Indagini strutturali su edifici esistenti: tipologie e caratteristiche
Le indagini strutturali su edifici esistenti hanno lo scopo di verificare e monitorare lo stato di salute di un edificio e le sue caratteristiche strutturali
Le indagini strutturali su edifici esistenti rivestono un ruolo fondamentale per la conoscenza delle strutture, dalla comprensione dei materiali costituenti alla caratterizzazione del loro comportamento meccanico. Sono necessarie per determinare le prestazioni della costruzione esistente in riferimento prevalentemente agli aspetti strutturali, in modo da consentire una ricostruzione delle modalità realizzative, sia in termini di tecniche costruttive che di caratteristiche meccaniche dei materiali impiegati. Le NTC 2018 e la circolare 2019 forniscono al cap.8 indicazioni specifiche sulle indagini strutturali.
Una conoscenza approfondita dello stato di fatto dell’opera e dei suoi materiali costituisce la base per una valutazione della sicurezza e per eventuali interventi. Per effettuare la verifica strutturale di edifici esistenti ti suggerisco di affidarti a strumenti specifici, come il software calcolo strutturale, in grado di guidarti con appositi wizard nell’individuazione del livello di conoscenza e nel calcolo delle resistenze dei materiali, a partire dalle prove distruttive e non distruttive, delle ispezioni eseguite e in accordo con le NTC 2018 e la circolare esplicativa 21 gennaio 2019, n.7.
Indagini strutturali su edifici esistenti, cosa sono
Con il termine indagini strutturali si intende un insieme di analisi che consente di determinare le condizioni in cui riversa una costruzione esistente e di individuare le cause di eventuali fenomeni patologici. Consentono, quindi, una valutazione preliminare dello stato di conservazione degli edifici e delle costruzioni in generale, della loro struttura e dei relativi materiali edili impiegati.
Le indagini strutturali sono volte a stabilire una prima ipotesi sulle cause di degrado della struttura e ad indirizzare in modo corretto le successive prove, in laboratorio e in loco, per restringere ulteriormente il campo dell’analisi. Queste indagini sono utili non solo nella fase preliminare alla progettazione, ma anche durante le fasi di costruzione o anche a posteriori durante le fasi di collaudo.
Analisi storico-critica
L’indagine strutturale inizia dalla storia dell’opera civile. Avendo a che fare con una costruzione esistente per la quale si vuole svolgere un processo di indagine, è fondamentale eseguire l’analisi storica-critica, volta a comprendere le vicende costruttive, i dissesti, i fenomeni di degrado e, particolarmente frequenti nelle costruzioni in muratura, le trasformazioni operate dall’uomo che possono aver prodotto cambiamenti nell’assetto statico originario.
L’analisi storico-critica, quindi, rappresenta la prima fase del percorso conoscitivo del manufatto; il progettista reperisce sia dalla committenza che dagli enti preposti tutta la documentazione progettuale disponibile con cui ottiene informazioni preliminari circa la geometria, i dettagli costruttivi e i materiali impiegati.
Questa fase, in definitiva, deve consentire di interpretare la condizione attuale dell’edificio come risultato di una serie di vicende statiche e di trasformazioni che si sono sovrapposte nel tempo.
Prove distruttive e non distruttive
L’intera fase di indagine strutturale deve essere supportata dall’esecuzione di prove distruttive e non distruttive, suddivise a loro volta in base alla tipologia strutturale (calcestruzzo armato o muratura).
Le prove non distruttive vengono svolte in situ e rappresentano il complesso di esami, prove e rilievi condotti impiegando metodi che non alterano il materiale e non richiedono la distruzione o l’asportazione di campioni dalla struttura in esame e sono finalizzate alla ricerca e identificazione di difetti della struttura stessa, alla caratterizzazione meccanica dei materiali ecc.
Le prove distruttive, fondamentali per la caratterizzazione meccanica dei materiali, implicano l’asportazione localizzata del materiale.
Indagini strutturali su costruzioni di calcestruzzo armato
Le indagini strutturali sul calcestruzzo hanno lo scopo di individuare il valore della resistenza alle sollecitazioni e l’eventuale stato di decadimento e di degrado.
Relativamente alla caratterizzazione dei materiali, la circolare esplicativa al dm 17/01/2018 (§ C8.5.3.2) distingue 3 livelli di prova:
- prove limitate che prevedono un numero limitato di prove in-situ o su campioni, impiegate per completare le informazioni sulle proprietà dei materiali, siano esse ottenute dalle normative in vigore all’epoca della costruzione o dalle caratteristiche nominali riportate sui disegni costruttivi o nei certificati originali di prova;
- prove estese che consistono in prove in-situ o su campioni più numerose rispetto alle prove limitate e finalizzate a fornire informazioni in assenza sia dei disegni costruttivi, sia dei certificati originali di prova o quando i valori ottenuti con le prove limitate risultino inferiori a quelli riportati nei disegni o sui certificati originali;
- prove esaustive che prevedono prove in-situ o su campioni più numerose rispetto alle prove estese e finalizzate a ottenere informazioni in mancanza sia dei disegni costruttivi, sia dei certificati originali di prova, o quando i valori ottenuti dalle prove, limitate o estese, risultino inferiori a quelli riportati sui disegni o nei certificati originali, oppure nei casi in cui si desideri una conoscenza particolarmente accurata.
Prove non distruttive
I principali metodi di prova non distruttivi sono:
- prova pacometrica;
- prova con sclerometro;
- prova ultrasonica;
- prova di estrazione (pull-out);
- prova SonReb.
La prova pacometrica consiste nell’identificare la presenza di armature negli elementi strutturali in cemento armato (travi, pilastri, pareti). Queste prove consentono di definire il diametro delle armature, nonché, di leggere, in proiezione sulla superficie di calcestruzzo, la posizione delle stesse così da consentire una stima della misura del copriferro, dell’interasse tra le armature longitudinali e del passo delle staffe.
La prova con sclerometro è finalizzata ad ottenere una stima rapida della resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo mediante la valutazione della durezza superficiale del materiale. La prova si effettua utilizzando lo sclerometro che consente di misurare il grado di durezza del materiale e si basa sul principio che il rimbalzo della massa metallica che percuote la superficie è funzione della durezza della superficie stessa.
La prova ultrasonica è basata sulla misura della velocità di propagazione di ultrasuoni e consiste nello studio della propagazione di onde elastiche longitudinali all’interno del calcestruzzo. La velocità di propagazione è strettamente correlata con il modulo elastico a sua volta correlato con la resistenza a compressione (normalmente la resistenza del calcestruzzo in sito è ottenuta mediante opportune correlazioni ed in combinazione con altre prove non distruttive o distruttive). Inoltre, la misura della velocità di propagazione dell’impulso ultrasonico consente di determinare l’uniformità del calcestruzzo, la presenza di fessure o vuoti, i difetti di getto.
La prova di estrazione (pull-out) consiste nel determinare la resistenza del calcestruzzo e nel fornire informazioni sulla sua omogeneità, densità e consistenza.
Infine, la prova SonReb che nasce dalla necessità di stimare la resistenza a compressione del calcestruzzo in sito riducendo al minimo le indagini distruttive. Per fare questo vengono combinati i risultati di due prove non distruttive: l’indice di rimbalzo della prova sclerometrica (REBound) e la velocità delle onde ultrasoniche (SONic) ottenuta con la prova ultrasonica.
Prove distruttive
Tra le principali prove distruttive su costruzioni di calcestruzzo armato vi è il carotaggio. Il carotaggio consiste nel prelevare dalla struttura dei provini normalizzati affinché siano determinate le caratteristiche meccaniche (resistenza a compressione per schiacciamento) e chimico-fisiche (composizione degli inerti, qualità del conglomerato cementizio). Su questi provini normalizzati, in primo luogo, viene eseguita la prova di carbonatazione con l’ausilio del test colorimetrico della fenolftaleina; i risultati riguarderanno la profondità del materiale carbonatato. Successivamente, lo stesso provino può essere sottoposto a prove di laboratorio.
L’estrazione dei campioni avviene attraverso una carotatrice, ovvero una macchina utensile portatile in grado di estrarre dei campioni cilindrici di profondità e diametro (solitamente Ø 100 mm) scelti in base alle dimensioni degli inerti.
Indagini strutturali su costruzioni di muratura
La muratura in una costruzione esistente è il risultato dell’assemblaggio di materiali diversi, in cui la tecnica costruttiva, le modalità di posa in opera, le caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti e il loro stato di conservazione determinano il comportamento meccanico dell’insieme.
La misura diretta delle caratteristiche meccaniche della muratura avviene mediante l’esecuzione di prove in-situ su porzioni di muratura o di prove in laboratorio su elementi indisturbati prelevati in-situ (dove questo sia possibile). Queste prove possono essere di compressione e di taglio, scelte in relazione alla tipologia muraria e al criterio di resistenza adottato per l’analisi.
Per la caratterizzazione meccanica dei materiali, la circolare 2019 e le NTC 2018 individuano 3 livelli di prova:
- prove limitate;
- prove estese;
- prove esaustive.
Prove limitate
Le prove limitate sono basate principalmente su esami visivi delle superfici che prevedono limitati controlli degli elementi costituenti la muratura. In queste prove sono previste rimozioni locali dell’intonaco per identificare i materiali di cui è costituito l’edificio; in particolare, avvalendosi anche dell’analisi storico-critica, è possibile suddividere le pareti murarie in aree considerabili come omogenee.
Prove estese
Le prove estese prevedono saggi, sia in superficie che nello spessore murario (anche con endoscopia) mirati alla conoscenza dei materiali e della morfologia interna della muratura, all’individuazione delle zone omogenee per materiali e tessitura muraria, dei dispositivi di collegamento trasversale, oltre che dei fenomeni di degrado.
Queste prove prevedono, inoltre, l’esecuzione di analisi delle malte e degli elementi costituenti accompagnate da tecniche non distruttive quali:
- penetrometriche;
- sclerometriche;
- soniche;
- termografiche;
- ecc.
ed eventualmente integrate da tecniche moderatamente distruttive finalizzate a classificare in modo più accurato la tipologia muraria e la sua qualità:
- martinetti piatti singoli;
- martinetti piatti doppi.
Prove esaustive
Le prove esaustive consistono in prove dirette sui materiali per determinarne i parametri meccanici che possono essere eseguite in situ o in laboratorio. Il progettista ne stabilisce tipologie e quantità in base alle esigenze di conoscenza della struttura. Le prove possono essere eseguite in situ oppure su campioni indisturbati di muratura prelevati in situ e comprendono:
- prove di compressione:
- prove su pannelli;
- prove con martinetti piatti doppi.
- prove di taglio:
- prove di compressione e taglio;
- prove di compressione diagonale;
- taglio diretto sul giunto.
Inoltre, la circolare esplicativa al dm 17/01/2018 nella tabella C8.5.I riporta, per il comportamento delle tipologie murarie più ricorrenti, indicazioni, non vincolanti, sui possibili valori dei parametri meccanici.
tabella C8.5.I – parametri meccanici della muratura
Livelli di conoscenza e fattori di confidenza
Sulla base degli approfondimenti effettuati nelle fasi conoscitive, saranno individuati i “livelli di conoscenza” dei diversi parametri coinvolti nel modello e definiti i correlati fattori di confidenza, da utilizzare nelle verifiche di sicurezza.
Ai fini della scelta del tipo di analisi e dei valori dei fattori di confidenza si distinguono i 3 livelli di conoscenza seguenti, ordinati per informazione crescente:
- LC1;
- LC2;
- LC3.
Gli aspetti che definiscono i livelli di conoscenza sono: geometria della struttura, dettagli costruttivi, proprietà dei materiali, connessioni tra i diversi elementi e le loro presumibili modalità di collasso.
I fattori di confidenza sono utilizzati per la riduzione dei valori dei parametri meccanici dei materiali e una guida alla stima dei fattori di confidenza (FC) è fornita dalla circolare esplicativa al DM 17/01/2018 (§ C8.5.4) con riferimento ai tre livelli di conoscenza prima definiti.
In particolare:
- LC1: si intende raggiunto quando sono state effettuate indagini limitate (sui dettagli costruttivi, §C8.5.2) e prove limitate (sulle caratteristiche meccaniche dei materiali, §C.8.5.3). Il corrispondente fattore di confidenza è FC=1,35;
- LC2:si intende raggiunto quando sono state effettuate indagini estese (sui dettagli costruttivi, §C.8.5.2) e prove estese (sulle caratteristiche meccaniche de materiali, §C.8.5.3). Il corrispondente fattore di confidenza è FC=1,20;
- LC3: si intende raggiunto quando sono state effettuate indagini esaustive (sui dettagli costruttivi, §C8.5.2) e prove esaustive (sulle caratteristiche meccaniche dei materiali, §C8.5.3). Il corrispondente fattore di confidenza è FC=1.
Ovviamente per ciascun dei livelli di conoscenza sono necessari l’analisi storico-critica e il rilievo geometrico completo (commisurati al livello considerato).
Costruzioni in muratura
Nel caso in cui la muratura in esame possa essere ricondotta alle tipologie murarie presenti nelle tabelle C9.5.I e C8.5.II, i valori medi dei parametri meccanici da utilizzare per le verifiche possono essere definiti come segue:
- LC1:
- resistenze: valori minimi degli intervalli della tabella C8.5.I (circolare 2019);
- moduli elastici: valori medi degli intervalli della tabella C8.5.I (circolare 2019).
- LC2:
- resistenze: valori medi degli intervalli della tabella C8.5.I (circolare 2019);
- moduli elastici: valori medi degli intervalli della tabella C8.5.I (circolare 2019).
- LC3: i valori delle resistenze e dei moduli elastici riportati nella tabella C8.5.I individuano una distribuzione statistica a priori che può essere aggiornata sulla base dei risultati delle misure eseguite in sito.
Costruzioni di calcestruzzo armato
La circolare del 2019 riporta una tabella riepilogativa (tab. C8.5.IV) delle indagini (per la conoscenza dei dettagli strutturali) e prove (per la conoscenza delle proprietà dei materiali) da eseguire per raggiungere ciascun livello di conoscenza. Per ogni livello di conoscenza viene specificato il fattore di confidenza da adottare e i metodi di analisi ammessi.
Livelli di conoscenza per edifici in calcestruzzo o in acciaio
Indagini strutturali su edifici esistenti: esempio di progetto
Ecco un esempio realizzato mediante il software verifica edifici esistenti che, attraverso una procedura guidata, consente di individuare il livello di conoscenza con i fattori di confidenza e calcolare le resistenze medie dei materiali da usare nelle verifiche a partire dalle prove distruttive e non distruttive.
Livelli di conoscenza, materiali e livelli di conoscenza: come operare con un software di calcolo strutturale
Di seguito ti mostro la procedura da utilizzare con EdiLus-EE.
1) Decidi se farti supportare dal software nella definizione del livello di conoscenza richiedendo una procedura guidata.
2) Dalla vista tridimensionale accedi in un ambiente dedicato livello di conoscenza.
3) Indichi al software la documentazione disponibile.
4) Inserisci le prove specificando la tipologia (distruttiva, non distruttiva, ecc.), i valori misurati, nonché, il punto di esecuzione sulla struttura.
5) In funzione della documentazione disponibile e del numero di prove/indagini eseguite il software suggerisce il livello di conoscenza raggiunto.
6) Attraverso un wizard materiali è possibile far calcolare al software in automatico le resistenze meccaniche del calcestruzzo e dell’acciaio a partire dalle grandezze misurate con le prove.
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