Mat 04

Giornata di Studio:
Il controllo dei materiali: tecniche non distruttive e sistemi
di monitoraggio residenti
«IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE
TECNICHE NON DISTRUTTIVE»
PARTE IV
Prof. Ing. Giacinto Porco
Docente Università della Calabria
Ore: 15.45
Venerdì 19 Giugno 2015
A.I.A.C. – Associazione Ingegneri Architetti Cittanova
«Polo Solidale della Legalità» Viale Merano – Cittanova (RC)
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Prove sulla Muratura
Prove Distruttive
Prove di
Laboratorio
Prove a Compressione
su prototipi
Prove Non Distruttive
Prove Semi - Distruttive
Prove in
Sito
Micro carotaggi
Prove a Martinetto Piatto
Indagine Visiva
Indagine Sonica
Metodi di Penetrazione
Indagine Visiva
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Saggio visivo
Si parla di saggio o esame visivo della superficie muraria quello che viene
condotto rimuovendo lo strato di intonaco che riveste la muratura, per
evidenziarne la composizione.
Si tratta di un esame visivo della superficie muraria, condotto dopo la rimozione
di una zona di intonaco di circa 1m x 1m e da eseguirsi, preferibilmente, in
corrispondenza delle connessioni tra strutture murarie principali, al fine di
verificare tecnologie costruttive, tessiture e tipologie di materiali, dettagli
costruttivi, informazioni qualitative sullo stato di conservazione e sulla presenza
di difetti costruttivi. Sono fondamentali se si vuole limitare al massimo le indagini
distruttive o semidistruttive o raggiungere i livelli di conoscenza minimi richiesti.
Prove Non Distruttive Murature
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Saggio visivo
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine endoscopica
Le indagini endoscopiche si rilevano di estrema utilità nei casi in cui si vogliono conoscere
le caratteristiche della tessitura di un apparecchio murario di notevole spessore. I
principali obiettivi di tale metodologia possono essere riassunti nei punti seguenti:
• Individuare la natura della muratura, il tipo di materiali impiegati per la
realizzazione dei riempimenti e la presenza di eventuali lacune;
• Individuare l’eventuale presenza di fenomeni fessurativi interni;
• Verificare i risultati di eventuali interventi di consolidamento mediante iniezioni.
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Endoscopio
Caratteristiche:
• La lunghezza della sonda può variare
da un minimo di 1.5 m con diametro
della stessa pari a 5 mm fino ad un
massimo di 3.4 m con un diametro
pari a 8.4 mm.
• La Risoluzione dell’immagine VGA
(640x480)
Strumentazione Tipo
• Potenza della lampada illuminante
pari a 1850 lumens
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Esecuzione della Prova
Esecuzione del foro d’indagine
Inserimento della Sonda
Valutazione della Muratura
(Muratura in pietra compatta)
Valutazione della Muratura
(Muratura in pietrame sciolto)
Indagine Sonica
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine sonica
Le indagini soniche sono indagini non
distruttive utilizzate nelle diagnosi della
muratura per qualificare la morfologia
della sezione, individuando la presenza
di
vuoti,
difetti
o
lesioni.
Vengono utilizzate anche per controllare
le caratteristiche della muratura dopo
interventi di consolidamento (iniezioni di
malte
e
resine),
verificando
i
cambiamenti delle caratteristiche fisiche
dei materiali.
Prove Non Distruttive Muratura
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Strumentazione
Martello
strumentato
e
accelerometro sono dotati di
cella di carico per convertire
una quantità meccanica
(l’onda elastica), in un
segnale elettrico.
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Procedura della prova
• La prova consiste nel sollecitare una porzione di muratura utilizzando un martello a
mano, opportunamente strumentato con una cella carico.
• Il martello colpisce punti prestabiliti della superficie muraria generando delle onde
elastiche che si propagano nello spessore murario.
• L’intensità dell'impulso generato ed il suo contenuto in frequenza, dipendenti dalla
durezza della punta del martello e dell’area d’impatto, sono rilevate attraverso un
trasduttore di forza incorporato nel martello.
• La propagazione dell'onda elastica nella struttura muraria è rilevata da un accelerometro.
• La velocità di propagazione dell’onda elastica è calcolata dividendo spessore della
sezione muraria per il tempo di percorrenza.
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Modalità di prova
Le indagini soniche possono essere effettuate secondo tre modalità (per trasparenza,
in superficie, per trasmissione radiale) a seconda del posizionamento del trasmettitore
e del ricevitore su lati opposti, sullo stesso lato e su lati adiacenti della superficie
muraria.
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Modalità di prova in trasparenza
Il metodo di trasmissione per trasparenza consiste nella scelta di punti di
emissione e di ricezione dei segnali posizionati su due lati opposti della parete,
alla stessa altezza dal piano di calpestio e in modo che la loro congiungente sia
perpendicolare alle superfici.
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Modalità di prova in superficie
Si rileva una diminuzione della velocità di propagazione quando nel materiale
sono presenti zone aventi diverso grado di aggregazione, vuoti o cavità e quando
la densità del materiale è compromessa da fenomeni di degrado.
Indagine a Martinetti Piatti
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Indagine a martinetti piatti
Questo sistema di indagine di tipo “non distruttivo”, normalizzato in base alla ASTM
D4729-08 basato sulla variazione dello stato tensionale in un punto della struttura in
esame per effetto di un taglio piano eseguito in direzione normale alla superficie. Il
rilascio delle tensioni provoca la chiusura del taglio, la cui entità si rileva attraverso
misure di convergenza tra due o più punti, situati in posizione simmetrica rispetto allo
stesso taglio con l’ausilio di un deformometro ad alta precisione. Uno speciale martinetto
piatto viene poi inserito all’interno del taglio e portato gradualmente in pressione con
un’apposita pompa oleodinamica fino ad annullare la convergenza in precedenza
misurata. In queste condizioni la pressione all’interno del martinetto sarà pari alla
sollecitazione preesistente nella muratura, a meno di alcune costanti che si
analizzeranno successivamente.
Prove Semi Distruttive Muratura
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine a martinetti piatti
L’indagine dei martinetti piatti consente quindi di determinare:
• Gli stati tensionali presenti nella muratura
• Modulo elastico
• Tensioni di prima fessurazione
• Tensione di rottura
Le modalità di esecuzione delle prove sono differenziate in funzione dei parametri da
ottenere in particolare:
• Per la determinazione delle tensioni in sito si attua la prova con singolo martinetto;
• Per la determinazione del modulo elastico e delle tensioni di prima fessurazione ed
ultima, si attua la prova con doppio martinetto.
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Indagine a martinetti piatti
Il sistema si compone di:
1. Sega dalle caratteristiche (forma, durezza della lama, potenza) adeguate al
materiale costituente la muratura;
2. Compressore per l’azionamento della macchina operatrice (sega per il taglio);
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Indagine a martinetti piatti
3. Coppie di basi di misura;
4. Deformometro rimovibile di precisione;
Le variazioni lineari durante la prova,
vengono eseguite attraverso l’accoppiamento
di piastrine metalliche e successiva lettura di
deformazioni attraverso uno strumento
rimovibile costituito da un deformometro
meccanico
di
precisione
dotato
di
comparatore.
Normalmente le piastrine metalliche hanno
una dimensione di 20 mm di diametro,
possono essere incollate con resine, in caso di
necessità si potrà pensare di fissarle con
piccoli tasselli metallici.
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Indagine a martinetti piatti
5. Pompa oleodinamica
Può essere realizzato mediante pompa
idraulica a piccola corsa dotata di:
1. Rubinetto
corredato
di
vite
micrometriche;
2. Valvola di non ritorno di buona tenuta;
3. Serbatoi di capacità adeguata;
4. Manometro, meglio se doppio, di buona
precisione.
L’impianto idraulico di carico necessita anche
di tubazione di piccolo diametro interno per il
collegamento col martinetto.
Nel caso delle prove con doppio martinetto,
questi saranno collegati in parallelo per
assicurare, nei due martinetti, l’identico valore
dei carichi.
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Indagine a martinetti piatti
6.Martinetto/i, uno se si vuole acquisire il valore della sollecitazione agente nella
muratura, due se serve determinare la tensione massima e i parametri elastici.
Il martinetto è un elemento sensore costituito da due piastre metalliche sovrapposte e
saldate lungo i bordi, è dotato di due tubicini (mandata e spurgo) attraverso i quali si
riempie o si svuota di liquido, normalmente olio disareato.
La scelta del tipo di martinetto viene fatta in base al tipo di materiale e di conseguenza
al tipo di taglio. I primi martinetti sono stati di forma rettangolare con una larghezza di
400 mm, si utilizzavano per murature in laterizio, mentre andavano meno bene per
murature in pietrame naturale.
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine a martinetti piatti
Oggi la scelta è legata all’apparecchiatura operatrice utilizzata per il taglio, per i quali sono
disponibili appositi modelli di martinetti.
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Indagine a martinetti piatti
Il tipo indicato con “a” si riferisce a un martinetto di tipo rettangolare, quelli di
dimensioni più grandi normalmente vengono utilizzati nelle murature in mattoni,
mentre quelli di dimensioni più piccole si utilizzano annegati nei calcestruzzi dei pilastri
(funzionamento come cella di pressione) per la misura dello stato sollecitazione e delle
possibili variazioni tensionali dovuti ai carichi e sovraccarichi che agiscono in fase di
esercizio della struttura. Quello indicato con “b” viene normalmente utilizzato per la
determinazione dello stato tensionale di ammassi rocciosi, la forma a semiluna consente
il perfetto adattamento ai tagli realizzati con seghe a lama circolare. Infine l’ultimo tipo
di martinetto indicato con “c”, consente utilizzazioni analoghe a quello rettangolare con
dimensioni (400x200 mm) ma meglio si presta nel caso si utilizzi una troncatrice con
disco diamantato, poiché presenta dimensioni e forma molto simili a quelle del taglio
eseguito.
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Indagine a martinetti piatti
Il martinetto può prevedere un’installazione a recupero (riutilizzo della stessa cella di
pressione per un certo numero di prove) sia a perdere, in quest’ultimo caso il martinetto
servirà come rilevamento medio e a lungo termine delle misure di pressione nel punto di
installazione. Il riutilizzo non è sempre possibile, poiché difficile si presenta l’estrazione,
inoltre utilizzare diverse volte un martinetto significherebbe un abbassamento del
coefficiente di rigidezza Km (rapporto tra la pressione esercitata dalla pressa e quella
misurata al manometro del sistema di carico del martinetto) e ciò ci porterebbe ad
incorrere in errori anche del 50%.
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Indagine a martinetti piatti
La metodologia della prova, con martinetto singolo è basata sulla variazione dello stato
tensionale in un punto della struttura in esame, per effetto di un taglio piano eseguito in
direzione normale alla superficie di prova.
Il rilascio delle tensioni provoca una parziale chiusura del taglio, che può essere rilevato
attraverso misure di convergenza fra più punti posti in posizione simmetrica rispetto al
taglio.
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Indagine a martinetti piatti
Una speciale tasca metallica, costituita dall’accoppiamento di due lamine metalliche
saldate lungo i bordi viene inserita all’interno di questo taglio il quale ha interrotto la
continuità della struttura e nel quale si è creata una condizione di tensione nulla.
Dopo la successiva applicazione del martinetto piatto, al suo interno viene pompato olio
disareato attraverso un sistema idraulico fino ad annullare la convergenza in precedenza
misurata.
In queste condizioni la pressione all’interno del martinetto è pari alla sollecitazione
preesistente nella muratura a meno di alcune costanti che tengono conto della rigidezza
del martinetto e dal rapporto tra l’area del martinetto di carico e la superficie del taglio.
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine a martinetti piatti
1. Scelta della zona da sottoporre a test
La posizione della prova verrà scelta in modo che il martinetto possa sollecitare in
modo centrale e simmetrico due o più elementi affiancati o sovrapposti della
muratura anche se dissimili (ad esempio mattoni o blocchi regolari di pietra).
In ogni caso sono da evitare le zone in cui la muratura si presenta assai danneggiata
poiché si andrebbe a misurare una tensione non corrispondente alla realtà, le zone in
prossimità di aperture di qualunque tipo, e tutte quelle zone che si ritiene non siano
rappresentative delle condizioni globali della struttura muraria.
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine a martinetti piatti
2. Preparazione della superficie
Si provvederà alla pulitura della superficie con cauta asportazione dell’intonaco esterno, in
modo da avere una chiara visione della situazione sottostante. Si andranno poi ad
individuare la posizione del taglio (nel caso di prova con singolo martinetto), o dei tagli
(nel caso della prova con doppio martinetto) e le posizioni possibilmente stabili dei
capisaldi di misura.
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Indagine a martinetti piatti
3. Predisposizione delle basi di misura
Per la prova con singolo martinetto piatto si dispongono normalmente tre basi (vale a dire
sei piastrine) a cavallo ed ortogonalmente al taglio poste in mezzeria, ed a ¼ della
lunghezza del martinetto.
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Indagine a martinetti piatti
4. Misura della distanza dei capisaldi prima dell’esecuzione della prova
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Preparazione del taglio
Indagine a martinetti piatti
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine a martinetti piatti
6. Esecuzione del taglio
Il taglio per l’alloggiamento del martinetto va eseguito mantenendo il più possibile
l’orizzontalità. L’operazione di taglio per l’inserimento del martinetto si differenzia a
seconda del tipo di muratura da sottoporre a prova di conseguenza al tipo di martinetto
che si intende utilizzare.
Nel caso di muratura in laterizi con corsi di malta regolari, il taglio viene più agevolmente
realizzato se posto in corrispondenza del giunto di malta.
Nel caso in cui, invece, le strutture murarie si presentano meno regolari e con materiale di
più elevata resistenza, come nel caso di murature in pietrame più o meno squadrato, viene
impiegata una particolare troncatrice idraulica con disco diamantato.
L’esecuzione del taglio è uno dei passi della procedura più importanti e da esso che poi
dipenderanno i risultati raggiunti.
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Indagine a martinetti piatti
7. Misura dei punti di convergenza
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Indagine a martinetti piatti
8. Inserimento del martinetto e collegamento dello stesso al circuito di carico, ossia alla
pompa
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Indagine a martinetti piatti
9. Spurgo dell’aria contenuta all’interno del martinetto e messa in pressione graduale
dell’olio
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Indagine a martinetti piatti
10. Annotazione della pressione dell’olio e la corrispondente misura della divergenza alle
basi fino a quando non viene letta all’estensimetro la stessa misura registrata all’inizio ed
indicata come lettura “zero”.
A questo punto si hanno a
disposizione le misure delle basi
e le pressioni corrispondenti lette
sul manometro volta per volta.
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Indagine a martinetti piatti
11. Estrazione del martinetto
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Indagine a martinetti piatti
12. Parametri meccanici nelle prove con singolo martinetto
Durante la fase di pressurizzazione del martinetto, si effettuano misure molto ravvicinate
delle basi in modo tale da determinare con precisione il punto e quindi la pressione che
ripristina le condizioni iniziali.
In questa condizione si legge al manometro della pompa la pressione e si provvede ad
annotarla. Questa pressione non è quella di cui noi teniamo conto ai fini della
determinazione della tensione in sito, ma bisogna tener conto di alcuni coefficienti correttivi
dipendenti dalle dimensioni e forma del martinetto nonché della superficie del taglio.
Si vanno quindi a determinare:
1. l’area del martinetto che indicheremo con Am
2. l’area del taglio che indicheremo con At
Il coefficiente Km, è dipendente dalla taratura effettuata normalmente dalle case costruttrici
dei martinetti.
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine a martinetti piatti
12. Parametri meccanici nelle prove con singolo martinetto
L’altro coefficiente riduttivo, in pratica Ka è determinato come:
Ka 
Am
At
A questo punto possiamo determinare la tensione presente utilizzando i coefficienti di
taratura:
 e  Ka Km Pm
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Indagine a martinetti piatti
L’andamento delle spezzate riportate in figura evidenzia un differente comportamento delle
basi di misura all’aumentare della pressione. In particolare risulta che la base 1 “ritorna”
nella configurazione precedete al taglio, molto più rapidamente delle altre due basi. Ciò
oltre a rendere difficoltosa l’interpretazione della prova, e quindi la valutazione della
tensione in situ del maschio murario, evidenzia un comportamento molto disomogeneo del
paramento murario. Considerando il tipo di muratura in esame potrebbe essere successo
che all’interno delle coppie di punti della base 1, andando verso la base 2, possa essere
presente nella muratura un elemento lapideo di dimensioni o caratteristiche meccaniche
molto differenti e tale da provocare un assorbimento del carico fortemente disomogeneo.
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Indagine a martinetti piatti
La metodologia con martinetto piatto doppio ha la finalità di realizzare in sito una prova di
compressione su un prisma di muratura.
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Indagine a martinetti piatti
Infatti i tagli da effettuare vengono predisposti con il fine di interrompere la continuità su
due superfici della struttura. Con questa operazione si isola un prisma o cubo di struttura, ed
i martinetti in opera fungono da piatti di una pressa, configurando cosi in sito la tipica prova
monoassiale di compressione. Anche in questo caso eseguiti i tagli, si inseriscono i due
martinetti, si collegano al sistema idraulico e si da inizio alla prova, sottoponendo il prisma
ad incrementi di carico costante e misurando gli stati deformativi sulle basi predisposte. Il
test si protrae fino a quella condizione in cui il diagramma tensione-deformazione diventa
asintotico.
Indagine a martinetti piatti
La prova con doppio martinetto è eseguita eventualmente in due fasi distinte; la prima
consente la determinazione dello stato tensionale esistente nella muratura, la seconda
consente la determinazione del modulo di deformabilità.
Le sequenze di prova si possono riassumere nelle seguenti operazioni:
Operazione 1: fissaggio delle coppie di punti di misura, in questo caso sono previste almeno
tre coppie di punti in senso verticale ed una in senso orizzontale. Verrà presa nota della
“lettura zero” delle varie basi;
Operazione 2: esecuzione dei tagli ed accurata misura degli stessi;
Operazione 3: inserimento dei martinetti nei tagli e collegamenti degli
stessi alla pompa con percorso in parallelo in modo da avere pressioni
e quindi carichi identici all’interno dei due martinetti;
Operazione 4: Spurgo dell’aria contenuta all’interno dei martinetti;
Operazione 5: messa in pressione graduale del liquido contenuto
all’interno dei due martinetti ed esecuzione della prova.
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine a martinetti piatti
Nel caso delle prove con doppio martinetto, oltre alle determinazioni che si traggono nel
caso delle prove con singolo martinetto, si possono ottenere altre informazioni:
• Tensione di prima fessurazione;
• Coefficiente di Poisson;
• Moduli elastici tangenti e secanti.
• La tensione di prima fessurazione, si ottiene dall’applicazione della formula già utilizzata
per il calcolo della tensione in sito, sostituendo al posto della pressione di ripristino (Pe) la
pressione che comporta la comparsa delle prime fessure nell’intorno del sito indagato.
Si ha:
 f  K a K m Pf
Indagine a martinetti piatti
•
Il coefficiente di Poisson può essere determinato come:
  o 
v
con o e v rispettivamente deformazione orizzontale e verticale.
•
Infine il modulo di deformabilità può essere calcolato come:
E


con  variazione di tensione e  corrispondente variazione di deformazione.
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Indagine a martinetti piatti
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Indagine a martinetti piatti
IL CONTROLLO DEI MATERIALI MEDIANTE TECNICHE NON DISTRUTTIVE
Indagine a martinetti piatti