Prove di carico statico: le prove sperimentali per eccellenza

Le prove di carico sono, forse quelle che da sempre affascinano gli Ingegneri, quelli - che le progettano, le costruiscono le disegnano per trovare una risposta sperimentale alle loro domande da progettisti. Posso collaudare? Resisteranno al carico? Come si comporterà? Dovrò cambiare qualcosa rispetto al progetto iniziale?

La prova di carico

La prova di carico è la prova principe dell’Ingegnere nei ruoli che svolge durante tutta la vita della struttura dall’ideazione alla sua demolizione.

La prova di carico può essere solo sperimentale non ha una Norma di riferimento precisa e dipende dalle problematiche che si presentano negli innumerevoli casi reali in campo.

Ha bisogno di essere progettata, diretta e seguita; non ha una procedura, iter scritti, ma permette, al professionista, di utilizzare le sue conoscenze ed esperienze nella ricerca di soluzioni che provano la struttura secondo un disegno preciso. La capacità di fondere insieme conoscenza, esperienza e ricerca!

La prova di carico è forse la prova più rappresentativa dell’ingegnere, in quanto definisce il termine di un percorso partito dalla progettazione fino alla sua realizzazione. La prova di carico di fatto sugella la fine e la messa in esercizio di un impalcato.

La finalità di questa prova è quella di renderne tangibile e leggibile il comportamento meccanico, espresso in termini di sollecitazioni e deformazioni.

La prova di carico è richiamata all’art. 6 della legge 1086/1971, quale metodo di collaudo statico in corso d’opera ovvero quale accertamento utile formarsi il convincimento della sicurezza dell’opera:

«A strutture ultimate, entro il termine di 60 giorni, il direttore dei lavori depositerà al genio civile una relazione, in duplice copia, sull'adempimento degli obblighi di cui all'articolo 4, esponendo:

• a) i certificati delle prove sui materiali impiegati emessi da laboratori di cui all'articolo 20;
• b) per le opere in conglomerato armato precompresso, ogni indicazione inerente alla tesatura dei cavi ed ai sistemi di messa in coazione;
• c) l'esito delle eventuali prove di carico, allegando le copie dei relativi verbali firmate per copia conforme”».

Le responsabilità del collaudatore secondo le NTC 2028

Le più recenti NTC18, stabiliscono infatti che nelle responsabilità del collaudatore è previsto quanto segue:

• Esaminare il progetto dell'opera, l'impostazione generale della progettazione dei suoi aspetti strutturali e geotecnico, gli schemi di calcolo e le azioni considerate.
• Esaminare le indagini eseguite nella fase di progettazione costruzione.
• Esaminare la relazione a strutture ultimate del direttore lavori.

Nell'ambito della propria discrezionalità, il Collaudatore potrà richiedere di effettuare tutti quegli accertamenti, studi, indagini, sperimentazione e ricerche, utili per formarsi il convincimento della sicurezza della durabilità e della collaudabilità dell'opera quali in particolare la prova di carico.

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Prove di carico statico: soluzioni Boviar

La prova di carico: metodologia e strumentazione

La prova di carico consiste essenzialmente nella misura della freccia di una parte della struttura quando sottoposta a carichi noti e tutto si riassume in un grafico tipo σ/ε espresso in funzione del tempo.

Tale metodologia di prova, vista la sua finalità, è volta nel caso dell’esistente ad individuare il carico di esercizio in funzione di una deformazione ammissibile corrispondente alla differente tecnologia costruttiva (Figura 4) dove è riportato lo schema di prova di carico condotto su una copertura piana in tecnologia laterocemento.

Due, quindi, gli elementi fondamentali atti a definire la prova di carico:

1. La lettura degli spostamenti, correlati quindi alla freccia teorica funzione a sua volta delle condizioni al contorno, ovvero delle condizioni di vincolo.
2. Il carico applicato all’impalcato, sia esso di un fabbricato o di un’infrastruttura.

Tendenzialmente, le strutture in c.a. sono molto rigide, e quindi spostamenti misurabili richiedono carichi veramente elevati.

Per questo motivo la prova di carico viene usualmente eseguita sui solai che, essendo le strutture più deformabili, possono essere interessati da spostamenti misurabili con carichi relativamente limitati. Questo non esclude che, in circostanze di particolare importanza, sia opportuno eseguire prove di carico sulle travi.

• a) Prova con carico distribuito mediante il riempimento di appositi serbatoi di dimensioni variabili, che vengono stesi sul solaio e riempiti d’acqua fino al raggiungimento del carico desiderato. Altre soluzioni come i sacchi di cemento o i secchi da riempire con acqua sono più articolati da realizzare e meno precisi.

• b) Prova a carico concentrato: la soluzione corrisponde all'allestimento di uno o più martinetti idraulici che trasmettono il carico per contrasto al solaio oggetto di esame. (necessario verificare preventivamente che le strutture usate come contrasto non vengano danneggiate dalle spinte esercitate dai martinetti).

• c) Per elementi di grande luce come le coperture di infrastrutture sportive sono utilizzati i sacconi/palloni sospesi. Per le infrastrutture viarie, come ad esempio un ponte: si utilizzano mezzi pesanti ed autoarticolati.

I carichi devono essere sempre noti con ragionevole precisione, nel caso di nuova costruzione devono corrispondere a quelli progettuali.

Gli strumenti di misura

Gli strumenti di misura sono usualmente dei flessimetri centesimali (comparatori centesimali montati su adeguati supporti e con agganci idonei alle prove di carico, precisione ±1/100 mm), ma oggi molto più comunemente vengono scelti sistemi automatici con trasduttori elettrici.

Quando la struttura è di dimensioni elevate (specialmente nel caso di ponti) la misurazione delle frecce può avvenire mediante triangolazioni topografiche (precisione ±1mm).

La precisione dello strumento di misura è funzione degli spostamenti attesi: la freccia di un solaio attesa è dell’ordine di 50/100 mm, mentre quella di un ponte può essere anche di diversi centimetri.

Un aspetto fondamentale della prova di carico corrisponde ai tempi di attesa dei carichi per ogni incremento di carico che devono essere tali da garantire la stabilizzazione della freccia. Nel caso siano previsti tempi di attesa lunghi, tali da determinare una variazione della temperatura ambiente superiore ai 3°C, è necessario prevedere uno strumento di misura in una parte della struttura non interessata dal carico.

Le strumentazioni impiegate nella prova di carico devono possedere un certificato di taratura emesso in data non anteriore ad un anno dall'esecuzione della prova.

È onere del professionista e del laboratorio di prova autorizzato ai sensi dell’art. 59 del d.P.R. 380/01 a definire sia lo schema di carico sia gli step di carico e scarico a cui sottoporre l’impalcato fino al raggiungimento del carico di esercizio.

L’applicazione dei cicli di carico e scarico è fondamentale per riscontrare eventuali deformazioni residue. Tempi e modalità devono essere indicati in un’opportuna relazione metodologica.

Boviar e le consorelle Sunta e SoftCap forniscono sia gli elementi atti a simulare il carico di esercizio applicato all’elemento, nel caso di sacconi, serbatoi e sistemi idraulici automatici e non, sia la strumentazione di monitoraggio e lettura delle deformazioni dell’elemento soggetto ad una determinata entità di carico applicato.

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Un caso applicativo particolare: il collaudo del nuovo Ponte di San Giorgio a Genova

Boviar ha fornito la strumentazione necessaria per il controllo degli spostamenti indotti dal carico durante le fasi di collaudo.

Si è trattato di un’applicazione particolare ed unica perché è stata creata una vera e propria rete wireless di acquisitori che contemporaneamente e in tempo quasi-reale hanno inviato i dati dei 30- 50 sensori ad un Pc collettore, collegato ai monitor nella Sala Controllo.

I grafici costruiti in automatico dal software a corredo dei T-Test venivano sorvegliati e controllati dai tecnici ed i responsabili di Anas.

In quell’occasione Boviar ha fornito 12 centraline T-Test-K12 nella versione wireless e 50 trasduttori di spostamento centesimali, a seconda della tipologia e della lunghezza in prova sono state collegate da 5 a 11 centraline e da un minimo di 30 ad un max di 50 sensori.

A luglio 2020, dopo aver analizzato i risultati delle prove di carico, di tipo statico e dinamico, effettuate sul nuovo Ponte di Genova San Giorgio, Anas ha rilasciato il certificato di collaudo statico.

Lettura delle deformazioni e/o spostamenti: centralina T-Test K12

La centralina impiegata per il collaudo statico del ponte, il T-Test K12, è una unità di acquisizione dati a 16 canali complessivi, portatile, da integrare con un notebook per l’acquisizione, la visualizzazione e la registrazione in tempo reale di dati provenienti da prove sorvegliate eseguite in campo con sensori di spostamento, di pressione o di carico. Boviar propone sistemi automatici di lettura dal 1997 con i sistemi FBM.

Nel caso del collaudo del ponte, si è trattato di un’applicazione particolare ed unica perché è stata creata una vera e propria rete wireless di acquisitori che contemporaneamente e in tempo quasi-reale hanno inviato i dati dei 30 sensori ad un Pc collettore, collegato ai monitor nella Sala Controllo. I grafici costruiti in automatico dal software a corredo dei T-Test venivano sorvegliati e controllati dai tecnici ed i responsabili di Anas.

Con T-Test e la nuova centralina dinamica portatile pd-Das di prossimo rilascio, la gamma di Boviar offre un completo ventaglio di possibilità di utilizzo da un collegamento cablato normale con sensori di vario tipo, di forza e di spostamento, a un collegamento wireless tra sensore e centralina.

Possono invece, come nel caso del Ponte San Giorgio (nel seguito descritto) essere collegati in wireless le centraline con i sensori cablati. Ciò significa che, se si hanno diverse campate o una campata molto lunga di cui devo controllare più sezioni ho la possibilità di installare un solo impianto con diversi sotto-sistemi. Il campionamento può essere pseudo-statico (1 Hz con T-Test e può arrivare anche a 500Hz con la pd-Das).

Ponte San Giorgio: il sistema wireless e il protocollo DIGIMESH

Vista l’estensione del campo di prova del ponte San Giorgio, era tassativamente necessario che il sistema di acquisizione degli spostamenti avesse le seguenti peculiarità:

• a) Portatile;
• b) Collegabile ad un numero elevato di sensori;
• c) Un sistema in grado di coprire grandi distanze e superare, nella trasmissione del dato, gli elementi strutturali interposti tra le stazioni di rilevamento ed il sistema ricevente.

Proprio per questo il sistema è stato fornito in versione wireless, cosa che ha reso possibile la connessione alla “control room” del ponte in versione non cablata.

I moduli wireless inseriti nello strumento hanno consentito la creazione di una rete Mesh wireless con protocollo DIGIMESH (Il protocollo Digimesh della DIGI, consente di creare delle reti Mesh di tipo Peer to Peer (ovvero senza coordinatori) in cui la rete ha solo un tipo di nodo.

In qualità di rete omogenea, tutti i nodi possono indirizzare i dati ed essere interscambiabili), in grado di coprire le distanze in gioco, che, nel punto più lontano di esecuzione della prova, erano dell’ordine dei 900 metri, in quanto la sala di controllo per la gestione degli impianti e del sofisticato sistema del monitoraggio installato su ponte, è collocata in un fabbricato tecnologico vicino alla galleria Coronata.

Il protocollo in questione, consentendo ad ogni centralina di funzionare sostanzialmente anche da ripetitore, consente di creare una struttura di rete in cui ogni unità funge da router e rende possibile la trasmissione del dato anche in presenza di ostacoli, dovuti alla complessità della struttura, interposti tra le unità di acquisizione e il sistema ricevente.

Configurazione che ha reso possibile il trasferimento dei dati di unità in unità e l‘invio degli stessi alla control room, nella quale erano presenti dei dispositivi che hanno consentito la connessione in tempo reale a tutte le macchine e l’acquisizione simultanea dei dati provenienti da tutti i sensori collegati alle diverse centraline installate. Quindi sia il sistema wireless che il software di elaborazione dati forniti sono stati customizzati per questa specifica applicazione.