CARATTERIZZAZIONE MECCANICA dei MATERIALI

La Caratterizzazione Meccanica dei materiali è uno step imprescindibile del processo di determinazione del Livello di Conoscenza delle strutture esistenti, in cemento armato e in muratura. La valutazione delle proprietà dei materiali è necessaria ogni qualvolta che risulti necessario effettuare una verifica di sicurezza su edifici esistenti, con l'obbiettivo di stabilire se una struttura esistente è in grado o meno di resistere alle combinazioni delle azioni di progetto contenute nelle NTC oppure con il fine di determinare l’entità massima delle azioni, considerate nelle combinazioni di progetto previste, che la struttura è capace di sostenere con i margini di sicurezza richiesti dalle NTC, definiti dai coefficienti parziali di sicurezza sulle azioni e sui materiali.

Per raggiungere un’adeguata conoscenza delle caratteristiche dei materiali e del loro degrado ci si basa su:

  • Documentazione già disponibile;
  • Verifiche in situ;
  • Indagini sperimentali.

Questa fase di conoscenza è fondamentale e imprescindibile nel contesto degli studi di vulnerabilità sismica.

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INDAGINI IN SITU SU CALCESTRUZZO

CAROTAGGIO

Effettuare il prelievo di carote di calcestruzzo indurito, esaminarle e determinare la resistenza a compressione in opera è utile quando si vuole effettuare dei controlli sulle strutture.
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CAROTAGGI

Effettuare il prelievo di carote di calcestruzzo indurito, esaminarle e determinare la resistenza a compressione in opera è utile quando si vuole effettuare dei controlli sulle strutture.

I prelievi di campioni di calcestruzzo vengono eseguiti mediante carotaggio continuo negli elementi strutturali utilizzando una carotatrice ad avanzamento manuale munita di corona diamantata a parete sottile.

Ogni campione viene chiaramente identificato, annotando il punto specifico di prelievo e le eventuali irregolarità presenti.

Si procede successivamente in Laboratorio certificato allo schiacciamento dei provini in seguito a rettifica per la determinazione della resistenza a compressione.

Normativa di riferimento: UNI EN 12390-3/2009, UNI EN 12504-1/2009.

SOnReb (SC+UT)

Questo metodo consente di determinare la resistenza Rc di un calcestruzzo in opera correlandolo con la velocità ultrasonica V, ottenuta con prove ultrasoniche e con l'indice di rimbalzo S ottenuto con prove sclerometriche.
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Metodo combinato Son Reb

Il metodo SONREB si basa sulla combinazione dei risultati ottenuti, nelle stesse zone di prova, da prove sclerometriche ed ultrasoniche, correlando l’indice di rimbalzo (REBound) con la velocità delle onde ultrasoniche (SONic), con la resistenza a compressione del calcestruzzo, attraverso una opportuna calibrazione della relazione che lega queste tre grandezze, effettuata mediante regressione statistica dei valori sperimentali.

La validità del metodo SONREB deriva dalla compensazione delle imprecisioni dei due metodi non distruttivi utilizzati. Infatti, si è notato che il contenuto di umidità fa sottostimare l’indice sclerometrico e sovrastimare la velocità ultrasonica, e che, all’aumentare dell’età del calcestruzzo, l’indice sclerometrico aumenta mentre la velocità ultrasonica diminuisce.

Eseguendo delle prove di compressione su campioni prelevati negli stessi punti in cui sono state eseguite le prove non distruttive, si determinano i valori da assegnare ai tre coefficienti di correlazione tra la resistenza, l’indice di rimbalzo e la velocità ultrasonica.

Qualora il numero di risultati di prove di compressione su carote sia limitato, si può ricorrere a formulazioni proposte in letteratura, individuando quella che meglio si adatta ai risultati delle prove a rottura.

Normativa di riferimento: UNI EN 12504-2/2012 e UNI EN 12504-4/2005.

PACOMETRICA

Le prove mediante pacometro consentono la localizzazione delle armature nel conglomerato cementizio armato, la misura del copriferro, forniscono indicazioni qualitative sul diametro delle barre principali e secondarie, in relazione alla differenza di proprietà magnetiche tra queste ed il conglomerato cementizio.
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L’indagine Pacometrica consente l’individuazione delle barre d’armatura sull’elemento indagato. E’ un indagine Non Distruttiva che verrà eseguita in preventiva per la conduzione di altre prove non distruttive in situ che permette di determinare lo spessore del copriferro, la posizione e la distribuzione delle barre di armatura stimandone il diametro. Inoltre consente di effettuare la misura del potenziale delle armature permettendo la diagnosi dello stato di corrosione.

PULL-OFF

La prova di pull-off è una tecnica di indagine semidistruttiva che permette la misura della resistenza a trazione o della resistenza allo strappo di un materiale applicato ad un sottofondo, come ad esempio i rivestimenti murari (malte di finitura, intonaci o altro) o i materiali compositi (FRP, FRCM, SRM).
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PULL - OFF

La prova si effettua praticando sulla superficie del materiale da indagare un’incisione circolare di diametro 50 mm, per una profondità almeno pari allo spessore del rivestimento, mediante un apposito carotiere, in modo da isolare la zona oggetto di indagine. Si procede poi incollando sulla superficie un disco metallico, su cui si applica, perpendicolarmente, una forza di trazione, tramite un martinetto dotato di un manometro tarato, fino a quando non avviene una frattura sul piano di contatto tra il rivestimento ed il supporto.
La prova di pull-off è utile per determinare la resistenza a trazione e allo strappo di intonaci, malte, altri tipi di rivestimenti di pareti in muratura o in conglomerato cementizio, compresi i materiali compositi utilizzati per il rinforzo strutturale.
Normativa di riferimento: UNI EN 1015-12/2002, ASTM – C1538/04, UNI EN 1542/2000, UNI 12636/2001.
Raccomandazioni di riferimento per applicazioni con materiali compositi: CNR-DT 200 R1/2013, C.S.LL.PP. 24 luglio 2009.

PULL-OUT

La prova di pull-out è una tecnica di indagine che permette di valutare la resistenza media del calcestruzzo mediante l’estrazione di una barra o di un tassello di espansione pre-inglobato o post-inserito nel conglomerato in appositi fori.
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PROVA DI ESTRAZIONE

La prova di pull-out è una tecnica di indagine che permette di valutare la resistenza media del calcestruzzo mediante l’estrazione di una barra o di un tassello di espansione pre-inglobato o post-inserito nel conglomerato in appositi fori. Il tassello o la barra vengono inseriti tramite battitura, permettendo così l’allargamento della parte radiale interna per una perfetta adesione alle pareti.

Viene quindi applicato un martinetto oleodinamico che poggia su una superficie circolare; attraverso il tiro del tassello si determina la rottura di un cono di calcestruzzo. La forza che provoca la rottura del calcestruzzo viene poi correlata, mediante curve sperimentali di taratura, con la resistenza caratteristica del calcestruzzo. Si sottolinea come il valore misurato interessi lo strato superficiale della struttura indagata. La prova di pull-out viene eseguita nelle zone prive di barre d’armatura, opportunamente individuate tramite pacometro. In genere si eseguono tre prove di estrazione per ogni zona oggetto di indagine.

Normativa di riferimento: UNI 10157/1992.

INDAGINI IN SITU SU MURATURA

MARTINETTI PIATTI DOPPI

Le prove con due martinetti piatti paralleli (prova di martinetto piatto doppio) consentono di stimare la resistenza al limite elastico e le caratteristiche di deformabilità di un campione rappresentativo di muratura.
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Martinetti Piatti Doppi

Due tagli paralleli, eseguiti preferibilmente lungo giunti di malta e distanti all’incirca 50 cm, permettono l’inserimento di due martinetti piatti che sono collegati al circuito idraulico di una pompa manuale.
Il campione di muratura così isolato viene sottoposto a cicli di carico e scarico, con livelli di carico crescenti e le sue deformazioni vengono misurate utilizzando quattro basi verticali ed una base orizzontale, costituite da coppie di dadi in alluminio posti a distanza di 400 mm circa. Le misure tra le coppie di punti vengono eseguite mediante appositi dispositivi elettronici con lettura in continuo. Le deformazioni rilevate, in funzione della pressione applicata al martinetto piatto, permettono di determinare il modulo di deformabilità e di disegnare la curva carichi/deformazioni della struttura muraria sottoposta a compressione.

MARTINETTI PIATTI SINGOLI

La prova con martinetto piatto singolo misura la variazione dello stato tensionale in un punto della muratura provocato da un taglio piano eseguito in direzione normale alla superficie.
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MARTINETTI PIATTI SINGOLI

II rilascio delle tensioni che si manifesta provoca una parziale chiusura del taglio, che viene rilevata tramite misure di distanza relativa fra coppie di punti posti in posizione simmetrica rispetto al taglio stesso.
Viene quindi inserito all’interno del taglio un martinetto piatto, realizzato mediante sottili lamiere di acciaio saldate, che viene collegato al circuito idraulico di una pompa. La pressione interna viene quindi gradualmente aumentata fino ad annullare la deformazione misurata successivamente all’esecuzione del taglio.
La prova si considera ultimata quando – in seguito ad incremento di pressione nel martinetto – si ottiene il ripristino delle misurazioni iniziali (le misure relative si portano sullo zero), e la corrispondente pressione letta al martinetto è la tensione locale nella muratura, a meno delle costanti moltiplicative kA e kM.
Normativa di riferimento: ASTM C 1196 – 09 e ASTM C 1197 – 04.

SONICA

Le indagini soniche forniscono indicazioni di natura qualitativa e qualitativa sulla consistenza della muratura e sulla presenza di cavità, fessure o eterogeneità di materiale intercettate lungo il percorso di trasmissione dell’onda.
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INDAGINE SONICA E TOMOGRAFIA

Le indagini soniche restituiscono la velocità di propagazione di onde meccaniche (sonore) attraverso il mezzo murario investigato, fornendo indicazioni di natura qualitativa (quantitativa se effettuate in maniera comparativa, ad esempio per individuare situazioni singolari su elementi ripetitivi) sulla consistenza della muratura e sulla presenza di cavità, fessure o eterogeneità di materiale intercettate lungo il percorso di trasmissione dell’onda.

Le indagini soniche di tipo tomografico rappresentano la metodologia che offre un’analisi di dettaglio di una particolare sezione d’interesse; tali prove, basandosi sulla combinazione di acquisizioni soniche su più direzioni in una stessa sezione, consentono di migliorare il grado di conoscenza mediante una “mappatura” più definita delle velocità acquisite.
La tecnica d’indagine sonica si basa sulla generazione di impulsi meccanici con frequenze nel campo del sonoro (20-20000 Hz) e per questo detti sonici. L’onda sonica viene generata sul supporto murario mediante battitura con martello strumentato, e viene quindi ricevuta da un sensore (accelerometro piezoelettrico) posto in un punto diverso della struttura. Entrambi i dispositivi sono collegati a un amplificatore di segnale e a un convertitore analogico-digitale per la visualizzazione e registrazione dei dati su un computer portatile.
Normativa di riferimento: ASTM C597 – 09.

INDAGINI SPERIMENTALI

CARBONATAZIONE

Per individuare il degrado dovuto alla carbonatazione si utilizza un metodo colorimetrico basato sulla colorazione che il calcestruzzo assume dopo che la sua superficie viene trattata con una soluzione all’1% di fenolftaleina in alcool etilico (UNI EN 13295:2005).
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CARBONATAZIONE

La fenolftaleina a contatto  con un materiale non carbonatato si colora di rosso mentre se interessato dalla carbonatazione rimarrà incolore. In questo modo si riesce ad individuare lo spessore di calcestruzzo interessato dal fenomeno. La profondità del calcestruzzo armato interessato dal fenomeno va ad identificare la gravità del danno. Per eseguire il ripristino bisogna eliminare tutto lo spessore di materiale penetrato dalla CO2 in corrispondenza dei ferri d’armatura.

COMPRESSIONE

Le carote di calcestruzzo sono campioni che una volta prelevati vengono trasferiti a Laboratori autorizzati per essere sottoposti a prova di compressione, ottenendo così anche il valore di Rck di riferimento per le altre prove non distruttive eseguite.
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PROVA DI COMPRESSIONE

La determinazione della resistenza di tale calcestruzzo, tralasciando le tecniche di stima per via non distruttiva (che in ogni caso non possono intendersi sostitutive dei controlli di accettazione), viene effettuata su campioni cilindrici di calcestruzzo estratti mediante carotaggio.

Le operazioni di prelievo sono regolamentate dalla norme UNI 6131:1987, UNI EN 12390-1:2002 e UNI EN 12504-1:2002, che forniscono chiare indicazioni sul diametro dei provini e sulla velocità di penetrazione del carotiere al fine di limitare il danneggiamento del campione, correntemente indicato come “disturbo”. Una volta prelevati, i campioni vengono trasferiti in laboratorio per essere sottoposti a prova; si esegue preliminarmente il taglio per il ricavo di provini con un rapporto altezza/diametro univoco (1/1 o 1/2) onde rendere confrontabili, in termini di snellezza, i dati di resistenza alla pressa.

Successivamente vengono eseguite tutte le misurazioni geometriche per verificare il campione da sottoporre a prova rientri nei

limiti di tolleranza previsti dalle norme: diametro, altezza, perpendicolarità della generatrice del cilindro rispetto le basi, planarità e parallelismo delle superfici sottoposte a carico.

Nel caso in cui il provino non soddisfi gli ultimi due requisiti, si esegue la rettifica mediante molatura o la “cappatura”. Al termine di tali fasi i provini vengono sottoposti alla prova a compressione mediante una pressa idraulica conformemente a quanto prescritto dalle norme UNI EN 12390-3:2003, UNI EN 12390-4:2002 e UNI EN 12504-1:2002.

Il valore di resistenza a compressione così ottenuto, non va quindi confuso con la resistenza cilindrica. La carota di calcestruzzo, infatti, a differenza di un provino confezionato in uno stampo di forma cilindrica, all’atto della prova a compressione risente principalmente dell’azione di disturbo provocata dal sezionamento degli aggregati disposti in corrispondenza della superficie cilindrica, i quali vengono privati dell’azione di confinamento dell’impasto cementizio.

Le Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. del 14 Gennaio 2008), al paragrafo Controllo della resistenza del calcestruzzo in opera, citano testualmente:

“Il valor medio della resistenza del calcestruzzo in opera (definita come resistenza strutturale) è in genere inferiore al valor medio della resistenza dei prelievi in fase di getto maturati in condizioni di laboratorio (definita come resistenza potenziale). È accettabile un valore medio della resistenza strutturale, misurata con tecniche opportune (distruttive e non distruttive) e debitamente trasformata in resistenza cilindrica o cubica, non inferiore all’85% del valore medio definito in fase di progetto. Per la modalità di determinazione della resistenza strutturale si potrà fare utile riferimento alle norme UNI EN 12504-1:2002, UNI EN 12504-2:2001, UNI EN 12504-3:2005,

UNI EN 12504- 4:2005 nonché alle Linee Guida per la messa in opera del calcestruzzo strutturale e per la valutazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo pubblicate dal Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici”.

PRELIEVO DI BARRE

E' una prova che si esegue in cantiere per prelevare spezzoni di barre di armatura in acciaio da sottoporre a prove di trazione in laboratorio.
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Le barre di armatura vengono individuate utilizzando il pacometro e vengono prelevati i campioni minimi di riferimento richiesti da normativa. Dopo il prelievo l'elemento strutturale è ripristinato in funzionalità.

Come indicato al paragrafo 11.3.2.10.4 del DM 14/01/2008, “i controlli di accettazione in cantiere sono obbligatori, devono essere effettuati entro 30 giorni dalla data di consegna del materiale e devono essere campionati, nell’ambito di ciascun lotto di spedizione, con le medesime modalità contemplate nelle prove a carattere statistico di cui al punto 11.3.2.10.1.2, in ragione di 3 spezzoni, marchiati, di uno stesso diametro, scelto entro ciascun lotto, sempre che il marchio e la documentazione di accompagnamento dimostrino la provenienza del materiale da uno stesso stabilimento. In caso contrario i controlli devono essere estesi ai lotti provenienti da altri stabilimenti.”

Una volta prelevati e campionati gli spezzoni vengono inviati a laboratori autorizzati per essere sottoposti a prova di trazione. Scopo della prova è la determinazione dei valori di snervamento e di rottura, nonché dell’allungamento % a rottura su barre di acciaio per conglomerati cementati armati.

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