Esame critico dei metodi di indagine, distruttivi e non distruttivi, sulle costruzioni

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sueto metodo del carotaggio porta spesso a risultati contradditori. 
   Questi aspetti hanno senz'altro contribuito al diffondersi dei metodi 
a carattere non distruttivo, con i quali, oltre a rilevare le caratteristiche  
di resistenza, è possibile evidenziare molti fattori interessanti la pro-
gettazione, la produzione, la manutenzione, il controllo della sicurez-
za. 
    Nel corso della esecuzione di un'opera in c.a. una delle fasi più deli-
cate è costituita certamente dal controllo delle caratteristiche meccani-
che del conglomerato cementizio. 
    La normativa italiana, in accordo con le normative di molti altri pa-
esi, prescrive che il controllo venga effettuato, durante la esecuzione 
dei lavori, su campioni prelevati al momento della posa in opera. Tali 
campioni vengono poi sottoposti a prove di laboratorio il cui esito i-
dentifica le caratteristiche del materiale; qualora il controllo di accet-
tazione non risulti rispettato, il D.M. 9-1-96 ("Norme tecniche per il 
calcolo,  l’esecuzione  ed il collaudo delle strutture in c.a., normale e 
precompresso e per le strutture metalliche") consente di verificare ul-
teriormente le caratteristiche del conglomerato messo in opera me-
diante prelievo di campioni del calcestruzzo indurito (ad es. carotaggi) 
o con l'impiego di altri mezzi di indagine. Tale possibilità, che per le 
strutture in corso di esecuzione costituisce un ripiego rispetto alla 
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prassi normale, diventa l'unica strada percorribile quando si vogliano 
valutare le caratteristiche di resistenza di calcestruzzi su strutture fini-
te (ad esempio quando si deve effettuare la  ristrutturazione di opere 
dissestate). 
    L'utilizzo dei controlli non distruttivi per l'ispezione e la valutazione 
del calcestruzzo è relativamente nuova. Il lento sviluppo di queste tec-
niche per il conglomerato cementizio è dovuto al fatto che il calce-
struzzo, al contrario dell'acciaio, è un materiale composito ad elevata 
eterogeneità; inoltre, la maggior parte del calcestruzzo viene prodotto 
nelle centrali di betonaggio e successivamente trasportato sul cantiere 
di costruzione. Pertanto, il calcestruzzo in situ è, per sua natura e per i 
metodi di costruzione, altamente variabile e non consente di essere va-
lutato attraverso i metodi tradizionali non distruttivi come, invece, av-
viene facilmente per i manufatti in acciaio. 
    Tuttavia, negli ultimi anni c'è stato un considerevole progresso nello 
sviluppo dei metodi non distruttvi per la valutazione del calcestruzzo. 
Un gran numero di questi metodi è stato standardizzato dall'American 
Society for Testing Materials (ASTM), dall'International Standard Or-
ganization (ISO), e dal British Standard Institute (BSI). 
    Le prove in situ possono dividersi in due tipi, il primo prevede la 
determinazione in situ delle proprietà meccaniche (parametri di resi-
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stenza e costanti elastiche) e chimiche e la successiva esecuzione di 
un'analisi strutturale, con metodi numerici, della quale i parametri spe-
rimentali acquisiti in situ costituiscono il necessario input. Il secondo 
consiste, invece, nella possibilità di eseguire la sperimentazione in situ 
dell'intero organismo strutturale, o di una sua parte, per via statica o 
dinamica. La risposta ottenuta contiene informazioni sul comporta-
mento globale della struttura. Da queste, mediante un processo di i-
dentificazione basato sull'elaborazione di un modello numerico si pos-
sono ricercare le costanti elastiche del calcestruzzo. 
    Si vuole rimarcare l'estrema delicatezza che presenta l'impiego dei 
metodi non distruttivi, che sfruttano correlazioni per la stima di un da-
to parametro dalla misura di un altro, allorché fra i due non esiste un 
legame fisico diretto; i parametri non distruttivi sono infatti influenzati 
da fattori specifici, e ciò può risultare facilmente fuorviante nella sti-
ma del parametro interessato. Infatti possono commettersi degli errori 
se, ad esempio, per il calcestruzzo si opera senza prestare attenzione al 
periodo di maturazione, magari si utilizzano curve di correlazione tra i 
vari parametri riferite a conglomerati di maturazione diversa da quelli 
indagati. Insomma, è importante che nell'utilizzo delle  curve di corre-
lazione, oltre a tenere conto delle caratteristiche elasto-plasto-viscose 
del calcestruzzo, venga attentamente considerato anche il periodo di 
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maturazione. 
    E' stato poi dimostrato che l'attendibilità delle curve di correlazione, 
ottenute su calcestruzzi non sufficientemente omogenei, può risultare 
scarsa o nulla; questo fa sorgere inquietanti perplessità sulla attendibi-
lità di talune relazioni che si trovano in letteratura, perché non sempre 
ricavate  rispettando tale condizione. 
   Altra considerazione da fare riguarda il problema del controllo della 
resistenza del calcestruzzo, che è andato cristallizzandosi sulla con-
suetudine della misura a 28 giorni, trascurando i vantaggi che la tecni-
ca dei controlli anticipati è, oggi, in grado di offrire. Sarebbe pertanto 
importante che i controlli di resistenza, dopo brevissimo tempo dal 
getto, divenissero normale consuetudine, anziché rimanere una possi-
bilità.  
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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CAPITOLO  1 
 
I CONTROLLI DISTRUTTIVI E NON 
DISTRUTTIVI: RASSEGNA DEI PRINCIPALI 
METODI 
 
 
 
1. PREMESSA 
 
    Il moderno concetto di manutenzione programmata delle opere si 
associa a  quello della "durabilità", inteso come possibilità di mantene-
re ad un buon  livello lo stato di servizio di un prodotto o di un suo 
componente per un tempo assegnato.  
     Al tecnico sempre più spesso è demandato il compito di verificare 
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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se le opere realizzate negli ultimi decenni possono continuare a fornire 
le stesse prestazioni previste al momento della loro realizzazione, e 
talvolta di adeguare le stesse per fornire prestazioni superiori. 
   Nel caso di opere in cemento armato, un momento particolarmente 
significativo di questa verifica è costituito dalla determinazione della 
resistenza che il calcestruzzo in sito ancora possiede. 
     Il compito è reso più complesso poiché il più delle volte non si 
hanno a disposizione gli atti di collaudo, e quindi non si posseggono 
notizie storiche sul materiale impiegato. 
   Come è noto, i metodi per la valutazione della resistenza del calce-
struzzo in sito si raggruppano in due grandi categorie: 
     - metodi non distruttivi, 
     - metodi distruttivi. 
    I metodi di prova non distruttivi si differenziano a loro volta in due 
categorie: metodi indiretti, e metodi diretti. 
   Con i metodi indiretti si misura una grandezza fisica relativa al cal-
cestruzzo in opera che poi viene correlata alla resistenza del calce-
struzzo stesso. In questo caso, quindi, la resistenza viene valutata indi-
rettamente tramite  interposta grandezza. 
   Tali metodi, se da una parte risultano molto pratici nella loro appli-
cazione, dall'altro lato hanno l'inconveniente che le grandezze che 
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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fanno da tramite dipendono anche da altri fattori, cosa che non accade 
invece per i metodi diretti che misurano direttamente, secondo le pro-
prie modalità, la resistenza a compressione o a trazione del calcestruz-
zo. 
    Il primo tipo di prove non distruttive include i metodi di misurazio-
ne della durezza superficiale, di penetrazione, i test sonici e quelli che 
misurano la velocità di trasmissione delle onde, che coinvolgono la 
determinazione della frequenza di risonanza e la misura della velocità 
di un'onda di compressione che si propaga attraverso il calcestruzzo. 
Questo tipo di prove, inoltre, include anche i test basati sulla trasmis-
sione di onde di sforzo per la valutazione di difetti o di discontinuità 
che possono essere presenti all'interno del conglomerato o per la misu-
razione dello spessore del calcestruzzo.  
    Altri tipi di prove includono il metodo del pull out, del break-off, di 
pull off, dell'indice di maturazione, nonché i metodi combinati. Alcuni 
di questi metodi non sono propriamente non distruttivi, giacché essi 
provocano leggeri danneggiamenti sulla superficie del calcestruzzo 
che, comunque, si possono ritenere non significativi. 
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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2. METODI DI CONTROLLO NON DISTRUTTIVO 
SUL CALCESTRUZZO 
 
 
2.1 RISONANZA E VELOCITA’ DI TRASMISSIONE DELLE  
ONDE  
 
 
2.1.1 IL METODO DELLA FREQUENZA DI RISONANZA 
 
    La frequenza naturale di vibrazione di un sistema elastico è una 
proprietà dinamica che, nel caso di una trave vibrante, è correlata 
principalmente con il modulo di elasticità e con la  massa volumica. 
Quindi, la frequenza naturale di vibrazione di una trave può essere uti-
lizzata per determinare il suo modulo di elasticità dinamica. Sebbene 
questa relazione tra i due parametri sia valida soltanto per un sistema 
solido omogeneo che risulti anche isotropo e perfettamente elastico, 
essa può essere applicata al calcestruzzo allorquando le dimensioni del 
provino siano elevate rispetto alle dimensioni dei singoli materiali che 
costituiscono il conglomerato cementizio. 
   Nel caso di una barra sottile, lunga e non vincolata, sottoposta ad 
una vibrazione flessionale può essere utilizzata la seguente equazione,  
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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o altra equivalente, che può essere trovata in qualsiasi testo sulla pro-
pagazione del suono: 
 
                                  m
2
k                E                               
                                 2π L
2
               ρ                        (1) 
 
  
Risolvendo per calcolare il modulo elastico (E) si ottiene: 
 
       4π
2
L
4
N
2
ρ 
                                 m
4
k
2 
                      (2) 
 
dove: 
    E = modulo di elasticità dinamico; 
    ρ = densità del materiale; 
    L = lunghezza del provino; 
    N = frequenza fondamentale flessionale; 
    k = raggio di inerzia di una sezione rispetto ad un asse perpendico-
lare al piano di flessione (k = t/     12 per   una sezione rettangolare di 
spessore pari a t); 
    m = costante (4,73 per il modo fondamentale di  vibrazione). 
    Il modulo di elasticità dinamica può essere anche calcolato dalla 
frequenza fondamentale longitudinale di vibrazione di un provino non 
vincolato in accordo con la seguente equazione: 
N  = 
E= 
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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E = 4L
2
ρ N
2 
                      (3) 
 
   Le equazioni (1) e  (3) possono essere ottenute risolvendo le rispet-
tive equazioni differenziali per il moto di una barra vibrante: l'equa-
zione  (1) si ottiene per la vibrazione flessionale di una trave con gli 
estremi liberi; l'equazione (2), invece, si ottiene tenendo presente il 
modo di vibrazione longitudinale. 
   Quindi, la frequenza di risonanza di un provino di calcestruzzo è di-
rettamente correlata al suo modulo di elasticità dinamica. Se il cal- 
cestruzzo subisce un degrado, il modulo di elasticità dinamica verrà 
alterato e, quindi, verrà modificata anche la frequenza di risonanza del 
provino. Pertanto, registrando la variazione della frequenza di riso-
nanza si può desumere la variazione della qualità del calcestruzzo. 
     Il metodo della frequenza di risonanza fu inizialmente sviluppato 
da Powers  negli Stati Uniti nel 1938. Egli determinò la frequenza di 
risonanza confrontando il tono musicale generato in un provino di cal-
cestruzzo, un prisma di dimensioni 51 x 51 x 241 mm, colpito da un 
martello, con il tono  creato da una serie di campane da orchestra. 
    L'errore misurato nel comparare la frequenza del provino di   calce-
struzzo con quella delle campane calibrate fu dell’ordine   del 3%. Il 
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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limite di questo approccio é ovvio a causa della natura soggettiva del 
test. Questo metodo, tuttavia, gettò le basi   per i successivi sviluppi di 
metodi più sofisticati.  
    Nel 1939 Hornibrook  affinò il metodo utilizzando una apparecchia-
tura elettronica per misurare la frequenza di risonanza. Thomson  nel 
1940, Obert and Duvall  nel 1941 e Stanton nel 1944 contribuirono 
successivamente allo sviluppo di questo metodo. In tutti i test che se-
guirono il lavoro di Hornibrook i provini venivano eccitati da una for-
za vibrante. La risonanza veniva individuata allorquando le vibrazioni 
raggiungevano il massimo di ampiezza e la frequenza fondamentale 
veniva modificata. 
    La frequenza di risonanza veniva letta accuratamente su una scala 
graduata di un oscillatore audio. L'apparecchio è generalmente cono-
sciuto come “sonometro” e la tecnica è conosciuta come risonanza 
forzata.    
     L'apparecchiatura per il metodo di risonanza forzata è descritta nel- 
la ASTM C 215, “Standard Test Method for Fundamental, Transvers, 
Longitudinal and Torsional  Frequencies of Concrete Specimen” e 
consiste essenzialmente di due strumenti: uno che genera delle vibra-
zioni meccaniche e l'altro che le capta. La parte principale dell'appa-
recchiatura che genera la vibrazione è costituita da un generatore di 
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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frequenza audio e da un oscillatore elettronico. I dati dell'oscillatore 
vengono amplificati e successivamente inviati ad uno strumento che le 
converte in vibrazioni meccaniche. 
 
 
2.1.2 IL CALCOLO DEL MODULO DI ELASTICITA’, DEL 
MODULO DI RIGIDITA’ E DEL COEFICIENTE DI POISSON  
 
   Il modulo dinamico di elasticità e di rigidità (o anche modulo di ela-
sticità a taglio) e il coefficiente di Poisson del calcestruzzo possono 
essere calcolati per mezzo delle equazioni fornite dalla Norma ASTM 
C 215. Queste equazioni sono state modificate rispetto alle equazioni 
teoriche per poter essere applicate ai provini che sono molto lunghi ri-
spetto alla loro sezione trasversale, e furono sviluppate e successiva-
mente verificate da Pickett,  Spinner e Teftt. Le correzioni apportate 
alle equazioni teoriche riguardano il coefficiente di Poisson e sono 
considerevolmente maggiori per la frequenza di risonanza trasversale 
piuttosto che per la frequenza di risonanza longitudinale. Ad esempio 
un provino  prismatico di dimensioni 102 x 102 x 510 mm ha bisogno 
di  un fattore di correzione di circa il 27% per la frequenza fondamen-
tale di risonanza trasversale; mentre la correzione risulta dello 0,5% 
per la frequenza fondamentale di risonanza longitudinale. I modi di 
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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vibrazione flessionali e longitudinali danno all’incirca gli stessi valori 
per il modulo di  elasticità dinamica. Il modulo di elasticità dinamica 
può variare da 14 GPa per calcestruzzi di mediocre qualità a breve  
stagionatura a 48 GPa per calcestruzzi di buona qualità a  lunghe sta-
gionature. Il modulo dinamico di rigidità è  all’incirca pari al 40% del 
modulo di elasticità . E’ opportuno menzionare che è necessaria una 
maggiore quantità  di energia per la risonanza longitudinale; pertanto, 
la risonanza trasversale viene utilizzata più spesso nei test di laborato-
rio.  
 
 
 2.1.3 PROPRIETA’ DI SMORZAMENTO DEL CALCESTRUZZO 
 
    Lo smorzamento è la proprietà di un materiale le cui vibrazioni li-
bere in un provino decrescono in ampiezza in funzione del tempo.    
Alcuni autori hanno mostrato come alcune proprietà del calcestruzzo 
possono essere correlate con la sua  capacità di smorzamento. 
 
 
2.1.4 FATTORI CHE INFLUENZANO LA FREQUENZA DI 
RISONANZA  E IL MODULO DI ELASTICITA' DINAMICA 
 
I controlli distruttivi  e non distruttivi: rassegna dei  principali metodi 
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    Alcuni fattori influenzano le misure di frequenza di risonanza, il 
modulo di elasticità dinamica o entrambi. Questi fattori includono l'in-
fluenza della composizione del calcestruzzo,  le proprietà degli aggre-
gati, l'effetto della dimensione del provino e delle condizioni di sta-
gionatura.  
 
 
2.1.5  LIMITI E UTILITA' DEL METODO DELLA FREQUENZA 
DI RISONANZA 
 
   Sebbene le apparecchiature principali e le procedure per la  condu-
zione delle prove associate con la tecnica della frequenza di risonanza 
siano state standardizzate in molte nazioni e siano commercialmente 
disponibili delle apparecchiature di facile utilizzo, l'utilità del test è se-
riamente limitata dal fatto che:  
- generalmente questi test vengono condotti su provini di  piccole di-
mensioni e in laboratorio, piuttosto che su elementi  strutturali, perché 
la frequenza di risonanza è influenzata considerevolmente dalle condi-
zioni al contorno e dalle proprietà del calcestruzzo. Le dimensioni dei 
provini utilizzati in queste  prove sono di solito φ  152 x 305 mm per i 
cilindri, e 76 x 76 x 305 mm nel caso dei prismi;