opere pubbliche invece è sempre richiesto

almeno un LC2)

Vediamo quali sono le informazioni e/o prove necessari, per ciascun parametro,

per assegnare un certo livello di conoscenza; inoltre saranno riportati i metodi

di analisi ammessi e il Fattore di Confidenza da utilizzare:

① Geometria strutturale → la geometria presenta un unico livello di

conoscenza ammissibile (quello massimo), poichè essa è facilmente ricavabile

dai disegni di carpenteria originali o con un rilievo ex-novo completo; Inoltre

non possiamo permetterci un’indeterminatezza nella geometria, poichè ad essa

è collegato il carico permanente strutturale e non strutturale, che definisce le

masse sismiche (quindi le forze sismiche)

② Dettagli strutturali → per valutare le armature negli elementi strutturali

dobbiamo servirci del pacometro, cioè di uno strumento che individua il

materiale ferroso all’interno del volume di cls; tramite questo strumento

possiamo individuare anche il passo delle staffe (muovendoci lungo lo sviluppo

dell’elemento), e potremmo addirittura avere una stima del diametro delle

barre (anche se non risulta molto affidabile a causa delle sovrapposizioni delle

barre). Una volta

individuata una zona in cui c’è presenza di armatura, essa viene scarnificata

(viene rimosso il copriferro) per valutare precisamente il diametro; Devono

essere scoperte tutte e 4 le facce del primo pilastro (per gli altri bastano 2

facce), e infine deve essere scoperta almeno una staffa nello spigolo per

valutarne la chiusura (solitamente sarà a 90°)

Per i pilastri basta 1 sola sezione di saggio, poichè l’armatura è costante lungo

l’altezza ed inoltre è simmetrica nelle 2 direzioni (si indagherà la sezione più

comoda, ovvero quella “a petto d’uomo”)

Per le travi invece è più complesso, poichè sono in alto, e inoltre si utilizzavano

i ferri sagomati (dato che il momento è parabolico), quindi abbiamo 3 sezioni

rappresentative (le 2 di estremità e una centrale), quindi per esse occorrono 3

sezioni di saggio

- LC1 → se non abbiamo alcun documento cartaceo da cui ricavare i dettagli

costruttivi;

Devono essere effettuate limitate verifiche in situ, su almeno il 15% degli

elementi strutturali (per strutture intelaiate dobbiamo effettuare verifiche sul

15% delle travi e sul 15% dei pilastri)

- LC2 → per rientrare nella LC2 abbiamo 2 possibilità:

1) Effettuare estese verifiche in situ, ovvero valutare le armature per almeno il

35% degli elementi strutturali (35% delle travi e 35% dei pilastri)

2) Se abbiamo una serie di disegni costruttivi (però incompleti), è necessario

dapprima valutarne l’affidabilità → tra gli elementi presenti nei disegni si

sceglie un numero di travi e pilastri da indagare (pari al 15% delle travi e

pilastri totali della struttura), si valuta l’armatura di questi elementi e si

confronta con quella presente nei disegni costruttivi → se coincidono, i disegni

sono ritenuti affidabili, quindi abbiamo la conoscenza di tutti gli elementi

presenti nei disegni (con un grande risparmio economico e di invasività)

- LC3 → per rientrare nella LC3 abbiamo 2 possibilità:

1) Effettuare esaustive verifiche in situ, ovvero valutare le armature per almeno

il 50% degli elementi strutturali (50% delle travi e 50% dei pilastri)

2) Se abbiamo tutti i disegni costruttivi e gli elaborati, dobbiamo valutarne

l’affidabilità effettuando un numero limitato di verifiche in situ (15% degli

elementi strutturali) e confrontandone i risultati con i disegni stessi ⇒ se

coincidono, i disegni sono ritenuti affidabili, quindi abbiamo la conoscenza di

tutti gli elementi della struttura

RIC: se le armature trovate nei saggi non coincidono con quelle riportate negli

elaborati, cioè non sono ritenuti affidabili, il materiale cartaceo viene del tutto

scartato (viene considerato inutile) e si potrà ottenere un certo livello di

conoscenza solo eseguendo le prove in situ

* Quando si ha la conoscenza solo di una percentuale degli elementi strutturali,

viene eseguito un progetto simulato, ancorato sugli elementi noti, che ha

come obiettivo quello di ricavare le caratteristiche degli elementi non noti (cioè

la restante parte degli elementi).

③ Proprietà dei materiali → Anche per le proprietà dei materiali vi sono

diversi LC:

- Il numero di verifiche è riferito a ciascun elemento primario → quindi ad es. in

2

m

LC2 devono essere prelevati 2 provini per pilastro e 2 per trave ogni 300 di

piano, e 2 barre per piano

- Il numero di barre da prelevare è più piccolo rispetto ai provini di cls perchè

l’acciaio ha una variabilità minore, e inoltre non viene influenzato nelle

proprietà dalla fase di getto

- E’ preferibile effettuare prove su barre di diverso diametro, poichè a causa del

“size effect” i diametri più piccoli tendono ad avere tensione di snervamento

maggiore rispetto ai diametri grandi

- Se abbiamo dei certificati di prove sul cls possiamo passare ad LC2 (come

visto per i dettagli strutturali), però anche in questo caso deve essere verificata

l’affidabilità → dato che il cls negli anni va incontro a degrado, le caratteristiche

saranno diverse da quelle originali, quindi i certificati spesso non servono a

nulla

∎ La determinazione delle proprietà dei materiali - indagini sul cls:

Il fattore più importante da stimare è la resistenza a compressione del cls (

f , R ), che ha sia un ruolo determinante sulla capacità portante e sulla

ck ck

durabilità della struttura, sia una grande importanza poichè molte altre

proprietà del cls (ad es. modulo elastico e resistenza a trazione) possono

essere ricavate da essa.

Per consentire la valutazioni di tale resistenza, possono essere impiegate 2

tipologie di indagini: - Indagini distruttive → implicano

l’asportazione localizzata di materiale, ad es. in carotaggio -

Indagini non distruttive → sono indagini non invasive, ma ovviamente meno

affidabili (ad es. sclerometro, ultrasuoni e metodo combinato “Sonreb”)

Una fase fondamentale è la pianificazione dell’indagine conoscitiva sulle

proprietà del cls, che comporta una serie di decisioni sulla scelta del metodo,

sulla localizzazione e sul numero di prove necessarie per valutare tali proprietà;

La scelta della metodologia da utilizzare è funzione di:

- Costi sostenibili

- Danni arrecati all’edificio (a volte non possono essere proprio utilizzati, ad es.

edifici importanti)

- Tempi di esecuzione

- Precisione richiesta dall’indagine

• Dove eseguire le indagini? nella scelta della localizzazione dei punti di

misura e/o estrazione, vanno evitate le zone dove il cls ha solitamente

caratteristiche diverse da quelle medie (sennò si avrebbe una misura alterata):

1) Nei pilastri la zona di prelievo ideale è la mezzeria dell’elemento, poichè

oltre ad essere la più comoda, è anche la zona di minor sollecitazione

flessionale; 2) Per

le travi emergenti solitamente i prelievi si realizzano sulla fiancata, tra 1/4 e

1/5 della luce netta, all’incirca a metà altezza;

Per le travi a spessore il prelievo dovrà essere effettuato in direzione verticale,

e richiederà ovviamente la rimozione di una zona di pavimento, massetto e

tutto ciò che presenta la superficie del cls

① Carotaggio → La scarsa affidabilità dei metodi non distruttivi per la

definizione diretta della resistenza del cls spesso impone la necessità di

effettuare prove di carotaggio, i cui risultati possono essere utilizzati sia per la

determinazione diretta della resistenza, sia per calibrare i risultati ottenuti con

in metodi indiretti (quindi per avere un numero di prove maggiore, con minore

invasività).

L’esecuzione dei carotaggi è un’operazione complessa e delicata → il criterio

fondamentale imposto dalla normativa è quello di ridurre al minimo il

danneggiamento del campione nel corso delle operazioni di estrazione

Per prima cosa nelle zone di prelievo devono essere eseguite delle accurate

rilevazioni pacometriche, in modo da individuare ed evitare le barre di

armatura f

• Resistenza delle carote → la resistenza misurata in laboratorio sulle

car

f

carote ( ) risente di numerosi fattori che la differenziano da quella del cls

car

f

in situ :

cis

- La posizione del prelievo (varia se parallela o ortogonale alla direzione di

getto, se al piede o alla testa del pilastro...)

- il disturbo che consegue alle operazioni di prelievo

- Le dimensioni delle carote (il rapporto H/D non può essere sempre 2, cioè il

rapporto standard) - La presenza di armature incluse

Tutti questi fattori in genere tendono a far sottostimare la resistenza del cls, ed

è praticamente impossibile eliminare tutti gli effetti che comportano questa

differenza tra le resistenze → Per questo motivo è stata

introdotta una relazione empirica, che consente di convertire la resistenza delle

carote prelevate nella corrispondente resistenza del cls in situ, attraverso

l’utilizzo di alcuni coefficienti correttivi:

f ∙ C ∙ C ∙ C f

=(C )

cis ,i H D dia a d car , i

/ 2

C C =

- → coeff. correttivo per rapporti H/D diversi da 2 ⇒

H D H D

/ / 1,5+ D/ H

C

- → coeff. correttivo relativo al diametro (decrescente al crescere di D)

dia

C

- → coeff correttivo relativo alla presenza di armature incluse (crescente al

a

crescere del diametro delle armature incluse)

C

- → Coeff. correttivo che tiene conto del disturbo arrecato alla carota nelle

d

operazioni di estrazione; in letteratura ci sono diversi consigli sul valore da

adottare, ma quello più indicato sembra essete

C per f ; C per f

=1,20 <20MPa =1,10 >20MPa (poichè il rimaneggiamento è

d car ,i d car ,i

tanto maggiore quanto minore è la qualità del cls)

② Metodo sclerometrico: lo sclerometro è uno strumento molto diffuso

nella pratica professionale corrente, grazie alla sua economicità e semplicità

d’uso → esso è costituito da una massa battente d’acciaio, azionata da una

molla, che contrasta un’asta di percussione posta a diretto contatto con la

superficie di prova

Il metodo consiste nel misurare l’indice di rimbalzo (S), ossia l’altezza di

rimbalzo della massa dopo che questa è stata proiettata contro la superficie

dell’elemento da indagare → l’indice di rimbalzo viene poi correlato alla

R

resistenza a compressione del cls ( ) tramite delle curve sperimentali

c

③ Prove ultrasoniche: la prova ultrasonica consiste nel misurare il tempo

impiegato da onde soniche (di frequenza in genere compresa tra 40 e 120 Hz)

T

ad attraversare un mezzo compreso tra un trasmittente e un ricevente

x

T collocati a distanza nota.

r

In questo modo possiamo ricavare la velocità di propagazione delle onde →

essa può essere collegata tramite una relazione empirica alle caratteristiche

elastiche di un mezzo infinito, omogeneo, isotropo ed elastico:

Tuttavia, questa relazione si adatta poco al cls, che non è un mezzo omogeneo,

isotropo ed elastico; i fattori che maggiormente influenzano le misurazioni

sono: - Rapporto

acqua/cemento → aumentando il rapporto la velocità rimane uguale, mentre la

resistenza diminuisce

- Età del cls → la velocità tende a diminuire con l’età (a causa di

microfessurazioni), mentre la resistenza potrebbe aumentare a causa delle

reazioni di indurimento -

Umidità → l’umidità aumenta la velocità delle onde, mentre la resistenza

diminuisce - Presenza di armature → la

velocità di trasmissione nell’acciaio è molto maggiore, quindi la presenza di

armature altera il valore reale

- Sollecitazione → per sforzi superiori al 50% del carico di rottura, lo stato di

fessurazione determina una riduzione della velocità

A causa di queste considerazioni risulta molto difficile correlare la velocità

ultrasonica con la resistenza, perciò è necessario costruire una curva

sperimentale di taratura riferita specificamente al cls in esame, ed evitare

assolutamente di utilizzare curve di correlazione fornite dai manuali

④ Prova SonReb: il metodo SonReb consiste nell’uso combinato della prova

sclerometrica e della prova ultrasonica, e consente di compensare parte degli

errori commessi utilizzando singolarmente le 2 metodologie.

La prova consiste nella valutazione dei valori locali della velocità ultrasonica V

e sell’indice di rimbalzo S, a partire dai quali è possibile ottenere la resistenza

R

del cls tramite espressioni empiriche del tipo:

c b c

R ∙ S ∙V

=a

c

dove i valori di a, b e c sono stati proposti da diversi autori (e spesso

differiscono anche significativamente)

La stima della resistenza del cls può essere effettuata anche graficamente,

utilizzando delle curve di isoresistenza nel piano V-S, nelle quali si può entrare

con i valori locali dell’indice di rimbalzo e della velocità ultrasonica →

l’intersezione dei 2 valori intercetterà una curva, che corrisponde ad una certa

resistenza del cls

∎ Esempio Applicativo: vediamo un esempio della procedura da seguire per

ottenere la resistenza del cls, basandosi sui risultati di prove di carotaggio

(distruttive) e prove indirette (non distruttive):

1) Si raccolgono i risultati delle prove (sia distruttive che non distruttive)

eseguite negli stessi punti; quelle non distruttive saranno eseguite in più punti

rispetto alle distruttive: f ∙ C ∙ C ∙ C

=(C )f

2) Attraverso la relazione empirica si corregge la

cis ,i H D dia a d car , i

/

resistenza delle carote prelevate (per tener conto del rimaneggiamento),

R R =f /0,83

ottenendo cosi la resistenza cubica in situ (RIC: ):

c c car

3) Si verifica la presenza di un legame di proporzionalità diretta tra i valori delle

resistenze ottenuti e i corrispondenti valori di S e V (ottenuti negli stessi punti):

4) Attraverso un foglio elettronico si valutano i coefficienti a, b, c della curva

SonReb (a partire dai valori V ed S delle prove non distruttive, effettuate sugli

elementi su cui abbiamo effettuato anche le prove distruttive); si può scrivere

dunque una relazione SonReb tra la resistenza e i parametri V ed S:

5) Si stimano, tramite l’espressione appena ricavata, le resistenze relative ai

punti in cui sono state effettuate solo prove non distruttive →

6) Infine si calcola la resistenza cubica media del cls effettuando la media tra i

valori ottenuti direttamente dalle prove distruttive, e i valori ottenuti dalle

prove non distruttive calibrate

Processo di valutazione

Conclusa la fase di conoscenza si passa alla fase di valutazione, nella quale si

valuta l’azione sismica che dovrà essere combinata con gli effetti dei carichi

gravitazionali.

Infatti le verifiche dovranno essere effettuate per la seguente combinazione

degli effetti dell’azione sismica con le azioni dei carichi permanenti e variabili:

∑

F ψ Q

=E+G +G +

d 1 2 2 i ki

- E → è l’azione sismica per lo stato limite in esame

G

- → il valore delle azioni permanenti strutturali

1

G

- → il valore delle azioni permanenti non strutturali

2

Q

- → il valore caratteristico