Degrado del calcestruzzo: dal rilievo alla costruzione numerica del modello di danno

La valutazione dei fenomeni di degrado per corrosione delle strutture o parti di esse dovrebbe consentire al progettista di individuare strategie di intervento di riparazione e il ripristino delle condizioni iniziali, conferire un incremento di resistenza tramite interventi di consolidamento statico e sismico e stimare la vita residua dell’opera. È quindi necessario individuare i possibili scenari di danno nonché le relative evoluzioni. Introdurre, nella modellazione numerica della struttura, la variabile degrado significa creare una modellazione corrispondente a quella riscontrata durante le diverse attività di definizione del livello di conoscenza tramite indagini e prove in situ e laboratorio. Discutiamo con l’ingegnere Francesco Oliveto che ha studiato, a livello numerico, come il fenomeno di degrado per corrosione delle armature riduca la capacità di resistenza residua delle strutture.

Il degrado per corrosione delle armature, riscontrato in sito come può essere preso in considerazione nella modellazione numerica che simula il comportamento meccanico dell’opera in c.a.?

Il problema della durabilità delle strutture in c.a. è quanto mai attuale e spesso correlato al degrado da corrosione. In genere, il fenomeno è provocato da carbonatazione o attacco cloridrico. Particolarmente significativo, nel caso di strutture ubicate vicino al mare, è associato il fenomeno di corrosione localizzata per pitting delle armature. Per questo tipo di corrosione, è prevista una riduzione di resistenza e duttilità sezionale fino al 25% a fronte di una esposizione di 70 anni. Il calcestruzzo armato esposto a particolari condizioni ambientali, con il trascorrere del tempo può perdere le sue proprieta nei confronti di protezione delle barre di armatura, conseguentemente , il film protettivo delle stesse può danneggiarsi a seguito della diffusione di CO2 (carbonatazione ) o ioni cloruri (Immagine di copertina), che in presenza contemporanea di acqua e ossigeno innescano il fenomeno di corrosione delle barre, le quali comportano perdite di resistenza e duttilità della sezione con il tempo che si risentono sul comportamento statico e sismico globale della struttura (Figura 1).   Lo sviluppo della corrosione in strutture o elementi in c.a. possono essere sintetizzate nelle seguente quattro fasi:

1. t=t₁: fase iniziale senza corrosione. Persiste fino a quando la concentrazione agenti aggressivi non supera il limite di verifica la depassivazione dell’acciaio di armatura.
2. Successivamente si ha la fase di propagazione a tratti: il primo fino a t₂=t_cr1, tempo in cui si verifica la prima fessura sulla superficie del calcestruzzo per corrosione dell’armatura (splitting).
3. Il secondo, con velocità di propagazione maggiore per presenza di fessure, si protrae fino a t₃=t_cr2, tempo in cui non è più soddisfatto lo stato limite di esercizio registrandosi lo spalling del calcestruzzo;
4. Infine, il tempo per il quale la riduzione della resistenza è tale da non soddisfare più le richieste imposte dallo stato limite ultimo è denotato con t₄=t_u

Il fenomeno della corrosione ha notevole influenza sul comportamento meccanico di elementi strutturali in cemento armato, in relazione a:

• Riduzione della sezione trasversale delle barre di armatura;
• Riduzione delle proprietà meccaniche dell’acciaio (resistenza e duttilità);
• Fessurazione del calcestruzzo con riduzione resistenza a compressione;
• Deterioramento del meccanismo di aderenza.

La corrosione comporta una riduzione della sezione della barra e della capacità di allungamento sotto carico della parte di armatura che rimane integra , con tutte le conseguenze sulla duttilità strutturale. L’ossido di ferro (ruggine), che è il prodotto del processo di corrosione, ha un volume maggiore del metallo e tende a distaccarsene con aumento di volume della barra di armatura iniziale. I fenomeni meccanici che si innescano comportano quasi sempre:

• la fessurazione del calcestruzzo;
• cambiamento delle proprietà all’interfaccia acciaio/calcestruzzo con riduzione dell’aderenza;
• minor confinamento del calcestruzzo del nucleo interno a causa della corrosione delle staffe;
• instabilità delle armature longitudinali per spalling del calcestruzzo, deterioramento delle staffe e relativa aumento della lunghezza libera di inflessione e conseguente riduzione del carico critico ;
• Riduzione della risposta ciclica sotto azioni orizzontali con diminuzione dell’energia dissipata, riduzione della resistenza e capacità rotazionale dell’elemento, con conseguente aumento della domanda di rotazione per effetto degli scorrimenti relativi all’interfaccia acciaio-cls.
• Meccanismi resistenti con rotture fragili a trazione e instabilità delle barre di acciaio.

Al fine di tenere conto dei fenomeni meccanici che la corrosione comporta, esistono in letteratura diversi modelli di degrado validati tramite prove sperimentali su elementi strutturali in c.a o barre di acciaio in ambiente aggressivo con corrosione accelerata. Un modello di degrado per corrosione delle armature, sotto forma di indice di danno, non è altro che una funzione temporale ad una o più variabili che va a ridurre le proprietà meccaniche dell’acciaio, del calcestruzzo e del legame d’interfaccia. Non si tratta quindi di un modello costitutivo del materiale ma bensì di una variabile che controlla il danneggiamento del materiale.  I modelli di degrado sono diversificati a seconda se la corrosione è uniforme o localizzata, possono essere ad esempio funzione del diametro o della sezione (Tabella 1).

Ai fini di una valutazione di capacità prestazionale dell’opera, quali sono i requisiti per una corretta modellazione numerica ?

La valutazione della capacità portante residua di strutture esistenti soggette ad azioni di degrado per corrosione non può prescindere dai seguenti aspetti di modellazione, analisi e verifiche:

1. Scelta di elementi finiti non lineari in relazione alla tipologia strutturale, che incorporano nella formulazione meccanica modelli di degrado a corrosione;
2. Individuazione di modelli di degrado per corrosione più appropriati per la struttura oggetto di valutazione, che tengono in conto in maniera semplificata o completa dei fenomeni fisicomeccanici riscontrati;
3. Definizioni degli indici di degrado per corrosione sulle armature, il calcestruzzo e l’aderenza. Tali possono essere misurati tramite indagini e prove in sito o di laboratorio oppure ricavati da back analysis tramite le leggi di diffusione dei cloruri Cl^– o della CO₂, opportunamente calibrati.
4. Metodi di analisi di tipo statico o dinamico in presenza di non linearità meccaniche (sempre) e geometriche ove necessario;
5. Metodi di verifica per sezioni o elementi con degrado dell’acciaio e calcestruzzo.

Quali sono le risultanze a cui è giunto utilizzando la modellazione che considera gli indici di degrado di una sezione in calcestruzzo?

Nella photogallery sottostante riporto i modelli ed i risultati dedotti. Modellazione, analisi e verifiche sono state effettuate con il software FATA NEXT su elementi beam-coulumn a plasticità diffusa in grandi spostamenti. Attraverso un apposito modulo, sviluppato da Stacec srl in collaborazione con il sottocritto e il professore Matteo Felliti ,applica in maniera manuale o automatica i modelli di degrado per corrosione delle barre di armatura.  La potenzialità è di determinare la diffusione dei cloruri e CO2 su sezioni generiche di calcestruzzo armato, al fine di definire degli indicatori di danno in funzione del tempo e determinare in maniera più precisa la sezione resistente, necessaria per le verifiche strutturali sugli elementi degradati. Dalle analisi e verifiche effettuate con riferimento ai due scenari di degrado, struttura integra e degradata alla base dei pilastri perimetrali del piano terra con riferimento alla azione di pitting di cloruri su tutte le barre con x=1.00 mm per i ferri longituginali e x=0.50 mm per le staffe e relativo fattore R=3, possiamo fare le seguenti considerazioni finali:

1. L’edificio appartenente all’edilizia popolare (inizio anni 70) con travi forti e pilastri deboli, telai unidirezionali, collassa per piano soffice in condizioni integre e degradate;
2. La struttura degradata presenta riduzione a livello sezionale in termini di resistenza e duttilità locale che supera il 30 %;
3. Tale effetto è ancora più evidente a livello globale (fig.20) dove si registra una diminuizione di resistenza e duttilità misurato dalla perdita dell’indicatore di sicurezza sismica pari al Δx_SL=-36%.
4. I meccanismi di collasso per soft-story o piano debole avvengono per cedimento dell’armatura in trazione per rottura, a compressione per instabilità.

Le analisi hanno confermato quando detto nella parte iniziale, per cui risulta indispensabile incorporare nei modelli di calcolo e verifica la variabile degrado al fine di non sovrastimare eccessivamente la sicurezza sismica e statica delle strutture nonché la sua robustezza. La ricerca free portata avanti dal nostro gruppo di studio Felitti, Mecca, Oliveto, Santoro in collaborazione con Stacec srl darà la possibilità a tutti noi professionisti di valutare le strutture o infrastrutture esistenti con danno localizzato.

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Chi è Francesco Oliveto?

Ingegnere libero professionista specializzato nell’ambito strutturale e geotecnico ed in particolare modo nelle verifiche sismiche e geotecniche di edifici esistenti anche soggetti a danno e degrado e non ultimo di Robustezza strutturale. In campo geotecnico si occupa di problemi interazione terreno-struttura, progettazione di fondazioni profonde e metodi di scavo con tecnologie Top-down Bottom-up, consolidamento di pendii, risposta sismica locale, tramite modellazioni numeriche avanzate FEM-FDM-DEM. Ha curato innumerevoli progetti e si è occupato della direzione dei lavori sia di opere pubbliche che private. Ha seguito numerosi interventi di consolidamento nelle aree colpite dai più recenti eventi sismici (San Giuliano di Puglia 2002, L’Aquila 2009) che hanno previsto l’uso di tecnologie avanzate, quali controventi dissipativi isteretici ad instabilità impedita e dispositivi di isolamento sismico. Collaboratore esterno da circa dieci anni con Gruppo Sismica srl per la formazione continua e lo sviluppo di metologie di calcolo di strutture in muratura-ca in condizioni di danno pregresso e attuale ai fini della stima della capacità residua.