Calcestruzzo esistente e carote, un pò di chiarezza.
Interpretazione dei risultati delle prove di schiacciamento sulle carote
Le prove di compressione su campioni prelevati in situ (carote) sono regolamentate dalle norme UNI 6131, UNI 6132 e UNI EN 12504/1 che riguardano sia la fase di estrazione dei campioni che la fase di schiacciamento in laboratorio.
In seguito all’estrazione e allo schiacciamento del campione in laboratorio si ottiene un valore della resistenza a compressione (di seguito fcar) che non è rappresentativo dell’effettiva qualità del conglomerato in opera, a causa di molti fattori perturbativi intrinseci a tale metodologia di prova, da cui deve essere depurato il dato di Laboratorio.
Nella determinazione della resistenza caratteristica del calcestruzzo, i fattori d’influenza sono molti ed al momento non si dispone di un’esperienza sufficientemente vasta per poterne stabilire, con una certa affidabilità, gli effetti.
I principali fattori che possono alterare il valore della resistenza in situ sono :
- Pressione di consolidamento :
I valori di resistenza del conglomerato, ottenuti dallo schiacciamento delle carote, risultano influenzati dalla posizione del prelievo nell’ elemento strutturale.
La variazione di resistenza si verifica in funzione dell’altezza dell’elemento gettato, a causa della diversa pressione che si determina nella pasta durante la presa e l’indurimento.
Tale pressione dà luogo ad una progressiva riduzione dell’aria occlusa e alla migrazione dell’acqua presente, con conseguente aumento localizzato del peso specifico del materiale.
Questo fenomeno implica variazioni di resistenza tanto maggiori quanto più il conglomerato è di qualità scadente.
In elementi strutturali verticali si hanno variazioni di resistenza del 50 – 70% tra la base e la sommità.
- Ambiente di maturazione :
E’ uno dei fattori che influenza maggiormente il valore della resistenza del conglomerato.
La maturazione delle strutture in opera è diversa da quella ottenuta da campioni standard e tende, inoltre, a variare in funzione delle stagioni.
L’effetto dell’ambiente di maturazione può essere individuato secondo due parametri :
- Perdita di umidità della superficie
Questo fenomeno genera uno strato superficiale, che può estendersi fino ad una profondità di circa 5 cm, di minor resistenza a causa della segregazione e dell’impoverimento della miscela. L’inclusione nell’elemento di prova di una porzione superficiale del getto, provocherà una riduzione del valore di rottura del provino, con abbattimenti variabili tra il 10% ed il 25%.
- Differente maturazione tra strutture e campioni standard.
La resistenza caratteristica valutata su cilindri di controllo maturati in cantiere, differisce da quella valutata sulle carote maggiormente in estate ed in inverno che in autunno. L’ambiente di maturazione influenza la resistenza anche dopo 28 giorni dal getto, dando luogo ad incrementi minori per elementi maturati all’aria aperta (8% dopo 3 mesi), rispetto ad elementi maturati in ambiente umido (13% dopo 3 mesi). La diminuzione della resistenza sembra annullarsi all’aumentare dell’età di maturazione, si può, quindi, ritenere che il taglio di conglomerato giovane comporti anche sconnessioni interne che riducono la compattezza del materiale. La deviazione standard nelle carote risulta maggiore di quella dei cilindri di controllo.
- Operazioni di perforazioni :
Le operazioni di perforazione possono dar luogo a disturbi sul campione estratto, ripercuotendosi sui valori della resistenza meccanica. Si valuta che la coppia torcente esercitata dal meccanismo di prelievo produce una riduzione di resistenza media del 10%. Inoltre all’ aumentare della coppia torcente diminuiscono le caratteristiche meccaniche dei campioni estratti.
Si ottiene un decremento di resistenza maggiore se l’operazione viene effettuata prima di 28 gg.
- Direzione di perforazione :
Le operazioni di perforazione possono dar luogo al danneggiamento del campione, provocando un decremento della resistenza meccanica, dipendente dalla direzione in cui è avvenuto il getto.
Perforazioni perpendicolari alla direzione del getto producono una diminuzione di resistenza variabile tra il 5% e l’8% per conglomerato avente resistenza caratteristica fino a 25 MPa, mentre è praticamente nulla per resistenza caratteristica maggiore di 40 MPa.
Perforazioni in direzione parallela a quella di getto comportano riduzioni minori.
- Dimensione delle carote :
I valori della resistenza del conglomerato sono influenzati dal diametro, dall’altezza della carota e dalla dimensione massima dell’inerte.
Mantenendo costante il rapporto altezza/diametro della carota e facendo variare il rapporto diametro carota/dimensione massima dell’inerte, si nota un aumento sensibile del coefficiente di variazione ed una meno sensibile variazione del valore medio della resistenza quanto.
Questo fatto dipende dalla distribuzione casuale degli inerti : in una carota di diametro più grande è più probabile trovare almeno un inerte di grandi dimensioni. Inoltre, alcuni inerti piccoli o frantumi d’inerti sotto l’azione del carico esterno possono distaccarsi dalla superficie laterale, indebolendo la sezione in misura maggiore quanto più questa è piccola, poiché la malta attiva è presente su una bassa percentuale di area esterna dell’inerte ed ha spessore modesto. La sezione resistente, quindi, non coincide con quella geometrica e la tensione specifica di rottura risulta minore di quella effettiva.
Il taglio di materiale costituito da inerti di notevole dimensioni non produce danni, poiché le parti di pietra tagliate sono saldamente legate al nucleo centrale grazie alla notevole quantità di malta che ricopre buona parte della pietra. La sezione resistente, quindi, coincide con quella geometrica ed il rapporto carico/area rappresenta la reale resistenza del materiale.
Pertanto, è opportuno, e del resto richiesto dalle norme UNI, prelevare carote di diametro almeno pari a 3 volte il diametro massimo dell’inerte e con altezza di carota pari a 2 volte il diametro della stessa.
Per quanto riguarda l’influenza delle dimensioni dei campioni sui valori di resistenza, sono noti i seguenti principi:
- La resistenza del materiale è indipendente dall’area del campione su cui si fanno test, ammesso che il rapporto lunghezza-diametro sia costante nei test di compressione.
- La deviazione standard della resistenza alla compressione diminuisce con l’aumentare del diametro della carota; comunque se si confrontano due gruppi di carote con diverso diametro, si ottiene lo stesso risultato quando il numero di provini dei due gruppi è tale che l’addizione delle aree della loro sezione risulta uguale.
- Armature incluse :
La presenza di spezzoni d’armatura contribuisce a diminuire la resistenza misurata sulla carota in misura difficilmente quantificabile; va, pertanto, evitato il prelievo di carote inglobanti spezzoni di armatura.
Non è possibile dedurre una relazione di carattere generale dato l’elevato numero di parametri, ma si può considerare una diminuzione di resistenza variabile tra lo 0.5 e il 12%.
La prova di carotaggio fornisce risultati attendibili solo se dal calcestruzzo da esaminare possono essere estratti provini non difettosi con superficie laterale liscia.
L’interpretazione dei dati dei Laboratori riportati nel Certificato, è un problema che non trova soluzione in alcuna norma, poiché non esiste uno standard nazionale di riferimento sulla materia. E’ incerta l’entità dell’influenza di tali fattori sulla definizione del valore della resistenza.
Le formulazioni presenti in letteratura per l’elaborazione di tali dati tengono conto dei suddetti fattori attraverso dei coefficienti correttivi che, applicati al valore fcar, consentono di ottenere sia il valore di resistenza del calcestruzzo in situ, sia la resistenza cubica convenzionale.
Formule per la Valutazione della Resistenza del Calcestruzzo
Tutti i metodi presenti in letteratura per la valutazione della resistenza caratteristica del calcestruzzo attribuiscono a ciascuno dei fattori sopracitati importanza diversa, ne consegue che i vari procedimenti possono portare allo stesso risultato numerico o, al contrario, a risultati numerici differenti in base al valore attribuito ad ogni parametro.
Nel seguito verranno illustrate le seguenti formule :
- British Standard 1881 Part. 120
- Concrete Society
- Cestelli Guidi
- Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici 2008
- Pucinotti
- Federal Emergency Management Agency
- Masi
- American Concrete Institute
Tra le formule elencate solo le prime quattro consentono di calcolare, attraverso adeguati coefficienti di correzione meglio esplicitati nel seguito, la Resistenza effettiva cubica e la Resistenza convenzionale cubica.
Per comodità nel seguito si utilizzeranno le seguenti abbreviazioni:
fcar = Resistenza della carota, ovvero resistenza misurata dalla rottura della carota. Il valore viene fornito dalla prova a compressione effettuata dal Laboratorio sul campione prelevato dall’elemento strutturale.
Rc = Resistenza cilindrica, ovvero di un provino cilindrico standard (rapporto di snellezza H/D=2). Si ottiene tramite coefficienti correttivi che consentono di depurare il valore di resistenza fcar da fattori perturbativi (eventuale disturbo causato dalle operazioni di prelievo, rapporto di snellezza ¹/2, direzione di perforazione, presenza di barre d’armatura).
Ref.c. = Resistenza effettiva cubica, ovvero resistenza di un provino cubico standard al momento del carotaggio sulla struttura esaminata. Il valore si ottiene moltiplicando Rc per un fattore di correzione che tiene conto delle diverse dimensioni di un provino cubico rispetto ad uno cilindrico (differente rapporto altezza-lato, differente rapporto massa-superficie, differente direzione di prova).
Rco.c = Resistenza convenzionale cubica, ovvero del calcestruzzo a 28 gg., ottenuta da cubi confezionati al momento del getto in opera e maturati in condizioni standard. Si ottiene incrementando, mediante coefficienti correttivi Ref.c , per tenere conto dei fattori perturbativi dovuti alle operazioni di getto, alle differenti condizioni termoigrometriche ed all’età di maturazione.
British Standard (BS) 1881: (Testing Concrete, part 120 – “Methods for determination of the compressive strength of concrete cores”, 1983.)
Rc è la resistenza cilindrica
fcar resistenza ottenuta dalle carote estratte
d è il diametro della carota
h è l’altezza della carota
k1 coefficiente che vale 2.5 per prelievo ortogonale alla direzione del getto e 2.3 per prelievo parallelo alla direzione del getto
in presenza di armatura si utilizza un fattore correttivo pari a 
dove Φ è il diametro della barra e h’ è la distanza della barra dalla base più vicina della carota.
La resistenza cubica effettiva e quella cubica convenzionale si ottengono dalla resistenza cilindrica rispettivamente attraverso la formula:
Concrete Society: (“Concrete core Testing for Strength”, Technical Report No. 11, The Concrete Society, London, pp. 44”, 1987.)
Rc è la resistenza cilindrica
fcar resistenza ottenuta dalle carote estratte
d è il diametro della carota
h è l’altezza della carota
k2 coefficiente che vale 2 per prelievo ortogonale alla direzione del getto e 1.8 per prelievo parallelo alla direzione del getto
in presenza di armatura si utilizza un fattore correttivo pari a dove Φ è il diametro della barra e h’ è la distanza della barra dalla base più vicina della carota.
La resistenza cubica effettiva e quella cubica convenzionale si ottengono dalla resistenza cilindrica rispettivamente attraverso la formula:
Cestelli Guidi
fcar resistenza ottenuta dalle carote estratte
d è il diametro della carota
h è l’altezza della carota
La resistenza cubica effettiva e quella cubica convenzionale si ottengono dalla resistenza cilindrica rispettivamente attraverso la formula:
Pucinotti
fcar resistenza ottenuta dalle carote estratte
d è il diametro della carota
h è l’altezza della carota
American Concrete Institute (214.4R -03: “Guide for Obtaining Cores and Interpreting Compressive Strenght Results”, 2003)
Fdia, fattore legato al diametro del provino (1.06 per d=50 mm, 1.00 per d=100 mm)
Fmc, fattore legato alle condizioni di umidità del provino (98 in condizione asciutta, 1.00 senza variazioni rispetto al prelievo e 1.09 se messo in acqua per 48h);
Fd coefficiente che tiene conto del disturbo arrecato al campione durante la perforazione é pari a 1.06.
FEMA (Federal Emergency Management Agency 1997. Commentary on the Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 274, 1997)
Fh/d coefficiente correttivo relativo al rapporto h/d, da assumere pari a 0.87, 0.93, 0.96, 0.98 e 1.00 per h/d pari, rispettivamente, a 1.0, 1.25, 1.50, 1.75 e 2.00;
Fdia coefficiente correttivo relativo al diametro, da assumere pari a1.06, 1.00 e 0.98 per D pari, rispettivamente, a 50, 100 e 150 mm;
Fr coefficiente correttivo relativo alla presenza di armature incluse, da assumere pari a 1.00, 1.08 e 1.13 per la presenza, rispettivamente, di nessuna barra, 1 e 2 barre.
Masi (“Il Giornale delle Prove non Distruttive Monitoraggio e Diagnostica” 1/2005)
Ch/D coefficiente correttivo per rapporti h/D diversi da 2, pari a
Cdia coefficiente correttivo relativo al diametro, da assumere pari a 1.06, 1.00 e 0.98 per D pari, rispettivamente, a 50, 100 e 150 mm;
Ca è il coefficiente correttivo relativo alla presenza di armature incluse, da assumere pari a 1.02-13 in funzione della posizione e del diametro della barra inclusa;
Cd è il coefficiente correttivo per tener conto del disturbo arrecato alla carota nelle operazioni di estrazione. Oltre al valore costante suggerito nelle FEMA 274, la bibliografia propone di assumere il valore 1.10.
Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici 2008
fcar resistenza ottenuta dalle carote estratte
d è il diametro della carota
h è l’altezza della carota
Il rimaneggiamento è tanto maggiore quanto minore è la qualità del calcestruzzo, appare più convincente l’indicazione riportata in (Collepardi2002, UNI 5834) che suggerisce di assumere Cd = 1.20 per fcar < 20 MPa, e Cd = 1.10 per fcar> 20 MPa.
Ulteriori informazioni possono trovarsi sul sito Reluis ed anche consultando i documenti tecnici di vari siti che propongono consulenze strutturali come la Com.Sigma .