I quadri fessurativi connessi a problemi fondazionali: case study di un flowchart diagnostico

I dissesti nelle strutture in cemento armato nascondono molto spesso delle cause di non facile individuazione. Traendo spunto da un interessante caso studio professionale, si vuole porre l’accento sul processo logico-diagnostico seguito per l’individuazione di una o più cause concorrenti alla medesima fenomenologia fessurativa osservata.

Di particolare interesse pratico risulteranno le campagne di monitoraggio e le prove diagnostiche condotte, indispensabili alle successive verifiche e simulazioni numeriche strutturali e geotecniche nonché funzionali all’effettiva diagnosi della criticità in corso.


I dissesti statici in fase di esercizio: cause ed effetti dei quadri fessurativi

In ambito nazionale, a partire dal tristemente noto episodio del ponte Morandi, si è diffusa tra gli addetti ai lavori la consapevolezza di un parco infrastrutturale ormai in gran parte vetusto e bisognoso di opportune azioni finalizzate ad un idoneo mantenimento in esercizio. Pertanto, occorre evidenziare che la durabilità di una struttura, oltre che dall’imprescindibile manutenzione, dipende dal continuo monitoraggio del suo stato di conservazione, necessario a identificare, con immediatezza, eventuali cause di instabilità e degrado.

Fortunatamente, quando una struttura necessita di particolari attenzioni fornisce al Tecnico un’efficace cartina di tornasole: il proprio quadro fessurativo.

Se da una parte l’assenza di un quadro fessurativo non garantisce la totale affidabilità della struttura, è altrettanto vero che il manifestarsi di lesioni e fessurazioni, se opportunamente interpretato, consente di definire lo stato passato, presente e futuro dell’edificio e delle sue componenti.

Le principali cause che concorrono al sorgere di un quadro fessurativo sono le seguenti: 

  • Modifiche delle condizioni ambientali e meccaniche del sito di realizzazione e, in particolar modo, del piano di posa;
  • Aumento dei carichi applicati alla struttura a seguito di cambio di destinazione d’uso;
  • Modifica dello schema strutturale originario;
  • Anomalie costruttive;
  • Errati interventi di consolidamento e/o ripristino;
  • Azione di degrado esercitata da tempo ed agenti atmosferici/biologici. 
  • Cause naturali ed occasionali (es. terremoti e alluvioni).

In sostanza, lo studio dell’insieme dei dissesti permette di identificare la tipologia di problematica in corso, definendo se essa sia riconducibile a cause di natura progettuale, ad intervenuti cambiamenti della struttura o del sito, oppure al naturale degrado degli elementi strutturali e delle finiture edilizie. 

Il primo passo per la corretta valutazione di un quadro fessurativo, è l’analisi visiva del singolo dissesto.

Elementi costitutivi di una lesione

Figura 1 - Elementi costitutivi di una lesione


Dal momento che l’accuratezza di tale fase è di fondamentale importanza, l’indagine dovrà essere svolta sulla struttura nuda. Dopo aver rimosso eventuali rivestimenti, il Tecnico dovrà rimuovere limitate regioni di intonaco nel ventre ed in prossimità delle cuspidi, in modo tale da analizzare la lesione in profondità.

La valutazione dello stato della lesione permette di definirne l’evoluzione temporale. In generale, infatti, una lesione di recente attivazione appare più chiara, pulita, con i contorni netti, mentre una lesione pregressa presenta contorni smussati e polverosi. Dall’aspetto della lesione sarà addirittura possibile capire se siamo in presenza di un meccanismo pregresso ma nuovamente attivato, indizio particolarmente prezioso per inquadrare correttamente la problematica. 

Una volta analizzata la geometria, lo stato e quindi la gravità (da fratture capillari a vere e proprie lesioni) del singolo dissesto bisognerà capire se esso sia di tipo locale o globale.

Tale informazione risulta di fondamentale importanza per definire l’eventuale esigenza di approfondire lo studio e le successive azioni risolutive. Per esempio, nel caso di un edificio datato, la leggera fessurazione di un singolo elemento con ogni probabilità è attribuibile al degrado dei materiali indotto dal tempo. In tal caso, sarà sufficiente il semplice ripristino edilizio dell’elemento interessato. Al contrario, se un dissesto per quanto leggero si ripete in diversi elementi, siano essi strutturali o di tamponamento, probabilmente si è di fronte ad un dissesto di natura globale, la cui risoluzione necessiterà di interventi ben più radicali e diffusi.  

I dissesti da cedimenti fondali

Tra i vari dissesti, senza alcun dubbio, la tipologia che richiede un maggior approfondimento è quella relativa ai cedimenti fondali. I possibili effetti che questa problematica comporta sulla struttura sono di vario tipo ma possono essere sinteticamente riassumibili nei seguenti: 

  • danni di carattere estetico (es. lesioni ai tramezzi ed ai rivestimenti esterni)
  • limitazioni di funzionalità (es. blocco dei serramenti)
  • dissesti statici (es. lesioni nelle strutture portanti)

 

Esempi di letteratura degli effetti di un cedimento fondazionale differenziale in una struttura in calcestruzzo armato

Figura 2 - Esempi di letteratura degli effetti di un cedimento fondazionale differenziale in una struttura in calcestruzzo armato 


Mentre nel caso di difetti costruttivi o di semplice degrado dei materiali, i relativi dissesti rientrano in una casistica abbastanza specifica ed esaustiva, fornita dall’esperienza, nel caso di problematiche di interazione terreno-struttura si dovranno tenere in considerazione una molteplicità di fattori.

Infatti, la semplice valutazione visiva delle fessurazioni, per quanto approfondita, non è in grado di fornire informazioni aggiuntive oltre alla generica causa del dissesto. In altre parole, un Tecnico che abbia di fronte un quadro fessurativo dovuto a problematiche di interazione terreno-struttura, sarà in grado di riconoscerlo come tale ma non potrà definirne con certezza l’effettiva causa.

Potrebbe essere un problema dovuto a cedimenti differenziali delle opere di fondazione, a cause estemporanee di tipo naturale o addirittura a problematiche di natura geologica. In ogni caso, conoscere l’effettivo motivo alla base del dissesto costituisce il necessario punto di partenza per una corretta valutazione della problematica.

Dal momento che risulta di particolare importanza la definizione dell’evoluzione temporale dei dissesti, si dovrà eseguire un monitoraggio della struttura. È possibile eseguire un monitoraggio diretto del singolo dissesto, mediante l’apposizione di segnali di cuspide e di ventre, o anche con l’utilizzo di strumenti quali fessurimetri e deformometri. Tuttavia, vista la maggiore accuratezza dei risultati ottenuti, si ritiene raccomandabile l’utilizzo del monitoraggio a distanza che consente, mediante l’apposizione di sensori di misura nei punti più sensibili della struttura, in funzione dello schema statico, di registrare ed elaborare su supporto informatico ampiezza delle fessure, tensioni, cedimenti fondali, temperature etc., fornendo un quadro del comportamento dell’intero complesso strutturale. 

Dopo aver acquisito tutte le informazioni relative alla struttura, bisognerà effettuare un focus sulla vera e propria interazione terreno-struttura, definendone caratteristiche meccaniche e di stabilità. A partire dalla tipologia di fondazione, una volta individuate le criticità morfologiche del sito, la composizione stratigrafica del terreno e le informazioni relative alla presenza di falde si avrà un’immagine più ampia e chiara della questione.

Tali caratteristiche saranno individuate mediante l’effettuazione di una campagna di indagini geotecniche e/o geologiche, da eseguirsi in funzione del livello di conoscenza desiderato. Sinteticamente, per la caratterizzazione del terreno dovranno essere effettuate le seguenti tipologie di indagini:

  • determinazione della stratigrafia mediante sondaggi geognostici (es.  a carotaggio continuo);
  • analisi di laboratorio su campioni prelevati per la determinazione della caratteristiche fisiche e meccaniche del terreno;
  • installazione di piezometri per individuazione del livello di falda e delle sue oscillazioni;
  • in presenza di versante, installazione di tubi inclinometrici per la misura di fenomeni di slittamento;
  • prove sismiche per la determinazione delle caratteristiche meccaniche del terreno. 

Riassumendo, il Tecnico potrà esprimersi circa l’effettiva causa del quadro fessurativo riscontrato solo a seguito di:

  • identificazione e verifica dello schema strutturale di partenza, incluse le tecnologie costruttive impiegate;
  • identificazione di come la struttura sia cambiata nel corso del tempo a seguito di eventuali interventi o cambi di destinazione d’uso;
  • monitoraggio della struttura al fine di identificare l’andamento temporale del quadro fessurativo, per un sufficiente intervallo di tempo;
  • effettuazione di campagna di indagini geotecniche e/o geologiche per la totale caratterizzazione del suolo, incluso il livello di falda. 

Una volta individuata la causa, o l’insieme di cause, si potranno individuare le azioni risolutive. Quelle più diffuse sono le seguenti:

  • per problemi fondazionali
  • per problemi del suolo 

Si può concludere che, nel caso di problemi terreno-struttura, la definizione dell’esatta causa di dissesto risulta essere un argomento molto complesso, che dovrà essere affrontato secondo un grado di approfondimento progressivo e adeguato alla situazione. La semplice analisi visiva del quadro fessurativo rimane di fondamentale importanza, per un primo inquadramento della questione, ma deve necessariamente essere integrato da opportune indagini conoscitive e strumentali che siano in grado di fornire un dettagliato quadro di insieme. Solo a questo punto, il Tecnico sarà in grado di esprimersi circa la causa (o le cause) effettiva e proporne un’efficace risoluzione. 

Allo scopo di fornire un’effettiva applicabilità dei concetti finora introdotti, nel seguito sarà considerato un case study che ripercorre tutte le varie fasi, di indagine ed analisi, necessarie alla risoluzione della problematica riscontrata.

 

Fessure “stagionali”: un caso studio applicativo

Alla luce della logica del processo diagnostico introdotto, si vuole fornire di seguito un interessante spaccato applicativo di quanto sopra esposto. Un edificio in CA a pianta pseudo-rettangolare di circa 800 mq adibito a mensa aziendale sito in provincia di Siracusa presentava, a seguito di un importante intervento di ampliamento dell’edificio in pianta, evidenti quadri fessurativi generalizzati su gran parte della struttura.

Il processo, che ha visto susseguirsi tutte le fasi 1) diagnostiche conoscitive 2) di indagini geotecniche/geofisiche e 3) di verifica strutturale e geotecnica del fabbricato e dei terreni di fondazione, ha consentito infatti di trarre importanti conclusioni sulle cause dei dissesti riscontrati.

L’edificio in esame si sviluppa su di un'unica elevazione e presenta quindi un solo impalcato che funge da copertura, il cui accesso è limitato alle sole manutenzioni. La pianta ha una forma pressoché rettangolare con qualche irregolarità nell’angolo sud-ovest (Figura 3). La struttura è fondata su di una platea di spessore 30 cm, irrigidita mediante nervature di collegamento dei pilastri alte 20 cm. Al di sotto della platea è stato messo in opera un magrone di spessore 20 cm. La struttura dell’edificio è in cemento armato. Gli elementi portanti sono pilastri e travi a spessore che costituiscono un telaio spaziale, con solai in latero-cemento gettati in opera. Per i pilastri sono state realizzate sezioni 30x60 cm, 30x70 cm e pilastri circolari di raggio 25 cm nella zona centrale della struttura. 

 

quadri-fessurativi-problemi-fondazionalI quadri fessurativi connessi a problemi fondazionalii-3.JPG

Figura 3 - Vista assonometrica della struttura in esame

Le travi a spessore hanno in genere sezione 55×30 cm, ad esclusione di alcune travi perimetrali nell’area ovest che hanno sezione 30×30 cm. Nella figura che segue è riportato lo stralcio della pianta delle fondazioni reperito dalla documentazione di progetto.

 

Fessure “stagionali” di una struttura in c.a.

Figura 4 - Pianta di fondazione della struttura

 

Il quadro fessurativo osservato

Si riportano di seguito i quadri fessurativi osservati sulle sezioni più significative dell’edificio. Le fessure sono, salvo rare eccezioni, quasi tutte sub-verticali o diagonali dell’ampiezza media di circa 2-3 mm e interessano esclusivamente le parti non strutturali (tamponature) della fabbrica.

quadri fessurativi di una struttura in c.a.

Figura 5 – Riepilogo delle sezioni della struttura

quadri fessurativi di una struttura in c.a.

Figura 6 - Sezioni della struttura e relativi quadri fessurativi osservati

 

Le possibili cause ricercate e le indagini effettuate

Alla luce dei rilievi eseguiti è stato possibile restringere il campo delle possibili problematiche di lesione della struttura in esame in tre componenti:

  1. natura del terreno di fondazione;

  2. stabilità del versante a monte;

  3. deficit strutturali o geotecnici della fondazione.

La campagna di indagini e monitoraggio, si è dunque orientata ad esplorare ed approfondire i summenzionati aspetti attraverso delle campagne specifiche di seguito riportate:

  • Esecuzione di 5 sondaggi geognostici a carotaggio continuo (S1= 20 m, S2= 5 m, S3= 15 m, S4=15 m, S5=15 m) posizionati come in Figura 8;
  • Prelievo di campioni indisturbati a varie profondità (per dettagli si consultino le certificazioni delle colonne stratigrafiche allegate);
  • Installazione di piezometri per il monitoraggio della falda in corrispondenza dei sondaggi S2, S4 ed S5;
  • Installazione di tubi inclinometrici in corrispondenza dei sondaggi S1 ed S3 al fine di misurare eventuali fenomeni di slittamento del versante nel tempo e definirne lo spessore;
  • Esecuzione di n. 1 prova sismica a rifrazione con interpretazione tomografica;
  • Esecuzione di n. 1 prova sismica attiva MASW per la determinazione del profilo della velocità delle onde di taglio Vs nel sottosuolo;
  • Analisi di laboratorio sui campioni prelevati per la determinazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche del terreno;
  • Installazione di n. 12 fessurimetri in corrispondenza delle crepe più evidenti sul fabbricato della mensa e relativo monitoraggio attraverso le misure delle eventuali variazioni dell’ampiezza nel tempo sia dei nuovi fessurimetri che di quelli già presenti.

Inoltre, attraverso le stratigrafie desunte dai sondaggi geognostici effettuati, è stato possibile ricostruire la sezione geologica del terreno, della quale si riporta uno stralcio in Figura 7. Si osserva che il fabbricato, fondato su una platea di spessore 30 cm, poggia per metà della sua superficie (ala est) su delle argille grigio-azzurre, mentre sull’area ovest sono interposti degli strati di riporto di spessore variabile da 0 a 4.5 m. Tale aspetto, già preliminarmente individuato, giocherà un ruolo fondamentale nella diagnosi delle criticità in corso poiché può aver influenzato in modo significativo la struttura, con probabile assestamento asimmetrico rispetto ai carichi applicati. 

...CONTINUA.

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