Trefoli da precompressione: come stimare le tensioni con la diffrazione a raggi X

La valutazione delle tensioni nei trefoli da precompressione è un passaggio centrale per comprendere lo stato reale delle strutture esistenti in calcestruzzo precompresso. A FABRE 2026 Isabella Mazzatura ha presentato uno studio dedicato all’impiego della diffrazione a raggi X come tecnica per stimare lo stato tensionale dell’acciaio. La ricerca mette a confronto prove sperimentali di laboratorio e modellazione FEM, con l’obiettivo di interpretare correttamente la misura fornita dal diffrattometro. Particolare attenzione è stata posta all’influenza del diametro del trefolo, delle condizioni di vincolo e del posizionamento del punto di misura. Il lavoro evidenzia così le potenzialità della tecnica, ma anche la necessità di introdurre correzioni per passare dalla tensione superficiale a quella media utile nei calcoli.

La misura delle tensioni nei trefoli tra prove sperimentali e modellazione numerica

La valutazione dello stato tensionale dei trefoli da precompressione rappresenta uno dei temi più delicati nella diagnosi delle strutture esistenti in calcestruzzo precompresso. Conoscere la tensione residua dell’acciaio significa infatti disporre di un’informazione fondamentale per ricostruire il reale livello di precompressione e, di conseguenza, per affinare le verifiche di sicurezza e le valutazioni sulla capacità residua dell’opera.

A FABRE 2026 Isabella Mazzatura ha presentato i risultati di una ricerca dedicata all’impiego della diffrazione a raggi X per la stima delle tensioni nei trefoli da precompressione. Lo studio, sviluppato nell’ambito del PRIN 2022, si concentra in particolare su un aspetto essenziale per trasformare una misura sperimentale in un dato realmente utilizzabile nei calcoli strutturali: comprendere quanto la geometria del trefolo, le condizioni di vincolo e il posizionamento dello strumento possano influenzare il valore di tensione rilevato.

Gli autori della relazione, presentata a FABRE 2026, sono Francesca Mattei, Isabella Mazzatura, Silvia Caprili e Walter Salvatore.

Diffrazione a raggi X e tensioni nei trefoli: dalla misura sperimentale al dato strutturale

La tecnica di diffrazione a raggi X consente di stimare lo stato tensionale del materiale attraverso la misura delle deformazioni del reticolo cristallino. Nel caso degli acciai da precompressione, però, il dato restituito dallo strumento rappresenta essenzialmente una misura locale e superficiale.

Il problema ingegneristico consiste quindi nel capire quale relazione esista tra la tensione misurata sulla superficie del singolo filo e la tensione media presente nel trefolo, cioè il parametro che interessa effettivamente nelle verifiche strutturali.

La ricerca presentata da Mazzatura è partita proprio da questo interrogativo, analizzando l'influenza delle dimensioni geometriche del trefolo sull'accuratezza della misura ottenuta con il diffrattometro.

La campagna sperimentale ha preso in considerazione tre differenti diametri nominali, pari a 9,3, 15,2 e 15,7 mm. I trefoli presentavano proprietà meccaniche analoghe e le medesime caratteristiche geometriche per quanto riguarda il passo dell'elica, così da isolare il più possibile l'effetto legato alla variazione del diametro.

I campioni sono stati sottoposti a differenti livelli di carico attraverso una macchina di rilassamento e contemporaneamente monitorati mediante estensimetri. Le misure ottenute con questi ultimi sono state utilizzate come riferimento sperimentale per confrontare i risultati restituiti dalla diffrazione a raggi X.

Il punto di misura è stato individuato in corrispondenza della generatrice più esterna del singolo filo, una scelta importante perché la distribuzione tensionale all'interno del trefolo non è necessariamente uniforme.

All'aumentare del diametro emerge una possibile sottostima della tensione

Dalle prove sperimentali è emersa una tendenza particolarmente interessante: all'aumentare del diametro del trefolo, il valore ottenuto mediante il diffrattometro sembra mostrare una progressiva tendenza alla sottostima.

Non è stata invece individuata una variazione altrettanto evidente dell'errore relativo in funzione del livello di carico applicato. Questo significa che, nell'ambito delle prove condotte, l'accuratezza della misura sembrerebbe essere condizionata maggiormente dalla geometria del trefolo che dall'intensità della sollecitazione applicata.

Si tratta tuttavia di un risultato che gli stessi ricercatori considerano preliminare. Il numero di prove effettuate è infatti ancora limitato e altri parametri, tra cui le condizioni della superficie dell'acciaio, potrebbero incidere sulla misura.

L'interesse dello studio risiede proprio nell'aver evidenziato la necessità di considerare specifici fattori correttivi prima di utilizzare direttamente il valore fornito dal diffrattometro nelle valutazioni strutturali.

Il modello FEM per ricostruire la distribuzione delle tensioni nel trefolo

Alla sperimentazione di laboratorio è stata affiancata una modellazione numerica agli elementi finiti, sviluppata con l'obiettivo di ricostruire nel dettaglio la distribuzione delle tensioni nel trefolo e comprendere quali configurazioni fossero maggiormente rappresentative delle condizioni sperimentali.

Uno degli aspetti più delicati riguardava le condizioni di vincolo presenti nella macchina di prova. Non era infatti possibile garantire con assoluta certezza che alle estremità del trefolo fosse impedita qualsiasi rotazione.

Per questo motivo sono state considerate differenti configurazioni numeriche: una condizione con entrambi i capi completamente vincolati, una configurazione nella quale una delle estremità era libera di ruotare e condizioni intermedie caratterizzate da una rotazione parzialmente impedita.

Sono state quindi analizzate sia rotazioni molto contenute, dell'ordine di 10°, sia rotazioni più significative, arrivando a considerare una configurazione di circa 42°, corrispondente indicativamente alla metà della rotazione che il trefolo avrebbe potuto sviluppare se fosse stato completamente libero.

I risultati hanno evidenziato come le condizioni di vincolo influenzino direttamente la distribuzione tensionale all'interno dell'elemento.

In particolare, al diminuire della rigidezza del vincolo e all'aumentare della possibilità di rotazione cresce la differenza tra la tensione superficiale e quella presente nelle zone più interne del trefolo. È un risultato particolarmente importante proprio perché la tecnica a raggi X analizza la superficie, mentre per la valutazione strutturale è necessario ricavare un valore rappresentativo della tensione media.

Dalla tensione superficiale alla tensione media: il nodo centrale della misura

Il passaggio dalla tensione superficiale alla tensione media rappresenta quindi uno dei punti centrali della metodologia.

Il diffrattometro fornisce un'informazione estremamente localizzata, relativa alla porzione superficiale del filo interessata dalla misura. Il comportamento del trefolo è però determinato da uno stato tensionale tridimensionale, influenzato dalla geometria elicoidale dei fili, dalle condizioni di vincolo e dalle eventuali rotazioni.

Per individuare la configurazione numerica maggiormente rappresentativa delle prove, i modelli FEM sono stati confrontati con le misure effettuate tramite estensimetri, considerate nello studio il dato sperimentale di riferimento.

Dal confronto è emerso che il modello caratterizzato da rotazioni molto ridotte, pari a circa 10°, presenta errori contenuti e risultati comparabili con quelli ottenuti ipotizzando entrambi i capi completamente vincolati.

Le configurazioni caratterizzate da rotazioni più elevate hanno invece prodotto una maggiore dispersione degli errori e sono state quindi escluse dalla successiva interpretazione dei risultati.

Non essendo inoltre disponibile una misura sperimentale diretta dell'eventuale rotazione effettivamente presente durante le prove, per le successive elaborazioni è stata adottata come riferimento la configurazione completamente vincolata.

Anche il posizionamento del diffrattometro può modificare il risultato

Un ulteriore elemento di incertezza riguarda la posizione esatta nella quale viene eseguita la misura.

L'ipotesi teorica considera infatti il punto di lettura collocato precisamente sulla generatrice più esterna del singolo filo. Nella pratica sperimentale, tuttavia, il volume interessato dalla misura possiede una dimensione finita e il posizionamento dello strumento può presentare piccoli scostamenti.

Anche uno spostamento di pochi millimetri può quindi determinare una variazione della tensione rilevata rispetto al valore teoricamente atteso nel punto di massima esposizione superficiale.

La modellazione numerica ha permesso di valutare anche questo effetto. Nei casi analizzati, le differenze più significative associate allo spostamento del punto di misura possono raggiungere valori dell'ordine di alcune decine di MPa e, nelle condizioni più sfavorevoli considerate, avvicinarsi a circa 90 MPa.

L'entità dello spostamento potenzialmente significativo cambia inoltre in funzione del diametro del trefolo: per gli elementi di dimensioni inferiori anche deviazioni nell'ordine di un millimetro possono assumere un peso maggiore rispetto a quanto accade nei trefoli di diametro superiore.

Questo aspetto mette in evidenza l'importanza di definire procedure operative molto precise per il posizionamento del diffrattometro, soprattutto se la metodologia dovrà in futuro essere applicata direttamente sulle strutture esistenti.

DI SEGUITO L'INTERVENTO INTEGRALE DI ISABELLA MAZZATURA.

Il testo è stato realizzato mediante la videoregistrazione della relazione, con l'aiuto di strumenti di IA (ChatGpT)

IN SINTESI
- Lo studio presentato da Isabella Mazzatura a FABRE 2026 analizza l’impiego della diffrazione a raggi X per stimare le tensioni nei trefoli da precompressione.
- La campagna sperimentale ha considerato trefoli di diverso diametro nominale, evidenziando una possibile tendenza del diffrattometro a sottostimare la tensione all’aumentare del diametro.
- La modellazione FEM ha permesso di valutare l’influenza delle condizioni di vincolo e delle possibili rotazioni del trefolo sulla distribuzione delle tensioni.
- Un aspetto centrale riguarda il passaggio dalla tensione superficiale, misurata dal diffrattometro, alla tensione media del trefolo, necessaria per le verifiche strutturali.
- Lo studio evidenzia anche l’importanza del corretto posizionamento dello strumento e propone una prima procedura di correzione, da approfondire con ulteriori prove sperimentali.