Controllo della resistenza del calcestruzzo in sito nelle opere strategiche mediante la prova Pull Out

Nel presente articolo viene trattata la delicata questione inerente il " controllo della resistenza del calcestruzzo in opera". In particolare, per conseguire un adeguato livello di conoscenza, il piano delle indagini deve tener conto di due aspetti fondamentali: la numerosita' e l'invasivita' delle prove. 

Viene descritta la prova di estrazione (pull out) con tasselli pre-inglobati e post-inseriti come tecnica affidabile per la stima della resistenza del calcestruzzo in opera, da affiancare a prove distruttive quale i carotaggi.

Il controllo della resistenza del calcestruzzo posto in opera

Il controllo della resistenza del calcestruzzo posto in opera nelle costruzioni (sia nuove che esistenti) e nelle infrastrutture strategiche (foto 1) è una delle fasi sperimentali più delicate e complesse nella valutazione delle caratteristiche meccaniche dei materiali in situ.

Il §11.2.6 “Controllo della resistenza del calcestruzzo in opera” dell’Aggiornamento delle Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 indica che:

La resistenza del calcestruzzo nella struttura dipende dalla resistenza del calcestruzzo messo in opera, dalla sua posa e costipazione, dalle condizioni ambientali durante il getto e dalla maturazione.

Per la modalità di determinazione della resistenza a compressione in situ, misurata con tecniche opportune (distruttive e non distruttive), si potrà fare utile riferimento alle norme:

• UNI EN 12504-1 ”Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Carote - Prelievo, esame e prova di compressione”;

• UNI EN 12504-2 “Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Prove non distruttive - Determinazione dell’indice sclerometrico”;

• UNI EN 12504-3 “Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Determinazione della forza di estrazione”;

• UNI EN 12504-4 “Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Determinazione della velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici”.

Per conseguire sperimentalmente lo specifico livello di conoscenza indicato dal Committente, il piano delle indagini deve tener conto di due aspetti fondamentali: la numerosità e l’invasività delle prove.

L’indagine deve essere caratterizzata da una numerosità della “popolazione campionaria” tale da risultare statisticamente rappresentativa e consentire una stima affidabile e ripetibile del parametro cercato. La rappresentatività del “campione statistico” può essere raggiunta non solo mediante l’esecuzione di “prove distruttive” (prelievo di campioni cilindrici mediante carotaggio e successiva prova di compressione) ma può anche essere soddisfatta riducendo il numero delle stesse ed integrandole, in maniera adeguata, con prove non distruttive (PnD). Le modalità con cui si può operare questa riduzione trovano un riscontro oggettivo, per esempio, nella presenza nella costruzione o nell’infrastruttura strategica di aree omogenee, per la qualità dei materiali o per la serialità della produzione.

Al contempo, l’indagine deve essere tale da limitare il danno strutturale, specialmente nel caso di costruzioni con possibili problemi di natura statica, di beni tutelati e di opere strategiche per le quali il normale esercizio non possa essere messo a rischio. Competenze specifiche sono richieste per la corretta valutazione del danno indotto dall’attività sperimentale. Il prelievo di campioni cilindrici mediante carotaggio determina infatti un indubbio “danno” locale, che risulta per certi versi irreversibile nonostante il successivo ripristino strutturale. Questo consiste nel ripristinare la continuità strutturale mediante il “ritombamento” con malta espansiva e a ritiro compensato e, per risultare efficace, deve essere eseguito con il rigore che compete all’esecuzione di un intervento locale di riparazione strutturale, analogo a quelli descritti nel capitolo 8 dell’Aggiornamento delle Norme Tecniche per le Costruzioni 2018.

Il progettista del piano delle indagini, nell’ubicare i punti di prelievo e, comunque, sempre prima di autorizzare il carotaggio, deve valutare l’indebolimento che questo può determinare sugli elementi strutturali, specialmente su pilastri snelli o molto sollecitati e le conseguenze che può comportare per esempio nel caso di azioni sismiche. Le sezioni oggetto di prelievo, soprattutto nel caso in cui siano ubicate in zone critiche o quando non siano correttamente ripristinate, possono essere la causa della formazione di cerniere plastiche e del successivo collasso strutturale. Come conseguenza dell’estrazione le isostatiche delle tensioni si concentrano nelle parti integre della sezione, adiacenti al foro (fig. 1) e il “ritombamento” del foro non ripristina localmente lo stato tensionale antecedente il prelievo. La modalità di ripristino strutturale dopo il prelievo delle carote deve essere prevista nel progetto delle indagini e deve essere certificata dal Laboratorio che la esegue.

Uso delle prove non distruttive per il controllo della resistenza del calcestruzzo in opera: la prova di estrazione (Pull Out)

Tra le prove non distruttive impiegate per il controllo della resistenza del calcestruzzo in opera risulta particolarmente affidabile la prova di estrazione (Pull Out). 

Il principio di funzionamento

La prova di estrazione viene eseguita inserendo nel calcestruzzo, al momento del getto o in un secondo momento, un apposito inserto denominato tassello, che ha la particolarità di avere due diametri diversi: uno più piccolo (lo stelo), che permette di raggiungere la profondità di infissione prescritta dalla norma, ed uno più grande (testa o disco) che funge da ancoraggio. La prova consiste nel misurare la forza necessaria ad estrarre il tassello “pre-inglobato”  o “post-inserito” dal calcestruzzo indurito. Per far questo, si esercita una forza contro un anello di contrasto poggiante sulla superficie del materiale stesso (fig. 2), per mezzo di un martinetto oleodinamico cavo.

Grazie alla particolare forma dell’ancoraggio, oltre ad esso, viene anche estratta una porzione di calcestruzzo di forma tronco-conica. Le linee di frattura del tronco-cono vengono definite dalle dimensioni dell’inserto di acciaio, dalla profondità a cui viene inserito il diametro maggiore e dalle dimensioni dell’anello di contrasto. La forza necessaria ad estrarre il tassello consente, attraverso opportune correlazioni, di stimare la resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo in sito.

Da un’analisi non lineare agli elementi finiti del meccanismo di rottura, si evidenzia la formazione di forze di compressione che vanno dalla testa o disco del tassello inglobato all’anello di contrasto in superficie (fig. 3). Per questo motivo la forza necessaria ad estrarre l’elemento di acciaio è direttamente correlata con la resistenza a compressione del calcestruzzo. 

Riferimenti normativi della prova

UNI EN 12504-3:2005 “Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Parte 3: Determinazione della forza di estrazione”, richiamata nell’Aggiornamento delle Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 al §11.2.6. “Controllo della resistenza del calcestruzzo in opera”. 

Apparecchiatura necessaria e le diverse tipologie di inserti

Per l’esecuzione della prova di estrazione possono essere impiegati due tipologie di inserti:

• pre-inglobato nel calcestruzzo (fig. 4 e foto 2);

• post-inserito nel calcestruzzo indurito (fig. 5).

Lo svantaggio che la prova di estrazione presenta è che deve essere prevista e predisposta in anticipo prima di eseguire il getto, se si vogliono utilizzare tasselli pre-inglobati (LOK-Test). Con l’intento di superare questo limite, è stata proposta la tecnica con tasselli post-inseriti (CAPO-Test, “Cut and Pull Out Test”), che possono essere installati in un secondo momento rispetto alla messa in opera della struttura.

Il LOK-Test viene presentato in Danimarca nel 1962 con l’intento di valutare sperimentalmente la qualità dello strato corticale del calcestruzzo. Questa esigenza nasce dal fatto che lo strato corticale rappresenta una parte molto importante per la durabilità dell’opera, costituendo l’elemento di protezione delle barre di armatura nei confronti degli agenti provenienti dall’ambiente esterno, come ad esempio l’umidità, il cloro e l’anidride carbonica.

La profondità di indagine è stata fissata a 25 mm, per essere sicuri che nella zona di rottura non siano presenti barre di armatura che potrebbero falsare l’esito della prova. La sperimentazione condotta in Danimarca ha consentito di fissare il diametro interno del disco dell’anello di contrasto a 55 mm. Con tale diametro e geometria ad una forza di estrazione di 1 kN corrisponde approssimativamente una resistenza a compressione uguale a 1 N/mm².

Le “Linee guida per la valutazione delle caratteristiche del calcestruzzo in opera” pubblicate nel settembre 2017 dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici - Servizio Tecnico Centrale al “§4.4 Stima delle caratteristiche meccaniche in opera in base alle forza di estrazione (Pull Out)” indicano, relativamente all’impiego di inserti post-inseriti, che “In relazione a tale metodo di indagine, è opportuno rilevare l’importanza che assume il tipo di tassello utilizzato, che dovrà essere ad espansione geometrica controllata. In tal senso è sconsigliato l’impiego di tasselli destinati ad altro uso”.

Per l’estrazione dell’inserto (pre-inglobato o post-inserito) si esercita una forza contro un anello di contrasto, concentrico rispetto all’inserto e poggiante sulla superficie del materiale stesso, per mezzo di un martinetto oleodinamico cavo dotato di manometro digitale munito di detentore di picco (foto 3). Il martinetto è azionato da una pompa idraulica manuale o elettrica (applicando un gradiente di carico costante di circa 0,5 kN/s senza shock) collegata allo stesso da un tubo flessibile ad alta pressione (foto 4).

Le criticità della tecnica di prova

La prova di estrazione fornisce informazioni esclusivamente in merito allo strato corticale del calcestruzzo dell’elemento strutturale indagato. I risultati di molti anni di ricerca dimostrano la stabilità della correlazione fra la forza di estrazione e la resistenza del calcestruzzo, che non risulta essere influenzata da variazioni del tipo di cemento né dall’età e dalla presenza della carbonatazione. I fattori che influenzano la prova di estrazione sono la presenza di grossi inerti (> 35-40 mm) ed inerti leggeri e friabili.

La prova di estrazione è una tecnica:

• non distruttiva;

• affidabile (se eseguita correttamente);

• poco invasiva, di facile e rapida esecuzione;

• poco incidente sugli stati tensionali della struttura;

• che consente di allargare l’indagine su un numero elevato di elementi strutturali.

La prova è stata fino a pochi anni fa poco utilizzata, nonostante la bassa invasività, a causa di problematiche inerenti l’apparecchiatura. In particolare, la tipologia di inserti post-inseriti impiegati non rispondevano alle caratteristiche tecniche richieste dalla norma, determinando:

• un’espansione geometrica non controllata;

• la presenza di tensioni tangenziali sulla superficie laterale dello stelo del tassello;

• meccanismi di rottura differenti e non ripetitivi, in alcuni casi anomali.

La conseguenza è l’elevata variabilità dei risultati e, quindi, la scarsa attendibilità della prova.

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