Prove di carico per il collaudo statico dei solai

La presente pubblicazione ha l’obiettivo di riportare in maniera semplice ed efficace alcuni principi di base fondamentali all’esecuzione dei controlli strutturali propedeutici e necessari all’attività di collaudo strutturale di manufatti di vario genere: le prove di carico.

Indagini Strutturali srl, impegnata ad operare in questo settore da tantissimi anni, utilizza queste tecniche sia per la verifica di strutture nuove prima di essere dichiarate idonee e quindi collaudabili, che per l’analisi di strutture esistenti di cui non si conosce quasi nulla e che necessitano di una chiara definizione della loro capacità portante.

Uno studio accurato, spesse volte, dovrà inoltre prevedere due fasi distinte di controllo, una ante - operam ed una post - operam, al fine di valutare e quantificare l’efficacia di eventuali interventi di consolidamento eseguiti per migliorare o adeguare la portanza strutturale a carichi superiori di quelli originari.

Il presente articolo, estratto dalla tesi di Laurea che l’Ingegnere Serghei Ribac ha da poco tempo sviluppato all’interno di Indagini Strutturali srl, riporta per grandi linee ed in forma essenziale i principali presupposti teorici da tenere presenti nelle fasi di definizione e di progettazione delle prove di carico, facendo anche una rapida carrellata sulle metodologie e sulle strumentazioni di base necessarie per realizzarle correttamente. Successivamente, nelle prossime uscite, ci si dedicherà agli approfondimenti, trattando casi specifici, quelli più significativi che Indagini Strutturali srl ha avuto modo di affrontare e studiare maggiormente nei tanti anni d’attività.

Figura 1 – Esecuzione prova di carico con cilindro oleodinamico - Credit: INDAGINI STRUTTURALI

Il Collaudo Statico delle strutture

Secondo quanto definito dalle Norme Tecniche per le Costruzioni NTC2018, l’opera e tutte le sue componenti strutturali devono essere progettate al fine di svolgere la propria funzione nel pieno rispetto dei livelli di sicurezza previsti. Questo richiede pertanto che le opere possano essere poste in esercizio solo dopo l’esecuzione del collaudo statico, come riportato al capitolo 9 della suddetta normativa, al termine del quale viene rilasciato un apposito certificato. 

La figura addetta a tale compito è quella del Collaudatore, il quale ha la funzione di ispezionare l’opera durante le sue fasi costruttive, esaminare i certificati delle prove eseguite sui materiali, analizzare il progetto dell’opera, verificare le indagini eseguite su di essa e richiedere eventuali accertamenti come ulteriore conferma circa la sicurezza dell’opera, come ad esempio l’esecuzione di apposite prove di carico o il monitoraggio programmato di grandezze ritenute significative per il comportamento dell’opera. 

L’obiettivo delle prove di carico è pertanto quello di verificarne la corrispondenza tra il comportamento teorico previsto in fase di progettazione ed il corrispondente comportamento sperimentale, essendo ben noti tutti i parametri geometrici e meccanici (sezione degli elementi resistenti, caratteristiche dei materiali, condizioni di vincolo). 

Nel caso invece di strutture già esistenti, di cui non si conoscono con esattezza e completezza tutti i parametri meccanici, tali prove consentono di analizzare il corretto comportamento dell’elemento strutturale analizzato e valutare il suo stato di conservazione, assieme ad un’attenta verifica delle caratteristiche meccaniche dei materiali.  

Al fine di raggiungere l’obiettivo posto dalle suddette prove, è necessario sottoporre l’elemento strutturale all’azione dei carichi di esercizio prevista dalla propria destinazione d’uso, in modo da indurre le sollecitazioni massime previste dal progetto. In funzione del tipo di elemento strutturale o di verifica da eseguire, la prova può essere protratta nel tempo ed eseguita su più cicli di carico. 

Anche in caso di variazioni della destinazione d’uso della struttura è necessario eseguire tali prove, per verificare la risposta rispetto ai carichi connessi alla nuova destinazione. 

I carichi da applicare durante la prova vengono definiti mediante la combinazione caratteristica (rara) prevista dalle NTC e di seguito riportata

G₁+G₂+P+Q_k1+ψ₀₂∙Q_k2+ψ_0i∙Q_ki

Dove:

G₁: peso proprio elementi strutturali

G₂: peso proprio elementi non strutturali

P: presollecitazione

Q_k1: carico variabile di base della combinazione

Q_ki: i-esimo carico variabile d’accompagnamento che agisce contemporaneamente al carico variabile di base 

ψ_0i: coefficiente di combinazione dei carichi variabili nella combinazione rara.

Il programma delle prove viene definito dal Collaudatore, che se ne assume la piena responsabilità, mentre la sua attuazione è invece di responsabilità del Direttore dei Lavori.

Il giudizio sull’esito della prova è espresso da parte del Collaudatore, il quale deve verificare il rispetto dei seguenti aspetti richiesti dalla normativa.

• Aumento delle deformazioni proporzionale all’incremento del carico applicato;
• Durante la prova non devono venirsi a generare deformazioni, dissesti o fratture tali da compromettere la sicurezza o la conservazione dell’opera;
• La deformazione residua dopo l’applicazione del carico massimo non deve superare una quota parte di quella totale correlata ad eventuali assestamenti iniziali di tipo anelastico.Se ciò accade è necessario verificare se le successive prove di carico tendono ad un comportamento elastico;
• La deformazione elastica ottenuta dalla prova non deve superare quella di progetto.

Tipologie di prove di carico

Molteplici sono le tipologie di prove di carico da potersi realizzare, in funzione dell’elemento strutturale da analizzare e delle modalità di applicazione del carico.

1. Prove di carico su elementi strutturali in elevazione quali solai, travi, rampe, sbalzi
2. Prove di carico su elementi strutturali di fondazione come pali e micropali

• Prove con carico concentrato
  Questa può essere ulteriormente differenziata in funzione della modalità di applicazione del carico, identificando le Prove a Trazione e Prove a Contrasto
• Prove con carico distribuito
  Si realizza tramite il riempimento di appositi serbatoi di dimensioni variabili, che vengono stesi sul solaio e riempiti d’acqua fino al raggiungimento del carico desiderato
• Prove di carico su ponti e viadotti
  In questo caso il carico viene realizzato con autocarri caricati con ghiaia di peso noto e documentato

Prove di carico su solai

L’obiettivo principale della prova di carico su solai è quello di confrontare il valore delle frecce teoriche con quelle sperimentali, al fine di valutare l’aspetto deformativo previsto dalle norme.

In ogni caso è necessaria un’interpretazione critica dei risultati ottenuti da tali prove sperimentali poiché è possibile incorrere in errori d’interpretazione, soprattutto a seguito dell’applicazione di metodologie che richiedono variabili e condizioni al contorno non sempre di facile definizione. 

L’intensità del carico da applicare è definita dal Collaudatore, in funzione delle previsioni progettuali e della destinazione d’uso della struttura, così da produrre le massime sollecitazioni.

Come già definito, nel caso di una struttura allo stato grezzo, il carico da applicare sul solaio mediante la strumentazione deve tener conto di tutti i carichi mancanti, ovvero:

• Carico accidentale di esercizio
• Carico permanente, costituito da massetto e pavimentazione.

Viceversa, se la prova viene eseguita sul solaio di una struttura già esistente, il carico da applicare durante la prova comprende il solo carico accidentale di esercizio, funzione della sua destinazione d’uso.

In entrambi i casi però nulla vieta di poter applicare carichi di maggiore entità se richiesti dal committente, eseguendo così verifiche con un maggiore livello di sicurezza.

Modalità di applicazione del carico

Le prove con carichi concentrati, quando risultano tecnicamente e logisticamente realizzabili, garantiscono una maggiore pulizia d’indagine legata soprattutto alla capacità di gestione dei livelli di carico, ad una loro facile ripetizione e all’applicazione di incrementi di carico tra i vari cicli. Tutto ciò rende questa modalità di prova preferibile rispetto alle prove con carico distribuito.

Come già accennato, in base alle modalità d’applicazione del carico concentrato, le prove si distinguono in prove “a contrasto” e prove “a trazione”. Per le prime, la struttura di contrasto è quella superiore e la sollecitazione da parte dell’attuatore del carico, ovvero il cilindro idraulico, avviene per compressione. Per le seconde, invece, essendo assente la struttura di contrasto superiore, la sollecitazione dell’attuatore del carico avviene per trazione.

In entrambi i casi le operazioni più importanti e delicate che occorre eseguire sono:

• la verifica di fattibilità delle tipologie di prova, considerando quella a contrasto generalmente più semplice e meno invasiva della prova a trazione;
• la trasformazione dei carichi distribuiti in carichi concentrati equivalenti, normalmente eseguita nell’ipotesi di uguaglianza del momento massimo in mezzeria (soluzione preferita e maggiormente diffusa) oppure nell’ipotesi di uguaglianza della freccia massima.

Prove di carico con carichi distribuiti

Questa tipologia di prova avviene mediante l’uso di serbatoi di neuprene che vengono posizionati all’estradosso del solaio e riempiti d’acqua in modo graduale, fino ad un livello tale da produrre il carico previsto dalla prova. Questo consente di controllare gradualmente, ed in tempo reale, la deformazione raggiunta dal solaio.

In alternativa ai serbatori d’acqua è possibile adottare altre tipologie di carico distribuito, come ad esempio sacchi di cemento, inerti sfusi o blocchi di calcestruzzo.

In quest’ultimi casi è bene posizionare i carichi a zone alterne poiché il rischio sarebbe quello di trasferire tutto o parte del carico direttamente sugli appoggi. Tale accorgimento eviterebbe di ottenere dei risultati inattesi, dai quali emergerebbe una resistenza del solaio maggiore rispetto a quella reale, con la conseguente non validazione della prova. 

In ogni caso si evince come questa modalità di prova richieda dei tempi elevati d’esecuzione e la loro non sempre facile messa in posa, motivo per cui risulta essere particolarmente onerosa.

Prove di carico con carichi concentrati

La descrizione delle prove con carichi distribuiti ha messo in evidenza la loro non sempre facile attuazione, motivo per cui nella maggior parte dei casi è preferibile l’esecuzione di prove di carico mediante l’applicazione di forze concentrate. Questo rende necessaria la corretta valutazione del suo valore, al fine di produrre i medesimi effetti del carico uniformemente distribuito.

Questa modalità di prova consente lo svolgimento della prova in tempi minori ed anche di eseguire più cicli di carico e scarico. 

Il carico viene applicato ad intervalli regolari, così da poter avere visione in tempo reale della deformazione del solaio fino al raggiungimento del valore massimo di sollecitazione. 

Durante ogni step di carico è inoltre necessario attendere un certo intervallo di tempo, così da permettere al solaio di sviluppare completamente le deformazioni prodotte.

Nel corso dell’esecuzione dei diversi cicli di carico, è possibile anche prevedere incrementi di carico differenti tra un ciclo e l’altro. Uno dei motivi di ciò è dovuto alla necessità di avere un confronto tra una prova di più lunga ed una prova di più breve durata, al fine di verificare gli effetti di assestamento del solaio e di influenza delle variazioni termiche.

Nello svolgimento di questa tipologia di prova, essendo i carichi applicati su un’area limitata, la zona di carico è bene sceglierla sufficientemente distante dalle travi parallele all’orditura del solaio in modo da non risentire del loro effetto collaborante. 

Poiché l’applicazione del carico concentrato deve produrre le medesime sollecitazioni che verrebbero provocate dai carichi distribuiti, è corretto parlare di carico concentrato equivalente. 

In alcune prove è possibile anche l’applicazione di più forze concentrate in punti differenti del solaio.

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