dipartimento di chimica, materiali e ingegneria chimica “g. natta” politecnico di milano la...

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