Indagini diagnostiche su un ponte in c.a.: tecniche NDT, analisi meccaniche e valutazione della durabilità

L’articolo, suddiviso in due parti, documenta una campagna diagnostica completa su un ponte esistente in calcestruzzo armato seguita dall'analisi del comportamento dinamico sotto carichi mobili mediante l’identificazione modale operativa e la simulazione FEM. La prima parte affronta le prove non distruttive, i rilievi geometrici e le analisi sui materiali, finalizzate alla caratterizzazione meccanica e alla valutazione della durabilità. I risultati ottenuti costituiscono la base conoscitiva per la seconda parte, dedicata all’identificazione modale sperimentale e alla modellazione numerica agli elementi finiti (FEM), con lo scopo di valutare la risposta dinamica globale della struttura. Un esempio concreto di approccio integrato per la verifica della sicurezza e dell’efficienza strutturale delle infrastrutture esistenti.

Prima parte

Caso studio su ponte in c.a. e riferimenti normativi per le indagini 

Nel campo della manutenzione delle infrastrutture esistenti, le indagini diagnostiche non distruttive (NDT) rivestono un ruolo fondamentale per valutare lo stato di conservazione delle strutture senza arrecare danni significativi. In questo articolo viene presentato un caso studio relativo a un ponte stradale in calcestruzzo armato situato a Padova (Ponte sul Piovego in Corso Argentina), oggetto di una campagna di indagini condotta nel 2022 su incarico del Comune di Padova.

L’obiettivo delle prove era caratterizzare i materiali e individuare eventuali fenomeni di degrado, così da ottenere informazioni utili per la valutazione della sicurezza e della durabilità dell’opera.

Questo tipo di indagine integrata rientra nelle best practices attuali per la gestione dei ponti esistenti, ed è in linea con quanto previsto dalle normative italiane (NTC 2018, Circolare 2019) e dalle Linee Guida del MIT 2020 sui ponti esistenti, che richiedono un’adeguata conoscenza della struttura mediante prove in situ. Di seguito sono descritte le principali tecniche di prova impiegate e i risultati chiave ottenuti, evidenziando come ciascuna analisi abbia contribuito alla comprensione dello stato strutturale del ponte.

Programma di Indagine e Metodologia

La campagna diagnostica ha compreso sia prove non distruttive in situ che prove distruttive su campioni, secondo un approccio multi-metodo per massimizzare le informazioni ottenute. In particolare, sono state eseguite:

• un rilievo geometrico della struttura (forme e dimensioni) con esecuzione di carotaggi nel piano stradale per verificare la stratigrafia;
• prove pacometriche per mappare le armature interne;
• prove sclerometriche e ultrasoniche sul calcestruzzo (anche combinate nel metodo SonReb) per valutarne la resistenza in situ;
• prelievo di carote di calcestruzzo e successiva prova di compressione in laboratorio (prove distruttive di riferimento);
• prelievo di spezzoni di barre d’armatura e relative prove di trazione in laboratorio;
• indagini chimiche sul calcestruzzo (profondità di carbonatazione e penetrazione dei cloruri) per stimarne la durabilità residua;
• prove di durezza Leeb su armature in situ come verifica non distruttiva delle proprietà dell’acciaio;
• indagini endoscopiche all’interno di elementi strutturali per osservare direttamente lo stato di calcestruzzo e barre nei punti critici;
• identificazione dinamica sperimentale tramite Analisi Modale Operativa (OMA) per caratterizzare i parametri vibratori globali del ponte;
• sviluppo di un modello numerico agli elementi finiti (EF) calibrato sui risultati sperimentali, con analisi dinamica (simulazione del transito veicolare).

Questo approccio integrato ha permesso di raggiungere un elevato livello di conoscenza della struttura (fino a LC3 secondo NTC 2018, con conseguente fattore di confidenza favorevole nelle verifiche) e di pianificare con cognizione di causa eventuali interventi.

Di seguito si riportano i dettagli e i risultati delle principali tecniche di indagine utilizzate nel caso in studio, con riferimenti a normative e metodi di prova consolidati. 

Rilievo Pacometrico delle Armature

Le prove pacometriche sfruttano le proprietà elettromagnetiche per localizzare le barre d’armatura all’interno del calcestruzzo.

Un pacometro (o copriferro) è uno strumento che, fatto scorrere sulla superficie in calcestruzzo, individua la presenza di acciaio misurando le variazioni di campo magnetico. In pratica, consente di mappare la posizione delle armature e di stimarne il diametro e la profondità (spessore di copriferro).

Poiché il segnale rilevato dipende sia dal diametro della barra sia dallo spessore di copriferro, è stata effettuata una calibrazione puntuale tramite un piccolo saggio distruttivo: in un punto rappresentativo si è rimosso il copriferro, misurando direttamente il diametro dell’armatura e lo spessore reale di copriferro, così da tarare lo strumento.

I risultati delle prove pacometriche hanno fornito una mappatura dettagliata delle armature, confermando la disposizione prevista dal progetto e rilevando lo spessore del copriferro in varie zone.

Queste informazioni sono fondamentali sia per identificare le armature presenti (utili ai fini della modellazione strutturale e delle verifiche) sia per valutare la protezione anticorrosiva offerta dal copriferro: ad esempio, zone con copriferro ridotto segnalano armature potenzialmente più esposte ai fattori aggressivi esterni.

Nelle indagini sul ponte di Padova si è riscontrato che, in generale, i copriferri rispettavano gli spessori attesi, salvo ridursi in alcune aree limitate (soprattutto spigoli di travi), indicando lì un maggiore rischio di ingresso di agenti aggressivi.

Nota: La mappatura delle armature costituisce la base conoscitiva di qualunque valutazione su un ponte esistente. Conoscere l’esatta posizione delle barre permette di: verificare la corrispondenza con i disegni progettuali (o integrare le informazioni mancanti); guidare con precisione i successivi prelievi di carote e barre (evitando di danneggiare ferri strutturali durante il carotaggio); eventualmente progettare interventi di rinforzo mirati senza rischiare di intaccare elementi non ispezionati. Questo tipo di rilievo è in linea con le Linee Guida Ponti 2020 del MIT, che raccomandano l’identificazione delle armature come parte delle indagini preliminari su ponti esistenti.

Prove Sclerometriche e Ultrasoniche (Metodo SonReb)

Per valutare la resistenza in situ del calcestruzzo, sono state impiegate due prove non distruttive complementari: la prova sclerometrica e la prova ultrasonica.

Queste prove, rispettivamente normate da UNI EN 12504-2:2021(sclerometro) e UNI EN 12504-4:2021 (ultrasuoni), forniscono indicazioni indirette sulla qualità del calcestruzzo e, se usate congiuntamente nel metodo integrato SonReb (SONic + REBound), consentono una stima più accurata della resistenza.

Prova sclerometrica: la prova con lo sclerometro di Schmidt misura la durezza superficiale del calcestruzzo in opera. Lo strumento impatta la superficie con una massa standard e registra l’indice di rimbalzo, il quale è empiricamente correlato alla resistenza meccanica del calcestruzzo.

Nel caso in esame, sono state eseguite numerose battute sclerometriche su elementi diversi (travi, pilastri, solette), assicurando condizioni adeguate (superficie pulita, liscia e senza distacchi superficiali) per ottenere misure.

I valori di indice sclerometrico ottenuti hanno permesso di valutare l’omogeneità del calcestruzzo nelle varie parti dell’opera e di individuare eventuali zone con materiale degradato o di qualità inferiore.

In particolare, sul ponte di Padova non sono emerse differenze anomale tra elementi simili, indicando una qualità del materiale abbastanza uniforme. È importante sottolineare che lo sclerometro fornisce solo una stima indicativa: per quantificare con accuratezza la resistenza occorre calibrare i risultati con prove distruttive (carotaggi) come prescritto anche dalla Circolare 2019 NTC 2018. Infatti, le Norme Tecniche richiedono che la determinazione della resistenza del calcestruzzo in strutture esistenti sia preferibilmente eseguita con prove dirette su carote, mentre metodi indiretti come lo sclerometro possono integrarne le informazioni previa taratura (cfr. NTC 2018 §8.5.6).

Prova ultrasonica: la prova ultrasonica valuta le proprietà del calcestruzzo misurando la velocità di propagazione di impulsi sonori ad alta frequenza attraverso il materiale.

La velocità ultrasonica è correlata alla densità e al modulo elastico del calcestruzzo e, indirettamente, anche alla resistenza a compressione.

Durante la campagna diagnostica, sono state effettuate misurazioni ultrasonore in diverse porzioni del ponte, posizionando una coppia di trasduttori (trasmettitore e ricevitore) su lati opposti dell’elemento da esaminare. Misurando il tempo di transito dell’onda attraverso il calcestruzzo, si è calcolata la velocità di propagazione. Valori di velocità elevati indicano calcestruzzo compatto e privo di difetti interni, mentre riduzioni della velocità possono segnalare la presenza di fessurazioni, vuoti o degrado.

Nel caso in studio, i risultati ultrasonici hanno mostrato una buona qualità media del calcestruzzo: le velocità misurate erano generalmente elevate e non hanno evidenziato zone con decrementi significativi (segno di assenza di difetti interni estesi). Inoltre, in combinazione con gli indici sclerometrici, le velocità ultrasoniche sono state impiegate nell’ambito del metodo integrato SonReb, migliorando la stima della resistenza in situ.

Il metodo SonReb consiste nell’utilizzare relazioni sperimentali che combinano il risultato sclerometrico e quello ultrasonico per dedurre la resistenza del calcestruzzo con maggiore attendibilità rispetto all’uso singolo dei metodi.

In sintesi, l’uso congiunto di sclerometro e ultrasuoni ha consentito di verificare l’omogeneità del calcestruzzo e di fornire elementi per una stima più accurata delle sue proprietà meccaniche, riducendo l’incertezza. Anche in questo caso, tuttavia, la taratura con prove dirette è fondamentale: le correlazioni SonReb devono essere calibrate sul calcestruzzo specifico mediante alcuni risultati di compressione su carota.

Nota tecnica: valori tipici di velocità ultrasonica in calcestruzzo non fessurato e di buona qualità sono dell’ordine di 3500–4500 m/s (a seconda della densità e dell’età del calcestruzzo). Nel ponte indagato, le velocità misurate rientravano in questo intervallo alto, confermando l’assenza di degrado diffuso. Inoltre, il metodo SonReb utilizzato rientra tra i metodi consigliati in letteratura (RILEM) per la caratterizzazione non distruttiva, specialmente quando si vuole stimare la resistenza in modo estensivo su tutta l’opera: lo sclerometro offre rapidità di esecuzione su molte posizioni, mentre gli ultrasuoni aggiungono sensibilità alla qualità interna, e la loro combinazione attenua i limiti di ciascun metodo.

Carotaggi del Calcestruzzo e Prove di Compressione

Il carotaggio di elementi in calcestruzzo con successiva prova di compressione in laboratorio rappresenta la tecnica di riferimento per determinare direttamente la resistenza meccanica del calcestruzzo in opera.

Come previsto dalle NTC 2018, infatti, le prove su carote forniscono i valori più affidabili per stimare la resistenza caratteristica del calcestruzzo esistente, e un numero adeguato di carotaggi (tipicamente almeno 3 per ogni tipo di elemento strutturale omogeneo) è necessario per raggiungere i livelli di conoscenza più elevati nelle verifiche progettuali.

Nell’indagine sul ponte, sono state prelevate diverse carote cilindriche di calcestruzzo dalle strutture portanti, limitando il numero di prelievi e scegliendo con cura le posizioni per minimizzare il disturbo alla struttura. Le posizioni dei carotaggi sono state individuate anche grazie ai rilievi pacometrici, così da evitare di intercettare armature durante la perforazione. Ciascun campione estratto (di diametro tipicamente 75–100 mm) è stato poi provato a compressione in un laboratorio accreditato, fornendo il valore effettivo di resistenza a compressione del calcestruzzo. Queste prove sono state eseguite secondo le norme di prova sui calcestruzzi induriti (ad es. UNI EN 12390-3 per la compressione su provini cilindrici).

I risultati delle prove di compressione sulle carote hanno confermato, entro un certo scarto, i valori indicativi ricavati con sclerometro e ultrasuoni, consentendo di calibrare opportunamente le correlazioni utilizzate (SonReb). Ad esempio, se le stime NDT indicavano una resistenza media attorno a 30–35 MPa, le carote hanno fornito valori di resistenza nello stesso ordine di grandezza (le differenze osservate rientravano nelle tolleranze previste, confermando la validità delle indagini non distruttive a patto di essere tarate). Sulla base dei valori ottenuti, è stato possibile assegnare al calcestruzzo del ponte una resistenza caratteristica per le verifiche strutturali (tenendo conto della variabilità e applicando i coefficienti di confidenza secondo NTC 2018).

Oltre ai valori numerici di resistenza, l’estrazione dei caroti ha offerto l’opportunità di osservare direttamente l’interno del calcestruzzo. Le superfici di frattura dopo la prova di compressione sono state esaminate per individuare eventuali difetti: ad esempio, si è verificata l’eventuale presenza di nidi di ghiaia, porosità anomale o microfessurazioni nella pasta cementizia. Inoltre, nei casi in cui la carota abbia intercettato delle armature, si è potuto valutare lo stato delle barre (adesione acciaio-calcestruzzo, presenza di corrosione visibile, ecc.). Nel complesso, i carotaggi hanno fornito dati certi per la caratterizzazione meccanica del materiale e spunti sullo stato interno della struttura, costituendo la base per assegnare al calcestruzzo del ponte i parametri di resistenza e di deformabilità da utilizzare nei modelli di calcolo.

Nota: Uno degli aspetti valutati attraverso le prove su carota è stato anche il modulo elastico del calcestruzzo. Dai provini estratti sono stati ricavati valori medi di resistenza a compressione che, inseriti nella formula normativa (ad es. NTC 2018 §11.2.10.3, analoga a Eurocodice 2), assumendo fcm pari al valore medio dalle prove effettuate sulla carreggiata lato Valle, hanno fornito un valore iniziale stimato di modulo elastico. Nel caso della campagna lato Valle del ponte, ad esempio, si è calcolato un Ec nominale di circa 33 GPa. Queste informazioni sono servite come base di partenza per la calibrazione del modello numerico (vedi seconda parte).

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L'articolo continua con la trattazione di:

• Analisi Chimiche di Carbonatazione e Cloruri
  
• Prove su Acciaio d’Armatura (Trazione e Durezza)
  
• Indagini Endoscopiche