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Inquadramento

Il patrimonio edilizio italiano – per caratteristiche storiche e geologiche –  è vulnerabile a differenti pericolosità: ad oggi,  il 91,1% dei comuni italiani sono a rischio frane e alluvioni. La mancata attenzione ai pericoli idraulici e geologici rivela non solo la fragilità del costruito, ma anche una mediocre pianificazione ed uso del territorio; ai rischi idrogeologici si somma anche il rischio sismico, che deve necessariamente essere un vincolo per il costruito presente e futuro.

Oltre ad una corretta pianificazione a scala territoriale, l’uso dei materiali e la tecnica costruttiva sono una caratteristica di grande importanza nelle costruzioni, ed altrettanta rilevanza riveste una corretta progettazione ed esecuzione dell’opera. L’utilizzo dei materiali edilizi come malte, cementi acciai, materiali compositi, eccetera, per quanto performanti e di ottima qualità, se applicati in modo non corretto o secondo indicazioni di progetto errato, possono rappresentare un pericolo per l’incolumità delle persone.

In Italia, il 70% degli edifici ha un’età superiore a 50 anni, il che significa che, per quelle strutture ed infrastrutture costruite a partire dagli anni ‘60, riveste importanza il monitoraggio e il controllo periodico attraverso la diagnostica, al fine di programmare correttamene la manutenzione. Concettualmente, infatti, qualsiasi struttura e infrastruttura è paragonabile al corpo umano, sia in termini di funzionamento che di stress ed invecchiamento, per cui anche le strutture hanno un intervallo di tempo in cui la loro funzionalità si esaurisce. Tale processo viene definito nelle NTC con il nome di Vita Nominale di Progetto di un’opera, ovvero “il numero di anni nel quale è previsto che l’opera, purché soggetta alla necessaria manutenzione, mantenga specifici livelli prestazionali”.

Tecniche diagnostiche

Il piano di un’indagine deve partire definendo la tipologia strutturale (ovvero se è in muratura, in cemento armato, in acciaio oppure legno), unitamente al Livello di Conoscenza che si vuole raggiungere, anche in funzione della documentazione di progetto disponibile. Le NTC 2018 definiscono tre livelli di conoscenza che definiscono il grado di approfondimento delle analisi della struttura, e pertanto  l’indagine potrà essere limitata, estesa o esaustiva. A tali livelli di conoscenza corrispondono, poi, altrettanti Fattori di Confidenza che stabiliscono, in estrema sintesi, il livello di sicurezza della struttura.

Le proprietà dei materiali possono essere verificate mediante prove distruttive o non distruttive. La scelta di una o dell’altra tipologia dipende da diversi fattori, ma la più importante è sicuramente il livello di invasività cui si vuole assoggettare la struttura, considerando il fatto che ogni prova distruttiva va comunque ad alterare la statica dell’elemento indagato, per quanto poi si possa ripristinare lo stato pre-indagine. La tendenza è quella di prediligere tecniche non distruttive o semi distruttive, benché la norma ponga comunque un obbligo minimo di prove distruttive.

In questo articolo tratteremo le tecniche di diagnostica di tipo distruttivo, semi distruttivo e non distruttivo.

Prove di carico

Le prove di carico rappresentano una metodologia di prova che trova applicazione in molteplici campi, utilizzata soprattutto nel collaudo in corso d’opera, nella verifica di portata e nella determinazione dei coefficienti di sicurezza, siano essi solai, ponti, elementi isolati; possono essere eseguite sia mediante utilizzo di cisterne flessibili da riempire con acqua, sia con sistemi a spinta tramite ausilio di martinetti idraulici ed aste con funzione di puntone. Infine, quando la prova di carico interessa  opere d’arte come ponti e viadotti, è eseguita con mezzi pesanti che generano il carico necessario attraverso la portata propria del mezzo.

Il controllo degli spostamenti avviene con l’utilizzo di trasduttori di spostamento di tipo potenziometrico o LVDT, che misurano con una accuratezza nell’ordine del 1/100 o 1/1000 di mm; si usano anche sensori inclinometrici, come ad esempio sui ponti, per trovare la deformata attraverso lo spostamento angolare, o anche livelli di alta precisione con stadia INVAR. Dette metodologie possono essere usate anche in contemporanea.

Immobili in cemento armato

Per gli immobili esistenti e definiti a telaio indipendente in calcestruzzo armato, meglio noti come strutture in cemento armato, è possibile eseguire le seguenti metodologie di indagine.

Carotaggio

Viene eseguito con una carotatrice a telaio e fresa diamantata di diametro minimo variabile tra 80 e 100 mm. Il campione cilindrico estratto da una struttura come una trave, un pilastro, un setto o in fondazione, deve avere almeno un rapporto diametro/lunghezza pari 1:2. Subito dopo l’estrazione (o comunque in un tempo ragionevolmente breve) il provino è sottoposto a prova chimica di carbonatazione per la determinazione della profondità di carbonatazione ed eventuale calcolo della velocità di penetrazione, al fine di determinare il tempo in cui l’armatura può essere esposta a fenomeni di corrosione. Infine, in fase di rettifica e prova di laboratorio a compressione, il provino viene normalizzato in rapporto 1:1 e sottoposto a prova di compressione per la determinazione della resistenza secondo la formula σ=F/A espressa in [N/mm²].

Prova di carbonatazione

Questa metodologia consente di rilevare la presenza di carbonato di calcio nel calcestruzzo, che è l’elemento di passivazione e protezione delle barre di armatura. Dopo aver estratto un provino cilindrico dall’elemento indagato lo si bagna con una soluzione di fenolftaleina in soluzione alcolica all’1% che colorerà, in base al pH del calcestruzzo, la porzione di campione non carbonatata, evidenziando la zona che invece ha reagito con l’idrossido di calcio presente nel calcestruzzo. Il test colorimetrico indica una variazione del pH del calcestruzzo che può variare da pH 12-13 a pH ~8,5. Tale variazione non è tanto dannosa per il calcestruzzo, che anzi migliora le proprie prestazioni, bensì per le armature, poiché l’abbassamento del pH crea le condizioni favorevoli per la corrosione del ferro dell’armatura.

Stima del potenziale elettrico di corrosione

Un’altra tecnica non distruttiva è la stima del potenziale elettrico di corrosione, utilizzata per caratterizzare i volumi di cemento armato che richiedono interventi di riparazione o protezione; è una tecnica poco invasiva e con bassi costi. Per la misura del potenziale elettrico, generalmente viene utilizzato un voltmetro munito di elettrodo di riferimento Cu/CuSO4 saturo.

Preliminarmente va rimosso l’eventuale strato di rivestimento (pitture o elementi di finitura dell’elemento di cemento armato), al fine di esporre al vivo una o più parti dell’armatura per il collegamento del polo positivo; bisogna inoltre inumidire la superficie indagata. Gli elementi maggiormente esposti all’esterno e in condizioni di scarsa o nulla protezione sono più interessati da corrosione.

La normativa di riferimento utilizzata per la stima del potenziale di corrosione è la UNI 10174, che recepisce la ASTM C876 Standard che, a sua volta, stabilisce tre gradi di corrosione:

1. Per potenziali compresi tra 0 e -0,2 V probabilità assenza di corrosione >90%
2. Per potenziali compresi -0,20 e -0,35 V attività di corrosione incerta
3. Per potenziali compresi tra -0,35 e -0,6 V probabilità corrosione >90%

Edifici in muratura

Gli edifici in muratura rappresentano la stragrande maggioranza dell’edificato esistente, soprattutto se parliamo di edificato storico e monumentale. Detti edifici rappresentano anche le strutture a maggiore vulnerabilità se analizzati sotto il profilo tecnologico e costruttivo, dovuto sostanzialmente a caratteristiche intrinseche, nonché a collocazione geografica. È anche vero che molti edifici storici non rispondono, per loro caratteristica costruttiva, alle odierne e moderne esigenze normative, sebbene siano comunque giunti a noi attraversando secoli in cui si sono succeduti eventi catastrofici, naturali e bellici.

Tra le principali prove di indagine diagnostica eseguibili sulle strutture in muratura abbiamo un gruppo di metodologie non distruttive e semi distruttive che rientrano nella categoria della Meccanica delle Murature; citiamo, di seguito, quelle maggiormente diffuse e più spesso utilizzate per la verifica sia statica che dinamica di un edificio.

Tra le prove di meccanica delle murature prevale la metodologia dei Martinetti Piatti eseguiti in configurazione singola e doppia, e che consentono di ottenere dati essenziali (stati tensionali e moduli elastici) ai progetti di restauro, ristrutturazione, intervento locale, miglioramento o adeguamento sismico.

Martinetti Piatti in configurazione Doppia

Con la configurazione doppia la metodologia può determinare i moduli elastici delle murature, i moduli E e G [daN/cm²] e la forza massima di compressione f_m [daN/cm²], da poter poi correlare con la Tabella C8.5.I delle NTC2018. Nella configurazione doppia i tagli eseguiti saranno due, con altrettanti martinetti collegati alla pompa idraulica. La misurazione può anche avvenire con deformometri fissi costituiti da trasduttori di spostamento LVDT. Se ne installano n. 3 in posizione verticale per registrare le deformazioni verticali, e n.1 in posizione orizzontale. Effettuando brevi cicli di carico e scarico, le deformazioni registrate saranno inizialmente in campo elastico, sino a divenire deformazioni plastiche man mano che gli spostamenti e le pressioni aumenteranno. La curva assumerà un inviluppo tale da poter determinare i punti di tangenza nelle variazioni della deformata, da cui poter intercettare l’intervallo dei moduli E e G.

Prova di Taglio o Scorrimento

Detta prova serve a definire un ulteriore parametro indicato dalla Tabella C8.5.I, ovvero il modulo τ₀ resistenza media a taglio in assenza di tensioni normali (con riferimento alla formula riportata, a proposito dei modelli di capacità, nel §C8.7.1.3),fv₀= resistenza media a taglio in assenza di tensioni normali (con riferimento alla formula riportata, a proposito dei modelli di capacità, nel §C8.7.1.3) delle NTC2018.

La tecnica consiste nell’isolare un elemento di laterizio o pietra, a seconda che si tratti di struttura in muratura portante in mattoni, pietra o mista. L’elemento isolato è sottoposto ad una pressione assiale generata da martinetto idraulico, tale da generare lo scorrimento dei giunti di malta e rompere quindi l’interazione che tiene in equilibrio statico l’elemento. La pressione esercitata dal martinetto è costante e via via crescente, e gli spostamenti sono registrati attraverso l’apposizione di uno o più sensori di spostamento potenziometrici o LVDT con precisione del 1/100 di mm. Raggiunto il picco massimo di pressione e di spostamenti sempre più crescenti, si determina il modulo di scorrimento tangenziale tenendo conto dell’area del martinetto, pressione e area di contatto delle superfici del concio secondo l’espressione: τ₀ = (A_c ^. P)/A_m dove A_c è l’area del cilindro idraulico, P è la pressione al manometro, A_m è l’area di contatto del concio di muratura isolato.

Le prove penetrometriche su malta ed indagini petrografiche

La meccanica delle murature si completa anche con la caratterizzazione dell’elemento di collegamento che sono i giunti di malta. Una delle tecniche di valutazione della resistenza della malta prevede l’infissione e misurazione dell’avanzamento di una sonda metallica normalizzata. La strumentazione consiste in uno sclerometro, che imprime colpi con carica predeterminata in cui viene misurata la profondità della cavità lasciata dalla punta sulla superficie in prova; il danno arrecato è molto limitato (pochi millimetri). Le letture effettuate vengono successivamente correlate con la resistenza a compressione del materiale mediante apposite tabelle di correlazione dello strumento, e classificate secondo la norma UNI di riferimento.
Contemporaneamente, è possibile eseguire anche il prelievo di campione da mandare in laboratorio per effettuare un’analisi al microscopio di sezioni sottili , al fine di definire le proprietà chimico-fisiche della matrice. In tal senso avremmo quindi una caratterizzazione completa: chimico, fisica e meccanica.

Conclusioni

In questo brevissimo percorso dal macroscopico al microscopico si sottolinea, quindi, non solo l’importanza della fase di pianificazione e costruzione di un’opera, ma soprattutto la sua osservazione attraverso tecniche di diagnostica e monitoraggio, durante la sua vita nominale. Tutto ciò senza trascurare il fatto che il patrimonio edilizio italiano – da un punto di vista architettonico, ingegneristico e stilistico – racchiude una identità culturale unica al mondo, frutto della sua evoluzione secolare.

Ad oggi si dispone di una vasta gamma di tecniche diagnostiche e di una normativa ricca, atta a tutelare il patrimonio edilizio nella sua interezza e ad incentivare interventi di recupero e adeguamento; la riflessione che ne consegue  è  che la conservazione e tutela del patrimonio devono essere attenzionate da parte di tutti i soggetti – privati cittadini ed enti locali – e che lo Stato debba continuare ad essere parte attiva di questo processo attraverso leggi, regolamenti e finanziamenti.

Riferimenti bibliografici

Norme tecniche per le costruzioni coordinate con la circolare applicativa. DM 17 gennaio 2018 e c.m. 21 gennaio 2019, n.7

Rapporti ISPRA, Dissesto idrogeologico in Italia: pericolosità e indicatori di rischio, Edizione 2018

Stefano Bufarini, Vincenzo D’Aria e Roberto Giacchetti, Il controllo strutturale degli edifici in cemento armato e muratura, EPC, 2010.

Punto 2.4.1 delle NTC2018