La prevenzione sismica supportata dalla diagnostica strutturale: una guida alle varie fasi | Ingegneri.info

La prevenzione sismica supportata dalla diagnostica strutturale: una guida alle varie fasi

Per il recupero dell’esistente patrimonio edilizio la diagnostica è uno strumento fondamentale per determinare il rischio sismico di un edificio. Vediamo le fasi del processo d’indagine

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La problematica della sicurezza delle strutture esistenti sul territorio nazionale e il tema della prevenzione sono sempre più urgenti, specialmente in seguito agli eventi sismici recentemente verificatesi nel centro Italia.  Basti pensare che il 60% del patrimonio italiano è antecedente al 1974, data di emissione della prima normativa sismica nazionale: abusivismo, criteri progettuali insufficienti e materiali scadenti hanno poi contribuito a rendere le costruzioni altamente vulnerabili rispetto agli eventi sismici.

La valutazione dei diversi livelli di sicurezza delle costruzioni richiede un profondo studio di conoscenza dei manufatti e il primo passo da muovere, in uno scenario di questo genere, è quindi quello relativo all’attuazione di una serie di rilievi e indagini dettagliate e mirate che consentano di effettuare delle valutazioni della sicurezza il più possibile aderenti alla realtà. Ecco che in un futuro sempre più votato verso il recupero dell’esistente, la fase di conoscenza del manufatto diventa fondamentale, tanto che l’intero processo è stato codificato nella O.P.C.M.  3274 (e successive modificazioni), la quale dedica un intero capitolo agli edifici esistenti, valorizzando l’utilizzo sistematico della diagnostica come strumento imprescindibile per arrivare alla determinazione del rischio sismico di una costruzione in muratura o calcestruzzo.

In quale stadio del processo di Valutazione della Vulnerabilità Sismica si collocano le Indagini diagnostiche distruttive o semi-distruttive?

La valutazione della sicurezza segue l’iter illustrato dal D.M. del 14.01.2008 “Norme Tecniche per le Costruzioni” e dalla circolare n.617 del 02.02.2009 e risulta in generale composta dai seguenti passaggi:

  • Caratterizzazione del sito. Questa fase prevede la caratterizzazione sismica del sito, calcolata sulla base della mappa di pericolosità sismica del territorio nazionale, espressa in termini di accelerazione massima del suolo con probabilità di eccedenza del 10% in 50 anni (O.P.C.M. 3519/06) e sulla valutazione della risposta sismica locale.
  • Ottenimento dei parametri sismici. Secondo il D.M. 14/01/2008 la pericolosità sismica di base costituisce l’elemento di conoscenza primario per la determinazione delle azioni sismiche ed è definita in termini di accelerazione orizzontale massima attesa (ag) in condizioni di campo libero su sito di riferimento rigido (categoria A) con superficie topografica orizzontale, nonché di ordinate dello spettro di risposta elastico in accelerazione ad essa corrispondente, con riferimento a prefissate probabilità di eccedenza (PVR) nel periodo di riferimento (VR).  I parametri utilizzati per il calcolo della risposta sismica (pericolosità sismica) del sito in esame sono: la Vita nominale dell’opera, la classe d’uso, il periodo di riferimento per l’azione sismica, gli Stati Limite e probabilità di superamento nel periodo di riferimento; le categorie di sottosuolo e condizioni topografiche e le amplificazioni topografiche.
  • Conoscenza del manufatto. Questa fase di è fondamentale per determinare il livello di conoscenza (secondo le indicazioni riportate in Tabella C8A 1.1 della Circolare) della struttura e dei conseguenti fattori di confidenza. Nello specifico dovranno essere ottenuti dati attendibili rispetto alla geometria, particolari costitutivi e caratteristiche meccaniche dei materiali.

E’ proprio in questa ultima fase che, in assenza di documenti di progetto, per conoscere lo stato conservativo e caratterizzare i materiali degli elementi portanti dell’edificio, dovranno essere eseguite delle verifiche estese in situ (Indagini diagnostiche), volte anche a verificare la corrispondenza della geometria dello stato attuale del manufatto con i disegni esecutivi dell’epoca.

Vediamo ora nel dettaglio in cosa consiste la fase di conoscenza.

Per raggiungere un livello di conoscenza alto si partirà dalla definizione della data di costruzione e dal reperimento della documentazione storica e progettuale del manufatto, come grafici architettonici e impiantistici.

In seguito, il passaggio indispensabile della definizione della geometria strutturale dell’edificio: in merito a questa fase, la Normativa Tecnica dispone che non ci sia possibilità di differenti livelli di acquisizione delle informazioni, ma che vi sia invece un’ acquisizione esaustiva e scrupolosa delle caratteristiche della struttura. E’ questo il passo indispensabile che deve anticipare tutte le fasi successive: senza un rilievo strutturale dettagliato non è possibile redigere un programma completo delle indagini. In questa fase verranno rilevate le strutture esistenti, i carichi agenti – eventualmente confrontando gli elaborati storici disponibili con lo stato di fatto della costruzione – la tipologia strutturale  e ogni altro aspetto che può influire sulla valutazione della sicurezza, come ad esempio la presenza di quadri fessurativi., irregolarità altimetriche e planimetriche ecc. Sempre in questa fase si colloca il rilievo delle fondazioni, che dovranno essere verificate sia per tipologia che per quota di realizzazione.

L’affidabilità della modellazione strutturale e dei risultati ottenuti è legata ai dati raccolti, ciò nonostante la valutazione di sicurezza ed esposizione al rischio sismico di una struttura porta con sé una componente di incertezza dovuta all’impossibilità di conoscere certi parametri di edifici esistenti. Perciò le norme obbligano ad eseguire un numero determinato di prove sui materiali tali da ridurre al minimo le componenti di incertezza, definito in base allo stato di conservazione e la funzione del manufatto.

La fase successiva è infatti quella della caratterizzazione meccanica dei materiali, ovvero l’insieme di prove meccaniche atte alla caratterizzazione del comportamento strutturale dei materiali.  Lo scopo di ciascuna è definire, i limiti di utilizzabilità di ogni materiale. Tali prove devono rispondere a normative stringenti per essere affidabili e ripetibili.

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Indagine con martinetti piatti

Il rilievo del quadro fessurativo e le indagini non distruttive e semi-distruttive sono indagini di tipo qualitativo. Sia per edifici in cemento armato che in muratura le prove attuate per la caratterizzazione meccanica dei materiali sono varie:

Per la valutazione caratteristiche meccaniche della muratura:

  • Indagine con Martinetti Piatti (Fotografia 1): si tratta di una tecnica, in grado di fornire informazioni attendibili sulle principali caratteristiche meccaniche di una struttura muraria in termini di deformabilità, stato di sforzo e resistenza. La prova è condotta introducendo un martinetto piatto in un taglio effettuato lungo un giunto di malta. La prova risulta, in questo modo, leggermente distruttiva. La prova può essere applicata anche per valutare la deformabilità della struttura muraria, inserendo un secondo martinetto parallelo al primo;
  • Indagini Soniche: la tecnica di indagine sonica si basa sulla generazione di onde elastiche, nell’ambito di frequenze soniche o ultrasoniche in un punto della struttura, attraverso la percussione o con appositi strumenti o con trasduttori elettrodinamici. L’elaborazione dei dati, invece, consiste nel calcolo del tempo e della velocità di attraversamento dell’impulso dato nella muratura. L’indagine sonica permette di eseguire indagini su tutte le strutture murarie, sia per la valutazione dell’omogeneità del setto murario e quindi dell’eventuale presenza di difetti strutturali (cavità, fessurazioni etc.), che per stimare l’ordine di grandezza della resistenza dei materiali utilizzati.
  • Sclerometro su malta: La prova costituisce un metodo d’indagine non distruttivo in grado di fornire informazioni sulla qualità della malta, misurando la capacità del materiale di resistere alla penetrazione. Il metodo è utilizzato per stimare la durezza/resistenza della malta testata. In base all’entità del rimbalzo misurato, con l’ausilio di tabelle di conversione, è possibile determinare il valore della resistenza alla compressione.

Per motivi economici e di tempo non è possibile estendere la campagna di prove su tutti gli elementi strutturali dell’edificio indagato, occorre quindi prevedere le indagini su un numero di elementi specifici,  tale da rappresentare in maniera significativa le caratteristiche medie dell’elemento indagato in termini di omogeneità, di qualità, di resistenza meccanica e di degrado della struttura nella sua interezza. Per la valutazione caratteristiche metrico-costruttive della muratura e del calcestruzzo:

  • Prove endoscopiche: L’indagine endoscopica viene utilizzata nell’esame di cavità o lesioni presenti nei manufatti in muratura o in calcestruzzo, o praticate appositamente tramite un carotatore o un trapano a rotazione a basso numero di giri (per non indurre vibrazioni eccessive al paramento in esame). Nelle suddette lesioni o cavità si introduce una sonda endoscopica, costituita da un’asta con fibra ottica e da una guida luce per l’illuminazione, che viene collegata ad una telecamera, consentendo di visualizzare e di registrare le immagini in tempo reale;
  • Termografia (fotografia 2): per individuare discontinuità all’interno dei materiali, valutare lo stato di degrado dovuto alla presenza di umidità, di perdite d’acqua, di cavità o vuoti, verificare la presenza elementi architettonici o costruttivi inglobati nella muratura, non visibili ad esternamente, rilevare tubazioni o fili elettrici.

Per la valutazione caratteristiche meccaniche del calcestruzzo:

  • Indagine pacometrica o magnetometrica: Rilievo del copriferro, della posizione, numero e diametro delle armature.
  • Indagine Sclerometrica: per valutare l’indice di durezza superficiale locale del calcestruzzo, individuare eventuali zone degradate o caratterizzate da calcestruzzo di scarsa qualità, valutare l’omogeneità del getto di calcestruzzo in strutture in cemento armato;
  • Combinazione Sclerometro e Ultrasuoni, indagine SonReb (fotografia 3): per stimare la resistenza a compressione del CLS. I risultati delle indagini sclerometriche sono di tipo puramente qualitativo e per questo motivo sono, nella maggior parte dei casi, utilizzate in combinazione con le prove ultrasoniche. La combinazione tra i due metodi consente di superare le incertezze e gli errori derivanti dal loro singolo utilizzo, fornendo un valore della resistenza meccanica del calcestruzzo tramite formule sperimentali.
  • Carotaggi e Microcarotaggi: Con previa indagine pacometrica per individuare i ferri di armatura, il carotaggio consiste nell’estrazione di carote (provini) che vengono poi sottoposti a prove di compressione monoassiale in laboratorio per determinare la resistenza caratteristica cilindrica a compressione. Sempre in laboratorio il campione può essere sottoposto a esame qualitativo con indagini chimiche;
  • Prova di Estrazione/Pull-Out: La prova di pull-out è una tecnica di indagine semi-distruttiva che permette di valutare la resistenza a trazione del calcestruzzo mediante l’estrazione di una barra o di un tassello di espansione pre-inglobato o post-inserito nel conglomerato in appositi fori. La forza che provoca la rottura del calcestruzzo, solitamente a forma di cono, viene poi correlata, mediante curve sperimentali di taratura, con la resistenza caratteristica del calcestruzzo.
  • Prelievo di barre di armatura: per la determinazione della resistenza e rottura e snervamento delle barre. L’indagine consiste nel prelievo di una porzione di armatura che viene sottoposta a prova di trazione e taglio e prova di piegamento in laboratorio.
  • Carbonatazione: per misura della profondità di carbonatazione (fenomeno chimico per cui l’idrossido di calcio presente nel CLS reagisce con l’anidride carbonica formando carbonato di calcio: la riduzione dell0idrossido crea condizioni favorevoli all’innesco del fenomeno di corrosione dei ferri e della sezione resistente del tondino) di un campione di calcestruzzo, e quindi del rischio di corrosione delle armature.

Secondo le Linee Guida del Patrimonio Culturale, il fattore di confidenza può essere determinato definendo diversi valori parziali di confidenza Fck (k=1,4), sulla base dei coefficienti numerici associati alle quattro categorie di indagine (Rilievo geometrico – Rilievo materico e dei dettagli costruttivi – Proprietà meccaniche dei materiali – Terreno e fondazioni) ed al livello di approfondimento in esse raggiunto.

ll livello di conoscenza acquisito determina il metodo di analisi da adottare per valutazione della vulnerabilità e il fattore di confidenza da applicare alle proprietà dei materiali.

Tutti i tecnici si troviamo oggi a dover far fronte a un emergenza nazionale: l’esistenza di un patrimonio edilizio caratterizzato da vetustà, collocato in un territorio – quasi interamente – ad elevato rischio sismico. Como sottolineato recentemente dal Presidente del CNI, oggi, il mondo della ricerca dispone degli strumenti e delle conoscenze necessarie per individuare in modo preliminare le carenze e suggerire interventi mirati e meno dispendiosi per la messa in sicurezza dei manufatti e soprattutto delle persone.

La diagnostica strutturale si inserisce in modo armonioso all’interno di un processo di studio più ampio che ipotizza la possibilità di un adeguamento sismico e di un miglioramento intelligente delle costruzioni e delle infrastrutture, possibilità che si riassume nell’ipotesi realistica di poter disporre, nel futuro prossimo, di un archivio di dati di monitoraggio esaustivo ed affidabile, rappresentato dal “Fascicolo del fabbricato”.

L’eventualità di procedere finalmente all’uniformazione del processo di raccolta dati, indipendentemente dalle tipologie edilizie e dalle scelte del tecnico, così da consentire un successivo confronto dei dati e delle capacità strutturali delle varie tipologie abitative sul territorio nazionale , non è più una chimera.

Progetto PSC si occupa da anni di formare il personale addetto a tali controlli e monitoraggi, incentrando il training sulla trasmissione di un metodo d’indagine standardizzato e sperimentato e sulla verifica delle competenze dei futuri tecnici attraverso step formativi che puntano a un elevato livello di conoscenza teorica e competenza pratica.

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