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Sommario
CAPITOLO 6: Indagini diagnostiche con ultrasuoni ... 2
6.1 CAMPAGNA SPERIMENTALE ... 5
6.1.1 Analisi del danneggiamento ... 5
6.1.2 Valutazione della resistenza del calcestruzzo ... 17
6.1.3 Conclusioni ... 21
6.2 INDAGINI IN SITU ... 23
6.2.1 Esecuzione delle prove ... 23
6.2.2 Discussione dei risultati ... 43
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CAPITOLO 6: Indagini diagnostiche con
ultrasuoni
La campagna di indagini sperimentali è stata svolta in due successive fasi.
La prima fase, condotta presso il Laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Strutturale dell’Università di Pisa, ha avuto come scopo quello di determinare una metodologia di valutazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche di elementi realizzati in conglomerato cementizio armato, mediante l’utilizzo di misure ultrasoniche su appositi provini di calcestruzzo. In particolar modo, è stata focalizzata l’attenzione sulla possibilità di risalire alla resistenza del calcestruzzo e al suo livello di danneggiamento, mediante misure della velocità di propagazione e l’analisi del segnale rilevato al passaggio delle onde ultrasoniche attraverso il calcestruzzo.
La seconda fase di indagini è stata invece condotta in situ ed ha previsto l’esecuzione di indagini ultrasoniche sui pilastri che risultavano maggiormente danneggiati; sulla base delle esperienze condotte precedentemente in laboratorio, dall’analisi di questi dati si sono ottenute informazioni riguardo allo stato di danneggiamento di tali pilastri.
La strumentazione da utilizzare per le prove con ultrasuoni viene indicata dalla norma UNI
EN12504-4:2005, secondo cui “l'apparecchiatura consiste in un generatore di impulsi
elettrici, una coppia di trasduttori, un amplificatore e un dispositivo elettronico per la misurazione dell'intervallo di tempo che intercorre tra la partenza di un impulso generato dal trasduttore emittente e il suo arrivo al trasduttore ricevente.“
Come generatore di impulsi elettrici è stato utilizzato uno strumento Controls, modello 58-E0049/A caratterizzato da 2 sonde a 54 kHz e risoluzione di 0,1µs: la caratteristica di poter modificare la tensione di eccitazione ci ha permesso di calibrare la differenza di potenziale ai capi dei trasduttori, in modo che il segnale non saturasse e che quindi si potesse apprezzare anche l’ampiezza di ciascun picco.
La scelta dell’elemento di accoppiamento tra i trasduttori e il provino è stata effettuata confrontando l’utilizzo di un particolare gel da ultrasuoni e il grasso da vaselina (figura 6.1).
3 Si è notato che il primo prodotto, oltre che assicurare un’applicazione più uniforme sulle sonde, garantisce, a parità di condizioni di prova e di campione analizzato, un tempo di volo minore, seppur di poco, e dunque una migliore trasmissione dell’onda; a ciò si contrappone la maggiore volatilità del prodotto, che fa sì che per prove di lunga durata l’efficacia dell’accoppiamento decresca nel tempo con una non trascurabile variazione del segnale. Viceversa, il grasso da vaselina risulta limitare, seppur di poco, l’ampiezza del segnale, ma ha il vantaggio di garantirne la costanza nel tempo senza che quindi l’oscillogramma cambi in assenza di variazioni dei parametri di interesse quali carico applicato o pressione di contatto tra sonde e provino. Sulla base delle considerazioni fatte, si è scelto di utilizzare il gel da ultrasuoni per le prove di durata minore, mentre per il monitoraggio nel tempo del segnale in uno stesso provino è stato applicato il grasso da vaselina.
Durante l’intera campagna di indagini, oltre all’apparecchiatura sopra descritta, è stato utilizzato un oscilloscopio Tektronix (figura 6.2), modello TDS 210, con larghezza di banda di 60 MHz e velocità di campionamento di 1 GS/s, che permette di visualizzare il fronte d’impulso dell’onda ultrasonica. Lo strumento consente di scegliere di volta in volta le dimensioni della finestra di acquisizione, variando sia la scala dell’asse del tempo (ascisse) sia la scala dell’ampiezza del segnale (ordinata). L’interfaccia grafica permette di avere l’immagine del segnale ricevuto ancora prima di effettuare l’acquisizione dei dati.
Figura 6.1 Elementi di accoppiamento:a sinistra il grasso da vaselina,a destra il gel da ultrasuoni
4 Il segnale registrato è stato poi acquisito al computer tramite il programma di interfaccia “WaveStar for Oscilloscopes” che permette di descrivere l’oscillogramma con un campionamento di 2500 punti all’interno dell’intervallo di tempo visualizzato nell’oscilloscopio: questo ha fatto sì che la frequenza di campionamento del segnale non fosse costante nelle varie misurazioni, ma dipendesse dalla finestra di acquisizione visualizzata per ognuna di esse. Per questo motivo, a seconda dell’obiettivo di ciascuna prova, sono state prese in considerazione diverse finestre di acquisizione del segnale.
Una volta acquisito, il segnale è stato elaborato mediante il programma “FlexPro”, con il quale è stato possibile non solo ottenere grafici e tabelle, ma anche effettuare analisi e trasformazioni del segnale sia nel dominio del tempo sia in quello della frequenza.
Nella figura 6.3 viene infine mostrata l’apparecchiatura utilizzata durante l’intera campagna di indagini, composta dal generatore di impulsi, l’oscilloscopio collegato ai trasduttori emittente e ricevente e un computer per registrare l’oscillogramma.
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CAMPAGNA SPERIMENTALE
6.1.1 Analisi del danneggiamento
La prima fase delle indagini in laboratorio è stata finalizzata alla definizione di un metodo che permettesse di individuare il danneggiamento di un provino di calcestruzzo determinato dal carico di compressione, mediante l’analisi del segnale ultrasonico; la sperimentazione è stata condotta su provini cubici con lato pari a 15 cm, inizialmente integri e successivamente sottoposti a prova di schiacciamento. Le prove sono state condotte per cicli a carico crescente fino alla rottura. Ad ogni ciclo (step), sia in corrispondenza del carico massimo che dello scarico, veniva effettuata la prova con ultrasuoni; l’ultima prova è stata eseguita in corrispondenza dell’ultimo ciclo di carico; nel ciclo successivo si verificava lo schiacciamento del provino. Quindi, la tensione corrispondente all’ultimo step di carico è da intendersi come resistenza del provino.
Durante le prove, le sonde dell’apparecchiatura rimanevano costantemente appoggiate su blocchetti di legno e accostate a due facce opposte non caricate del provino tramite fascette elastiche, in modo che fossero assicurati, durante tutto il corso della prova, il corretto posizionamento e la stessa pressione di accostamento.
La scelta del materiale di interfaccia tra il cubetto e le sonde è ricaduta sul grasso da vaselina, più adatto a prove di lunga durata.
Tra il provino e le superfici metalliche della macchina, sono stati disposti pacchetti di fogli di carta, in modo da evitare una possibile dispersione delle onde ultrasoniche attraverso quest’ultime; inoltre le misure a scarico sono state effettuare a piastra di carico allontanata dal provino.
Una volta disposte le sonde, il provino è stato inserito all’interno della macchina di prova come rappresentato in figura 6.4 .
6 Figura 6.4 Disposizione del provino e delle sonde durante le prove di carico svolte
L’intento delle prove era quello di individuare possibili variazioni del segnale registrato legate al danneggiamento interno causato dall’applicazione del carico di compressione. A questo scopo il segnale registrato ad ogni livello di carico è stato elaborato in termini di:
− tempo di volo;
− ampiezza del segnale;
− energia del segnale;
− ampiezza spettrale;
− frequenza principale.
Il tempo di volo, ovvero l’intervallo di tempo che intercorre tra l’istante di emissione del segnale e l’istante di arrivo del primo fronte d’onda è stato misurato in corrispondenza della prima deviazione del segnale allo zero, tenuto conto della risoluzione dello strumento: date le dimensioni dei provini, tale grandezza è espressa in microsecondi [µs]=[s]*10-6
L’ampiezza del segnale viene presa pari al valore corrispondente al picco massimo, in valore assoluto, che si registra valutando l’intero oscillogramma: essa è espressa come una differenza di potenziale e dunque in Volt [V].
L’energia del segnale viene ottenuta come l’integrale del quadrato dell’ampiezza del segnale, calcolato dall’istante iniziale di acquisizione all’istante finale.
= ( )
7 L’analisi spettrale è stata condotta grazie alla rappresentazione della trasformata di Fourier del segnale registrato; il passaggio dal dominio del tempo a quello delle frequenze è stato dunque operato tramite la relazione:
( ) = ( )
Una volta rappresentato l’oscillogramma nel campo delle frequenze, si è ricavata l’ampiezza
spettrale come il valore del picco massimo del grafico del segnale così ottenuto; la
frequenza in corrispondenza della quale si registra tale picco è invece la frequenza
principale dello spettro del segnale, espressa in Hertz [Hz].
La rappresentazione grafica del segnale, la determinazione dell’energia trasmessa, la trasformazione del segnale dal dominio del tempo a quello delle frequenze sono state effettuate tramite il programma FlexPro.
Nel seguito vengono riportati, per ogni provino testato, i risultati delle misure effettuate; per ciascun provino tali risultati sono raggruppati in due tabelle: nella prima tabella sono riportati i dati relativi alle misure eseguite per ciascun ciclo allo scarico (con piastra di carico sollevata) mentre nella seconda le misure eseguite in corrispondenza del carico massimo di ciascun ciclo (tabelle 6.1÷6.6).
Nelle figure 6.5÷6.12 a titolo di esempio sono riportati i grafici relativi al primo provino. Nelle figure 6.13÷6.20 sono riportati i grafici relativi all’andamento delle caratteristiche del segnale rilevate, per i vari step di carico, nei provini 2 e 3 sotto carico e a scarico.
8 Tabella 6.1. PROVINO 1: risultati delle misure eseguite sotto carico
Step Carico [kN] Tensione [N/mm2] Tempo di volo [µs] Velocità di propagazio ne [m/s] Ampiezza segnale [V] Energia segnale [V2*s] Ampiezza spettrale Frequenza Principale [Hz] 0 0 0,0 41,0 3659 656 134 72 41000 1 200 8,9 40,0 3750 664 130 93 41600 2 400 17,8 40,0 3750 688 138 93 41400 3 600 26,7 40,0 3750 664 87 52 41400 4 700 31,1 42,0 3571 656 92 67 42000 5 800 35,6 44,0 3409 648 111 57 42800 6 900 40,0 52,0 2885 376 11 15 4100
Tabella 6.2. PROVINO 1: risultati delle misure eseguite a scarico
Step Carico Max raggiunto nel ciclo [kN] Tensione Max raggiunta nel ciclo [N/mm2] Tempo di volo [µs] Velocità di propagazio ne [m/s] Ampiezza segnale [V] Energia segnale [V2*s] Ampiezza spettrale Frequenza Principale [Hz] 0 0 0,0 41,0 3659 656 134 72 41000 1S 200 8,9 42,0 3571 664 134 71 41400 2S 400 17,8 42,0 3571 640 117 64 41200 3S 600 26,7 42,0 3571 616 149 64 41600 4S 700 31,1 42,0 3571 600 122 87 40800 5S 800 35,6 44,0 3409 624 86 48 41800 6S 900 40,0 88,0 1705 232 5 15 41200
9 Figura 6.5 PROVINO 1 – Oscillogrammi registrati sotto carico
Figura 6.6 PROVINO 1 – Spettri di frequenza relativi agli oscillogrammi registrati
0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 Tempo [s] 0 500 1000 -500 Step 0 0 500 -500 Step 1 0 500 -500 Step 2 0 500 -500 Step 3 0 500 -500 Step 4 0 500 -500 Step 5 0 500 -500 -1000 Step 6 Ampiezza segnale [V] Amax = 656 V Amax = 664 V Amax = 688 V Amax = 664 V Amax = 656 V Amax = 376 V Amax = 648 V 30000 36000 42000 48000 54000 60000 Frequenza [Hz] 0 80 120 Step 0 0 80 Step 1 0 40 80 Step 2 0 80 Step 3 0 80 Step 4 0 80 Step 5 0 40 80 Step 6 Ampiezza spettrale Amax = 93 f = 41600 Hz Amax = 93 f = 41400 Hz Amax = 52 f = 41400 Hz Amax = 67 f = 42000 Hz Amax = 57 f = 42800 Hz Amax = 15 f = 41000 Hz Amax = 72 f = 41000 Hz
10 Figura 6.7 PROVINO 1 - Oscillogrammi registrati a scarico
Figura 6.8 PROVINO 1 – Spettri di frequenza relativi agli oscillogrammi registrati a scarico
0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 Tempo [s] 0 500 1000 -500 Step 0 0 500 -500 Step 1S 0 500 -500 Step 2S 0 500 -500 Step 3S 0 500 -500 Step 4S 0 500 -500 Step 5S 0 500 -500 -1000 Step 6S Ampiezza segnale [V] Amax = 656 V Amax = 664 V Amax = 640 V Amax = 616 V Amax = 600 V Amax = 232 V Amax = 624 V 30000 36000 42000 48000 54000 60000 Frequenza [Hz] 0 60 90 Step 0 0 60 Step 1S 0 60 Step 2S 0 60 Step 3S 0 60 Step 4S 0 60 Step 5S 0 30 60 Step 6S Ampiezza spettrale Amax = 71 f = 41400 Hz Amax = 64 f = 41200 Hz Amax = 64 f = 41600 Hz Amax = 87 f = 40800 Hz Amax = 48 f = 41800 Hz Amax = 15 f = 41200 Hz Amax = 72 f = 41000 Hz
11 Figura 6.9 PROVINO 1 - Energia dei segnali, registrati a scarico e sotto carico
Figura 6.10 PROVINO 1 - Ampiezze massime degli oscillogrammi (in alto) e degli spettri di frequenza (in basso) registrati a scarico e sotto carico
134 134 117 149 122 86 5 134 130 138 87 92 111 11 1 2 3 4 5 6 0 Step 0 40 80 120 160 200 Energia segnale a scarico sotto carico 656 664 640 616 600 624 232 656 664 688 664 656 648 376 72 64 87 15 72 93 67 15 0 1 2 3 4 5 6 Step 200 400 600 800 1000 Ampiezza segnale [V] 0 40 80 120 Ampiezza spettro a scarico sotto carico
12 Figura 6.11 PROVINO 1 - Tempi di volo registrati a scarico e sotto carico
Figura 6.12 PROVINO 1 - Velocità di propagazione registrate a scarico e sotto carico
41.0 42.0 42.0 42.0 42.0 44.0 88.0 41.0 40.0 40.0 40.0 42.0 44.0 52.0 1 2 3 4 5 6 0 Step 20 40 60 80 100 Tempo di volo [µs] a scarico sotto carico 3659 3571 3571 3571 3571 3409 1705 3659 3750 3750 3750 3571 3409 2885 1 2 3 4 5 6 0 Step 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Velocità di propagazione [m/s] a scarico sotto carico
13 Tabella 6.3. PROVINO 2: risultati delle misure eseguite sotto carico
Step Carico [kN] Tensione [N/mm2] Tempo di volo [µs] Velocità di propagazione [m/s] Ampiezza segnale [V] Energia segnale [V2*s] Ampiezza spettrale Frequenza Principale [Hz] 0 0 0,0 41,6 3606 672 65 156 41000 1 300 13,3 41,6 3606 640 55 156 43000 2 600 26,7 42,0 3571 672 40 131 44000 3 750 33,3 42,4 3538 672 41 125 42000 4 900 40,0 44,0 3409 584 54 220 42000 5 1000 44,4 46,8 3205 576 27 129 42000 6 1100 48,9 59,2 2534 376 11 83 41000
Tabella 6.4. PROVINO 2: risultati delle misure eseguite a scarico
Step Carico Max raggiunto nel ciclo [kN] Tensione Max raggiunta nel ciclo [N/mm2] Tempo di volo [µs] Velocità di propagazi one [m/s] Ampiezza segnale [V] Energia segnale [V2*s] Ampiezza spettrale Frequenza Principale [Hz] 0 0 0,0 41,6 3606 677 65 156 41000 1S 300 13,3 41,6 3606 664 58 176 43000 2S 600 26,7 42,0 3571 664 72 190 44000 3S 750 33,3 42,4 3538 640 66 210 42000 4S 900 40,0 43,6 3440 600 61 149 42000 5S 1000 44,4 46,4 3233 664 50 155 42000 6S 1100 48,9 64,0 2344 560 24 118 41000
14 Figura 6.13 PROVINO 2 - Energia dei segnali, registrati a scarico e sotto carico
Figura 6.14 PROVINO 2 - Ampiezze massime degli oscillogrammi (in alto) e degli spettri di frequenza (in basso) registrati a scarico e sotto carico
65 58 72 66 61 50 24 65 55 40 41 53 27 11 1 2 3 4 5 6 0 Step 0 20 40 60 80 Energia segnale a scarico sotto carico 677 664 664 640 600 664 560 672 640 672 672 584 576 376 156 176 190 210 149 155 118 156 156 131 125 220 129 83 0 1 2 3 4 5 6 Step 0 300 600 900 1200 Ampiezza segnale [V] 0 80 160 240 Ampiezza spettro a scarico sotto carico
15 Figura 6.15 PROVINO 2 - Tempi di volo registrati a scarico e sotto carico
Figura 6.16 PROVINO 2 - Velocità di propagazione registrate a scarico e sotto carico
41.6 41.6 42.0 42.4 43.6 46.4 64.0 41.6 41.6 42.0 42.4 44.0 46.8 59.2 0 1 2 3 4 5 6 Step 0 20 40 60 80 100 Tempo di volo [µs] a scarico sotto carico 3606 3606 3571 3538 3440 3233 2344 3606 3606 3571 3538 3409 3205 2534 0 1 2 3 4 5 6 Step 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900 Velocità di propagazione [m/s] a scarico sotto carico
16 Tabella 6.5. PROVINO 3: risultati delle misure eseguite sotto carico
Step Carico [kN] Tensione [N/mm2] Tempo di volo [µs] Velocità di propagazione [m/s] Ampiezza segnale [V] Energia segnale [V2*s] Ampiezza spettrale Frequenza Principale [Hz] 0 0 0,0 43,6 3440 584 56 168 45000 1 300 13,3 43,6 3440 584 42 157 42000 2 600 26,7 43,2 3472 632 39 137 42000 3 750 33,3 43,2 3472 624 31 133 42000 4 900 40,0 44,4 3378 488 35 184 42000 5 1000 44,4 45,6 3289 600 37 143 42000 6 1100 48,9 47,2 3178 488 28 116 42000 7 1200 53,3 65,6 2287 296 6 55 42000
Tabella 6.6. PROVINO 3: risultati delle misure eseguite a scarico
Step Carico Max raggiunto nel ciclo [kN] Tensione Max raggiunta nel ciclo [N/mm2] Tempo di volo [µs] Velocità di propagazi one [m/s] Ampiezza segnale [V] Energia segnale [V2*s] Ampiezza spettrale Frequenza Principale [Hz] 0 0 0 43,6 3440 689 56 168 45000 1S 300 13,3 43,2 3472 592 57 173 45000 2S 600 26,7 43,2 3472 608 68 192 44000 3S 750 33,3 43,6 3440 608 67 248 44000 4S 900 40,0 44,0 3409 584 49 180 43000 5S 1000 44,4 44,8 3348 568 39 129 43000 6S 1100 48,9 46,4 3233 480 24 86 42000
17 Figura 6.17 PROVINO 3 - Energia dei segnali, registrati a scarico e sotto carico
Figura 6.18 PROVINO 3 - Ampiezze massime degli oscillogrammi (in alto) e degli spettri di frequenza (in basso) registrati a scarico e sotto carico
56 57 68 67 49 39 24 56 42 39 31 35 37 28 6 1 2 3 4 5 6 7 0 Step 0 20 40 60 80 Energia segnale a scarico sotto carico 689 592 608 608 584 568 480 168 156 137 133 184 143 116 168 173 192 248 180 129 86 584 584 632 624 488 600 488 0 1 2 3 4 5 6 Step 400 500 600 700 800 Ampiezza segnale [V] 60 120 180 240 300 Ampiezza spettro a scarico con carico
18 Figura 6.19 PROVINO 3 - Tempi di volo registrati a scarico e sotto carico
Figura 6.20 PROVINO 3 - Velocità di propagazione registrate a scarico e sotto carico
43.6 43.2 43.2 43.6 44.0 44.8 46.4 43.6 43.6 43.2 43.2 44.4 45.6 47.2 65.6 0 1 2 3 4 5 6 7 Step 0 20 40 60 80 100 Tempo di volo [µs] a scarico sotto carico 3440 3472 3472 3440 3409 3348 3233 3440 3440 3472 3472 3378 3289 3178 2287 0 1 2 3 4 5 6 7 Step 2000 2400 2800 3200 3600 4000 Velocitàdi propagazione [m/s] a scarico sotto carico
19
6.1.2 Correlazione resistenza del calcestruzzo – velocità di propagazione
degli ultrasuoni
Indagini sperimentali hanno stabilito delle correlazioni empiriche fra la resistenza del calcestruzzo e la velocità di propagazione degli ultrasuoni; le più consolidate sono quella riportata da G. Trntnik, F. Kavcic e G. Turkin in [13]
= 0,00854 ∗ , ∗ !∗" e quella proposta da M.L. Beconcini e P. Formichi in [14].
= 7,8 + 5,674 ∗ 10 ∗ '( dove in entrambe Rcil è espressa in MPa e la velocità V in m/s.
Le curve sopra riportate sono illustrate nel diagramma di figura 6.21, rispettivamente con linea tratto punto e con linea tratteggiata.
In questa fase ci si è prefissi l’obiettivo di valutare se i dati a nostra disposizione, in termini di coppie di valori velocità degli ultrasuoni – resistenza del calcestruzzo, si trovassero in accordo con le relazioni sopra descritte: per fare questo non solo sono stati presi in considerazione i valori ricavati dalle prove di schiacciamento precedentemente illustrate, ma, per ottenere un campione sufficientemente rappresentativo del fenomeno, sono state valutate anche altre coppie di valori ottenuti da prove eseguite su campioni cubici e cilindrici nel Laboratorio per le prove sui materiali da costruzione dell’Università di Pisa. Nella figura 6.21 le coppie di valori ottenuti dalle prove di schiacciamento viste in precedenza sono messe in evidenza rispetto ai dati ottenuti dalle prove condotte nel Laboratorio dell’Università di Pisa.
Le analisi condotte hanno mostrato come la curva di correlazione proposta da M.L. Beconcini e P. Formichi descriva, in maniera sufficientemente approssimata, la relazione tra la velocità di propagazione degli ultrasuoni e la resistenza del calcestruzzo: in corrispondenza dei dati sperimentali valutati infatti, tale curva ha fatto registrate un indice di correlazione R pari a 0,85.
20 Figura 6.21 Confronto tra la curva di interpolazione considerata e i dati sperimentali
1000 2000 3000 4000 5000 Velocità di propagazione [m/s] 0 20 40 60 80 Dati di Laboratorio Prove di schiacciamento Beconcini Formichi Trntnik, Kavcic e Turkin Resistenza cilindrica
21
6.1.3 Conclusioni
Le indagini condotte in laboratorio hanno permesso di trarre le seguenti considerazioni. Per quanto riguarda l’individuazione del danneggiamento interno del calcestruzzo provocato dallo schiacciamento attraverso prove con ultrasuoni, si è potuto constatare che il parametro maggiormente rappresentativo è l’energia del segnale:infatti, al di sopra di un certo livello di carico applicato, all’aumentare del carico, e quindi del danneggiamento, si registra un progressivo decremento del valore di energia trasmessa, con riduzioni sempre più accentuate man mano che ci si avvicina al carico ultimo fino ad ottenere valori molto bassi all’insorgere dei fenomeni fessurativi; l’efficacia rappresentativa di tale parametro è dovuta al fatto che con esso si riesce a tenere conto in maniera più completa delle variazioni che subisce il segnale nel suo complesso, sia in termini di forma che di valori di ampiezza. Anche i valori di ampiezza del segnale e di ampiezza spettrale possono dare indicazioni sul livello di danneggiamento, in quanto si è visto che diminuiscono all’aumentare della sollecitazione: tuttavia, questa tendenza è meno spiccata rispetto a quella dell’energia, poiché tali parametri hanno per lo più un carattere puntuale e quindi descrivono in maniera meno efficace l’evoluzione dell’intero segnale.
Il tempo di volo si è dimostrato un parametro praticamente costante all’aumentare del carico applicato sul provino, con improvvisi e consistenti decrementi di valore solamente a livelli di carico abbastanza prossimi alla rottura.
Infine, la frequenza principale dello spettro del segnale si è rivelata un parametro sostanzialmente insensibile al danneggiamento del materiale.
Da tali considerazioni si può dedurre che il metodo degli ultrasuoni è in grado di fornire informazioni sullo stato di danneggiamento di un elemento di calcestruzzo: ciò però risulta possibile solo se si supera il normale utilizzo circoscritto alla registrazione del tempo di volo, e dunque alla determinazione della velocità di propagazione, analizzando invece nel complesso l’onda percepita e valutandone le modifiche da essa subite in termini di forma ed ampiezza: a tale fine risulta dunque fondamentale l’utilizzo dell’oscilloscopio, che permette di registrare il segnale percepito.
I risultati ottenuti però non sono sufficienti a determinare con precisione una correlazione tra le citate caratteristiche dell’onda e il livello di danneggiamento interno di un elemento di calcestruzzo: essi dunque indicano un possibile metodo per l’utilizzo degli ultrasuoni come
22 una tecnica diagnostica, ma, per ottenere risultati quantitativi, si suggerisce di approfondire il tema, conducendo ulteriori prove sperimentali che meglio definiscano il fenomeno.
Per quanto riguarda la correlazione fra resistenza del calcestruzzo e velocità di propagazione degli ultrasuoni, si è constatato che il tempo di volo può dare indicazione della classe del calcestruzzo analizzato; nello specifico sono state prese in considerazione due curve di correlazione presenti in letteratura: di esse, la curva proposta da M.L. Beconcini e P. Formichi ha mostrato un buon grado di approssimazione delle misure eseguite in laboratorio, come espresso dall’alto valore del coefficiente di correlazione.
Si è quindi ritenuto di poter fare sufficiente affidamento a tale curva per poter stimare la resistenza del calcestruzzo in situ.
23
6.2
INDAGINI IN SITU
6.2.1 Esecuzione delle prove
Il capannone industriale oggetto del caso studio ha subìto un danneggiamento a causa di un incendio che ha avuto il suo punto di innesco in prossimità della parete che separa la zona adibita a magazzino da quella dedicata alla vendita; in base ad una valutazione visiva dello stato dei pilastri, e considerando che la parete divisoria dotata di strato isolante termicamente ha protetto i pilastri della zona ufficio vendite dagli effetti dell’incendio, le analisi agli ultrasuoni effettuate in situ hanno avuto come fine quello di valutare lo stato di danneggiamento dei pilastri C3, D3, C6, D6. Per fare questo, non solo sono stati sottoposti a indagini alcuni di questi pilastri (nello specifico C3, C6, D3) ma anche due pilastri che, posti a maggiore distanza dal punto di innesco, non hanno subìto un significativo danneggiamento dall’incendio: questo ci servirà per confrontare i dati ottenuti nei due diversi casi e valutare l’eventuale variazione dei parametri che indichi un effettivo peggioramento delle caratteristiche del pilastro.
Il confronto tra i dati sarà tanto più attendibile quanto più, nei due pilastri, saranno simili le condizioni di prova e i carichi agenti: verranno quindi presi in considerazione anche i pilastri A3 (in riferimento a D3) e B6 (relativamente a C3 e C6).
Nella figura 6.22 è riportata la pianta del capannone con l’indicazione dei pilastri sottoposti alle prove in situ.
3 4 6 5 2 1 1 A B C D E F 5 6 4 2 A B 3 Ufficio vendite Magazzino D3 C3 C6 B6 A3
24 Su ogni singolo pilastro le prove sono state condotte in modo da ottenere un numero sufficiente di dati per poter descrivere il fenomeno di propagazione degli ultrasuoni: a questo scopo, per ogni pilastro il segnale è stato rilevato disponendo le sonde ad altezze diverse e ripetendo più volte la misura per ognuna di esse nello stesso punto, con l’accorgimento di staccare di volta in volta le sonde dal pilastro, in modo da valutare anche la ripetibilità della prova.
Si è tenuto conto inoltre della presenza all’interno dei pilastri del pluviale realizzato con un tubo in PVC e delle armature longitudinali e trasversali: come già visto infatti, la presenza di elementi di materiale diverso all’interno del pilastro in calcestruzzo ha una notevole influenza sul fenomeno della propagazione degli ultrasuoni, modificando il segnale sia in termini di ampiezza sia in termini di forma; per risolvere questo inconveniente, le sonde sono state disposte sulle facce del pilastro in modo da evitare che la traiettoria incrociasse questi elementi di disturbo. Per quanto riguarda il pluviale interno, dato che esso risulta sempre centrato nella sezione ed ha un diametro di 14 cm, si è provveduto, tramite semplici considerazioni geometriche, evitando che la traiettoria passasse dal centro del pilastro. Per quanto riguarda le armature invece, si è utilizzato un pacometro per identificarne le posizioni e tracciare un reticolo che delimitasse le zone entro le quali poter effettuare le prove senza avere interferenze a causa dell’acciaio presente.
I punti in corrispondenza dei quali si sono effettuate le prove sono stati scelti ad una certa distanza dal piede del pilastro; inoltre, si è tenuto conto anche dello stato superficiale del calcestruzzo, optando per punti non troppo deteriorati che potessero quindi offrire una superficie di contatto sufficientemente regolare.
Data la particolare posizione dei pilastri D3 e A3, su di essi non si è potuto effettuare una prova ad ultrasuoni per trasmissione diretta; si è quindi svolta una prova con trasmissione semidiretta sfruttando le due uniche facce accessibili dei pilastri in questione.
Viceversa, i pilastri C3, C6 e B6 hanno solo una faccia occupata dalle pareti del fabbricato, dunque sono stati sottoposti ad una prova con trasmissione diretta.
Per ciascun pilastro sono stati fatti due tipi di registrazioni: la prima ha previsto una finestra di acquisizione più ridotta, con lo scopo di definire meglio il segnale nella sua parte iniziale e stimare più correttamente il tempo di volo, mentre con la seconda si è utilizzato una finestra di acquisizione più estesa per meglio definire gli altri parametri da analizzare (ampiezza segnale, ampiezza spettrale, frequenza principale ed energia trasmessa).
25 Nelle figure 6.23 - 6.24 sono mostrati i pilastri oggetti di indagini agli ultrasuoni.
Figura 6.23 Foto dei pilastri D3 (a sinistra) e A3 (a destra)
26 Di seguito nelle figure 6.25–6.26 sono riportati gli schemi delle prove effettuate su ciascun pilastro, con indicazioni sulle quote alle quali sono state eseguite e sulla disposizione degli elementi interni di disturbo (pluviale e armature longitudinali e trasversali).
PILASTRO D3 PILASTRO A3 h=124cm h=146cm h=140cm h=160cm s ta ff e Ø 6 /1 0 s ta ff e Ø 6 /2 0 s ta ff e Ø 6 /1 0 s ta ff e Ø 6 /2 0
27 PILASTRO C3 PILASTRO C6 PILASTRO B6 h=130cm h=113cm h=97cm h=135cm h=120cm h=150cm s ta ff e Ø 6 /1 0 s ta ff e Ø 6 /2 5 s ta ff e Ø 6 /1 0 s ta ff e Ø 6 /2 5 s ta ff e Ø 6 /1 0 s ta ff e Ø 6 /2 5
Figura 6.26 Schema delle prove in situ per trasmissione diretta
Si riportano nel seguito i grafici e le tabelle che illustrano, per ogni pilastro, i dati ottenuti dalle prove effettuate. Verranno prima mostrati i valori riguardanti le prove semidirette effettuate sui pilastri A3 e D3, poi quelli delle prove per trasparenza (pilastri B6, C6 e C3).
28 PILASTRO D3
Nella tabella 6.7 vengono riportati i dati ottenuti dalle prove effettuate sul pilastro D3, separandole informazioni relative alle acquisizioni effettuate con finestra ridotta da quelle ottenute mediante finestra estesa.
Nelle figure 6.27 – 6.28 vengono riportati gli oscillogrammi ottenuti dalle varie prove sul pilastro D3 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Nelle figure 6.29 – 6.30 vengono mostrati gli spettri ottenuti dagli oscillogrammi relativi alle varie prove sul pilastro D3 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Tabella 6.7. Risultati delle prove effettuate sul pilastro D3
Finestra acquisizione Prova Quota [cm] Tempo di volo [µs] Ampiezza segnale [V] Energia segnale Ampiezza spettrale Frequenza principale [Hz] R id o tt a 1 124 103,2 56 0,301 8,62 43000 2 124 127,2 202 4,467 55,81 41000 3 124 118 102 1,151 24,72 43000 4 124 104,8 162 2,307 39,32 41000 5 146 106,8 98 1,149 22,24 32000 6 146 108 90 0,676 17,08 42000 E st es a 7 124 --- 2,85 0,061 103,2 42800 8 124 --- 26,67 4,573 127,2 40800 9 124 --- 11 1,347 118 41200 10 124 --- 20,97 2,723 104,8 40800 11 146 --- 15,7 2,382 106,8 40800 12 146 --- 5,85 0,443 108 40800
29 Figura 6.27 Oscillogramma del pilastro D3 per finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.28 Oscillogramma del pilastro D3 per finestra di acquisizione estesa
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 Tempo [s] 0 100 200 -100 Prova 1 0 100 -100 Prova 2 0 100 -100 Prova 3 0 100 -100 Prova 4 0 100 -100 Prova 5 0 100 -100 -200 Prova 6 Ampiezza segnale [V] Amax = 102 V Amax = 162 V Amax = 90 V Amax = 56 V Amax = 202 V Amax = 98 V 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 Tempo [s] 0 100 200 -100 Prova 7 0 100 -100 Prova 8 0 100 -100 Prova 9 0 100 -100 Prova 10 0 100 -100 Prova 11 0 100 -100 -200 Prova 12 Ampiezza segnale [V] Amax = 18 V Amax = 194 V Amax = 142 V Amax = 118 V Amax = 54 V Amax = 104 V
30 Figura 6.29 Spettro del segnale del pilastro D3 con finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.30 Spettro del segnale del pilastro D3 con finestra di acquisizione ridotta
20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 20 40 60 Prova 1 0 20 40 60 Prova 2 0 20 40 60 Prova 3 0 20 40 60 Prova 4 0 20 40 60 Prova 5 0 20 40 60 Prova 6 Ampiezza spettrale Amax = 39,32 f = 41000 Hz Amax = 17,08 f = 42000 Hz Amax = 24,72 f = 43000 Hz Amax = 8,62 f = 43000 Hz Amax = 55,81 f = 41000 Hz Amax = 22,24 f = 32000 Hz 20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 12 24 Prova 7 0 12 24 Prova 8 0 12 24 Prova 9 0 12 24 Prova 10 0 12 24 Prova 11 0 12 24 Prova 12 Ampiezza segnale Amax = 15,70 f = 40800 Hz Amax = 5,85 f = 40800 Hz Amax = 11,00 f = 41200 Hz Amax = 26,67 f = 40800 Hz Amax = 2,84 f = 42800 Hz Amax = 20,97 f = 40800 Hz
31 PILASTRO A3
Nella tabella 6.8 vengono riportati i dati ottenuti dalle prove effettuate sul pilastro A3, separandole informazioni relative alle acquisizioni effettuate con finestra ridotta da quelle ottenute mediante finestra estesa.
Nelle figure 6.31 – 6.32 vengono riportati gli oscillogrammi ottenuti dalle varie prove sul pilastro A3 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Nelle figure 6.33 – 6.34 vengono mostrati gli spettri ottenuti dagli oscillogrammi relativi alle varie prove sul pilastro A3 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Tabella 6.8. Risultati delle prove effettuate sul pilastro A3
Finestra acquisizione Prova Quota [cm] Tempo di volo [µs] Ampiezza segnale [V] Energia segnale Ampiezza spettrale Frequenza principale [Hz] R id o tt a 1 160 112,8 80 2,434 29,01 41000 2 160 110,4 120 0,974 33,23 41000 3 140 110,4 120 1,114 33,24 41000 4 140 116,4 158 2,070 47,19 40000 5 140 118,4 100 2,070 29,87 40000 E st es a 6 160 --- 100 0,594 18,82 41200 7 160 --- 80 3,260 14,71 41600 8 140 --- 74 2,070 8,01 41200 9 140 --- 64 1,336 12 41200 10 140 --- 156 0,672 26,92 41200
32 Figura 6.31 Oscillogramma del pilastro A3 per finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.32 Oscillogramma del pilastro A3 per finestra di acquisizione estesa
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 Tempo [s] 0 200 -200 Prova 1 0 200 -200 Prova 2 0 200 -200 Prova 3 0 200 -200 Prova 4 0 200 -200 Prova 5 Ampiezza segnale [V] Amax = 80 V Amax = 120 V Amax = 120 V Amax = 158 V Amax = 100 V 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 Tempo [s] 0 80 160 -80 Prova 6 0 80 -80 Prova 7 0 80 -80 Prova 8 0 80 -80 Prova 9 0 80 -80 -160 Prova 10 Ampiezza segnale [V] Amax = 64 V Amax = 156 V Amax = 100 V Amax = 80 V Amax = 74 V
33 Figura 6.33 Spettro del segnale del pilastro A3 con finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.34 Spettro del segnale del pilastro A3 con finestra di acquisizione estesa
20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 20 30 40 50 Prova 1 0 20 30 40 Prova 2 0 20 30 40 Prova 3 0 20 30 40 Prova 4 0 10 20 30 40 Prova 5 Ampiezza spettrale Amax = 33,23 f = 40000 Hz Amax = 33,24 f = 40000 Hz Amax = 29,01 f = 41000 Hz Amax = 47,19 f = 41000 Hz Amax = 29,87 f = 41000 Hz 20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 12 18 24 30 Prova 6 0 12 18 24 Prova 7 0 12 18 24 Prova 8 0 12 18 24 Prova 9 0 6 12 18 24 Prova 10 Ampiezza spettrale Amax = 14,71 f = 41200 Hz Amax = 8,01 f = 41200 Hz Amax = 18,82 f = 41200 Hz Amax = 26,92 f = 41600 Hz Amax = 12,00 f = 41200 Hz
34 PILASTRO B6
Nella tabella 6.9 vengono riportati i dati ottenuti dalle prove effettuate sul pilastro B6, separandole informazioni relative alle acquisizioni effettuate con finestra ridotta da quelle ottenute mediante finestra estesa.
Nelle figure 6.35 – 6.36 vengono riportati gli oscillogrammi ottenuti dalle varie prove sul pilastro B6 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Nelle figure 6.37 – 6.38 vengono mostrati gli spettri ottenuti dagli oscillogrammi relativi alle varie prove sul pilastro B6 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Tabella 6.9. Risultati delle prove effettuate sul pilastro B6
Finestra acquisizione Prova Quota [cm] Tempo di volo [µs] Ampiezza segnale [V] Energia segnale Ampiezza spettrale Frequenza principale [Hz] R id o tt a 1 97 115,2 134 5,75 32,13 45000 2 113 115,2 164 18,29 42,96 42000 3 113 113,2 456 16,73 125,32 42000 4 130 111,6 356 3,35 88,41 43000 5 130 111,6 158 19,35 60,71 43000 E st es a 6 97 --- 238 1,89 21,47 41600 7 97 --- 380 2,37 44,2 41600 8 113 --- 300 28,5 34,97 42000 9 113 --- 176 14,2 22,24 41200 10 130 --- 368 3,79 47,71 42400 11 130 --- 376 1,89 54,75 42400 12 130 --- 148 2,37 18,85 42400
35 Figura 6.35 Oscillogramma del pilastro B6 per finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.36 Oscillogramma del pilastro B6 per finestra di acquisizione estesa
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 Tempo [s] 0 300 600 -300 Prova 1 0 300 -300 Prova 2 0 300 -300 Prova 3 0 300 -300 Prova 4 0 300 -300 -600 Prova 5 Ampiezza segnale [V] Amax = 456 V Amax = 356 V Amax = 156 V Amax = 134 V Amax = 164 V 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 Tempo [s] 0 200 400 -200 Prova 6 0 200 -200 Prova 7 0 200 -200 Prova 8 0 200 -200 Prova 9 0 200 -200 Prova 10 0 200 -200 Prova 11 0 200 -200 -400 Prova 12 Ampiezza segnale [V] Amax = 238 V Amax = 380 V Amax = 176 V Amax = 368 V Amax = 148 V Amax = 300 V Amax = 376 V
36 Figura 6.37 Spettro del segnale del pilastro B6 con finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.38 Spettro del segnale del pilastro B6 con finestra di acquisizione estesa
20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 60 90 120 150 Prova 1 0 60 90 120 Prova 2 0 60 90 120 Prova 3 0 60 90 120 Prova 4 0 30 60 90 120 Prova 5 Ampiezza spettrale Amax = 125,32 f = 42000 Hz Amax = 60,71 f = 43000 Hz Amax = 42,96 f = 42000 Hz Amax = 32,13 f = 45000 Hz Amax = 88,41 f = 43000 Hz 20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 40 60 Prova 6 0 40 Prova 7 0 40 Prova 8 0 40 Prova 9 0 40 Prova 10 0 40 Prova 11 0 20 40 Prova 12 Ampiezza spettrale Amax = 47,71 f = 42400 Hz Amax = 54,75 f = 42400 Hz Amax = 34,97 f = 42000 Hz Amax = 44,20 f = 41600 Hz Amax = 21,47 f = 41600 Hz Amax = 22,24 f = 41200 Hz Amax = 18,85 f = 42400 Hz
37 PILASTRO C3
Nella tabella 6.10 vengono riportati i dati ottenuti dalle prove effettuate sul pilastro C3, separandole informazioni relative alle acquisizioni effettuate con finestra ridotta da quelle ottenute mediante finestra estesa.
Nelle figure 6.39 – 6.40 vengono riportati gli oscillogrammi ottenuti dalle varie prove sul pilastro C3 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Nelle figure 6.41 – 6.42 vengono mostrati gli spettri ottenuti dagli oscillogrammi relativi alle varie prove sul pilastro C3 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Tabella 6.10. Risultati delle prove effettuate sul pilastro C3
Finestra acquisizione Prova Quota [cm] Tempo di volo [µs] Ampiezza segnale [V] Energia segnale Ampiezza spettrale Frequenza principale [Hz] R id o tt a 1 120 115,2 83,2 0,84 31,54 43000 2 120 115,2 45,6 0,19 13,73 43000 3 135 113,2 142 1,98 29,79 42000 4 135 111,6 70,4 0,63 14,4 42000 E st es a 5 120 --- 71,2 0,94 9,5 40800 6 120 --- 68,8 0,48 7,66 35200 7 135 --- 74,4 0,78 12,35 40800 8 135 --- 53,6 0,93 9,05 40800
38 Figura 6.39 Oscillogramma del pilastro C3 per finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.40 Oscillogramma del pilastro C3 per finestra di acquisizione estesa
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 Tempo [s] 0 300 600 -300 -600 Prova 1 0 300 600 -300 -600 Prova 2 0 300 600 -300 -600 Prova 3 0 300 600 -300 -600 Prova 4 Ampiezza segnale [V] Amax = 142 V Amax = 70,4 V Amax = 83,2 V Amax = 45,6 V 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 Tempo [s] 0 200 400 -200 -400 Prova 5 0 200 400 -200 -400 Prova 6 0 200 400 -200 -400 Prova 7 0 200 400 -200 -400 Prova 8 Ampiezza segnale [V] Amax = 71,2 V Amax = 74,4 V Amax = 53,6 V Amax = 68,8 V
39 Figura 6.41 Spettro del segnale del pilastro C3 con finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.42 Spettro del segnale del pilastro C3 con finestra di acquisizione estesa
20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 60 90 120 150 Prova 1 0 60 90 120 Prova 2 0 60 90 120 Prova 3 0 30 60 90 120 Prova 4 Ampiezza spettrale Amax = 14,40 f = 42000 Hz Amax = 13,73 f = 43000 Hz Amax = 31,54 f = 43000 Hz Amax = 29,79 f = 42000 Hz 20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 20 40 60 Prova 5 0 20 40 60 Prova 6 0 20 40 60 Prova 7 0 20 40 60 Prova 8 Ampiezza spettrale Amax = 12,35 f = 40800 Hz Amax = 7,66 f = 35200 Hz Amax = 9,50 f = 40800 Hz Amax = 9,05 f = 40800 Hz
40
PILASTRO C6
Nella tabella 6.11 vengono riportati i dati ottenuti dalle prove effettuate sul pilastro C6, separandole informazioni relative alle acquisizioni effettuate con finestra ridotta da quelle ottenute mediante finestra estesa.
Nelle figure 6.43 – 6.44 vengono riportati gli oscillogrammi ottenuti dalle varie prove sul pilastro C6 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Nelle figure 6.45 – 6.46 vengono mostrati gli spettri ottenuti dagli oscillogrammi relativi alle varie prove sul pilastro C6 mediante finestre di acquisizione, rispettivamente, ridotte e estese.
Tabella 6.11. Risultati delle prove effettuate sul pilastro C6
Finestra acquisizione Prova Quota [cm] Tempo di volo [µs] Ampiezza segnale [V] Energia segnale Ampiezza spettrale Frequenza principale [Hz] R id o tt a 1 150 121,2 176 4,45 42,66 41000 2 150 130,8 90 1,26 22,89 45000 3 150 130,8 116 150 37,83 41000 E st es a 4 150 --- 148 4,57 22,05 42800 5 150 --- 142 3,36 21,06 40800
41 Figura 6.43 Oscillogramma del pilastro C6 per finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.44 Oscillogramma del pilastro C6 per finestra di acquisizione estesa
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 Tempo [s] 0 300 600 -300 -600 Prova 1 0 300 600 -300 -600 Prova 2 0 300 600 -300 -600 Prova 3 Ampiezza segnale [V] Amax = 90 V Amax = 116 V Amax = 176 V 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 Tempo [s] 0 200 400 -200 -400 Prova 4 0 200 400 -200 -400 Prova 5 Ampiezza segnale [V] Amax = 142 V Amax = 148 V
42 Figura 6.45 Spettro del segnale del pilastro C6 con finestra di acquisizione ridotta
Figura 6.46 Spettro del segnale del pilastro C6 con finestra di acquisizione estesa
20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 30 60 90 120 150 Prova 1 0 30 60 90 120 150 Prova 2 0 30 60 90 120 150 Prova 3 Ampiezza spettrale Amax = 37,83 f = 41000 Hz Amax = 42,66 f = 41000 Hz Amax = 22,89 f = 45000 Hz 20000 40000 60000 80000 Frequenza [Hz] 0 20 40 60 Prova 4 0 20 40 60 Prova 5 Ampiezza spettrale Amax =22,05 f = 42800 Hz Amax = 21,06 f = 40800 Hz
43
6.2.2 Discussione dei risultati
Come detto, l’analisi dei dati ottenuti dalle prove ad ultrasuoni può avvenire solo mediante confronto dei valori ricavati per pilastri diversi: la scelta di ripetere più volte le prove per ciascuno di essi è stata fatta proprio per poter stimare un valore medio delle caratteristiche del segnale, valutando quindi anche la ripetibilità e l’affidabilità delle rilevazioni effettuate. A questo scopo, sono stati create tabelle che mostrano i valori delle principali grandezze del segnale ultrasonico (ampiezza segnale, ampiezza spettro, tempo di volo, energia trasmessa) per prove dello stesso tipo effettuate su pilastri diversi. Per quanto riguarda il tempo di volo, e quindi la velocità di propagazione, si è fatto riferimento alle acquisizioni effettuate con la finestra ridotta, mentre per le altre grandezze sono state prese in considerazione le acquisizioni con finestra estesa in modo da valutare il segnale in maniera più completa.
Confronto pilastri A3 – D3 (prove a trasmissione semidiretta)
Per quanto riguarda l’ampiezza del segnale e l’ampiezza spettrale, la tabella 6.12 mostra come i valori di tali grandezze siano mediamente maggiori, anche se di poco, nel caso del pilastro D3, cioè nel caso di pilastro danneggiato: questo dato in realtà risulta contrario a ciò che era ipotizzabile, in quanto il danneggiamento dovuto all’incendio indebolisce il calcestruzzo che quindi dovrebbe permettere una minore trasmissione del segnale rispetto al caso di materiale intatto. Questa apparente anomalia viene riscontrata anche valutando l’energia trasmessa: sebbene infatti la differenza tra i risultati dei due diversi pilastri sia limitata, si nota come il pilastro danneggiato garantisca una trasmissione migliore del segnale. Tali incongruenze sono imputabili principalmente a due diverse cause: innanzitutto si deve ricordare come la tipologia di prova, ovvero con trasmissione semidiretta, risulti di limitata affidabilità: questo è dovuto al fatto che con questo tipo di prova il risultato viene condizionato dai fenomeni di riflessione ma soprattutto, al variare dell’inclinazione della traiettoria, cambia la massima potenza sfruttabile dalla misura, la quale sarà però comunque inferiore al caso di trasmissione diretta. Questa osservazione trova conferma nel fatto che i valori registrati per uno stesso pilastro, ripetendo la prova anche nello stesso punto, presentano differenze non trascurabili: ciò è indice di una limitata ripetibilità che è anche una caratteristica delle prove a trasmissione semidiretta. Un altro aspetto che inficia i risultati ottenuti risiede nella differenza di traiettoria: la necessità di evitare di posizionare le
44 sonde in corrispondenza delle barre di armatura longitudinali dei pilastri e quella di collocare le sonde in porzioni non eccessivamente danneggiate (segnatamente per il pilastro D3) ha infatti avuto come conseguenza quella di ottenere traiettorie di trasmissione del segnale di diversa lunghezza; più precisamente, la traiettoria per le prove sul pilastro D3 danneggiato è risultata essere di circa 36,7 cm, mentre quella per il pilastro A3 integro è risultata essere pari a circa 46,1 cm. Questo significa che il segnale, nel caso del pilastro integro, ha dovuto percorrere una traiettoria più lunga di circa il 25% rispetto al caso del pilastro danneggiato: risulta quindi più chiaro il motivo per cui nel caso del pilastro A3, sebbene il materiale non risultasse indebolito dall’incendio e le superfici garantissero una maggiore regolarità di contatto, si sia registrata una maggiore attenuazione del segnale. Nelle figure 6.47 – 6.48 si riporta il confronto tra i valori medi, rispettivamente, dell’energia e dell’ampiezza del segnale, con l’indicazione dei valori massimi e minimi registrati.
Tabella 6.12. Confronto dei dati dei pilastri A3 e D3 con finestra di acquisizione estesa
Pilastro Prova Ampiezza
segnale [V] Ampiezza spettrale Energia segnale A3 6 100 18,82 0,59 7 80 14,71 3,26 8 74 8,01 2,07 9 64 12,00 1,33 10 156 26,92 0,67 MEDIA 94 16,10 1,59 DEVIAZIONE 32 6,50 0,99 D3 7 3 103,2 0,06 8 27 127,2 4,57 9 11 118,00 1,35 10 21 104,80 2,72 11 16 106,80 2,38 12 6 108,00 0,44 MEDIA 115 15,40 2,22 DEVIAZIONE 57 8,20 1,50
45 Figura 6.47 Confronto dei valori medi dell’energia del segnale per le prove su A3 e D3
Figura 6.48 Confronto dei valori medi dell’ampiezza del segnale per le prove su A3 e D3 Pilastro 0 1 2 3 4 5 6 Energia segnale A3 D3 Pilastro 30 60 90 120 150 180 210 Ampiezza segnale [V] A3 D3
46 Per quanto riguarda i tempi di volo ottenuti dalle prove dei due pilastri, dalla tabella 6.13 è possibile notare come il pilastro integro A3 preveda un tempo di attraversamento maggiore di quello danneggiato D3; tuttavia, il pilastro A3 garantisce una maggiore velocità di propagazione del segnale rispetto al pilastro D3 che ha subìto danneggiamento da incendio. Nella figura 6.49 è riportato il confronto tra i valori medi della velocità di propagazione, con indicazione dei valori massimi e minimi registrati per ciascun pilastro.
Tabella 6.13. Confronto dei dati dei pilastri A3 e D3 con finestra di acquisizione ridotta
Pilastro Lunghezza traiettoria [cm] Prova Tempo di volo [µs] Velocità propagazione [m/sec] A3 46,1 1 112,8 4087 2 110,4 4176 3 110,4 4176 4 116,4 3960 5 118,4 3894 MEDIA 113,7 4058 DEVIAZIONE 3,2 114 D3 36,7 1 103,2 3556 2 127,2 2885 3 118 3110 4 104,8 3502 5 106,8 3436 6 108 3398 MEDIA 112 3298 DEVIAZIONE 9,2 258
47 Figura 6.49 Confronto tra i valori medi delle velocità di propagazione delle prove su A3 e D3
Confronto pilastri B6 – C3 – C6 (prove per trasmissione diretta)
Nella tabella 6.14 sono riportati, per ciascun pilastro, i valori registrati riguardanti l’ampiezza del segnale, l’ampiezza spettrale e l’energia trasmessa.
Valutando in primis i valori dell’ampiezza del segnale e dell’ampiezza spettrale, si nota come il pilastro B6, posto a distanza dal punto di innesco dell’incendio, garantisca una migliore trasmissione del segnale e una minore attenuazione del segnale rispetto ai casi dei pilastri C3 e C6. Si osserva inoltre che i valori relativi al pilastro C3, posizionato nelle immediate vicinanze del punto di innesco dell’incendio, siano minori di quelli relativi al pilastro C6 che invece, seppur risultando danneggiato, è posto ad una distanza maggiore. Tali dati dunque suggeriscono un diverso livello di danneggiamento di tali pilastri, con particolare attenzione nei riguardi del pilastro C3 per il quale in media l’ampiezza sia del segnale sia dello spettro assumono valori pari circa al 23% del caso del pilastro non danneggiato. Ulteriori indizi sul diverso livello di danneggiamento dei pilastri considerati possono essere dedotti dai dati relativi all’energia trasmessa: si può infatti notare come nelle prove sul pilastro B6 si registrino valori di energia trasmessa molto maggiori dei casi sui pilastri danneggiati; nello specifico, nel pilastro C6 l’energia trasmessa è circa il 20% del caso del pilastro B6, mentre nel pilastro C3 tali valori si riducono fino a circa il 5-6%.
Pilastro 2700 3000 3300 3600 3900 4200 Velocità propagazione [m/sec] A3 D3
48 La tabella mostra però che i valori relativi all’energia trasmessa hanno una dispersione non trascurabile. Per quanto riguarda i tempi di volo e le velocità di propagazione ottenuti, i risultati appaiono meno espliciti: dalla tabella 6.15 è possibile notare infatti la coincidenza perfetta tra i valori ottenuti per il pilastro B6 (caso non danneggiato) e per il pilastro C3 (caso più danneggiato), mentre si registrano incrementi di tempo di volo di circa il 10% nel caso del pilastro C6 che corrisponde alla situazione intermedia tra i due precedenti casi. Tabella 6.14. Confronto dei dati dei pilastri B6, C6 e C3 con finestra di acquisizione estesa
Pilastro Prova Ampiezza
segnale [V] Ampiezza spettrale Energia segnale B6 6 238 21,47 5,75 7 380 44,2 18,29 8 300 34,97 16,73 9 176 22,24 3,35 10 368 47,71 19,35 11 376 54,75 17,85 12 148 18,85 2,19 MEDIA 284 34,88 12,69 DEVIAZIONE 90 13,32 6,74 C6 4 148 22,05 4,57 5 142 21,06 3,36 MEDIA 145 21,56 3,97 DEVIAZIONE 3 0,49 0,60 C3 5 71 9,50 0,94 6 69 7,66 0,48 7 74 12,35 0,78 8 54 9,05 0,93 MEDIA 67 9,64 0,78 DEVIAZIONE 8 1,71 0,19
49 Tabella 6.15. Confronto dei dati dei pilastri B6, C6 e C3 con finestra di acquisizione ridotta
Pilastro Lunghezza traiettoria [cm] Prova Tempo di volo [µs] Velocità propagazione [m/sec] B6 50 1 115,2 4340 2 115,2 4340 3 113,2 4417 4 111,6 4480 5 111,6 4480 MEDIA 113,4 4412 DEVIAZIONE 1,6 63 C6 50 1 121,2 4125 2 130,8 3823 3 130,8 3823 MEDIA 127,6 3924 DEVIAZIONE 4,5 143 C3 50 1 115,2 4340 2 115,2 4340 3 113,2 4417 4 111,6 4480 MEDIA 113,8 4394 DEVIAZIONE 1,5 59
Nelle figure 6.50-6.52 sono riportati i grafici di confronto tra i valori medi, rispettivamente, dell’energia del segnale, dell’ampiezza del segnale e della velocità di propagazione registrati durante le prove su B6, C6 e C3: in essi vengono inoltre mostrati i valori massimi e minimi registrati di tali grandezze.
50 Figura 6.50 Confronto tra i valori medi dell’energia del segnale ottenuti su B6, C6 e C3
Figura 6.51 Confronto tra i valori medi dell’energia del segnale ottenuti su B6, C6 e C3 Pilastro 0 4 8 12 16 20 Energia segnale C6 B6 C3 Pilastro 0 60 120 180 240 300 360 420 Ampiezza segnale [V] C6 B6 C3
51 Figura 6.52 Confronto tra i valori medi delle velocità di propagazione ottenute su B6, C6 e C3
Pilastro 3600 3800 4000 4200 4400 4600 Velocità di propagazione [m/sec] C6 B6 C3
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6.2.3 Conclusioni
La campagna sperimentale di indagini in situ ha mostrato risultati differenti a seconda del tipo di prova effettuata.
Relativamente alle prove effettuate sui pilastri A3 e D3, i dati ottenuti sono risultati essere pesantemente influenzati dalle modalità non ottimali con cui sono state svolte, ovvero la trasmissione semidiretta del segnale, la quale causa una minore affidabilità del risultato, e la differenza di lunghezza di traiettoria che non ha garantito l’esecuzione delle prove in condizioni perfettamente equivalenti.
Tali problematiche hanno impedito di ottenere indicazioni rilevanti dall’analisi dell’ampiezza del segnale, dell’ampiezza spettrale e dell’energia trasmessa.
Per quanto riguarda le prove effettuate sui pilastri B6 C6 e C3, la possibilità di operare per trasmissione diretta ha favorito l’esecuzione delle prove ultrasoniche permettendo di ottenere qualche indicazione in più rispetto al caso precedente.
I diversi valori di ampiezza del segnale, ampiezza spettrale e energia trasmessa suggeriscono un differente livello di danneggiamento dei pilastri, compatibile con le ipotesi fatte a priori sulla base del punto di innesco dell’incendio che li ha interessati: si è quindi registrato una stretta connessione tra il decremento di tali parametri e il livello di danneggiamento subito dal pilastro. I risultati ottenuti però consentono solamente di ricavare indicazioni qualitative sul danneggiamento interno dei pilastri, mentre indicazioni più precise sarebbero probabilmente ricavabili in seguito a un più ampio programma di prove sperimentali condotte sia in laboratorio sia in situ.
Le indagini sul tempo di volo non hanno invece portato a conclusioni precise: ciò è probabilmente dovuto al fatto che il danneggiamento dei pilastri considerati non ha raggiunto valori così elevati da provocare un decremento anche della velocità di propagazione.
