Diagnostica: come pianificare una efficace campagna di prove per la caratterizzazione meccanica

Molte sono oggi le tecniche e le tecnologie diagnostische a disposizione del progettista per conoscere gli edifici esistenti. La difficoltà maggiore è progettare campagne di prove capaci di far comprendere le peculiarità e le caratteristiche della struttura esistente senza necessariamente eseguire prove invasive a tappeto. 

Diversificare le tecniche di indagine per conoscere meglio

La realizzazione di una campagna di prove diagnostiche su una struttura esistente necessita di una appropriata progettazione. Per scegliere quali tecnologie applicare al fine di ricavare i risultati necessari all’analisi strutturale dell’edificio. Ma anche per come estendere l’indagine alla maggior parte della struttura, senza necessariamente eseguire prove invasive a tappeto. La multidisciplinarietà delle tecnologie disponibili potrà essere l’asso nella manica per diversificare i test. L’alternanza tra prove distruttive e non distruttive rappresenta una buona strada di avvicinamento alla comprensione delle peculiarità e delle caratteristiche della struttura esistente. Le prove non distruttive potranno così essere tarate con i risultati di quelle semi-distruttive eseguite nei medesimi punti, in modo da poterle poi estendere ad altre parti della struttura limitando l’invasività di quelle più distruttive. 

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Occorre ricordarsi quanto possa essere complessa la ricostruzione delle diverse fasi edificatorie di un edificio esistente (soprattutto per strutture in muratura); quante vulnerabilità possa nascondere una struttura dietro a scarsi ammoramenti murari difficilmente ispezionabili visivamente; quanti difetti nascosti riconducibili allo stato delle conoscenze al tempo della sua realizzazione; quale degrado o modifiche significative rispetto alla situazione originaria possa contenere. Non sempre la consultazione dei documenti progettuali pregressi o l’ispezione visiva possono offrire risposte sicure. Anche se devono sempre rappresentare la base di partenza dell’indagine. Da queste considerazioni nasce la necessità di eseguire delle prove preliminari, i cui risultati, qualitativi e quantitativi, sono oramai indispensabili per caratterizzare le strutture esistenti, valutare le loro vulnerabilità e quindi il loro grado di sicurezza.

Figura 1–Correlazione tra prove soniche ed endoscopia per la valutazione della qualità della tessitura muraria del Santuario di Santa Maria delle Grazie a Varoni (Amatrice – RI)

La progettazione di una campagna di prove

Le tecniche diagnostiche sono molte e alcune di esse costose. Attraverso la progettazione delle indagini, il progettista cerca conferma ad ipotesi già formulate, oltre ad ottenere una stima realistica dei parametri fisici e meccanici da utilizzarsi nel calcolo strutturale. La progettazione della campagna diagnostica sarà tarata in funzione delle informazioni minime indispensabili alla valutazione della sicurezza e al grado di complessità ed importanza dell’edificio. Occorrerà ponderare l’invasività, per alcune prove necessaria poiché uniche a fornire dati quantitativi, privilegiando la correlazione tra diverse tecniche di indagine. In particolar modo sfruttando anche le potenzialità di quelle di tipo qualitativo, ossia non distruttive.

Non esiste una campagna di prove “tipo” applicabile in ogni contesto, bensì ogni situazione dovrà essere affrontata in relazione alla sua morfologia e complessità edificatoria. Di seguito riflettiamo su alcuni punti cardine per progettare una campagna diagnostica corretta in relazione al livello di approfondimento prescelto, cercando di contenere la spesa e l’invasività dell’intervento. 

Diversi livelli di conoscenza

La prima scelta da fare per la progettazione della campagna diagnostica è la definizione di quale livello di conoscenza si vuole raggiungere. Le NTC2018 e relativa Circolare 21/01/2019 n. 7 stabiliscono tre diversi livelli di conoscenza: da limitato passando per esteso fino ad esaustivo. Ad essi sono associati diversi valori del fattore di confidenza che contribuisce a diminuire ulteriormente il valore di progetto delle resistenze del materiale esistente, in funzione appunto del livello di approfondimento raggiunto:

dove f_d è la resistenza di progetto, f_m è la resistenza media (desunti da prove in situ, in laboratorio o reperibili, nel caso delle murature, nella tabella C.8.5.I della Circolare), FC è il fattore di confidenza e γ_M è il fattore di sicurezza specifico per ogni materiale 

Tabella 1 - Fattori di confidenza e approfondimento delle indagini corrispondenti ai relativi livelli di conoscenza.

Primo step: scegliere il livello di conoscenza da raggiungere

Pertanto la prima scelta del progettista dovrebbe basarsi sulla convenienza di quale livello di conoscenza sia opportuno raggiungere. Questa scelta dipende anche dall’importanza dell’edificio e dalla finalità dell’intervento di consolidamento.

Limitarsi al livello LC1, per quanto sia più economico in termini di spesa e tempo, può tradursi spesso in verifiche sismiche non soddisfatte, poiché, oltre al fattore di sicurezza γ_M, la resistenza caratteristica del materiale viene diminuita anche da un fattore di confidenza FC pari a 1,35. Significa aver svolto poche prove di caratterizzazione meccanica, i cui dati sono spesso molto dispersi dal punto di vista statistico. Oltre a ciò, il valor medio delle resistenza viene diviso ancora per il prodotto γ_M•1,35 che, a seconda del materiale, può essere compreso tra un minimo di 2 circa fino a oltre 3. Questo maggior aggravio è presente soprattutto per le murature storiche, la cui incertezza nella caratterizzazione meccanica è evidenziata dall’aleatorietà del valore γ_M da assegnare.

Quindi, per quanto possibile, è auspicabile che il progettista miri a perseguire un livello di conoscenza intermedio pari a LC2. In questo modo, il valore di progetto delle resistenze potrà essere superiore a LC1 poiché, svolgendo più prove, si avrà un valore caratteristico più preciso e il fattore di confidenza da applicare sarà inferiore.

Di seguito vediamo brevemente per le principali tecniche costruttive cosa prevede la Circolare 21/01/2019 n. 7 in merito al numero e tipologia di prove per raggiungere un prestabilito livello di conoscenza. 

Murature: il numero e la tipologia di prove necessarie per raggiungere un prestabilito livello di conoscenza

Il par. C8.5.3.1 della Circolare 21/01/2019 n. 7 evidenzia le differenze di approfondimento per costruzioni esistenti in muratura portante secondo il seguente schema:

«Prove limitate: Si tratta di indagini non dettagliate e non estese, basate principalmente su esami visivi delle superfici, che prevedono limitati controlli degli elementi costituenti la muratura. 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. Scopo delle indagini è consentire l’identificazione delle tipologie di muratura alla quale fare riferimento ai fini della determinazione delle proprietà meccaniche; questo prevede il rilievo della tessitura muraria dei paramenti ed una stima della sezione muraria.

Prove estese: Si tratta di indagini visive, diffuse e sistematiche, accompagnate da approfondimenti locali. Si prevedono saggi estesi, sia in superficie sia nello spessore murario (anche con endoscopie), 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. È inoltre prevista l’esecuzione di analisi delle malte e, se significative, degli elementi costituenti, accompagnate da tecniche diagnostiche non distruttive (penetrometriche, sclerometriche, soniche,termografiche, radar, ecc.) ed eventualmente integrate da tecniche moderatamente distruttive (ad esempio martinetti piatti),finalizzate a classificare in modo più accurato la tipologia muraria e la sua qualità.

Prove esaustive: In aggiunta alle richieste della categoria precedente, si prevedono prove dirette sui materiali per determinarne i parametri meccanici. Il progettista ne stabilisce tipologia e quantità in base alle esigenze di conoscenza della struttura. Le prove devono essere eseguite o in situ o in laboratorio su elementi indisturbati prelevati in situ; esse possono comprendere, se significative: prove di compressione (ad esempio: su pannelli o tramite martinetti piatti doppi); prove di taglio (ad esempio:compressione e taglio, compressione diagonale, taglio diretto sul giunto), selezionate in relazione alla tipologia muraria e al criterio di resistenza adottato per l’analisi. Le prove devono essere eseguite su tutte le tipologie murarie o comunque su quelle relative agli elementi che, dall’analisi di sensibilità basata sui dati preliminari (§ C8.5), sono risultati significativi per la valutazione della sicurezza. I valori per le verifiche saranno ottenuti, a partire dai valori medi presenti nella Tabella C8.5.I, utilizzando misure sperimentali dirette sull’edificio, tenendo conto dell’attendibilità del metodo di prova. In sostituzione,possono essere considerati i risultati di prove eseguite su altre costruzioni della stessa zona, in presenza di chiara e comprovata corrispondenza tipologica per materiali e morfologia.»

Il paragrafo contiene anche la citata Tabella C8.5.I relativa alla stima delle resistenze meccaniche di alcune tessiture murarie. Essa rappresenta soltanto una base di partenza per la stima delle resistenze murarie, e non può sostituirsi a necessarie prove di approfondimento. Già solo per il fatto che tale tabella non contempla la miriade delle diversificate tessiture murarie costituenti il nostro variegato patrimonio architettonico.

Figura 2–Vulnerabilità sismica di tipo puntuale rilevata a seguito del crollo della chiesa di Sant’Agostino ad Amatrice (RI): doppio paramento murario con camera d’aria, derivante da una modifica successiva alla costruzione con sovrapposizione di una seconda parete (forse per consolidamento dopo un terremotonei secoli precedenti). Tale vulnerabilità, non visibile, sarebbe stata rilevabile prima del crollo con le moderne tecniche di indagine.

Dato per scontato un accurato rilievo geometrico, uno studio delle fasi edificatorie e un’approfondita indagine della bontà delle connessioni murarie mediante saggi esplorativi di rimozione dell’intonaco, il progettista ha davanti a sé tre strade da percorrere, in funzione del budget economico, della complessità dell’immobile e delle finalità di intervento.

Se si ferma al livello LC1 (prove limitate), il tecnico dovrà necessariamente attingere dalla Tabella C8.5.Ii valori minimi delle resistenze e medi del modulo elastico, con tutti i limiti sopra descritti. In più, non è detto che trovi nella tabella una categoria affine alla tessitura muraria oggetto della sua indagine. In questo caso, è possibile procedere in analogia con altre similari di cui si abbia a disposizione dei risultati sperimentali. Il livello LC1 può ambire solo a qualificare la tipologia di muratura, demandando una stima prudente delle sue resistenze alla Tabella C8.5.I. Nulla tuttavia è possibile approfondire riguardo le caratteristiche costruttive della tessitura muraria (presenza di vuoti, qualità dell’apparecchiatura, ecc…).

Figura 3–Correlazione tra diverse prove (livello di conoscenza LC2) presso il Santuario di Santa Maria delle Grazie a Varoni (Amatrice – RI) per valutare le caratteristiche meccaniche della parete, la presenza di un doppio paramento e l’efficacia di precedenti iniezioni di rinforzo con malta di calce: (a) prova sonica; (b) endoscopia; (c) martinetti piatti doppi; (d) termografia (immagine per gentile concessione dell’Arch. Monica Volinia). 

Il livello LC2 (prove estese) introduce invece quella efficace correlazione tra indagini non distruttive e semi-distruttive.Rappresenta un buon livello di compromesso, permettendo di approfondire maggiormente molti punti critici della struttura. Per esempio, è possibile eseguire una prova sonica nel medesimo punto in cui è prevista una prova con i martinetti piatti insieme ad una endoscopia che fornica una chiara traccia della stratigrafia muraria. Avendo così tarato i risultati della prova non distruttiva con quella dei martinetti piatti e dell’endoscopia, sarà possibile estendere l’indagine mediante la medesima tecnica non distruttiva ad altre porzioni di muratura, con costi ridotti. In merito allo specifico caso delle murature, è sempre consigliabile eseguire una prova sonica anziché ultrasonica, poiché quest’ultima non riuscirebbe ad attraversare eventuali discontinuità quali vuoti consistenti in camere d’aria o paramenti in semplice accostamento. I risultati delle tecnologie non distruttive non offrono validità o corretta interpretazione se presi singolarmente, ma se tarati con prove dall’esito quantitativo, possono offrire una valida alternativa e conferma dell’indagine. Ad esempio, se le velocità delle prove soniche eseguite anche in altri punti della struttura muraria offrono valori similari, è possibile concludere che anche il resto delle murature abbiano resistenze e stratigrafia confrontabili a quella porzione testata con i martinetti piatti. Se così non fosse, potrebbe essere l’occasione per eseguire un ulteriore prova con i martinetti piatti, ma in un punto preciso (e quindi non scelto a caso) in cui sia già stata valutata qualitativamente una criticità nella qualità della tessitura muraria. Se l’edificio è formato da diverse tessiture già rilevabili a vista, sarebbe opportuno associare ad ogni tipologia almeno una prova col martinetto piatto. Questa metodologia di procedere per correlazioni risulta utile a validare dei singoli risultati e a contenere i costi di esecuzione delle prove. Essa permette di confrontare i risultati dei martinetti piatti con quelli contenuti nella Tabella C8.5.I, potendo utilizzare il valore medio delle resistenze e del modulo elastico.

PER APPROFONDIRE LEGGI ANCHE La diagnostica delle strutture in muratura nella Circolare 7/2019

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