Valutazione delle strutture esistenti in c.a.: i metodi del JCI e dell’ACI

La “SOLITUDINE” DELL’INGEGNERE ITALIANO e la ricerca delle «Normative di comprovata validità»

Il D.M. 14 gennaio 2008 definisce in modo dettagliato (seppur con diverse imprecisioni e lacune) le prescrizioni per il progetto, l’esecuzione e il collaudo delle opere civili di nuova concezione, ma nell’ambito dell’analisi delle costruzioni esistenti si limita ad esprimere principi generali e requisiti prestazionali, che riguardano quasi esclusivamente gli aspetti di valutazione sismica; su ciò che concerne lo studio delle patologie del calcestruzzo armato e la stima del deterioramento dei materiali il decreto è silente.

Le norme italiane, infatti, non forniscono metodi di calcolo completi e sistematici per la valutazione di sicurezza delle strutture esistenti, mancando di fornire reale supporto al professionista che si trova a dover decidere se e come intervenire sulle costruzioni in stato di degrado.

Le NTC non forniscono indicazioni sulla tipologia esatta di indagini e di interventi da eseguire, adducendo come motivazione che «Nelle costruzioni esistenti le situazioni concretamente riscontrabili sono le più diverse ed è quindi impossibile prevedere regole specifiche per tutti i casi» (Par. 8.5). Se da una parte la scelta delle NTC di lasciare libertà al progettista è condivisibile perché evita l’applicazione di procedure tanto formalizzate da rischiare la staticità, dall’altra è legittimo definire eccessivo l’onere conferito ai professionisti nello stabilire la qualità e lo stato di conservazione dei materiali e prevederne l’evoluzione nel tempo.

Poiché le NTC consentono di applicare le procedure dei codici internazionali, purché sia dimostrato che garantiscano livelli di sicurezza non inferiori a quelli da esse stabiliti (Par. 12), il presente articolo ritiene utile esporre brevemente le proposte di due degli enti più autorevoli al livello mondiale, proponendole come guida nell’eventuale circostanza di una revisione delle norme nazionali: il metodo di assessment multilivello divulgato nel 2014 dal Japan Concrete Institute e l’approccio valutativo estrapolato dalla normativa statunitense “Code Requirements for Evaluation, Repair, and Rehabilitation of Concrete Buildings and Commentary” (ACI 562 – 13).

IL METODO GIAPPONESE [1,2]
Obiettivi e vantaggi
Il Japan Concrete Insitute è l’organizzazione nazionale nipponica impegnata nello sviluppo delle conoscenze e delle tecnologie nel campo dell’ingegneria del calcestruzzo armato. Nel 2014 il JCI ha pubblicato il documento “Guidelines for Assessment of Existing Concrete Structures”, in cui propone il nuovo Metodo di Assessment Multilivello, specifico per le costruzioni in calcestruzzo armato; il MAM consente all’ingegnere di approcciarsi alla stima delle condizioni correnti di un’opera esistente valutandone il danneggiamento e di prevederne le prestazioni future, allo scopo di confermare se la struttura risponde ai cinque seguenti requisiti: sicurezza strutturale, sicurezza non strutturale, funzionalità, possibilità di restauro e durabilità. Dal raffronto tra i requisiti contemplati dal metodo giapponese e quelli previsti dalle NTC nella definizione degli stati limite (resistenza ultima, resistenza di esercizio, durabilità e robustezza strutturale), emerge il comune interesse agli aspetti di durabilità, la similarità tra il concetto di resistenza ultima e quelli di sicurezza strutturale e non strutturale, l’analogia tra la nozione di resistenza in esercizio e quella di funzionalità.

Il punto di forza del metodo giapponese consiste nel proporre l’applicazione di procedure e tecniche diverse, che spaziano dalle più semplici alle più dettagliate, definendone le fasi, le operazioni e le finalità in relazione al grado di precisione necessario nella fattispecie. Il MAM, infatti, prevede tre diversi livelli di approfondimento della valutazione, definiti in ordine di accuratezza crescente. La scelta di un Livello di Valutazione implica che ciascuna fase sarà svolta con un particolare grado di dettaglio. La razionalizzazione per livelli costituisce una utile e sensata strutturazione del metodo, che guida l’ingegnere e tutela il committente: dichiarando la selezione di un determinato Livello, il professionista responsabile della valutazione asserisce di seguire un preciso protocollo, connesso alla consecuzione di risultati di una certa attendibilità. Il MAM, infatti, fornisce all’ingegnere le istruzioni da seguire passo passo per la verifica di una struttura, dall’indagine al giudizio, così da svolgere ciascuna operazione in modo mirato a raggiungere un dato grado di precisione.

Il concetto di Livello di Valutazione del MAM presenta una certa idoneità all’integrazione nelle NTC, perché mostra delle affinità con la nozione italiana di Livello di Conoscenza, definita nell’ambito dell’analisi sismica descritta nel dettaglio dalla Circolare 2 febbraio 2009, n. 617. La Tabella 1 riassume il parallelo tra i concetti di Livello (di accuratezza) della Valutazione nel metodo giapponese e Livello di Conoscenza nella Circolare, ribadito che la differenza sostanziale risiede nel fatto che l’analisi della Circolare riguarda le capacità prestazionali dell’opera di fronte al sisma, mentre il Metodo del JCI si occupa di tutte le tipologie di degrado che possano inficiare la sicurezza o la funzionalità della struttura.

Il metodo della Circolare prevede l’introduzione di un preciso fattore di confidenza, funzione del Livello di Conoscenza, in base al quale ridurre le resistenze dei materiali (Tabella C8A.1.2).

Anche il metodo giapponese introduce dei fattori di sicurezza, uno con cui incrementare i parametri che costituiscono i termini di paragone nei criteri di verifica e l’altro con cui ridurre i risultati dell’analisi numerica che rappresentano la risposta della struttura. Tuttavia il MAM non indica precisi valori da adottare; nel primo caso suggerisce di considerare quelli della normativa e nel secondo di sceglierli in base alla precisione attribuita al metodo di analisi.

Entrambi i metodi prevedono la scelta del procedimento da seguire in base alla precisione desiderata e definiscono tre livelli di accuratezza. Tuttavia, mentre i Livelli del metodo giapponese rappresentano delle procedure di valutazione completa, i Livelli di Conoscenza si differenziano solo in base all’approfondimento delle indagini.

I tre Livelli di Valutazione
Il Livello I è detto di Valutazione Generale e prevede una verifica imperniata su indagini visive, documenti e disegni di progetto, testimonianze sulla modalità di costruzione e sulla manutenzione della struttura. La valutazione di Livello I consiste nell’esprimere un giudizio sommario sulle capacità residue di una struttura esistente circa i cinque requisiti citati precedentemente. La correttezza della valutazione è affidata alla qualità delle ricerche preliminari e all’esperienza dell’ingegnere responsabile nel riconoscere gli ammaloramenti delle costruzioni e prevederne le conseguenze. La limitatezza dei dati a disposizione è compensata dall’applicazione di coefficienti di sicurezza molto ampi: ciò ha come conseguenza il fatto che la valutazione spesso abbia come esito una sentenza esageratamente pesante nei riguardi dell’opera esaminata.
Se il giudizio circa le capacità della struttura risulta troppo duro e si intende fugare il sospetto che esso non risponda alla realtà, ma sia frutto di eccessiva premura legata alla consapevolezza della scarsità delle indagini, si stabilisce di investire maggiori risorse nelle prove in situ e di eseguire dei calcoli per la valutazione/previsione degli effetti del deterioramento, ovvero si applica il Livello II.
Il Livello II della valutazione richiede una verifica condotta attraverso una vera e propria procedura di calcolo delle prestazioni. Gli strumenti analitici da adottare sono le equazioni riportate dalle normative o dalla letteratura e i dati su cui operare sono quelli acquisiti dalle indagini.
Qualora fosse necessario approfondire ulteriormente gli studi perché si ritiene che quello di una campagna di ricerca e valutazione sia un investimento più vantaggioso rispetto alla demolizione o al declassamento, si ricorre ad una valutazione di Livello III, che, impiegando i dati acquisiti in seno all’indagine di Livello II o III, sviluppa dei modelli di comportamento della struttura avvalendosi di tecniche numeriche avanzate implementate in software di calcolo automatico.

I Gradi delle fasi di valutazione
Il metodo attribuisce grande importanza alla chiara individuazione dello standard di accuratezza della valutazione e definisce per ciascuna delle quattro fasi fondamentali del procedimento di valutazione (che saranno illustrate nel seguito: indagine, individuazione dei criteri di verifica, calcolo delle performance presenti e predizione delle future proprietà dei materiali), tre diversi gradi di precisione, definiti in ordine crescente di dettaglio dei lavori e dei risultati attesi, denominati genericamente “Gradi della fase di valutazione”:

• il grado dell’indagine rappresenta l’accuratezza di acquisizione dei dati attraverso le indagini
• il grado della valutazione delle performance presenti fa riferimento all’accuratezza del calcolo delle prestazioni possedute dalla struttura
  
• Il grado della predizione delle proprietà dei materiali specifica l’attendibilità del metodo per la previsione circa le proprietà future dei materiali
  
• il grado dei criteri di verifica indica il rigore della quantità ingegneristica selezionata per eseguire la valutazione delle prestazioni della struttura, in base al requisito considerato
  

I Gradi 1, 2 e 3 di ciascuna delle su elencate fasi prevedono l’esecuzione di precise operazioni, che per brevità non si esporranno, ma saranno deducibili dalla lettura dei paragrafi che seguono.

È cruciale non confondere il concetto di Livello con quello di Grado: il Grado è un indicatore dell’approfondimento delle operazioni a ciascuno stadio e ogni Livello prevede un diverso Grado di precisione per ciascuna fase, in relazione alla precisione del Livello stesso. Talvolta uno stesso Livello consente all’ingegnere la scelta del Grado tra due possibilità (Tabella 2).

In conclusione, è possibile affermare che vi sono due attributi in base a cui si distinguono i tre Livelli di Valutazione: da una parte vi è il differente approfondimento delle indagini e dall’altra le modalità di utilizzazione dei dati e la scelta degli strumenti di calcolo. I gradi dell’indagine riguardano il primo aspetto, mentre i gradi dei criteri di verifica e i gradi di valutazione/predizione delle performance presenti e future riflettono il secondo.

Livello I (Valutazione Generale)
La Valutazione di livello I si svolge nelle quattro fasi descritte di seguito.

Indagine generale
L’indagine generale si limita alla ricerca in letteratura e all’ispezione visiva (Grado 1 dell’Indagine). Anche per questo stadio di accuratezza contenuto è necessario formulare preventivamente un piano di investigazione in cui sono definiti gli operatori, i temi, i metodi e il processo di indagine. In alcuni casi bisogna descrivere anche gli accorgimenti relativi alla sicurezza, all’igiene e all’attenzione per l’ambiente circostante.

Individuazione delle cause degli ammaloramenti
Quando l’indagine generale evidenzia una anomalia, l’ingegnere responsabile deve identificarne la causa basandosi su dati affidabili e sull’opinione di esperti. Quando le cause della patologia non sono riconoscibili, bisogna procedere ad una valutazione dettagliata (Livello II).

Scelta dei criteri di verifica
I criteri di verifica esprimono le caratteristiche di una struttura in termini di specifiche quantità ingegneristiche.
In accordo con il Grado 1 dei Criteri di Verifica, essi vengono stabiliti in base alle seguenti cinque condizioni riguardanti la struttura:
    •    Condizione V: vita di servizio trascorsa
    •    Condizione W: vita di servizio residua
    •    Condizione X: condizioni di servizio e ambientali
    •    Condizione Y: condizioni di progetto, esecuzione e manutenzione
    •    Condizione Z: condizioni di ammaloramento

Per ciascuna condizione l’ingegnere responsabile sceglie tre o più possibili classi di condizione in cui la struttura può ricadere; la classe 3 indica lo stato più gravoso per ogni condizione (osservare l’esempio riportato nella Tabella 3).

Verifica
La verifica è l’operazione compiuta al fine di giudicare se le performance esplicate dalla struttura soddisfano i requisiti di prestazione nel rispetto dei criteri di verifica predeterminati.
La verifica come parte della valutazione generale è condotta in modo semi – quantitativo secondo il Grado 1 di Valutazione delle Performance Presenti, ovvero confrontando la capacità prestazionale esplicata con le categorie di condizione delle cinque condizioni della struttura. In altre parole, è necessario specificare per ciascuna condizione quale classe si addice alla valutazione della struttura: ad esempio V3 x W2 x X1 x Y2 x Z2.
La verifica della sicurezza strutturale e della sicurezza non strutturale riguarda le condizioni X, Y e Z. La verifica di funzionalità e durabilità riguarda invece tutte le condizioni, V, W, X, Y e Z.
In base all’esito della verifica, è possibile affermare se:
    •    i requisiti prestazionali sono soddisfatti
    •    è necessario un approfondimento
    •    è necessaria una valutazione dettagliata
    •    è necessario un intervento immediato

La Tabella 4 presenta la correlazione tra l’esito della verifica e il giudizio finale di valutazione sulla struttura.

Livello II e Livello III (Valutazione Dettagliata)
Nella Valutazione Dettagliata si esegue una indagine dettagliata, che ha lo scopo di permettere una individuazione delle cause degli ammaloramenti che non era stato possibile eseguire nella Valutazione Generale. La scelta dei criteri di verifica e la verifica si eseguono in modalità diverse rispetto a quelle indicate per il livello inferiore.

La Valutazione Dettagliata consta delle seguenti sei fasi:
    •    Indagine dettagliata
    •    Individuazione delle cause degli ammaloramenti
    •    Calcolo della capacità prestazionale presente
    •    Scelta dei criteri di verifica
    •    Predizione delle proprietà del materiale nel futuro
    •    Verifica
    •    Valutazione del margine

Alle quattro fasi già presenti nel Livello I, si aggiunge il calcolo della capacità prestazionale presente, la predizione delle proprietà del materiale nel futuro (nel caso di valutazione sul requisito di durabilità) e la valutazione del margine.

L’Indagine Dettagliata
In conformità all’alto Livello di Valutazione e all’elevato Grado di Indagine specificato negli scenari della Valutazione Dettagliata, l’indagine dettagliata richiede notevole precisione e accuratezza nell’eseguire le prove e le misure: ciò richiede un numero adeguato di posizioni di prova, sufficiente frequenza delle prove e apparecchiature di idonea sensibilità.
L’indagine dettagliata necessita dell’elaborazione preliminare di un accurato piano di indagine, che ne descriverà la procedura. Il piano di indagine prende il via dai risultati della valutazione generale e definisce le fasi, i processi e i metodi di indagine. Il piano descrive altresì gli operatori, le impalcature provvisorie, le attenzioni da riservare alla sicurezza, all’igiene e all’ambiente.
Ma ancor prima di formulare un piano, l’ingegnere responsabile deve condurre un sopralluogo in situ per rendersi conto personalmente delle condizioni della struttura e delle necessità e possibilità di indagine. Infatti il piano di indagine deve tenere conto delle condizioni del sito per tracciare le posizioni delle misurazioni e la loro frequenza. È indispensabile prestare attenzione a non generare effetti avversi sulla sicurezza della struttura, in particolar modo quando si prelevano campioni dal calcestruzzo o dall’armatura.

L’indagine dettagliata si articola attraverso cinque diversi ambiti, come cinque sono i requisiti in base a cui si compie la valutazione:

• i parametri di valutazione oggetto dell’indagine sulla sicurezza strutturale sono la resistenza del calcestruzzo, il modulo di Young, il diametro, la posizione e lo spessore del ricoprimento dell’armatura, la corrosione dell’armatura, la condizione di aderenza e di ancoraggio, le azioni e la precompressione residua nell’acciaio da precompressione
• i parametri di valutazione oggetto dell’indagine sulla sicurezza non strutturale sono lo spalling, il distacco di elementi di rifinitura come piastrelle e malta e l’ancoraggio delle armature
  
• i parametri di valutazione oggetto dell’indagine sulla funzionalità sono l’inflessione, la deformazione, la vibrazione, la fessurazione, il modulo di Young del calcestruzzo, le azioni, il diametro, la posizione e lo spessore del ricoprimento dell’armatura
  
• l’indagine sulla possibilità di restauro si esegue per stimare il danneggiamento dovuto a gravi terremoti e deve essere condotta sulla base degli elementi considerati per la sicurezza strutturale e la funzionalità
  
• i parametri di valutazione oggetto dell’indagine sulla durabilità sono lo spessore dello strato carbonatato, l’ingresso di ioni cloruro, i cicli gelo  disgelo, l’attacco chimico, le reazioni alcali – aggregati, il diametro, la posizione e la profondità dell’armatura, la fatica.
  

Al termine dell’indagine dettagliata e in base ai risultati da essa ottenuti, si procede alla scelta dei parametri caratteristici della valutazione, ovvero di quelle caratteristiche della struttura esprimibili secondo un valore numerico, che possono essere impiegati nella la previsione futura e nella verifica delle proprietà dei materiali. I parametri si individuano tra le proprietà meccaniche dei materiali e le dimensioni della struttura.

Il MAM elenca la tipologia delle prove da svolgere per ottenere una stima di ciascuno dei suddetti parametri e per i dettagli si rimanda a [1,2].

Calcolo della capacità prestazionale presente
Il calcolo delle prestazioni possedute per il Livello II deve essere effettuato impiegando equazioni già dimostrate come attendibili (Grado 2). Per il Livello III il calcolo si esegue con l’analisi numerica avanzata (Grado 3).
Il Grado 2 prevede spesso l’applicazione alla valutazione delle stesse equazioni utilizzate per il progetto di nuove strutture: la differenza dei risultati è data dal fatto che, mentre nel progetto il calcolo si esegue sulla base delle azioni e delle resistenze intese secondo le prescrizioni dalla normativa (moltiplicate per i coefficienti di sicurezza a causa delle numerose incertezze), nello studio di una struttura esistente si può impiegare il valore reale dei carichi e delle resistenze.
Anche nel caso della verifica di resistenza delle sezioni le equazioni da adottare sono le stesse suggerite dalle normative per il progetto, ma per le strutture esistenti l’area della sezione di acciaio deve essere ridotta a quella valore della sezione più critica e quella di calcestruzzo deve essere opportunamente ridotta.
Il modello numerico con cui rappresentare la struttura nel caso di applicazione del Grado 3 deve essere accuratamente studiato per l’intera struttura, includendo il piano o lo specifico elemento della struttura oggetto della verifica. Particolare cura va dedicata alla definizione delle leggi e dei modelli costitutivi dei materiali, che sono differenti rispetto a quelli di un materiale giovane: è questa la fase in cui deve tener conto del degrado rilevato nelle fasi precedenti. Infatti il modello FEM deve essere in grado di rappresentare correttamente il danneggiamento locale del calcestruzzo e lo stato di corrosione delle armature. Mentre si modellano le porzioni deteriorate della struttura e l’anomalia macroscopica, che include il distacco del calcestruzzo e il danneggiamento nell’armatura, bisogna prestare attenzione al metodo di definire la discretizzazione della struttura, scegliendo correttamente in tipo di elemento finito e il grado di infittimento in ciascun punto.
I risultati dell’analisi numerica che forniscono la risposta della struttura devono essere ridotti tramite un fattore di sicurezza, a seconda della precisione attribuita al metodo di analisi.
Il MAM richiede che i valori delle grandezze che rappresentano le performance presenti siano opportunamente diminuiti tramite un fattore di sicurezza. Il presente articolo suggerisce di adottare i valori relativi ai livelli di conoscenza. Premesso che l’analisi per Livelli di Conoscenza non prevede l’indagine sullo stato di deterioramento degli elementi strutturali, per gli altri oggetti dell’indagine (geometria, dettagli costruttivi e proprietà dei materiali) è possibile individuare una corrispondenza tra il Grado 1 e i LC1/2 e tra il Grado 3 e il LC3 (Tabella 5).

Scelta dei criteri di verifica
Nel caso in cui il committente abbia fissato dei valori che rappresentano le prestazioni richieste oppure lo abbia fatto la normativa, saranno tali valori ad essere considerati come termini di paragone in sede di verifica.
Predizione delle proprietà del materiale nel futuro
La previsione delle future proprietà del materiale si esegue solo nel caso della valutazione che riguarda il requisito di durabilità della struttura. Le proprietà da considerare sono quelle del calcestruzzo, dell’armatura, dell’aderenza e degli ancoraggi. La predizione del futuro stato delle proprietà dei materiali del calcestruzzo, delle armature e degli ancoraggi, condotta per ciascun fenomeno di deterioramento, tenendo conto delle azioni ambientali di maggior rilievo, consente una valutazione della vita residua delle strutture.
Il Grado 1 e il Grado 2 della Predizione richiedono l’uso di equazioni di previsione già presenti in letteratura o di origine sperimentale, mentre il Grado 3 prevede l’impiego dell’analisi numerica tramite modelli matematici affidabili. Il MAM circoscrive la predizione futura delle proprietà dei materiali al progresso dei seguenti fattori di deterioramento: carbonatazione, ingresso degli ioni cloruro, danneggiamento dovuto ai cicli di gelo – disgelo, attacco chimico, reazioni alcali  aggregati, variazioni di temperatura, ritiro, viscosità, fatica e corrosione delle armature. La previsione delle future proprietà dell’aderenza e degli ancoraggi invece si conduce sulla base della corrosione dell’armatura.
Le Guidelines del MAM suggeriscono le equazioni da applicare nell’ambito di una previsione di Grado 2 e di Grado 3 del degrado senza specificare compiutamente il significato delle variabili e talvolta non presentano alcuna espressione per il calcolo. Lo studio ([1]) di cui il presente articolo rappresenta un bignami ha ampliato la trattazione del metodo giapponese introducendo gli sviluppi mancanti tramite una ricerca in letteratura.
A titolo di esempio si espone un possibile metodo di predizione sull’ingresso degli ioni cloruro nel calcestruzzo.
Il metodo giapponese suggerisce che nel Grado 2 la concentrazione di ioni al livello delle armature in funzione del tempo sia prevista risolvendo l’equazione differenziale (1), imponendo appropriate condizioni al contorno:

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