Diagnostica strutturale

La capacità prestazionale
L 'utenza impone ad una generica costruzione una serie di domande, richieste di varia natura (urbanistiche, di funzionalità, estetiche, di durabilità…); tra queste, bisogna annoverare la domanda strutturale.
Questa domanda consiste nella richiesta di assolvimento di determinati servizi e di sopravvivenza nelle situazioni estreme: ogni costruzione deve garantire un funzionamento in ordine dell'utilizzo previsto, in condizioni di sicurezza e per tutta la durata della vita utile.
Le prestazioni che l'utenza e la collettività richiedono alla costruzione possono essere rappresentate da una qualità che può essere definita capacità prestazionale: in ragione della domanda, la costruzione ha una determinata capacità prestazionale se è in grado di fornire determinate prestazioni (di esercizio e ultime).

La sicurezza, invece, può essere definita come la distanza che la struttura mantiene dalle situazioni più estreme, al limite dal collasso, e viene rappresentata, in tutte le normative dal coefficiente di sicurezza.
Se con S si indicano genericamente le azioni agenti su una costruzioni e con R le resistenze che la struttura stessa è in grado di mobilitare per sopportare le sollecitazioni, il coefficiente di sicurezza, indicato con "s" è dato dal rapporto: s = R / S

Una struttura è in condizioni di sicurezza se il coefficiente appena definito ha valore superiore a uno.
La valutazione della sicurezza strutturale consiste quindi, concettualmente, nella valutazione del coefficiente di sicurezza.
In fase di servizio, tuttavia, il valore di g non rimane costante, ma varia, nell'arco della vita utile, avvicinandosi sempre più al valore limite unitario.

Conoscere con precisione la curva tempo - coefficiente di sicurezza è, naturalmente, impossibile, perciò, la misura della sicurezza strutturale deve essere necessariamente essere condotta facendo riferimento ad altre grandezze.

Meccanismi di collasso
Per determinare il grado di sicurezza di una costruzione, si può precedere individuando i suoi punti deboli, ossia i punti nei quali si può presumere che il decadimento di g sia più rapido o più probabile.
In tali punti deboli si verifica un meccanismo di collasso, cioè un processo che consiste nel più o meno rapido decesso di uno o più elementi strutturali, con conseguenze che vanno dal danno localizzato al crollo complessivo.

Per individuare i meccanismi di collasso è necessario in primo luogo evidenziare l'organismo strutturale.
L'organismo strutturale consiste nel sistema preposto al soddisfacimento della domanda strutturale: dalla costruzione si emargina idealmente un sistema al quale è attribuito il compito della portanza. Nelle strutture intelaiate, ad esempio, l'organismo strutturale è rappresentato dall'ossatura in cemento armato o in acciaio.
I meccanismi di collasso colpiscono una o più parti dell'organismo strutturale, riducendone o azzerandone le capacità resistenti.

Tipi di collasso
Si individuano fondamentalmente due tipi di collasso:

- collasso di tipo fragile
- collasso di tipo duttile

Il collasso di tipo fragile si realizza improvvisamente, senza segni premonitori, in breve tempo; per questo è da considerarsi catastrofico, dal punto di vista della sicurezza, in quanto non è possibile prevederlo e, quindi, predisporre in maniera da evitare danni alle persone.
Il collasso di tipo duttile, invece, è ampiamente preannunciato, per cui, di fatto, si esplica in un arco di tempo che possiamo considerare più lungo.

Alla luce di quanto detto, appare ovvia la maggior sicurezza garantita da strutture dotate di meccanismi di collasso di tipo duttile, cioè caratterizzati da ampi segnali premonitori e il cui esplicarsi richieda tempi sufficientemente lunghi.

Nelle strutture intelaiate, i meccanismi di collasso possono verificarsi negli elementi orizzontali (solai, travi) oppure in quelli verticali (pilastri).
La crisi della trave è solitamente preannunciata da un notevole quadro fessurativo e da un ampio incremento dell'inflessione; si esplica sostanzialmente nella formazione delle cerniere plastiche, per cui richiede tempi piuttosto lunghi e non necessariamente di trasmette all'intera struttura. In altre parole è un collasso di tipo duttile.
La crisi del pilastro, invece, è solitamente rapida e improvvisa, in quanto preannunciata da fessure interne, non visibili.
Inoltre non è localizzata.
Se si elimina un pilastro da un telaio, infatti, si ha una ridefinizione del comportamento statico complessivo: la trave deve coprire una luce maggiore, e i pilastri rimasti devono assorbire carichi superiori. I dimensionamenti fatti in sede di progetto risultano quindi inadatti e il coefficiente di sicurezza cala, forse fino a valori inferiori a uno.
È evidente che si tratta di un collasso di tipo fragile.

Nel caso di un solaio in latero - cemento, il collasso può essere definito fragile, in quanto il cammino evolutivo del fenomeno avviene con una progressione lenta. Dapprima la struttura si inflette manifestando le prime fessure, non visibili, in prossimità dell'incastro; poi il quadro fessurativo si incrementa con una serie di fessure in mezzeria, ben visibili, e con un ampliamento di quelle sugli incastri.
Se il fenomeno prosegue si ha un notevole aumento della freccia e un progressivo diffondersi delle fessure lungo tutto il solaio, fino al collasso.

Nel caso di materiali eterogenei si parla anche di lato di crisi, per indicare il materiale nel quale la differenze tra resistenza e sollecitazione si fa più esiguo.
Nel caso del cemento armato, la rottura lato acciaio è un collasso di tipo duttile in quanto preannunciato da ampie e visibili fessure dovute allo strappo delle armature; la rottura lato calcestruzzo, a volte preannunciata solo da micrrofessurazione, è un collasso di tipo fragile.

Fattori del tipo di collasso
I fattori che principalmente definiscono un collasso come duttile o fragile sono quattro:

- iperstaticità della struttura
- duttilità
- caratteristiche dei materiali
- tipologia delle azioni

Le modalità di crisi si intrecciano con il grado di iperstaticità della struttura.
Uno sbalzo garantisce infatti un preavviso di collasso minore che non una trave continua, in quanto la perdita di capacità prestazionale è sempre accompagnata da una risposta da parte della struttura, la quale cerca, per così dire, al suo interno, delle risorse cui appellarsi per poter continuare a resistere. Si intuisce chiaramente che una struttura isostatica ha un numero di risorse inferiore a una iperstatica.
A parità di altre condizioni (resistenza, durabilità) una struttura è più sicura di un'altra se presenta percorsi di collasso più lunghi.
La misura del tempo necessario al collasso, cioè la definizione del tipo di collasso, può essere legata ad una grandezza quale l'indice di duttilità, inteso come il rapporto tra l'energia dissipata da una struttura e quella fornita dai carichi.

Quando si applica un carico ad una struttura, questo compie lavoro, cioè le fornice energia; una parte dell'energia si trasforma in lavoro di deformazione e viene immagazzinato dalla struttura, mentre una parte viene dissipata. Dato che l'energia immagazzinata viene interamente rilasciata al momento del collasso, è evidente che si preferisce una struttura che incameri il minor quantitativo di energia possibile, cioè che sia in grado, in fase di servizio, di dissipare senza accumulare potenziale, giungendo alla crisi con contenuti energetici minimi.

Anche le caratteristiche del comportamento meccanico influenzano il tipo di collasso: in generale, infatti, per avere collassi di tipo duttile è necessario ammettere una certa plasticizzazione del materiale.
Se il comportamento è perfettamente elastico, perfettamente rigido - plastico o elasto - plastico, non si riesce a sfruttare il materiale oltre la soglia dell'elasticità, per cui, raggiunta la deformazione o la tensione limite, la struttura collassa.
Se invece è presente un certo incrudimento, è garantita la continuità di comportamento statico (non ci sono brusche variazioni nella risposta meccanica del materiale), per cui risulta possibile una certa plasticizzazione, che equivale ad un rallentamento delle condizioni che portano al collasso, che risulta essere, il più delle volte, di tipo duttile.

Quanto finora detto si applica soltanto a carichi monotoni.
Le strutture, tuttavia, sono soggette a cicli di carico - scarico prodotti dalle azioni accidentali d'uso e da alcuni fattori ambientali. Quando la combinazione tra il numero di cicli e il livello medio dell'escursione risulta elevato, si verifica un decadimento della resistenza, al quale può seguire il fenomeno del collasso per fatica.
Pur trattandosi di un collasso di tipo duttile, il collasso per fatica è un fenomeno da trattare separatamente, in quanto, pur essendo determinato da azioni applicate in tempi senza dubbio lunghi, può provocare riduzioni di resistenza difficilmente individuabili, a volte tali da produrre collasso improvvisi, cioè di tipo fragile.
La duttilità può essere, in questo caso, associata alla resistenza a fatica.

Misura della sicurezza strutturale
Alla luce di quanto detto sinora, è possibile definire un certo numero di grandezze fisiche misurabili, dalle quali far discendere la valutazione della sicurezza di una costruzione.

- qualità dei materiali
- deformazioni impresse
- iperstaticità
- meccanismi di collasso avviabili
- indice di duttilità
- indice di plasticizzazione

Diventa così necessaria la formulazione di metodologie di prove non distruttive o semi - distruttive in grado di evidenziare tali parametri; l'interpretazione dei risultati risulta una valida analisi dei coefficienti di sicurezza di un'opera, cioè una misura della sua effettiva sicurezza.

L'analisi del rapporto fra azione S e resistenza R è convenientemente recepita dall'Eurocodice 2 in termini di probabilità di collasso, secondo un approccio definito semiprobabilistico.
La probabilità di collasso rappresenta, statisticamente, la possibilità che S superi R.

QUALITÀ DEI MATERIALI
Di notevole interesse è la necessità di verificare che i materiali costituenti un'opera siano di livello confacente ai compiti statici o dinamici assegnati.
Per quanto riguarda il calcestruzzo, la resistenza caratteristica è da confrontare con il valore di Rck di progetto, mentre fyk è il riferimento per l'acciaio; è inoltre importante controllare lo stato di degrado del calcestruzzo e la corrosione delle armature.

DEFORMAZIONI IMPRESSE
Per l'azione prolungata dei carichi permanenti, le strutture vengono a trovarsi sottoposte a deformazioni impresse.
Secondo la teoria degli stati di coazione, una deformazione impressa determina l'insorgere di una deformazione tale da ripristinare la congruenza della deformazione in sezione. Sommando i due contributi si ottiene dunque l'equazione di un piano, il piano di deformazione.
Gli stati di coazione possono essere determinati da diverse cause:

- fluage
- ritiro
- differenze di temperatura
- umidità
- cedimenti vincolari
- corrosione delle armature
- presenza di fratture

Ogni fattore va analizzato singolarmente, con particolare riguardo ai cedimenti vincolari, perché questi possono compromettere in toto la stabilità della costruzione.

Anche la corrosione delle armature deve essere analizzata e valutata, vista l'intensità degli stati tensionali che può indurre.

Questa categoria comprende sia gli effetti legati alla reologia del calcestruzzo (fluage, ritiro), sia quelli dovuti a fattori ambientali (umidità ed effetti termici).

La presenza di una fessura induce, su un qualsivoglia elemento, una rotazione concentrata la cui intensità è funzione delle dimensioni geometriche dell'intaglio.
Valutare perciò intensità e frequenza di un quadro fessurativo rappresenta una fase di analisi molto importante; in particolare, bisognerebbe valutare la tenacità alla frattura, cioè la resistenza che il materiale è in grado di opporre alla propagazione della fessura.

IPERSTATICITA'
Fondamentale è la ricerca di mezzi per l'individuazione delle effettiva condizioni di vincolo di una struttura.
Nel caso di una prova di carico con forza concentrata, ad esempio, il coefficiente C2 esprime la reale condizione di bordo.

MECCANISMI DI COLLASSO
Individuato l'organismo strutturale, è fondamentale individuare i meccanismi di collasso che in esso possono trovare realizzazione.
E' necessario verificare soprattutto quali siano i meccanismi che possono portare a collassi di tipo fragile; ideale sarebbe anche riuscire a stabilire l'ordine con cui tali meccanismi possono compiersi, considerando anche la tipologia del danno arrecato.

DUTTILITA' E PLASTICIZZAZIONE
Come già in precedenza sottolineato, il valore assunto dal coefficiente g è strettamente correlato alla duttilità dell'elemento o della struttura considerati.
Lo stesso dicasi per la plasticizzazione, intesa come allontanamento dal comportamento che le strutture dovrebbero idealmente seguire in fase di servizio (modello lineare - elastico).

Valori deducibili da prove in sito
Se si considerano i risultati di una prova di carico con forza concentrata, è possibile trattare i risultati in maniera da mettere in evidenza alcune delle caratteristiche sopra elencate.

Nel caso della duttilità, si definisce indice di duttilità il rapporto tra l'energia immagazzinata durante il processo di carico - scarico, e l'energia fornita dal carico stesso.
Con riferimento ad un diagramma carico - spostamento, tale indice è espresso dal rapporto tra l'area di isteresi e l'area di carico.
Il valore limite è pari a 8 - 20 %.

L'indice di plasticizzazione può esser espresso dal rapporto tra spostamento residuo e spostamento massimo.
Il valore limite è attorno al 5 - 10 %.

L'iperstaticità, come già detto, può essere verificata calcolando il valore del coefficiente C2.
Al variare di tale parametro, si individuano diverse condizioni di vincolo agli estremi: dall'incastro perfetto (iperstaticità di grado 3), al semplice appoggio (iperstaticità nulla).

Il grado di omogeneità del calcestruzzo può essere evidenziato mediante un sondaggio ultrasonico: velocità di circa 2000 m/s sono indice di una scarsa omogeneità, mentre velocità di 3000 - 3500 m/s sono indice di un calcestruzzo omogeneo e in buono stato.

Le caratteristiche meccaniche dei materiali possono essere indagate mediante analisi sclerometriche, prove eseguite su microcarote oppure prove basate sulla tecnica del pull - out.
Nessuna di queste tecniche è migliore delle altre, essendo affette tutte da grosse incertezze; nel complesso, il metodo più esente da errori è quello rappresentato dall'uso simultaneo di più metodologie di prova, basato sul confronto dei risultati.

Calcolare gli stati di coazione è molto difficile, in quanto bisognerebbe disporre di metodi che permettano di calcolare la tensione o la deformazione in un punto qualsiasi di una struttura.
Al momento, le tecniche termografiche sembrano essere le più accreditate per questo scopo, ma si stanno diffondendo dispositivi a basso costo da installare permanentemente sulle costruzioni, in grado di misurare inclinazioni e accelerazioni con buona approssimazione e di inviare i dati ad un calcolatore, in maniera che sia sempre possibile controllare l'insieme dei movimenti statici e/o dinamici di una costruzione (monitoraggio permanente).

Definire i meccanismi di collasso, alla luce dei risultati ottenibili, non è un'operazione aprioristica, ma risulta strettamente correlata con lo stato attuale dell'opera.
Un meccanismo fragile può essere inibito da un buono stato di salute dell'opera in un certo punto, mentre uno duttile potrebbe essere favorito (o quanto meno non ostacolato) dalla presenza di danni o lesioni.
In ogni caso, la regola generale che impone di bloccare i collassi di tipo fragile vale come linea guida di qualunque eventuale progetto di intervento a favore di sicurezza; come già detto, è auspicabile che i meccanismi di collasso siano preannunciati da ampi ed evidenti segni e si esplichino nell'arco di tempo più lungo possibile.