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Analisi del degrado delle strutture con FaTA Next

Il problema della durabilità delle strutture in c.a. è quanto mai attuale e spesso correlato al degrado da corrosione. In genere, il fenomeno è provocato da carbonatazione o attacco cloridrico. Particolarmente significativo nel caso di strutture ubicate vicino al mare, è associato il fenomeno di corrosione localizzata per pitting delle armature
STACEC

1 Introduzione
Il problema della durabilità delle strutture in c.a. è quanto mai attuale e spesso correlato al degrado da corrosione. In genere, il fenomeno è provocato da carbonatazione o attacco cloridrico. Particolarmente significativo nel caso di strutture ubicate vicino al mare, è associato il fenomeno di corrosione localizzata per pitting delle armature. Per tale di corrosione, studi scientifici di letteratura hanno definito riduzioni di resistenza e duttilità sezionale fino al 25% a fronte di una esposizione di 70 anni. Scopo del presente lavoro è stato l’implementazione auto-matica di modelli di degrado per corrosione in un elemento finito di trave a fibre non lineare con formulazione Force-Based in grandi spo-stamenti, disponibile nel codice di calcolo FaTa Next della STACEC Srl. Inoltre l’automazione nella sezione a fibre della seconda legge di Fick per diffusione dei cloruri ha permesso di determinare lo stato di degrado dell’acciaio e del calcestruzzo fessurato in ogni istante tempo-rale definendone la sezione degradata. Tali implementazioni ci hanno permesso con tempi ragionevolmente ridotti, di analizzare diversi scenari di degrado per corrosione relativi a distribuzioni spazio-temporali qualsiasi. Lo scopo finale è stato di valutare la capacità o vita residua della struttura. L’applicazione della metodologia, ad un edificio in calcestruzzo armato esistente caratterizzato da un comportamento a telai piani, tipologicamente appartenente all’edilizia pre-anni ’70 e progettato per soli carichi gravitazionali ha permesso di determinare gli indica-tori di sicurezza sismici per differenti scenari e gradi di corrosione.


2 Degrado per Corrosione – Analisi evolutiva
Il calcestruzzo armato, nel tempo, può essere sottoposto a vari tipi di attacco:
a. per carbonatazione, che consiste nella neutralizzazione dell’alcalinità del calcestruzzo da parte dell’anidride carbonica proveniente dall’ambiente esterno con distruzione del film di ossidi a protezione delle barre;
b. per penetrazione di cloruri, quando sulla superficie delle armature viene raggiunto e superato un determinato tenore critico, tale da distruggere il film protettivo;

Al venir meno delle condizioni di passività, il processo corrosivo delle armature – di natura elettrochimica - può aver luogo se e solo se il calcestruzzo viene a contatto con acqua e ossigeno. La fase di innesco e propagazione prevede le seguenti sottofasi (vedi fig.1-2):
1. t=t1: fase iniziale senza corrosione. Persiste fino a quando la concentrazione di agenti aggressivi non supera determinati limiti per la depassivazione dell’acciaio di armatura;
2. Successivamente si ha la fase di propagazione a tratti: il primo fino a t2=tcr1, tempo in cui si verifica la prima fessura nella superficie del calcestruzzo per corrosione dell’armatura;
3. Il secondo, con velocità di propagazione maggiore per presenza di fessure, si protrae fino a t3=tcr2, tempo in cui non è più soddi-sfatto lo stato limite di esercizio registrandosi lo spalling del calcestruzzo;
4. Infine, il tempo per il quale la riduzione della resistenza è tale da non soddisfare più le richieste imposte dallo stato limite ultimo, denotato con t4=tu.




Fig. 1
a) Rappresentazione schematica del degrado in funzione del danno, Cervenka Consulting
b) Espulsione del copriferro, splitting e spalling failure, Lo Bue
 

3 Modellazione dei meccanismi di degrado per corrosione
Il fenomeno della corrosione ha notevole influenza sul comportamento meccanico di elementi strutturali in cemento armato, in relazione a:
a. Riduzione della sezione trasversale delle barre di armatura;
b. Riduzione delle proprietà meccaniche dell’acciaio (resistenza e duttilità);
c. Fessurazione del calcestruzzo con riduzione resistenza a compressione;
d. Deterioramento del meccanismo di aderenza.

La corrosione comporta una riduzione della sezione della barra e della capacità di allungamento sotto carico della parte di armatura che rimane integra, con tutte le conseguenze sulla duttilità strutturale. L’ossido di ferro (ruggine), che è il prodotto del processo di corrosione, genera un volume maggiore del metallo da cui ha avuto origine. Ciò produce tensioni radiali di compressione (Sc) nel calcestruzzo che circonda la barra e, per l’equilibrio, la nascita di trazioni circonferenziali (Sr). Quando, quest’ultime, raggiungono la resistenza a trazione del conglomerato, si verifica la formazione di fessure, ortogonali alle isostatiche di trazione, ovvero radiali, che possono portare alla completa disgregazione ed espulsione del copriferro (Spalling Failure-figura 1.b). Il legame di aderenza è una delle proprietà fondamentali sulla quali si basa il comportamento del calcestruzzo armato, è anch’esso influenzato dalla corrosione, attraverso i seguenti meccanismi:
 La fessurazione del calcestruzzo;
 Cambiamento delle proprietà all’interfaccia acciaio/calcestruzzo;
 Minor confinamento del calcestruzzo a causa della corrosione delle staffe;
 Instabilità delle armature longitudinali dovuto allo spalling del calcestruzzo;
 Riduzione della risposta ciclica sotto azioni orizzontali con diminuzione dell’energia dissipata e riduzione della capacità rotazionale dell’elemento;



4 Caso di studio
Per meglio comprendere l’effetto che hanno gli indici di degrado per corrosione delle barre di armatura sulla vulnerabilità sismica delle strutture, si riportano alcuni risultati di un caso studio (Fig.2).

Figura.2: Modello geometrico della struttura oggetto di studio


Tabella 1: Caso di studio: Carichi gravitazionali, azioni sismiche, materiali, sezioni e distribuzioni armature


Tabella 2: Caso di studio: Scenari di corrosione


4.1 Analisi pushover – struttura integra

Tabella 3: Caso di studio: Risultati analisi e verifiche struttura integra


4.2 Analisi pushover – struttura con degrado

Tabella 4: Caso di studio: Risultati analisi e verifiche struttura con degrado

5 Confronti e conclusioni

Figura.5: Confronto in termini di resistenza e duttilità struttura integra e con degrado – Risposta Pushover dir X

Dalle analisi e verifiche effettuate, con riferimento ai due scenari di degrado, struttura integra e degradata alla base dei pilastri perimetrali del piano terra, con riferimento all’ azione di Pitting da cloruri su tutte le barre con penetrazione x=1.00 mm per i ferri longitudinali e x=0.50 mm per le staffe e relativo fattore R=3, possiamo dedurre le seguenti considerazioni finali:
1. L’edificio appartenente all’edilizia popolare (inizio anni 70) con travi forti e pilastri deboli, telai unidirezionali, collassa per piano soffice in condizioni integre e degradate;
2. La struttura degradata presenta riduzione a livello sezionale in termini di resistenza e duttilità locale che supera il 30 %;
3. Tale effetto è ancora più evidente a livello globale dove si registra una diminuzione di resistenza e duttilità misurato dalla perdita dell’indicatore di sicurezza sismica pari a 
.
4. I meccanismi di collasso per soft-story o piano debole avvengono per cedimento dell’armatura in trazione per rottura e a com-pressione per instabilità.

Le analisi per tali tipologie di strutture hanno confermato le ipotesi iniziali, per cui risulta necessario incorporare, nei modelli di calcolo e verifica, il degrado per corrosione delle armature affinché non si sovrastimi eccessivamente la sicurezza statica e sismica delle strutture nonché la sua robustezza.
 

 


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