Università degli studi di Roma “Roma Tre” · Dipartimento di Ingegneria Civile dell’Università degli Studi Roma Tre. Il lavoro svolto, propedeutico allo svolgimento della

Università degli studi di Roma “Roma Tre”

Dipartimento di Ingegneria

Corso di laurea in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali

Relazione di fine tirocinio:

Prove non distruttive e semi-distruttive sul calcestruzzo armato

Candidato:

Simone Varzi

Tutor Universitario:

Prof. Fabrizio Paolacci

Matricola:

449018

Anno accademico 2016 - 2017

INDICE

1. PREMESSA ............................................................................................................................. 3

2. IL PACOMETRO .................................................................................................................... 4

3. IL METODO SCLEROMETRICO ......................................................................................... 5

3.1 Inconvenienti del metodo ................................................................................................. 6

3.2 Funzionamento dello sclerometro .................................................................................... 8

3.3 Applicazione del metodo .................................................................................................. 9

3.4 Determinazione della resistenza a compressione del cls ................................................ 10

4. IL METODO ULTRASONICO ............................................................................................ 12

4.1 Apparecchiatura per il metodo ultrasonico ..................................................................... 13

4.2 Tecniche di esame .......................................................................................................... 16

4.3 Stima della resistenza ..................................................................................................... 17

5. IL METODO COMBINATO SONREB ................................................................................ 19

5.1 Applicazione del metodo ................................................................................................ 19

6. IL METODO DI ESTRAZIONE ........................................................................................... 21

6.1 Applicazione del metodo ................................................................................................ 22

Prove non distruttive e semi-distruttive sul Calcestruzzo Armato | Simone Varzi

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1. PREMESSA

La seguente relazione descrive le attività effettuate ai fini dello svolgimento del tirocinio

formativo, nel periodo tra settembre-dicembre 2017 presso il Laboratorio Strutturale del

Dipartimento di Ingegneria Civile dell’Università degli Studi Roma Tre.

Il lavoro svolto, propedeutico allo svolgimento della tesi di laurea, riguarda la conoscenza della

resistenza del calcestruzzo armato tramite i metodi non distruttivi o a bassa invasività e metodi

semi-distruttivi. In particolare, questo studio propone la conoscenza dei procedimenti e della

strumentazione per applicare tali metodi.

Gli strumenti utilizzati sono stati:

- Pacometro, per la determinazione dell’armatura all’interno dell’elemento di calcestruzzo;

- Sclerometro, per la determinazione dell’indice di rimbalzo sclerometrico Im

- Strumento Ultrasonico, per la determinazione della velocità delle onde ultrasoniche Vm

- Strumento per eseguire prova di pull-out, prova semi-distruttiva

Inoltre si è analizzato un metodo analitico per determinare la resistenza del calcestruzzo, in

particolare il metodo Sonreb (dal prefisso SON di “ultrasonico” e dal suffisso REB di “rimbalzo”).

È una metodologia combinata perché correla l’indice di rimbalzo sclerometrico Im, la velocità

ultrasonica Vm e la resistenza a compressione cubica del calcestruzzo Rc. il vantaggio dei metodi


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precedenti è che minimizza l’errore dovuto ai fattori perturbativi che influenzano la resistenza

stimata dallo sclerometro e dal metodo ultrasonico.

2. IL PACOMETRO

Preliminarmente, su gli elementi strutturali, si esegue un'ampia indagine pacometrica, rivolta a

determinare la posizione delle barre di armatura lungo tutto l'elemento strutturale che consentisse

la predisposizione di un reticolo di riferimento, riferito alla presenza delle armature longitudinali

e trasversali, all'interno del quale effettuare le successive misure.

Il pacometro emette un segnale ogni qual volta incontra le barre di armatura. Lo strumento

utilizzato nel corso del tirocinio, inoltre, stima sia il diametro dell’armatura e sia la distanza tra il

ferro e la superficie dove avviene la misurazione (copriferro).


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3. IL METODO SCLEROMETRICO

Strumento usato per questo tipo di metodo è lo sclerometro di Schmidt, brevettato nel 1948. Si

basa sul principio secondo il quale l’entità del rimbalzo di una massa elastica, quantificato

dall’indice di rimbalzo sclerometrico Im, dipende dalla durezza della superficie sulla quale essa

urta. È necessario che la massa urtata sia preponderante rispetto a quella urtante, che quindi

l’energia della massa urtante non vada sotto forma di energia cinetica per la massa urtata.

La durezza può essere messa in relazione con la resistenza del materiale tramite delle curve che

correlano l’indice di rimbalzo sclerometrico, ricavato dalla struttura in esame, alla resistenza

cubica Rck, ricavata dai provini in laboratorio. Le curve, tarate su provini standard in laboratorio,

sono fornite dal produttore stesso e mostrano un andamento crescente della resistenza cubica a

compressione con l’indice di durezza all’urto.


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3.1 Inconvenienti del metodo

Alla semplicità di applicazione del metodo si affianca lo svantaggio di testare solamente lo strato

superficiale del materiale. Il test quindi non è attendibile se esistono dubbi sulla corrispondenza

tra la qualità del calcestruzzo in superficie e quella della massa interna. Questo vale soprattutto

per calcestruzzi anziani che in genere hanno un ampio spessore esterno di calcestruzzo

carbonatato. Lo sclerometro quindi sovrastima la resistenza dell’elemento in questione se questo

è soggetto a carbonatazione. Il suo uso è quindi più indicato per conglomerati di giovani e media

età (3-60 gg), per prove preliminari orientative di stima della resistenza e come componente dei

metodi non distruttivi combinati (per esempio il metodo SonReb, di cui si parlerà

successivamente).


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Anche altri fenomeni di degradazione compromettono i risultati della prova, come ad esempio il

fuoco o quelli dovuti ai cicli di gelo e disgelo.

La prova è influenzata inoltre dal dosaggio di cemento: se questo è molto basso, la battuta

sclerometrica risente maggiormente dell’inerte in superficie ovvero se il calcestruzzo è

confezionato con inerte grosso, di diametro al di sopra di 40 mm.

Altro fattore importante è il tasso di umidità: l’indice di rimbalzo misurato su provini maturati in

ambiente asciutto è più alto di quello misurato su provini maturati in ambiente umido e poiché il

tasso di umidità nei calcestruzzi anziani è molto basso, si capisce che la resistenza stimata

risulterà più elevato di quella reale.

I punti di battuta non devono essere particolarmente vicini tra loro, bensì devono essere

distanziati di almeno 3 cm; non devono nemmeno essere vicini agli spigoli.


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3.2 Funzionamento dello sclerometro

Il dispositivo mobile è comandato da una serie di molle che cedono energia potenziale sotto

forma di energia cinetica tramite l’ausilio di una barra di percussione. L’apparecchio viene

caricato appendendo il martello con un gancio nel disco interno, che ha la funzione di centrare il

sistema barra-martello-molle e di mettere in collegamento le molle con il martello. Le fasi di

funzionamento sono le seguenti:

- Premendo leggermente la barra si libera l’arresto e la barra esce interamente dall’apparecchio;

contemporaneamente il gancio afferra il martello;

- Si spinge uniformemente e lentamente la barra normalmente alla superficie del cls per

disinnestare il martello che effettua il colpo di arretramento;


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- Si legge il valore di arretramento registrato dal cursore sulla scala graduata e si ritorna alla

posizione iniziale liberando la barra dal contatto con il calcestruzzo;

- Si ripete la prova tante volte quanto necessario; il valore di I da prendere in considerazione per

quel punto sarà quello medio tra tutti quelli registrati.

3.3 Applicazione del metodo

Le prove sclerometriche vengono eseguite in conformità con la Norma UNI EN 12504-2:2001

“Prove sul calcestruzzo nelle strutture – Prove non distruttive – Determinazione dell’indice

sclerometrico”.

La zona d'indagine deve corrispondere con la stessa zona indagata con gli altri metodi non

distruttivi e distruttivi, preparata tramite stonacatura, ricerca dei ferri d'armatura (per evitare

d'intercettarli durante le prove, invalidando così i risultati) e molatura della superficie; le

operazioni comprendono almeno 9 battute per ogni zona di misura, da effettuare sulle due facce

opposte dell'elemento strutturale, alla stessa quota.


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3.4 Determinazione della resistenza a compressione del cls

Le prove sclerometriche da sole non sono indicate a fare una stima della resistenza in sito, se non

per calcestruzzi molto "giovani" (meno di 6 mesi di maturazione).

La durezza superficiale che restituisce la curva dello sclerometro, è generalmente la resistenza

cubica stimata in sito. Per arrivare ad una stima accettabile della Rck in sito si può fare


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riferimento il punto 11.2.6 delle NTC 2008 che recita:

"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."


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4. IL METODO ULTRASONICO

Questo metodo di basa sulla misura della propagazione delle onde ultrasoniche, con frequenze

comprese tra i 20 e i 150 kHz, per valutare la qualità e il degrado del calcestruzzo.

Tale indagine è un valido strumento per individuare i vuoti, lesioni o fessurazioni. È quindi


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incerta la sua applicazione al fine di determinare la resistenza del calcestruzzo sebbene la praticità

della prova, applicabile a qualsiasi tipo di costruzione, induca a studiare i numerosi fattori che

condizionano le relazioni esistenti e velocità sonica misurata in sito.

La porosità del mezzo ha un’importanza determinante: mentre la porosità dell’aggregato non

incide sulla resistenza ma rallenta la propagazione delle onde, la porosità del cemento incide in

maniera fortemente negativa sulla resistenza senza influenzare la propagazione delle onde.

Per quanto riguarda l’umidità, essa influenza positivamente i risultati della prova; quindi un

conglomerato anziano, in genere asciutto presenterà dei valori di velocità più bassi a parità di

resistenza. È stato inoltre dimostrato che, a parità di resistenza, la velocità degli impulsi aumenta

all’aumentare della dimensione massima e della quantità dell’aggregato.

Quindi correlare la resistenza del calcestruzzo con la velocità sonica è difficile soprattutto quando

non si conosce la composizione del calcestruzzo, a meno che non si tratti di calcestruzzi simili

sia per composizione che per età.

La norma che disciplina la determinazione dei tempi di propagazione di impulsi di vibrazione in

campioni o strutture di calcestruzzo è la UNI EN 12504-4:2009.

4.1 Apparecchiatura per il metodo ultrasonico

L'apparecchiatura generalmente è composta da un dispositivo che ha le seguenti caratteristiche:


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• emette impulsi di vibrazioni meccaniche (sonda emittente) in sincronismo con un segnale

elettrico;

• riceve delle vibrazioni meccaniche e le trasforma in segnali elettrici (sonda ricevente);

• amplifica e regola il trattamento del segnale emesso dalla sonda ricevente;

• attraverso un dispositivo elettronico misura l'intervallo di tempo fra istante di emissione ed istante

di ricezione dell'impulso o della parte di esso che si analizza;

Nel presente lavoro, l'apparecchiatura utilizzata è in grado di misurare il tempo di propagazione

delle onde compressionali (onde P) nei materiali, con grande precisione e con la possibilità di

visualizzare la forma d'onda reale del segnale acquisito su un monitor ad alta definizione di un


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Tablet controllando la qualità del segnale. I segnali vengono visualizzati, elaborati e memorizzati

direttamente da un Tablet di ultima generazione dotato di interfaccia Bluetooth sul quale è

installato il software SonicApp che gestisce l'elaborazione dei segnali.


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4.2 Tecniche di esame

Il controllo a ultrasuoni viene svolto secondo due tecniche fondamentali che sono quella per

trasparenza e quella per riflessione.

La misura può essere effettuata in diversi modi legati alla posizione relativa dei due trasduttori

ma il modo più corretto per effettuare le letture, e quindi da utilizzare sempre laddove possibile,

è quello per trasparenza.

• trasmissione diretta (o per trasparenza): i trasduttori vengono applicati su due facce opposte

dell'elemento. In questo caso l'energia pulsante trasmessa dai trasduttori è massima;

• trasmissione semi-diretta: i trasduttori sono applicati in punti appartenenti a due facce adiacenti,

in genere ortogonali.

• trasmissione indiretta (o superficiale): la velocità di transito è inferiore a quella del metodo

diretto.


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4.3 Stima della resistenza

Le prove ultrasoniche, invece, sono state eseguite in conformità con la Norma UNI EN 12504-

4:2005 “Prove sul calcestruzzo nelle strutture. Parte 4: Determinazione della velocità di

propagazione degli impulsi ultrasonici”.

La stima della resistenza a compressione del conglomerato è di tipo correlativo in quanto la

velocità di propagazione degli ultrasuoni non è direttamente associata alla resistenza; la

correlazione sperimentale è molto attendibile perché la velocità è legata al modulo elastico e alla

densità del mezzo, come pure lo è la resistenza.

Come accade per le prove indirette di tipo correlativo, è possibile determinare curve di tendenza

velocità/resistenza tramite prove di laboratorio. Per strutture esistenti è particolarmente

difficoltoso poiché occorre valutare i fattori che influenzano i risultati. Nel caso in cui non sia

possibile eseguire campionamenti di base, si può far riferimento alle classificazioni indicative

riportate nella tabella successiva, in cui sono espressi giudizi sulla qualità del calcestruzzo in

funzione della velocità apparente degli ultrasuoni.


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Un metodo più affidabile per la stima della resistenza RCK a compressione in situ è sicuramente

quello di ricorrere all’estrazione di un numero significativo di carote dagli elementi strutturali

dopo averli sopposti ad indagine ultrasonica, e successivamente sottoporre i campioni a prove di

compressione diretta secondo UNI EN 12504-1:2009. Il legame funzionale tra resistenza a

compressione locale del calcestruzzo Rlc e la velocità degli ultrasuoni V è generalmente

esprimibile mediante un’espressione esponenziale di tipo:

𝑅𝑙𝑐 = 𝑎 + 𝑏 ∙ 𝑉𝑐


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5. IL METODO COMBINATO SONREB

Il metodo SonReb (dal prefisso SON di “ultrasonico” e dal suffisso REB di “rimbalzo”) è una

metodologia combinata perché correla l’indice di rimbalzo sclerometrico Im, la velocità

ultrasonica Vm e la resistenza a compressione cubica del calcestruzzo Rc. il vantaggio dei metodi

precedenti è che minimizza l’errore dovuto ai fattori perturbativi che influenzano la resistenza

stimata dallo sclerometro e dal metodo ultrasonico. Il SonReb è applicabile solo se tali fattori

perturbativi influenzano in maniera opposta la stima della resistenza cercata.

I fattori perturbativi più importanti sono:

- il contenuto dell’acqua del calcestruzzo, il quale influisce in maniera positiva sulla resistenza

stimata dal metodo ultrasonico ma in maniera negativa su quella stimata dal metodo

sclerometrico;

- l’età del conglomerato, la quale fa sì che la resistenza stimata dallo sclerometro sia superiore a

quella reale per via della superficie esterna carbonatata del calcestruzzo, e che la resistenza

stimata tramite metodologia ultrasonica sia inferiore.


Il metodo SonReb si basa su correlazioni di tipo sperimentale tra la resistenza e la velocità degli

ultrasuoni combinata con il valore dell'indice di rimbalzo della prova sclerometrica. Per


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correlazione sperimentale si intende un legame funzionale che si ottiene come curva di

interpolazione attraverso una campagna di prove su un numero sufficientemente elevato di

campioni di calcestruzzo aventi diverse resistenze.

La forma analitica che meglio sembra descrivere il legame funzionale tra i due parametri non

distruttivi e la resistenza cubica stimata Rs del calcestruzzo in situ è di tipo esponenziale:

𝑅𝑆 = 𝑎 𝑁𝑏𝑉𝑐

in cui Rs è la resistenza cubica stimata espressa in MPa, V è la velocità di propagazione espressa

in m/s e N è l'indice di rimbalzo dello sclerometro; mentre le costanti a, b, c dipendono da diversi

fattori legati alle modalità che caratterizzano la campagna sperimentale.

In letteratura tecnica sono presenti diverse funzioni di correlazione, ma quelle maggiormente

utilizzate hanno le seguenti espressioni:


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In alternativa all'impiego delle funzioni di correlazione presenti in letteratura si può adottare una

procedura mediante la quale è possibile ricavare una funzione di correlazione specifica per il sito,

in cui le costanti a, b, c sono calcolate imponendo che sia minima la somma dei quadrati delle

differenze tra i valori della resistenza veri e quelli stimati.

Il metodo SonReb presenta il vantaggio di non arrecare alcun danno alla struttura. Per la sua

applicazione occorre che l'elemento strutturale sia accessibile su due superfici opposte, in modo

da poter applicare il metodo ultrasonico per trasparenza. Nel punto scelto per la misura è opportuno

predisporre di una superficie priva di disturbi ed impurità, ottenibile eliminando strati superficiali

di rivestimento, intonaci o rugosità.

6. IL METODO DI ESTRAZIONE

L’indagine pull-out è una prova semi-distruttiva per la determinazione della forza di estrazione di

un inserto metallico preinglobato o post inserito nell’elemento in calcestruzzo da sottoporre a

prova.

Tale prova è normata dalla UNI EN 12504-3:2005 “Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Parte

3: Determinazione della forza di estrazione”.


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La prova si basa sulla corrispondenza esistente tra il carico unitario di rottura a compressione del

calcestruzzo e la forza necessaria ad estrarre un inserto metallico standardizzato preinglobato nel

calcestruzzo fresco o post inserito nel calcestruzzo indurito.


Il principio su cui si basa la prova, infatti, è il seguente: “un piccolo disco metallico (ovvero la

parte terminale ad espansione di un opportuno tassello), dotato di uno stelo centrale su un lato, è

inserito nel calcestruzzo in modo che lo stelo rimanga sporgente dalla superficie del calcestruzzo.

Si misura la forza necessaria per estrarre il disco dal calcestruzzo.”.

La correlazione tra forza d’estrazione e resistenza a compressione varia al variare della resistenza

del calcestruzzo, ma è migliore delle correlazioni esistenti tra resistenza a compressione e indice

di rimbalzo o velocità di propagazione delle onde elastiche.

In ogni area di misura si devono effettuare almeno 3 estrazioni. Ogni estrazione deve essere

eseguita con la seguente procedura:

1. Esecuzione del foro ortogonalmente alla superficie del calcestruzzo;


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2. Evacuazione della polvere dal foro, inserimento del tassello per tutta la sua lunghezza e

sua forzatura per espansione contro le pareti del foro;


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3. Posizionamento del martinetto sul calcestruzzo ed inserimento del tirante nel foro del

martinetto avvitandolo con forza nel tassello;

4. Centratura del martinetto rispetto al tassello ed esecuzione della prova di estrazione;


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5. Incremento della pressione nel martinetto in modo graduale e costante;


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6. Rilievo della pressione, in Bar e registrazione del risultato.

La corrispondenza tra il valore letto al manometro digitale (in bar) e la forza di estrazione (kN)

dovrà essere desunta dal certificato di taratura. La forza di estrazione massima rilevata deve essere

espressa al più vicino 0,05 kN.

L'equazione di taratura del sistema di carico è la seguente:

La correlazione tra la forza di estrazione e la resistenza in sito del calcestruzzo dovrebbe essere

determinata sperimentalmente, per ciascun caso di studio, tarando il metodo di prova con i risultati

ottenuti da prove di compressione eseguite su carote estratte dalle strutture.


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Una vasta sperimentazione eseguita su immobili realizzati negli anni '70/80, ha permesso di

ottenere una relazione tra la forza di estrazione e la resistenza cubica in sito del calcestruzzo pari

a:

1kN = 0,94MPa

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