dipartimento di chimica, materiali e ingegneria chimica “g. natta” politecnico di milano la...
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Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta”
Politecnico di Milano
La progettazione della durabilità
Luca Bertolini
Politecnico di Milano
Convegno AICAP, “La Durabilità delle strutture in calcestruzzo”Ancona, 27 febbraio 2007
Una struttura deve essere progettata in modo tale che il degrado che si dovesse verificare durante la sua vita utile di progetto non riduca le prestazioni della struttura al disotto del livello previsto, tenendo conto in modo adeguato del suo ambiente e del livello di manutenzione anticipata.
(UNI EN 1990)
La durabilità
La Durabilità, definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle strutture, è una proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezza vengano garantiti durante tutta la vita utile di progetto dell'opera. La durabilità è funzione dell'ambiente in cui la struttura vive e del numero di cicli di carico cui la struttura potrà essere sottoposta.
(Norme tecniche sulle costruzioni)
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
La prevenzione della corrosione
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
La prevenzione della corrosione
Innesco dellacorrosione Fessurazione
del calcestruzzo
Penetrazionedella corrosione
Tempo
Corrosione delle armature e vita utile
Innesco dellacorrosione Fessurazione
del calcestruzzo
Distacco delcalcestruzzo
Penetrazionedella corrosione
Tempo
Corrosione delle armature e vita utile
Innesco dellacorrosione Fessurazione
del calcestruzzo
Distacco delcalcestruzzo
Collasso dellastrutturaPenetrazione
della corrosione
Tempo
Corrosione delle armature e vita utile
Penetrazionedella corrosione
Tempo
Corrosione delle armature e vita utile
ti tp
Vita di servizio
tu = ti + tp
Tem
po (
t)
Profondità dicarbonatazione
s K t
H2O
CO2
c
Corrosione da carbonatazione
Profondità dicarbonatazione
s K t
H2O
CO2
c
Tem
po (
t)
Corrosione da carbonatazione
Profondità dicarbonatazione
s K t
H2O
CO2
c
Tem
po (
t)
Corrosione da carbonatazione
Profondità dicarbonatazione
s K t
H2O
CO2
c
ti
c
tcKi
2
Tempo di innesco:
Tem
po (
t)
Corrosione da carbonatazione
Profondità dicarbonatazione
s K t
H2O
CO2
c
ti
c
Tem
po (
t)
tcKi
2
Tempo di innesco:
Corrosione da carbonatazione
Profondità dicarbonatazione
s K t
H2O
CO2
c
ti
cTempo di propagazione (tp):
- velocità di corrosione (Vcorr)
- penetrazione limite (Plim)
tP
Vplim
corr
Tem
po (
t)
tcKi
2
Tempo di innesco:
Corrosione da carbonatazione
K
c
Plim
Vcorr
Corrosione da carbonatazione
corr
lim2
piu V
P
K
cttt
Corrosione da carbonatazione
corr
lim2
piu V
P
K
cttt
Ambiente/microclima
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15Tempo (anni)
Pro
fond
ità d
i ca
rbo
nata
zio
ne (
mm
)
Esterno(orizzontale)
Esterno(riparato)
Atmosfera asciutta(20°C e 65% U.R.)
K
c
Plim
Vcorr
Corrosione da carbonatazione
corr
lim2
piu V
P
K
cttt
Ambiente/microclima
Calcestruzzo
0
5
10
15
20
25
30
0.40 0.50 0.60 0.70 0.80
Rapporto a/c
K (
mm
/ann
o0.
5 )
Ambiente interno
Carbonatazioneaccelerata
K
c
Plim
Vcorr
Corrosione da carbonatazione
corr
lim2
piu V
P
K
cttt
Ambiente/microclima
CalcestruzzoK
c
Plim
Vcorr
Corrosione da carbonatazione
corr
lim2
piu V
P
K
cttt
Ambiente/microclima
CalcestruzzoK
c
Plim
Vcorr
Geometria c
d
c
d
Calcestruzzo
Corrosione da carbonatazione
corr
lim2
piu V
P
K
cttt
Ambiente/microclima
Calcestruzzo
Ambiente/microclima
K
c
Plim
Vcorr
GeometriaCalcestruzzo
0.1
1
10
40 50 60 70 80 90
Umidità relativa (%)
Ve
loci
tà d
i co
rro
sio
ne
(m
/an
no
)
0% Cl-
0.4% Cl-
1% Cl-
0% Cl-
0.4% Cl-
1% Cl-
Clo
ruri
Profondità
H2O
Cl-
c
Corrosione da cloruri
Tenore critico Clcr
Profondità
H2O
Cl-
c
Clo
ruri
Corrosione da cloruri
Tenore critico Clcr
Profondità
H2O
Cl-
c
Clo
ruri
Corrosione da cloruri
Tenore critico Clcr
Profondità
H2O
Cl-
c
Tenore critico Clcr
Vita di servizio tu ti
Clo
ruri
Corrosione da cloruri
Corrosione da cloruri
Profondità
Clo
ruri
Tenore critico Clcr
c
t = ti
2
2
x
CD
t
C
Dt
xCtxC s
2erf1),(II legge di Fick:
t = 28 anni
Corrosione da cloruri
Dapp
Cs
Clcr
c
Calcestruzzo
Ambiente/microclima
Profondità
Clo
ruri
Tenore critico Clcr
c
t = ti
0
5
10
15
20
25
0.40 0.50 0.60 0.70 0.80
Rapporto a /c
Dap
p (1
0-1
2 m2/
s)
Altezza (m)
-1
0.5
1
1.5
2.0
2.5
0.5
01020304050Profondità (mm)
Cloruri(% in massadi cemento)
2%
5%
1%0.5%0.1%
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
La prevenzione della corrosione
Penetrazionedella corrosione
Tempoti tp
Vita di servizio
tu = ti + tp
Fattori di progetto della durabilità
Fattori di progetto della durabilità
Vita di servizio
tu = ti + tp
AzioniAzionimeccanichemeccaniche
AzioniAzioniambientaliambientali
Protezioniaggiuntive
Progetto dellastruttura
Spessore dicopriferro
Ispezione emanutenzioneprogrammate
Proprietà delcalcestruzzo
Tempo
Profondità dicarbonatazione
a/c
copriferro
ti,1 ti,2 ti,3
stagionatura
Fattori di progetto della durabilità
Proprietà delcalcestruzzo
- Rapporto a/c
- Stagionatura
- Tipo di cemento / aggiunte
- Contenuto di cemento
- Additivi
- Lavorabilità
- Posa in opera
- Resistenza a compressione
- Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...)
0
10
20
30
40
50
60
0 15 30 45% sostituzione
D (
m2 /
s)
CalcareFly ash
Fattori di progetto della durabilità
Proprietà delcalcestruzzo
- Rapporto a/c
- Stagionatura
- Tipo di cemento / aggiunte
- Contenuto di cemento
- Additivi
- Lavorabilità
- Posa in opera
- Resistenza a compressione
- Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...)
Fattori di progetto della durabilità
Proprietà delcalcestruzzo
- Rapporto a/c
- Stagionatura
- Tipo di cemento / aggiunte
- Contenuto di cemento
- Additivi
- Lavorabilità
- Posa in opera
- Resistenza a compressione
- Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, ...)
Proprietà effettivedel calcestruzzo
in opera
controlli
Fattori di progetto della durabilità
Vita di servizio
tu = ti + tp
AzioniAzionimeccanichemeccaniche
AzioniAzioniambientaliambientali
Protezioniaggiuntive
Progetto dellastruttura
Spessore dicopriferro
Ispezione emanutenzioneprogrammate
Proprietà delcalcestruzzo
Spessore dicopriferro
Uno spessore molto alto può avere un comportamento peggiore rispetto a quello atteso (es. maggiore apertura delle fessure).
Spessore effettivo in opera
Fattori di progetto della durabilità
Fattori di progetto della durabilità
Vita di servizio
tu = ti + tp
AzioniAzionimeccanichemeccaniche
AzioniAzioniambientaliambientali
Protezioniaggiuntive
Progetto dellastruttura
Spessore dicopriferro
Ispezione emanutenzioneprogrammate
Proprietà delcalcestruzzo
Drenaggio
Fattori di progetto della durabilità
Progetto dellastruttura
Fattori di progetto della durabilità
Progetto dellastruttura
Elementi sostituibilio protetti
Fattori di progetto della durabilità
Progetto dellastruttura
Fattori di progetto della durabilità
Vita di servizio
tu = ti + tp
AzioniAzionimeccanichemeccaniche
AzioniAzioniambientaliambientali
Protezioniaggiuntive
Progetto dellastruttura
Spessore dicopriferro
Ispezione emanutenzioneprogrammate
Proprietà delcalcestruzzo
Fattori di progetto della durabilità
Vita di servizio
tu = ti + tp
AzioniAzionimeccanichemeccaniche
AzioniAzioniambientaliambientali
Protezioniaggiuntive
Progetto dellastruttura
Spessore dicopriferro
Ispezione emanutenzioneprogrammate
Proprietà delcalcestruzzo
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
La prevenzione della corrosione
Approccio standard
Vita di servizio
tu = ti + tp
AzioniAzionimeccanichemeccaniche
AzioniAzioniambientaliambientali
Protezioniaggiuntive
Progetto dellastruttura
Spessore dicopriferro
Ispezione emanutenzioneprogrammate
Proprietà delcalcestruzzo
11 - Nessun rischio di corrosione o di attacco
22 - Corrosione causata da carbonatazione
33 - Corrosione causata da cloruri
44 - Corrosione causata da cloruri provenienti dall’acqua di mare
55 - Attacco da gelo-disgelo
66 - Attacco chimico
UNI EN 206-1 - Classi d’esposizione
Classe di esposizione
Nessun rischio X0
Corrosione da XC1 (secco/saturo) carbonatazione XC2 (sempre umido)
XC3 (mod. umido) XC4 (cicli bagn.)
Corrosione da cloruri XS1 (sulla costa) da acqua di mare XS2 (sommerso)
XS3 (spruzzi)
Corrosione da cloruri XD1 (mod. umido)da altre fonti XD2 (umido)
XD3 (cicli bagn.)
UNI EN 206-1
UNI EN 206-1 - Valori limite raccomandati
Classe di esposizione Max. Min. Min. cem. a/c resist. (kg/m3)
Nessun rischio X0 - C12/15 -
Corrosione da XC1 (secco/saturo) 0,65 C20/25 260carbonatazione XC2 (sempre umido) 0,60 C25/30 280
XC3 (mod. umido) 0,55 C30/37 280XC4 (cicli bagn.) 0,50 C30/37 300
Corrosione da cloruri XS1 (sulla costa) 0,50 C30/37 300da acqua di mare XS2 (sommerso) 0,45 C35/45 320
XS3 (spruzzi) 0,45 C35/45 340
Corrosione da cloruri XD1 (mod. umido) 0,55 C30/37 300da altre fonti XD2 (umido) 0,55 C30/37 300
XD3 (cicli bagn.) 0,45 C35/45 320
1) nel presupposto di una vita utile di 50 anni2) per CEM I (32,5)
Classe di esposizione
Nessun rischio X0
Corrosione da XC1 (secco/saturo) carbonatazione XC2 (sempre umido)
XC3 (mod. umido) XC4 (cicli bagn.)
Corrosione da cloruri XS1 (sulla costa) da acqua di mare XS2 (sommerso)
XS3 (spruzzi)
Corrosione da cloruri XD1 (mod. umido)da altre fonti XD2 (umido)
XD3 (cicli bagn.)
UNI 11104
UNI 11104 - Valori limite
Classe di esposizione Max. Min. Min. cem. a/c resist. (kg/m3)
Nessun rischio X0 - C12/15 -
Corrosione da XC1 (secco/saturo) 0,60 C25/30 300carbonatazione XC2 (sempre umido) 0,60 C25/30 300
XC3 (mod. umido) 0,55 C28/35 320XC4 (cicli bagn.) 0,50 C32/40 340
Corrosione da cloruri XS1 (sulla costa) 0,50 C32/40 340da acqua di mare XS2 (sommerso) 0,45 C35/45 360
XS3 (spruzzi) 0,45 C35/45 360
Corrosione da cloruri XD1 (mod. umido) 0,55 C28/35 320da altre fonti XD2 (umido) 0,50 C32/40 340
XD3 (cicli bagn.) 0,45 C35/45 360
1) nessuna indicazione della vita utile2) per tutti i cementi della UNI EN 197-1
Prescrizioni sul calcestruzzo (minimo per 50 anni)
- classe di resistenza
- classe di esposizione
- classe di consistenza
- dimensione massima dell’aggregato
C25/30C25/30
S3S3
XC2XC2
30 mm30 mm
Classi X0 e XC1:- almeno 12 ore
Altre classi: - finché non si raggiunge il 50% della resistenza richiesta a 28 giorni
UNI ENV 13670-1 - Durata della stagionatura
Sviluppo della resistenza del calcestruzzo: r = Rcm2/Rcm28
Temperatura della super-ficie del calcestruzzo (T):
Rapidor 0.50
Medior = 0.30
Lentor = 0.15
Molto lento
r 0.15
T 25 1.0 1.5 2.0 3.0
25 > T 15 1.0 2.0 3.0 5
15 > T 10 2.0 4.0 7 10
10 > T 5 3.0 6 10 15
Tempo di stagionatura (giorni)
UNI EN 1992-1 (Eurocodice 2) - Spessore di copriferro
Classe di esposizione Minimo spessore di copriferro (mm) (*)
c.a. c.a.p.
Nessun rischio
X0 10 10
Corrosione da
carbonatazione
XC1 15 25
XC2, XC3 25 35
XC4 30 40
Corrosione da cloruri
XS1, XD1 35 45
XS2, XD2 40 50
XS3, XD3 45 55(*) In funzione della “classe strutturale”
1. Corrosione e vita utile
2. Fattori di progetto
3. Approccio standard
4. Approccio prestazionale
La prevenzione della corrosione
Approccio prestazionale
•richiesta di una vita di servizio elevata,
•elevata aggressività ambientale (es. parti critiche della struttura, zona degli spruzzi, ...)
•inaccessibilità della struttura per controlli,
•elevati costi diretti o indiretti di manutenzione.
Metodi deterministici Metodi probabilistici
Approccio prestazionale
),()( txcctg dddcr
Esempio: Valutazione del tempo di innesco della corrosione da cloruri
g =R(t) - S(t)
Profondità
Clo
ruri
Tenore critico
copriferro
Funzione dello stato limite:
Approccio prestazionale - DuraCrete
Valore di progetto del tenore critico di cloruri
tRt
xerfcctxcctg
dcl
dd
clsdcr
dddcr
/21),()( ,
dcrcd
clsc ,Valore di progetto della concentrazione superficiale di cloruridx Valore di progetto dello spessore di copriferrodclRValore di progetto della resistenza alla penetrazione dei cloruri
Valutazione del tempo di innesco della corrosione da cloruri
Probabilistic Performance Based Durability Design of Concrete Structures
g =R(t) - S(t)
Approccio prestazionale - DuraCrete
Tenore critico di cloruri
crc
ccr
dcr cc
1
Concentrazione superficiale di cloruri
clscls ccd
cls caAc,,
)/(,
Valore di progetto dello spessore di copriferro
xxx cd Valore di progetto della resistenza alla penetrazione dei cloruri
cl
ccl
R
nc
clcc
cle
ccld
cl
tt
kk
RtR
0
,,
0,)(
cR
Resistenza alla penetrazione determinata al tempo t0 con una prova di conformità Cl-
+ -
no Cl-
cls
Approccio prestazionale - Limiti
- Definizione dei parametri di calcolo del modello
- Individuazione delle procedure per le prove di conformità
- Attendibilità dei fattori correttivi
- Verifica dei risultati a lungo termine