Modellazioni per il calcolo della vita utile di strutture in calcestruzzo armato

Maurizio Nicolella - Professore nell’Università degli Studi di Napoli Federico II 07/03/2018 6870

La vita utile degli elementi in calcestruzzo armato può essere calcolata, con buona approssimazione, mediante alcune metodologie, che consentono di prevedere sia il momento nel quale il fronte di carbonatazione avrà superato il copriferro e raggiunto le armature, sia la velocità con la quale la corrosione interesserà le armature, diminuendone la sezione.

Una valutazione comparativa fra tre diversi tipi di edifici, realizzati con differenti calcestruzzi, evidenzia efficacemente quali possono essere gli scenari in termini di interventi manutentivi, e pone le basi per individuare le strategie più appropriate per il controllo dell’obsolescenza di queste strutture.

La situazione degli edfici in calcestruzzo armato del dopoguerra

L’avvento del calcestruzzo armato per le ricostruzioni e gli ampliamenti del dopoguerra, senza adeguati controlli e con regole e prassi che si sono dimostrate largamente insufficienti, ha prodotto conseguenze ormai sono note a tutti ma che in realtà costituiscono solo la punta di un iceberg.

Sempre più spesso, infatti, accade di rinvenire componenti – ma anche interi edifici – realizzati con materiali estremamente carenti, sia dal punto di vista del mix design che da quello della progettazione strutturale. E se ci si interroga sulle motivazioni che consentono a questi fabbricati di essere ancora in piedi e sovente anche senza particolari sintomi di deficit prestazionale, non si può trascurare di considerare che il contesto sollecitante è significativamente mutato negli ultimi 70 anni, e che ora – ad esempio - il calcestruzzo è soggetto con ben diversa intensità al fenomeno che è ormai dimostrato essere il suo peggior nemico: la carbonatazione.

Tale situazione, in uno con i fenomeni sismici degli ultimi anni, contribuisce a formare un quadro d’insieme abbastanza preoccupante in ordine alla capacità/possibilità del patrimonio edilizio esistente di superare indenne eventuali (ma purtroppo certi), nuovi sismi.

L’articolo espone una valutazione comparativa, condotta su tre tipologie di edifici, di epoche e/o materiali diversi, del comportamento nel tempo (e dunque degli interventi necessari per la manutenzione) di edifici in conglomerato cementizio armato, avendo preliminarmente calcolato, sulla base delle indicazioni della letteratura scientifica sull’argomento, quale sia la legge di decadimento prestazionale, legata sia alla carbonatazione del calcestruzzo che alla conseguente diminuzione di sezione delle armature.

La finalità è non solo quella di avere a disposizione strumenti e metodologie per la previsione della vita utile delle strutture in conglomerato cementizio armato, ma anche di costruire un presupposto per valutare, fra i diversi approcci possibili, quello più appropriato dal punto di vista della gestione tecnico-economica.

Lo stato dell'arte delle ricerche

Quello della vita utile delle strutture in c.a. è un argomento molto studiato, sia da ricercatori che appartengono al mondo della chimica o dell’ingegneria chimica, che da studiosi delle tecnologie o – ancora – da strutturisti.

Nel prosieguo si farà particolare riferimento ad alcune ricerche che sono pervenute a risultati di particolare interesse all’ambito specifico della durabilità dei conglomerati cementizi armati, e che vengono doverosamente citati sia nella bibliografia alla fine del presente articolo, sia – per alcuni – nel corso dello stesso. Si deve, in particolare, sottolineare che esistono numerosi studi che indagano sul mix design nelle sue più diverse declinazioni (tipo di cemento, rapporto A/C, additivi, inerti, aggregati, ecc.), e ricerche che sono maggiormente mirate ad aspetti durabilistici, sia sulla base dei sperimentazioni sul campo che di simulazioni di laboratorio. Per noi parlare, poi, di quanti si sono indirizzati sulle tematiche più attuali, come quella della sostenibilità, mediante l’utilizzo nell’impasto di sostanze provenienti da rifiuti, non solo da C&D.

Si è tenuto conto, nella trattazione di seguito esposta, dell’insieme delle ricerche nel campo come riferimento generale, e pertanto nella bibliografica si riporteranno, in generale, i testi più direttamente pertinenti al merito dell’articolo.

Materiali e metodi dello studio

Lo scenario di strategie manutentive da mettere a confronto è alquanto vasto, così come si potrebbero considerare diverse caratteristiche costruttive che nelle diverse epoche, dal dopoguerra ad oggi, si sono succedute, per non parlare nei numerosi mix design possibili.

E’ parso opportuno mettere a confronto tre tipi di edificio:

  • edifici esistenti, costruiti nel dopoguerra, e dunque con calcestruzzi ordinari dell’epoca, che avevano – mediamente – un certo tipo di composizione e di caratteristiche, mentre per quanto riguarda l’armatura, si sono considerati l’acciaio dell’epoca e i diametri rinvenuti in alcuni edifici;
  • edifici di nuova costruzione, progettati nell’anno in corso, con due diversi materiali: un calcestruzzo ordinario C25/30 e un calcestruzzo autocompattante.

Ciò allo scopo di comparare il comportamento nel tempo di strutture concepite con criteri differenti, materiali differenti, e dunque con dinamiche di degrado diverse, tali da poter condurre a scelte in termini di strategia manutentiva anche molto differenti.

Le situazioni alle quali sono state applicate le modellazioni secondo i criteri di seguito esposti sono riepilogate nella tabella fig. 1.

calcolo della vita utile degli edifici in calcestruzzo-tabella.JPG

Dal punto di vista degli interventi, si sono ipotizzati quelli maggiormente diffusi negli ultimi anni, secondo criteri meramente conservativi, ovvero di ripristino delle caratteristiche perdute o – ancora - di rinforzo.

Si sono, pertanto, considerate le seguenti tipologie:

sulle nuove costruzioni:

  • per le strutture realizzate con calcestruzzo autocompattante: periodico risanamento corticale (scenario definito “A”), ovvero intervento di ripristino/incremento della resistenza meccanica a mezzo di materiali compositi, allorquando il degrado lo renderà necessario (scenario “B”);
  • per le strutture realizzate con calcestruzzo ordinario: periodico risanamento corticale (scenario “A”), ovvero intervento di ripristino/incremento della resistenza meccanica a mezzo di risanamento profondo della struttura ed integrazione delle armature, allorquando il degrado lo renderà necessario (scenario “B”), o – ancora - intervento di ripristino/incremento della resistenza meccanica a mezzo di materiali compositi, allorquando il degrado lo renderà necessario, a mezzo di materiali compositi (scenario “C-1”) o di blindatura con carpenteria pesante in acciaio e calcestruzzo autocompattante (scenario “C-2”);

sulle strutture esistenti:

si possono considerare gli stessi criteri su esposti, ovvero scenario “A”, scenario “B” e scenario “C” (del tipo “C-1” o C-2”, come schematizzato nelle figure 2 e 3.

La vita utile degli elementi in calcestruzzo armato

La vita utile degli elementi in calcestruzzo armato

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