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4.3 Project Level Deterioration Model

4.3.1 Descrizione del fenomeno

I “mechanistic models” permettono di determinare la microrisposta della struttura, causate dai carichi che agiscono e dalle condizioni ambientali. Tale microrisposta include la nucleazione del danno, la crescita di tale difetto e l’impatto che esso può avere sulla sicurezza e la manutenzione della struttura. Questi modelli sono usati per l’analisi a livello di progetto e per l’analisi della sicurezza delle strutture, dove il danno è descritto da indicatori misurabili quali: resistenza, tensioni, spostamenti, etc. I meccanismi di danno di un ponte possono essere descritti in tre tipologie:

• Danni eccessivi dovuti a collasso totale o parziale (duttile o fragile), snerva-mento, problemi di instabilità (locale o globale), fessure e grandi deformazioni;

• Problemi di usura da parte dei materiali, legate a problemi di fatica e corro-sione;

• Combinazione dei due meccanismi sopra descritti

In letteratura sono presenti diverse formulazioni per calcolare la velocità di carbonatazione. In Gran Bretagna, la formulazione proposta da Browne (1986) è stata la seguente:

x = k√

t (4.6)

Dove x rappresenta la penetrazione al tempo t, mentre k è una costante, ottenuto in seguito a una procedura di calibrazione basata su dati sperimentali. Tale formula venne in seguito migliorata nel seguente modo:

x = kti (4.7)

Dove i rappresenta un parametro che varia tra 0.5 e 1, anch’esso derivato dalla procedura di calibrazione. I meccanismi sopra descritti creano però un complicato processo che varia in base a tanti fattori, quali carico applicato, ambiente, tipologia di struttura e di costruzione, materiali e, soprattutto, dal tipo di manutenzione che è stato eseguito. La maggior parte di questi parametri sono dipendenti dal tempo e casuali, con un grande livello di incertezza. Come risultato, la risposta della struttura è molto volte casuale, con delle grandi fluttuazioni. Tale incertezze possono essere classificate in quattro tipologie:

• Incertezza fisica: rappresenta la natura casuale delle variabili basilari, tra le quali troviamo: variazioni della geometria della struttura (es. variazioni della profondità del copriferro), la disomogeneità intrinseca delle proprietà del ma-teriale (es. resistenza del calcestruzzo), piccole differenze del microambiente di ogni singolo elemento e la variabilità’ del traffico agente.

• Incertezze statistiche: tali incertezze sono derivanti dalle modellazioni dei parametri e dagli indicatori di prestazione utilizzati nei processi stocastici.

Questa incertezza tiene conto del fatto che i dati utilizzati sono comunque limitati per stimare con precisione i parametri statistici che descrivono il modello probabilistico.

• Incertezza del modello: queste sono dovute all’uso di modelli fisici semplificati per descrivere la nucleazione e la crescita del danno, che siano essi dovuti alla corrosione, fessure, etc.

• Incertezze decisionali: essa rappresentano l’incertezza dovuta al livello ac-cettabile di danno o di probabilità di collasso. È un’incertezza abbastanza complessa da definire, perché’ dipende da fattori quali rischio di morte o lesioni, costo di riparazione, etc.

Diversi ricercatori hanno sviluppato quelli che vengono chiamati “reliability-based mechanistic deterioration models” per ponti soggetti ad un’azione ambientale aggressiva, combinata alle azioni dei carichi. Il problema sicuramente di maggiore importanza è quello dovuto allo spargimento dei sali per impedire la formazione di ghiaccio durante l’inverno. Questa corrosione porta alla delaminazione della superficie di calcestruzzo, riducendone la sua sezione, la perdita di aderenza fra le armature d’acciaio e il calcestruzzo, riduzione di resistenza (taglio, flessione, etc.) ed eventualmente la rottura. Il metodo utilizzato per nei comuni BMS è stato proposto da Tuutti (1982), che descrive le prestazioni di una struttura in calcestruzzo esposta all’attacco dei cloruri come un processo costituto da due fasi:

• Initiation stage: serve a descrivere la fase iniziale dell’attacco da parte dei cloruri, che parte dall’esposizione dell’elemento ai cloruri fino all’inizio della corrosione. La corrosione inizia quando viene raggiunto un valore critico di cloruri al livello dell’armatura;

• Propagation stage: inizia quando comincia la corrosione dell’elemento e il suo danneggiamento. Tale danneggiamento prosegue fino alla rottura dell’elemen-to. Nella seguente immagine viene mostrato in maniera grafica il meccanismo di deterioramento precedentemente descritto, in un diagramma età – livello di deterioramento. Come si vede lo stadio 1 arriva fino al tempo T0, in cui inizia l’attivazione della corrosione. La ruggine che si forma attorno alla bar-ra esercita pressione sul calcestruzzo circostante. Tale pressione porta alla rottura del calcestruzzo.

Figura 4.7: Processo di deterioramento dell’acciaio da parte dei cloruri in due fasi Nell’esempio proposto, verrà inserito un terzo stadio, in cui viene studiata la propagazione della fessura all’interno dell’elemento, stadio che avviene successiva-mente alla fase di propagazione della corrosione e all’accumulo di ruggine intorno alla barra. Nella seguente immagine viene mostrato il seguente modello:

Figura 4.8: Processo di deterioramento dell’acciaio da parte dei cloruri in tre fasi

Come si vede, il fenomeno di deterioramento di un impalcato in calcestruzzo armato viene suddiviso in 3 fasi distinte. La prima, in cui i cloruri penetrano al-l’interno del calcestruzzo fino alla barra di armature. Quando tale livello di cloruri raggiunge un livello limite, inizia la corrosione. L’inizio della corrosione provoca l’accumulo di ruggine attorno alla barre. Tale ruggine, avendo un volume mol-to elevamol-to, provoca delle forti tensioni sul calcestruzzo circostante, provocando la propagazione delle fessure all’interno dell’elemento. Questo rappresenta il modello maggiormente accurato per lo studio del deterioramento di un elemento in calce-struzzo armato. La proposta per questo modello e’ stata avuta in una ricerca svolta da Reale e O’Connor [52], a approfondita in seguito nella ricerca [53]. Nel lavoro proposto il modello è stato utilizzato per studiare anche il caso relativo al Dickson Bridge.

Nel seguente schema logico viene mostrato il funziona del meccanismo di de-grado proposto. Si parte calcolando il tempo di inizio della corrosione T1, in cui è necessario conoscere il contenuto di cloruri in superficie, la concentrazione di cloruri critica, l’altezza del copriferro e il rapporto acqua/cemento del calcestruzzo. Una volta che il livello di cloruri supera quello critico, inizia il processo di corrosione.

Si passa quindi al calcolo del tempo T2. Andiamo a calcolare il tasso di corrosione della barra, funzione della resistività del calcestruzzo, e la corrisponde pressione che la ruggine esercita sul calcestruzzo circostante. Per fare questo è necessari co-noscere l’area anodica, quella catodica, l’area iniziale della barra e il coefficiente che definisce la tipologia di corrosione. Una volta nota la pressione di rottura del calcestruzzo, è possibile determinare l’istante temporale in cui abbiamo la forma-zione della prima fessura. Infine, una volta formata la prima fessura, è necessario studiare come essa si propaga. Tale propagazione dipende dalla posizione della fes-sura stessa, se laterale oppure in superficie. Una volta che essa raggiunge il valore limite ammissibile, abbiamo la rottura completa del calcestruzzo.

Tabella 4.1: Schema logico del modello di deterioramento proposto