Degrado dell'acciaio: cosa accade alle strutture metalliche?

Degrado dell’acciaio: cosa accade alle strutture metalliche?

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Il degrado dell’acciaio è un fenomeno che interessa il materiale che, con il calcestruzzo armato, è uno dei materiali ad uso struttu­rale più diffuso al mondo. Esso ha conosciuto uno sviluppo e una diffusione esponenziale negli ultimi due secoli, per le proprietà di resistenza che lo contraddistinguono e per la diffusione della cultura della costruzione prefabbricata, che hanno consentito la costruzione di grandi opere civili e infrastrutturali in tempi impensabili con l’utilizzo di materiali, come il calcestruzzo, che richiedono tempistiche di maturazione una volta posti in opera.

L’acciaio è una lega ferro-carbonio, con percentuali di carbonio ridotte, nella maggior parte dei casi relativi ad opere di ingegneria civile, a valori inferiori all’1%. La percentuale di carbonio presente all’interno della lega influenza notevolmente il suo comportamento, con particolare riferimento alla duttilità, quindi alla capacità del materiale di deformarsi plasticamente sotto l’azione dei carichi prima di giungere a rottura.

In linea generale si può affermare che storicamente , rispetto a quelle in calcestruzzo armato, le strutture in acciaio sono meno soggette ai danni provoca­ti dall’invecchiamento e dal confronto con le sostanze presenti nell’atmosfera.

Questo è legato in primo luogo alle proprietà del materiale metallico, che risulta chimicamente meno vulnerabile e permeabile agli agenti esterni e in secondo luogo ai metodi di realizzazione delle strutture in carpenteria metallica rispetto a quelle in c.a. I primi, per le caratteristiche del materiale, soggetto a colatura e successiva laminazione, prevedono necessariamente la realizzazione dei vari elementi costitutivi la struttura in officina, con rigidi processi di controllo e con la possibilità di lavorare con precisioni impensabili per qualunque struttura gettata in opera. Questo consente di ridurre al minimo tutti quei difetti propri della fase costruttiva che, come si è visto, possono poi comportare l’insorgere di fenomeni di degrado dell’acciaio legati all’interazione della struttura con l’ambiente esterno.

Il principale pericolo per il degrado dell’acciaio è rappresentato dal fenomeno dell’ossidazione. Questo, tuttavia, può essere evitato e controllato attraverso diversi metodi tra cui l’utilizzo di acciaio inossidabile o attraverso meccanismi protettivi come la zincatura o l’applicazione di vernici protettive che evitano il contatto diretto tra l’atmosfera e il materiale metallico. Inoltre, vista la discreta resistenza all’azione chimica, una delle principali cause di degrado dell’acciaio è rappresentata dall’azione dei carichi e dagli effetti che a lungo andare questi possono avere sugli elementi costituenti la struttura.

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Degrado dell’acciaio per azione chimica di agenti esterni

Il principale fenomeno di degrado dell’acciaio è quello della corrosione derivante dalla reazione elettrochimica tra l’acqua, l’ossige­no e il materiale ferroso. Nel caso delle strutture in carpenteria metallica il problema della corrosione provoca la riduzione della sezione resistente con la conseguente diminuzione dei carichi sopportabili da parte dell’elemento interessato.

Sebbene per giungere a una riduzione significativa della resistenza sia necessario un discreto lasso di tempo, si evidenzia come la corrosione indisturbata, possa procedere a ritmi che si avvicinano ad 1 mm/anno, che per le dimensioni tipiche dell’ingegneria civile diventano considerevoli nel giro di pochi anni, soprattutto per quelle strutture progettate per lavorare ad elevati tassi di utilizzo.

Degrado dell'acciaio

Barra filettata in acciaio soggetta a fenomeni corrosivi_ ©Controllo e monitoraggio strutturale degli edifici – Maggioli Editore

Degrado dell'acciaio

Effetti della corrosione sull’elemento, visibili a seguito di approfondita pulizia_ ©Controllo e monitoraggio strutturale degli edifici – Maggioli Editore

La protezione nei confronti di questo tipo di fenomeno, nella maggior parte dei casi, è affidata al procedimento della zincatura a caldo. Questo consiste nell’immersione dell’elemento metallico in un bagno di zinco fuso, che garantisce la creazione di un sottile film di materiale in grado di prevenire il degrado dell’acciaio agendo da anodo, al posto di quest’ultimo, nella reazione di ossidazione.

Proprio per la natura della protezione offerta, che si attua attraverso la conservazione dell’acciaio tramite la fornitura di uno strato sacrificale, questo sistema non può essere considerato definitivo dal momento che, una volta consumato lo strato protettivo, esso andrebbe ripristinato al fine di mantenere un’adeguata protezione per l’elemento sottostante.

Il sistema sicuramente più efficace per prevenire la corrosione è rappresentato dall’utilizzo di acciaio inossidabile, tuttavia questa pratica non è pressoché mai contemplata nell’ambito dell’ingegneria civile, a causa del notevole costo di questo tipo di acciaio nei confronti di quello a più basso tenore di cromo.

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Degrado dell’acciaio per l’azione dei carichi esterni

Una delle principali caratteristiche dell’acciaio da costruzione è rappresentata dall’elevata duttilità. Questa, definibile come la capacità di un materiale di subire deformazioni plastiche prima di giungere a rottura, rappresenta uno dei requisiti fondamentali delle nuove strutture, soprattutto nelle zone ad elevato rischio sismico.

L’importanza di questa proprietà delle strutture risiede non tanto nella capacità di resistenza nei confronti dei carichi, quanto nella capacità, da parte degli elementi strutturali, di manifestare, preventivamente al crollo, il raggiungimento di stati tensionali prossimi a quelli ultimi.

La proprietà suddetta, unitamente alla forte dissipazione di energia, rappresenta una caratteristica fondamentale nei confronti della protezione degli utenti della struttura ed è importante per qualunque strut­tura, indipendentemente dal materiale di cui è costituita.

La deformazione plastica, qualora si evidenzi in una struttura in acciaio, è simbolo evidente di un malfunzionamento, dal momento che oggi la progettazione, salvo eccezioni, è condotta al fine di mantenere il materiale in campo elastico. Questo tipo di deformazione può essere riscontrato in caso di carichi agenti di entità superiore a quanto preventivato in sede progettuale, oppure come conseguenza di danni attribuibili alle fasi di montaggio, come involontari urti.

Degrado dell'acciaio

Lieve deformazione plastica di elemento in acciaio dovuta alla fase di montaggio_ ©Controllo e monitoraggio strutturale degli edifici – Maggioli Editore

In ogni caso, qualora venga palesata una deformazione di questo tipo, è sempre importante procedere all’analisi di ciò che può averla provocata al fine di poter valutare il grado di sicurezza residuo e di prevenire ulteriori deformazioni e rotture, oltre all’accumulo di ulteriori tensioni da parte del materiale.

Nonostante la natura duttile dell’acciaio da costruzione, è possibile che in funzione di parametri come la velocità di applicazione dei carichi, la temperatura e la scala dimensionale degli elementi metallici, esso possa essere soggetto a fenomeni di rottura fragile improvvisa.

Per gli elementi e le dimensioni tipiche delle costruzioni civili questo fenomeno può presentarsi principalmente nelle giunzioni saldate, in cui le caratteristiche del materiale sono alterate dal processo di saldatura e, di conseguenza, il comportamento può assumere caratteri di maggiore imprevedibilità.

Il danneggiamento delle strutture metalliche sotto l’azione dei carichi esterni può anche essere legato alla ripetitività dell’azione di quest’ultimi. Si parla infatti di “degrado dell’acciaio per fatica” nel caso in cui un elemento struttu­rale sia soggetto all’azione di un carico che agisce ripetutamente secondo una determinata frequenza. In questi casi è possibile osservare l’insorgenza di danni nonostante l’entità della singola azione sia compatibile con la resistenza dell’elemento strutturale. Il fenomeno è legato alla nascita, nel tempo, di micro-cricche che, sotto l’azione ripetuta dei carichi esterni, possono aumentare le proprie dimensioni fino a determinare una significativa riduzione di sezione e quindi della resistenza dell’elemento.

Qualora questa subisca una riduzione tale da non essere più in grado di far fronte alle sollecitazioni cui è soggetta si avrà il collasso dell’elemento strutturale, la cui sezione sarà caratterizzata dai classici segnali della rottura per fatica, ossia la divisione in due parti, di cui una liscia ed eventualmente anche ossidata, quella corrispondente alla cricca, e l’altra pulita tipica della rottura duttile avvenuta a sezione ridotta.

Nei confronti della fatica le misure preventive applicabili riguardano principalmente il dimensionamento dell’elemento con ampi margini di sicurezza e la realizzazione del manufatto con particolare attenzione all’uniformità della superficie esterna.

Relativamente a questo problema emerge con grande forza il tema dei controlli strutturali: quando si ha a che fare con una struttura metallica è infatti importante prevedere una serie di verifiche periodiche sulla superficie del materiale, soprattutto per quelle zone, come le saldature, che presentano naturalmente delle discontinuità e diventano vie preferenziali per la nascita e la diffusione delle cricche. Il controllo potrà avvenire tramite una serie di metodi di indagine, come l’esame radiografico e magnetoscopico.

Con il passare del tempo, oltre al fenomeno della fatica possono emergere altre problematiche, tra cui si segnala quella del rilassamento, di interesse soprattutto per quegli elementi o parti di essi soggetti a notevoli sforzi prolungati, come cavi pretesi e bulloni ad alta resistenza. Anche in questi casi il controllo ed il monitoraggio rivestono importanza fondamentale, ed è infatti prassi consolidata la prescrizione di controlli sulla tesatura degli stralli o sulla coppia di serraggio dei bulloni, al fine di evitare spostamenti, deformazioni o perdita di rigidità dei vincoli, che possono portare con sé variazioni nella configurazione statica della costruzione e comportamenti anomali.

Il testo e le immagini sono tratte dal volume:

Controllo e monitoraggio strutturale degli edifici

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Fabio Manzone , 2018, Maggioli Editore

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