Stima della resistenza del calcestruzzo attraverso il consumo di energia

D. Pera - Department of Civil, Chemical and Environmental Engineering, University of Genoa, Genoa, Italy A. Brencich - Department of Civil, Chemical and Environmental Engineering, University of Genoa, Genoa, Italy 21/07/2018 1188

Abstract

Nella pratica dell’ingegneria la stima della resistenza del calcestruzzo su strutture esistenti è da sempre un aspetto molto delicato inoltre i vari metodi di indagine hanno la necessità di avere come riferimento i valori ottenuti dal carotaggio. In quest’ottica è stata condotta una campagna sperimentale per valutare l’applicabilità di un metodo, per la stima preliminare della resistenza del cls, basato sulla misura dell’energia consumata per praticare un foro. In questo lavoro vengono presentati i risultati delle prove di taratura condotta calcestruzzi con resistenze da 20 a 90 MPa caratterizzati con prove su campioni standard e carote. L’analisi dei diversi fattori che possono alterare il risultato della prova, il basso impatto economico unito ad un danno limitato hanno permesso di eviden-ziare le potenzialità del metodo.

1 INTRODUZIONE: Stima della resistenza del calcestruzzo

La caratterizzazione dei materiali costituenti le strutture esistenti è da sempre un aspetto molto delicato.

Quando il materiale in oggetto è il calcestruzzo è noto che la stima della resistenza a compressione sia influenzata da molti fattori come la messa in opera o le diverse condizioni di maturazione. A causa della forte variabilità delle caratteristiche del materiale, anche all’interno di una stessa struttura, i diversi metodo di indagine hanno la necessità di avere un valore di riferimento diretto. La resistenza del calcestruzzo in sito è ottenuta da prove di compressione su campioni estratti dalla struttura ma, tale procedura risulta molto invasiva ed apporta un danno significativo agli elementi strutturali.

Per questo motivo, nell’ottica di avere una migliore conoscenza dell’opera vengono utilizzate, in maniera complementare al carotaggio, diverse tecniche meno distruttive. La scelta del tipo di prova però, è spesso legata più alla facilità di esecuzione ed al suo impatto economico che alla sua affidabilità o precisione.

In questo lavoro vengono presentati i risultati di una campagna sperimentale in cui è stata valutata l’applicabilità di un sistema di stima della resistenza del calcestruzzo basato sul consumo di energia di forare o di carotaggio. Grazie ad un’estesa sperimenta-zione ed all’analisi di diversi fattori di influenza è stata possibile ottenere una taratura preliminare del metodo.

I risultati hanno evidenziato le potenzialità di applicazione del metodo che potrebbe essere impiegato dagli operatori nella scelta dell’attrezzatura e delle procedure da utilizzare per la diagnosi. Deve essere considerato infatti che spesso altri test non sono efficaci e/o non possono essere impiegati su calcestruzzi ad alta resistenza.

Inoltre può essere considerato un vantaggio, anche dal punto di vista economico, il fatto che molte pratiche diagnostiche prevedono l’esecuzione di fori (endoscopie, pull-out, stima della profondità di carbonatazione, fissaggio delle attrezzature, ecc.).

2 STATO DELL’ARTE

2.1 Primi approcci

Hirschwald (1908) fu il primo a documentare la possibilità di caratterizzare i materiali naturali attraverso la misura della resistenza alla foratura, tuttavia lo sviluppo di metodi e tecnologie avvenne solo più tardi.

Le potenzialità del criterio vennero colte anche in altri ambiti, ad esempio Hardinge (1949) propose la possibilità di valutare la stratigrafia ossea, analizzandone la resistenza alla penetrazione di un utensile al crescere della profondità.

Tra gli autori che hanno portato il maggior con-tributo all’applicazione del concetto di resistenza alla foratura è necessario ricordare Chagneau e Levas-seur (1989, 1990 e 1992). Il metodo da loro proposto, ed applicato a calcestruzzo, legno e mate-riali odontoiatrici, era in grado di valutare la stratifi-cazioni dei campioni attraverso la misura della forza impiegata per la foratura con velocità di rotazione e di avanzamento costanti. Il limite principale allo svi-luppo del metodo fu dovuto alla complessità del sistema di misura ed acquisizione, poiché con la tecnologia dell’epoca non fu possibile realizzare un’apparecchiatura adatta all’uso in sito.

2.2 Basi teoriche ed approcci sperimentali

L’osservazione sperimentale condotta su diversi materiali quali malta, rocce e legno, e alcuni approcci teorici hanno mostrato una dipendenza del con-sumo di energia dalle caratteristiche del materiale.

Inoltre, le diverse ricerche condotte in questo campo hanno permesso di valutare l’effetto di alcuni fattori sulle grandezze misurate.

Le prime sperimentazioni di Chagneau e Levasseur (1990) hanno guidato alcune scelte fatte per la campagna sperimentale. È stato dimostrato che l’uso della rotopercussione provochi una riduzione sia re-sistenza all’avanzamento sia della variabilità della sua misura. L’effetto risulta essere negativo per la valutazione della stratigrafia ma, può essere sfruttato per integrare in maniera più precisa l’area sottesa dalla curva di resistenza che rappresenta l’energia consumata.

È emersa inoltre la necessità osservare l’analisi di influenza dei rapporti geometrici del sistema considerando che come dimostrato da Chiaia (2001), l’uso di una punta di maggior diametro si traduca in un minor consumo di energia per unità di volume.

A sostegno dell’approccio energetico possono es-sere citati gli studi di Carpinteri e Pugno (2002) che, utilizzando i principi della meccanica della frattura dimostrano la dipendenza del lavoro compiuto per la foratura alle dimensioni caratteristiche del problema ed ai materiali che compongono la miscela di calcestruzzo.

Successivamente è stato dimostrato da Pamplona, Kocher, Snethlage, e Aires Barros (2007) che la resistenza all’avanzamento durante la foratura sia correlata alle caratteristiche del materiale ed in particolar modo alla resistenza a compressione uniassiale.

La trattazione dettagliata dei risultati esula da questo lavoro e viene rimandata al documenti originali.

Tra gli autori che hanno portato il maggior contributo all’applicazione del concetto di resistenza alla foratura è necessario ricordare Chagneau e Levasseur (1989, 1990 e 1992). Il metodo da loro proposto, ed applicato a calcestruzzo, legno e materiali odontoiatrici, era in grado di valutare la stratificazioni dei campioni attraverso la misura della forza impiegata per la foratura con velocità di rotazione e di avanzamento costanti. Il limite principale allo sviluppo del metodo fu dovuto alla complessità del sistema di misura ed acquisizione, poiché con la tecnologia dell’epoca non fu possibile realizzare un’apparecchiatura adatta all’uso in sito.

Nella sperimentazione proposta nel seguito si farà riferimento all’energia consumata e non alla resistenza all’avanzamento. Questa grandezza, espressa in kWh, permette di ridurre se non eliminare l’effetto di influenza dell’operatore evitando l’uso di strumentazioni costose. A livello teorico si può dimostrare tale affermazione considerando che una foratura eseguita con una maggior forza applicata dall’operatore si traduce in una maggior coppia resistente della strumentazione (aumento di Watt consumati), ma allo stesso modo, si realizza il foro in un tempo minore. Si ottiene di fatto un bilanciamento dei due contributi di tempo e potenza dai quali si ottiene l’energia.

3 CAMPAGNA SPERIMENTALE SUL CALCESTRUZZO IN SITU

I dati presentati nel seguito sono frutto di un’ampia campagna sperimentale condotta con l’obiettivo di ottenere una precisa caratterizzazione del calcestruzzo attraverso diverse prove in sito. Una parte della sperimentazione prevedeva la valutazione di fattibilità di un metodo che, come anticipato, che sfruttasse la misura del consumo di energia per ottenere una stima preliminare della resistenza.

3.1 Materiali e campionatura

La taratura della procedura è stata effettuata su cam-pioni di diversa forma e dimensione realizzati con 5 miscele di calcestruzzo di diversa resistenza. Ogni miscela è stata caratterizzata con analisi granulometrica e prove di compressione su provini standard e carote in diverse condizioni di maturazione (Tab.1).

tabella-prove-calcestruzzo-indurito-01.jpg

Dai valori di resistenza ottenuti sono state ricavate le curve di maturazione.

I campioni prodotti sono stati identificati in base alle loro dimensioni come segue:

  1. Blocchi 1200x600x350 mm
  2. Pilastri 1200x350x350 mm
  3. Prismi 250x250x450 e 210x150x450 mm
  4. Cubi 150x150x150 mm (std)
  5. Cilindri 100x200 mm (std)

3.2 Strumentazione

La strumentazione utilizzata è semplice e di facile reperimento ed i costi risultano limitati poiché l’esecuzione di diverse procedure di diagnostica prevede comunque l’uso della quasi totalità degli utensili sottoelencati, per l’impiego dei quali non è necessaria una formazione tecnica di alto livello.

La strumentazione comprende:

  • Un wattmetro con un range di misura da 9999 kW/h ad 0.001 W/h. e frequenza 10-99 Hz;
  • Un trapano a percussione con potenza di 800 w dotato di punta widia con diversi diametri (10, 15 e 18 mm);
  • Un carotiere con potenza di 1050 w, a due ve-ocità (400-800 giri/min a vuoto) sul quale sono state montati utensili diamantati di diverso diametro (55, 110 e 150 mm);
  • Un cronometro digitale;
  • Un calibro.

3.3 Definizione della procedura

Dopo un’attenta analisi della letteratura presente sull’argomento è stata definita una procedura di prova ed una serie di test che permettessero di valutare l’influenza di diversi fattori.

Per quanto riguarda la foratura sono stati identifi-cati i seguenti parametri da misurare:

  • Energia consumata
  • Tempo di foratura
  • Profondità del foro
  • Usura della punta (n° di fori eseguiti)

Per quanto riguarda il carotaggio sono stati identi-ficati i seguenti parametri da misurare:

  • Energia consumata
  • Tempo di carotaggio
  • Altezza della carota

Per ottenere un valore univoco di energia consu-mata nella foratura è stato stabilito di eseguire 10 fori, con roto-percussione per i motivi già citati in precedenza. Il valore di energia misurato viene mediato sui 10 fori e depurato del consumo interno della strumentazione e normalizzato al volume di calcestruzzo asportato. Queste operazioni sono rese pos-sibili grazie alla misura del tempo, del valore di consumo a vuoto e della dimensioni del foro (diametro e profondità).

Per il carotaggio, operazione più dispendiosa, la procedura prevede di eseguire almeno 2 prove da cui ottenere un valore del consumo di energia. La media delle misurazioni viene depurata, come per il caso precedente, dal contributo dovuto ai consumi stru-mentali e normalizzato alla superficie di taglio totale (misurando diametro del tagliente e altezza del carotaggio).

3.4 Fattori di influenza analizzati

Durante la campagna sono stati valutati gli effetti di alcuni parametri che avrebbero potuto alterare i risultati.

3.4.1 Consumo ‘interno’ della strumentazione

Durante la misurazione del consumo di energia vengono misurati anche i consumi propri della stru-mentazione, quel consumo cioè, che il trapano e il carotiere avrebbero se azionati senza tagliare o forare. Valutando questi contributi è possibile ottenere il valore (netto) di energia consumata in funzione delle caratteristiche della miscela e dell’usura degli utensili (Tab. 2).

3.4.2 Diametro utensili di taglio e foratura

Durante la sperimentazione l’osservazione dei valori di consumo ottenuti, su uno stesso provino, con punte e tazze diamantate di diverso diametro e a parità di condizioni di usura, ha permesso di valutarne l’effetto sul risultato di prova (Tab. 3 e Tab. 10).

3.4.3 Usura delle punte

La valutazione dell’effetto dell’usura delle punte del trapano è stata possibile confrontando, per ciascuna classe di resistenza, i valori ottenuti con punte nuove, dopo l’esecuzione di 60 fori e dopo più di 200 utilizzi (Tab. 4).

Questa analisi ha permesso di definire una soglia per il numero di utilizzi della punta in modo da non subire un effetto significativo sul risultato di prova.

Per quanto riguarda il carotaggio, i costi elevati degli utensili hanno reso sconveniente adottare questo tipo di approccio.

3.4.4 Stato tensionale degli elementi forati

È noto che l’effetto dello stato tensionale abbia influenza sui risultati di alcune prove in sito. Per questo motivo sono state effettuate prove di foratura su campioni a diversi livelli di carico (stato tensionale nullo e compressione a 10 MPa (Tab. 5).

3.4.5 Direzione di betonaggio

L’effetto della direzione del getto rispetto alla direzione della prova di compressione non è ancora stato definito in maniera rigorosa. In questa campa-gna tale fattore è stato analizzato in funzione del consumo di energia confrontando i dati ottenuti per forature ortogonali a quelli derivanti da fori eseguiti longitudinalmente alla direzione di betonaggio (Tab. 6).

3.4.6 Grado di compattazione del getto

È naturale pensare che un foro eseguito su un materiale che presenta un maggior numero di vuoti al suo interno possa far registrare un consumo inferiore di energia. Questo comportamento è stato valutato correlando i valori di massa volumica ottenuti dalle carote estratte dai campioni, a quelle dell’energia

consumata per la foratura (Tab. 7). La produzione di campioni con dimensioni significativamente diverse è stata progettata con lo scopo di ottenere provi

ni aventi differenti gradi di compattazione.

3.4.7 Saturazione del calcestruzzo

L’influenza dell’umidità all’interno del calcestruzzo è stata valutata paragonando i risultati ottenuti da prove su campioni asciutti e campioni com-pletamente immersi in acqua per circa 1 anno (Tab.8).

3.4.8 Resistenza a compressione

Lo scopo principale della sperimentazione è stato quello di osservare se il consumo di energia misurato per la foratura o il carotaggio del calcestruzzo fosse correlabile con la sua resistenza a compressione. La stima preliminare, ottenuta da questa procedura, consentirebbe di migliorare il progetto delle campagna di indagine su strutture esistenti. Il valore ottenuto potrebbe essere utilizzato per la scelta delle procedure in modo da utilizzare le attrezzature in sicurezza, limitando allo stesso tempo il danno provo-cato alle strutture (Tab. 9).

4 RISULTATI OTTENUTI

4.1 Prova di foratura

I dati di energia riportati nel seguito, ed utilizzati per la correlazione con la resistenza a compressione, sono ottenuti dalla media dei valori misurati per 10 fori e normalizzati al volume di calcestruzzo asportato (dove non specificato si fa riferimento al diame-tro della punta pari a 15 mm).

4.1.1 Valutazione dei consumi propri strumentali

Misurando i tempi di prova è possibile quantificare il contributo dovuto ai consumi ‘interni’ della strumentazione. Nel grafico seguente (Fig. 1) è pos-sibile osservare la differenza tra energia totale (lorda) ed energia depurata dal consumo interno del trapano (netta).

figura-prove-calcestruzzo-indurito-01.jpg

Osservando inoltre, i dati ottenuti (Tab. 2) emerge come la differenza percentuale tra i due valori sia una grandezza costante. L’energia netta è utile nell’ ottica di poter applicare le tarature ottenute a proce-dure condotte con altre attrezzature in quanto risul-tano depurate dall’effetto strumentale. Inoltre consi-derando che la differenza tra i due valori risulta essere costante si può affermare che la tendenza di correlazione sia univoca.

tabella-prove-calcestruzzo-indurito-02.jpg

Inoltre, la strumentazione utilizzata per la campa-gna sperimentale non è mai cambiata per cui nel se-guito del documento si farà riferimento a valori di energia lorda.

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Prosegue in ALLEGATO