Riparazione di pilastri in cemento armato mediante incamiciature in calcestruzzo ad elevate prestazioni

Il problema della corrosione delle barre di armatura

La corrosione delle barre di armatura è una delle principali cause di deterioramento delle strutture in cemento armato. Pertanto, nella riparazione di strutture in C.A. corrose è necessario determinare il danno dovuto alla corrosione delle armature per poter stimare la residua capacità portante della struttura e definire una tecnica di rinforzo che permetta il recupero della resistenza originaria.

Lo scopo della ricerca è quello di valutare il danneggiamento subito da pilastri in C.A. come conseguenza di fenomeni di corrosione delle armature e di stimare l’efficacia di una tecnica di ripristino basata sull’applicazione di una camicia in calcestruzzo fibro-rinforzato ad elevate prestazioni.

Una metodologia di corrosione accelerata per le barre di acciaio nel calcestruzzo 

La prima parte della campagna sperimentale è rivolta alla ricerca di una metodologia di corrosione accelerata per le barre di acciaio nel calcestruzzo mediante l’utilizzo di celle elettrolitiche, che permetta di ottenere campioni con differenti percentuali di corrosione, da sottoporre a prove di trazione.

Da tali prove si provvederà a ricercare la variazione delle caratteristiche meccaniche rispetto al materiale non affetto da corrosione.

Una campagna sperimentale sulla corrosione

La seconda parte della campagna sperimentale riguarda il conferimento della corrosione accelerata su pilastri in C.A. in scala reale da sottoporre a prova ciclica.

Le prove sono state effettuate su tre campioni: un provino non corroso da utilizzare come modello di riferimento, un provino soggetto a corrosione delle armature e un terzo provino soggetto a corrosione delle armature e quindi rinforzato mediante incamiciatura in HPFRC di spessore 40 mm.

Al termine del processo di corrosione delle armature i campioni sono stati sottoposti a prove sperimentali eseguite applicando un carico assiale e un carico ciclico orizzontale di ampiezza crescente fino a rottura.

I risultati ottenuti mostrano l’efficacia della tecnica proposta nel recuperare l’originaria capacità portante della struttura. 

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Corrosion of reinforcement is one of the leading cause of the deterioration in reinforced concrete structures. Hence, in their retrofitting it is necessary to determine the corrosion damage to estimate the residual structural strength and to define strengthening techniques which allow to recover the initial capacity of the structure.
The aim of the research is to evaluate the effectiveness of a new strengthening technique based on the application of a high performance fiber reinforced jacket for the retrofitting of RC columns with problems of reinforcement corrosion.
Three full-scale experimental tests on column specimens have been performed. The first part of the study concerns the artificial corrosion of the steel bars of the specimens through the use of electrolytic cells. In the second part of the research the specimens have been loaded with static horizontal cyclic loads with increasing amplitude, up to the failure.
The obtained results show the effectiveness of this technique in recovering the original bearing capacity of the columns, reaching also an adequate ductility level.

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INTRODUZIONE: La riduzione della vita utile delle strutture in cemento armato

La riduzione della vita utile delle strutture in cemento armato, nella maggior parte dei casi dovuta alla corrosione delle barre di armature, è una delle principali cause di preoccupazione per gli edifici in C.A.

Le conseguenze strutturali su elementi colpiti da corrosione delle armature sono molteplici. La riduzione delle sezione resistente delle barre, la diminuzione del carico portato dalle armature, la riduzione di duttilità della struttura, la formazione di prodotti dovuti alla corrosione che causa fessurazione del calcestruzzo e provoca elevate sollecitazioni negli elementi strutturali possono cambiare in modo significativo la modalità di collasso della struttura.

Questi aspetti evidenziano la necessità di sviluppare dei modelli per poter valutare il danno dovuto alla corrosione delle barre di armatura e stimare la resistenza strutturale residua.

Inoltre, risulta essere necessario introdurre delle tecniche di rinforzo che permettano di recuperare l’iniziale capacità portante della struttura, facendo riferimento principalmente agli edifici esistenti costruiti intorno agli anni ‘60 e ’70, che molto spesso presentano una bassa resistenza del calcestruzzo, un copriferro insufficiente e sono stati progettati senza tenere conto della durabilità della struttura.

Le tradizionali tecniche di rinforzo sono caratterizzate dall’utilizzo di incamiciature in cemento armato con spessori elevati, spesso nell’ordine di 60-70 mm, (Fib Bulletin 24, 2003), che causano un incremento eccessivo nella geometria della struttura. In molti casi l’aumento della sezione degli elementi strutturali non è trascurabile in quanto provoca un incremento sia di massa che di rigidità dell’intera struttura modificando il comportamento sismico dell’edificio. Questo aspetto è particolarmente significativo quando i pilastri oggetto dell’intervento presentano dimensioni ridotte (es. lato 250-300 mm).

Negli ultimi anni differenti tecniche sono state utilizzate per il rinforzo di strutture in cemento armato Una delle tecniche più comuni prevede l’utilizzo di fasciature in FRP che presentano il difetto di non garantire una sufficiente aderenza tra il rinforzo e il calcestruzzo esistente, in particolar modo quando il calcestruzzo esistente presenta caratteristiche meccaniche scarse. Inoltre i rinforzi mediante fasciature in FRP sono utili per aumentare la duttilità ma non sono sempre adatti nel caso in cui si debba garantire un incremento di capacità portante di pilastri che sono sottoposti a forze di compressione e di flessione.

Una nuova tecnica di rinforzo basata sull’utilizzo di incamiciature in calcestruzzo fibrorinforzato

Recentemente è stata messa a punto una nuova tecnica di rinforzo basata sull’utilizzo di incamiciature in calcestruzzo fibrorinforzato ad elevate prestazioni (HPFRC) [Martinola et al., 2007; Maisto et al., 2007].

Questa categoria di materiali presenta un comportamento incrudente a trazione abbinato ad un’elevata resistenza a compressione e una maggiore capacità di deformazione rispetto ai tradizionali calcestruzzi fibrorinforzati che lo rende adatto per l’utilizzo nel rinforzo di elementi strutturali che richiedono grandi deformazioni anelastiche.

Pertanto, nei rinforzi realizzati con questo materiale, si può evitare di utilizzare armatura tradizionale garantendo così incamiciature con spessori ridotti (30-40 mm).

Gli effetti della corrosione delle barre di armatura, in particolare la riduzione di resistenza e di duttilità, possono compromettere il comportamento della struttura sotto l’azione di carichi orizzontali (azione sismica). In questa ricerca è stato studiato l’utilizzo di incamiciature ad elevate prestazioni per l’incremento della capacità portante di pilastri in C.A. con problemi di corrosione delle barre di armatura.

Per valutare l’efficacia della tecnica di rinforzo proposta sono state effettuate tre prove sperimentali cicliche su pilastri in C.A. in scala reale. Un pilastro è stato utilizzato come campione di riferimento, un pilastro è stato testato dopo la corrosione artificiale delle barre di armatura per poter stimare la resistenza strutturale residua mentre l’ultimo pilastro, dopo la corrosione artificiale delle barre, è stato rinforzato mediante l’utilizzo di un’incamiciatura in calcestruzzo fibrorinforzato ad elevate prestazioni dello spessore di 40mm.

Le prove sono state effettuate fino alla rottura dei campioni applicando un carico assiale costante e carichi orizzontali ciclici di ampiezza crescente; esse hanno mostrato l’efficacia della tecnica proposta nel garantire il recupero dell’originaria capacità portante di pilastri con armature corrose.

2. GEOMETRIA DEI CAMPIONI

L’efficacia di questa nuova tecnica di rinforzo, basata sull’applicazione di incamiciature in HPFRC, è stata studiata mediante prove sperimentali su tre colonne in scala reale con altezza totale di 1.80 m e una sezione quadrata di 300x300 mm.

Per poter realizzare la successiva prova meccanica i pilastri possiedono una fondazione di dimensioni 1.3m x 0.6m x 0.5m che permette l’ancoraggio del campione al banco di prova come mostrato in figura 1. Le armature e la resistenza del calcestruzzo sono quelle caratteristiche di strutture costruite negli anni ’60 e ’70.

L’armatura dei campioni è costituita da 4 barre longitudinali Ø16 e staffe di diametro 8 mm, disposte ad un interasse pari a 300 mm.

I pilastri sono stati gettati con un calcestruzzo a bassa resistenza: la resistenza media a compressione, misurata su provini cubici con lato di 150mm, è pari a 20 MPa. L’acciaio delle barre di armatura può essere classificato come B500C e le barre presentano una resistenza di snervamento media pari a 520 MPa e una resistenza alla rottura media pari a 620 MPa. Per evitare fenomeni di espulsione del copriferro e danneggiamenti troppo elevati, le staffe dei due campioni soggetti a corrosione sono state trattate mediante vernice protettiva antiruggine.

3. CORROSIONE DEI CAMPIONI

La corrosione artificiale delle barre di armatura è stata eseguita mediante l’utilizzo di celle elettrolitiche (figura 2a). Le celle elettrolitiche sono state realizzate immergendo i due pilastri da corrodere in una soluzione salina con una percentuale al 3% di cloruro di sodio fino ad un’altezza di 1.50m dalla base della fondazione.

La corrosione delle barre è stata accelerata imponendo un valore di corrente costante pari a 0.5A. Allo scopo di raggiungere un livello di corrosione il più uniforme possibile ogni barra è stata collegata ad un singolo alimentatore. La direzione della corrente è stata impostata in modo tale che le barre di armatura dei pilastri costituiscono gli anodi mentre i catodi sono stati realizzati mediante quattro barre di armatura Ø10 mm posizionate all’interno della soluzione di cloruro di sodio.

Il livello di corrosione viene espresso in termini di percentuale di perdita di massa delle barre di armatura in quanto questo parametro è un indice direttamente proporzionale alla perdita di resistenza delle barre stesse. Le barre di armature sono state portate ad un livello di corrosione teorico pari al 20% in termini di perdita di massa. Il livello di corrosione desiderato è stato stimato mediante la legge di Faraday che è stata utilizzata per stabilire la relazione tra il lasso di tempo durante il quale applicare la corrente impressa alle barre di armatura e il corrispondente grado di corrosione. La legge di Faraday, tuttavia, è stata modificata introducendo un coefficiente correttivo pari a 1.3 (questo coefficiente è stato calibrato mediante prove preliminari) che tiene conto del volume di calcestruzzo intorno alle barre.

Al termine del processo corrosivo l’incremento di volume delle barre provocato dalla produzione di ruggine ha causato la formazione di quattro fessure verticali in corrispondenza di ognuna delle quattro barre di armatura soggette a corrosione come è mostrato in figura 2b. Le fessure verticali proseguono nella parte superiore del pilastro oltre il livello della soluzione salina.

Al fine di valutare le proprietà meccaniche delle barre di armatura corrose sono state effettuate delle prove preliminari su un pilastro che presenta la stessa geometria (sezione e armatura) e le medesime caratteristiche dei materiali dei pilastri da sottoporre a prova ciclica. Al termine del processo di corrosione le barre di armatura sono state estratte dal pilastro, pulite e pesate per verificare l’effettiva perdita di massa. Le barre corrose all’interno del calcestruzzo mostrano un attacco corrosivo localizzato: la perdita di peso non è omogeneamente distribuita lungo la lunghezza della barra e alcune zone presentano evidenti fenomeni di pitting (figura 3).

Ognuna delle quattro barre di armatura estratte dal pilastro è stata divisa in due segmenti di lunghezza pari a 60 cm che sono stati sottoposti a prova di trazione.

Le curve sforzo nominale - deformazione delle barre corrose, confrontate con curve ottenute da corrispondenti campioni integri (non corrosi), è riportata in figura 4.

Lo sforzo nominale per le barre corrose indica il rapporto tra la forza misurata e l’area nominale del campione integro. I risultati ottenuti dalle prove di trazione mostrano chiaramente che l’attacco corrosivo riduce significativamente sia la resistenza che la deformazione delle barre di armatura. La riduzione della resistenza di snervamento e della resistenza ultima è direttamente proporzionale al livello di corrosione delle barre.

A causa dei numerosi fenomeni di pitting la riduzione di duttilità è meno regolare e non strettamente dipendente dal livello di corrosione della barra. Le barre corrose hanno inoltre mostrato un comportamento particolarmente fragile se confrontato con quello delle corrispondenti barre non corrose.

Nell'articolo completo - scaricabile in PDF :
4. APPLICAZIONE DEL RINFORZO
5. TEST SET-UP
6. RISULTATI
7. CONFRONTO DEI RISULTATI
8. CONCLUSIONI
RINGRAZIAMENTI
BIBLIOGRAFIA