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  • Valutazione delle tensioni nei trefoli post-tensionati mediante rumore magnetico di Barkhausen

    Tra 500 e 700 MPa la risposta magnetica di un trefolo da post-tensione sottoposto a trazione inverte la propria tendenza. Il dato, che arriva dalla seconda fase di una campagna sperimentale su cavi post-tesi, disegna il limite principale della tecnica: la relazione tra rumore magnetico di Barkhausen e tensione meccanica non è lineare su tutto l’intervallo di sollecitazione d’interesse, e lo stesso valore di rumore può descrivere sollecitazioni distinte.

    Lo studio è stato presentato da Isabella Mazzatura a FABRE 2026 e sviluppato con l’Università di Padova, S&T&T e Boviar. L’obiettivo è verificare su base sperimentale se le proprietà magnetiche dell’acciaio consentano di stimare le tensioni agenti nei trefoli dei cavi post-tesi senza dover necessariamente ricorrere a prove distruttive. Per le opere esistenti in calcestruzzo precompresso non è un dettaglio: il livello di sollecitazione effettivo dei trefoli entra direttamente nell’analisi del comportamento strutturale e nella valutazione delle condizioni di sicurezza. La relazione porta le firme di Flora Faleschini, Francesca Mattei, Isabella Mazzatura, Anna Pierobon, Carlo Pellegrino, Stefano Tirelli e Filippo Bovio.

    Due fasi di prova tra estensimetri e rumore magnetico

    La prima serie di sperimentazioni, svolta a Padova, ha caricato un trefolo a differenti livelli di tensione, acquisendo il segnale nelle condizioni iniziali e ai successivi incrementi di carico. Ogni misura è stata raccolta su 30 secondi, con il valore medio calcolato su quell’intervallo assunto come grandezza rappresentativa; i parametri di magnetizzazione sono stati scelti tra le configurazioni ricorrenti nella letteratura per acciai di questo tipo. In parallelo, gli estensimetri hanno fornito il termine di confronto per deformazioni e tensioni applicate.

    La correlazione tra rumore e tensione applicata risulta buona, primo indizio positivo sulla sensibilità del metodo. La ricercatrice ha peraltro precisato che il numero di misure resta limitato e non consente conclusioni definitive sull’affidabilità. In questa fase l’inversione di tendenza documentata in altri studi non è comparsa: i livelli di tensione non avevano superato gli 800 MPa circa.

    Un’altra variabile indagata è stata la posizione del punto di misura lungo il trefolo, per capire se la distanza dalla macchina di prova pesi sui risultati. Le differenze tra le zone analizzate non sono risultate particolarmente significative, sebbene le acquisizioni in prossimità della macchina presentino una possibile maggiore variabilità, da verificare con prove dedicate.

    Acquisizioni da 100 secondi e inversione tra 500 e 700 MPa

    La seconda fase nasce per estendere l’intervallo di sollecitazione indagato e cercare sul campo l’inversione segnalata dalla letteratura. Le nuove prove di trazione a carichi più elevati, sempre accompagnate da misure estensimetriche, l’hanno individuata per tensioni comprese indicativamente tra 500 e 700 MPa, in accordo qualitativo con i precedenti sperimentali.

    È cambiata anche la procedura di misura. Posizionare il sistema di acquisizione e l’operatore richiedeva tempi più lunghi per ottenere un segnale sufficientemente stabile: l’intervallo per la determinazione del valore medio è passato da 30 a 100 secondi. La modifica ha aumentato le deviazioni standard delle misure, indizio del fatto che anche le condizioni operative possono incidere sulla dispersione dei risultati. Il cambio di tendenza è emerso dal confronto tra il rumore e le tensioni nominali, stimate anche con gli estensimetri; la variabilità delle acquisizioni è stata rappresentata attraverso le corrispondenti deviazioni standard.

    Il meccanismo fisico dietro il segnale

    Il rumore di Barkhausen si manifesta nei materiali ferromagnetici sottoposti a un campo magnetico variabile. Quando la magnetizzazione macroscopica è quasi nulla, i domini magnetici hanno orientazioni tra loro diverse e i rispettivi contributi si compensano; applicando un campo esterno, i domini tendono a allinearsi progressivamente con esso. Il processo non è però continuo: le pareti dei domini si muovono a scatti, per l’interazione con le discontinuità e i difetti della microstruttura. Ogni scatto produce una variazione improvvisa, rilevabile con un opportuno sistema di misura.

    Contano, ai fini della diagnostica strutturale, la sensibilità del fenomeno allo stato tensionale. Le sollecitazioni meccaniche modificano il comportamento magnetico dell’acciaio e con esso le modalità della magnetizzazione. Negli acciai a magnetostrizione positiva oggetto dello studio, la trazione favorisce l’orientamento della magnetizzazione lungo la direzione della tensione applicata; in certe condizioni ciò facilita la risposta magnetica del materiale e modifica l’intensità misurata. Le compressioni determinano invece effetti differenti sull’orientamento dei domini. Correlare queste variazioni alla tensione è il presupposto dell’intera metodologia.

    Quando lo stesso segnale racconta due tensioni diverse

    La tecnica ha già un passato sperimentale su trefoli provenienti da infrastrutture in esercizio. Studi su elementi estratti da viadotti mostrano che, superata una certa soglia di sollecitazione, l’andamento del rumore al crescere della tensione può invertirsi, con una risposta non monotona: a parità di livello di rumore magnetico possono così corrispondere stati tensionali differenti. L’ipotesi di una relazione lineare e univoca tra segnale e tensione non può quindi reggere da sola.

    A complicare il quadro intervengono i fattori estranei alla sollecitazione. La risposta magnetica dipende dai processi di produzione dell’acciaio, dalle caratteristiche microstrutturali, dallo stato del reticolo cristallino superficiale e dalle condizioni della superficie analizzata. Anche impurità, ossidazione, corrosione e vaiolatura (pitting) influiscono sul segnale, introducendo variabilità da tenere in conto nella definizione e nella calibrazione dei protocolli sperimentali.

    Dal laboratorio alle opere: calibrazione e prossime verifiche

    Sul piano applicativo la soglia tra 500 e 700 MPa pesa più del valore numerico in sé: impone procedure di calibrazione capaci di interpretare le misure lungo tutto l’intervallo di tensioni d’interesse. La sola intensità del rumore di Barkhausen, senza informazioni aggiuntive sulle caratteristiche del materiale e sulle condizioni di sollecitazione, potrebbe non bastare a risalire in modo univoco allo stato tensionale del trefolo. Un protocollo affidabile richiederà approfondimenti sia sperimentali sia interpretativi.

    Le campagne di prova in programma valuteranno l’influenza di ossidazione e corrosione sulla qualità del segnale, un aspetto decisivo per le infrastrutture esistenti, dove il degrado altera le caratteristiche superficiali e potenzialmente la risposta magnetica. Seguono due fronti: la geometria del trefolo, costituito da fili avvolti elicoidalmente, una configurazione che può condizionare le condizioni di magnetizzazione e la rappresentatività delle acquisizioni; e i processi di produzione dell’acciaio, responsabili di differenze microstrutturali e di proprietà magnetiche. L’obiettivo è stabilire quanto ciascun parametro contribuisce alla variabilità del segnale e quali condizioni servono per misure affidabili e riproducibili.

    Il passaggio dal laboratorio alle infrastrutture resta, per ora, da compiere. Alla validazione compiuta per la determinazione quantitativa delle tensioni nei trefoli post-tesi dovrà accompagnarsi la caratterizzazione di degrado, geometria e filiera produttiva: da lì dipenderà l’ingresso di questa tecnica tra gli strumenti diagnostici per i sistemi di precompressione e, più in generale, per la conoscenza delle condizioni di conservazione delle opere esistenti.

  • Ancoraggi post-installati in muratura fessurata: requisiti di progettazione e linee guida

    Cinque prove per modalità di rottura nella muratura, ridotte a tre quando l’unico meccanismo possibile è la rottura dell’acciaio: è il campione minimo che la norma di prova ASTM C1892 richiede per determinare la resistenza degli ancoraggi, dalla quale il progetto risale ai valori di calcolo applicando il 65% del carico medio di rottura e il fattore Φ del meccanismo corrispondente. Una prassi interamente sperimentale che fotografa il punto fermo del quadro normativo americano: per gli ancoraggi post-installati in muratura lo standard TMS 402 non prevede verifiche di tipo analitico. Nel cls la situazione è opposta, con il capitolo 17 di ACI 318-19 che da tempo codifica modelli di calcolo calibrati, incluso l’effetto della fessurazione del supporto. Con i criteri di accettazione ICC-ES aggiornati nel 2021 e nel 2023, che inducono i produttori a qualificare e pubblicare dati di resistenza anche su muratura fessurata, soprattutto nelle zone ad alta sismicità, si sono stabilizzate due metodologie di dimensionamento distinte che il progettista deve saper tenere separate.

    Muratura: TMS 402 non prevede verifiche analitiche per i post-installati

    Il capitolo 21 dell’IBC 2024 (sezioni 2107 e 2108) e lo standard di riferimento TMS 402-22, Building Code Requirements and Specification for Masonry Structures, non contengono requisiti di calcolo per gli ancoraggi adesivi e meccanici post-installati. Le sezioni che li riguardano, la 8.1.4.2 del capitolo 8 (verifica alle tensioni ammissibili) e la 9.1.6.2 del capitolo 9 (verifica a resistenza), si applicano agli ancoraggi “inglobati nel getto di riempimento” (grout) e richiedono prove sperimentali per stabilire i carichi ammissibili o le resistenze nominali.

    Il commentario riconosce la molteplicità di configurazioni disponibili sul mercato e rimanda alla letteratura pubblicata dai produttori per le indicazioni di progetto. La sezione 9.1.6.3, dedicata alle resistenze nominali determinate per calcolo per i bulloni ad attacco testato e a barra piegata, resta invece confinata agli ancoraggi gettati in opera. Da qui la filiera ASTM C1892: prove fino a rottura con il minimo di cinque esemplari per modalità di rottura, e resistenze di progetto pari al 65% del carico medio con il fattore Φ associato.

    Report di valutazione e criteri AC01 e AC58: il percorso verso il codice

    In assenza di disposizioni di calcolo, la conformità al codice per i sistemi post-installati in muratura passa spesso per i report di valutazione di prodotto, ammessi dall’IBC 2024 alla sezione 104.2.3.6.1 nell’ambito delle disposizioni sui materiali alternativi della sezione 104.2.3. Li emettono organismi accreditati secondo ISO 17065, come ICC Evaluation Service e i Uniform Evaluation Services di IAPMO, sulla base di criteri di accettazione verificati prima della pubblicazione. La costruzione di un criterio nuovo parte da una domanda allo staff tecnico di ICC-ES, prosegue con la stesura condivisa con richiedente e parti interessate e si chiude con la revisione dell’Evaluation Committee, composto da building officials, che gestisce un processo formale con commenti pubblici e audizioni prima dell’approvazione finale.

    I criteri vigenti sono AC01 (24), seconda edizione, per i sistemi meccanici, e AC58 (24), seconda edizione, per gli adesivi. Entrambi coprono laterizi pieni e cavi e murature in blocchi cavi di cls con getto di riempimento integrale, parziale o assente, nello stato fessurato e non fessurato; le disposizioni di dimensionamento a resistenza sono derivate in misura sostanziale dal capitolo 17 di ACI 318-19, con eliminazioni, modifiche e integrazioni specifiche per la muratura. TMS 402-22 non richiama questi criteri, né le versioni precedenti, nelle proprie disposizioni o nel commentario.

    Ancoraggi nel cls: la metodologia codificata da ACI 318-19

    Il capitolo 19 dell’IBC 2024 (sezione 1901.3) e ACI 318-19, Building Code Requirements for Structural Concrete, riconoscono direttamente i sistemi meccanici a espansione, undercut e a vite e quelli adesivi. La qualifica avviene secondo ACI 355.2 per i meccanici e ACI 355.4 per gli adesivi, con dati di prova verificati da organismi indipendenti secondo i criteri AC 193 e AC 308 e rilascio del report di valutazione ai prodotti conformi. L’impostazione, formalizzata dall’ACI nel 2002, distingue da subito i supporti fessurati da quelli non fessurati.

    La sezione 17.5.1.2 impone che le resistenze nominali si fondino su modelli le cui previsioni concordano in modo sostanziale con i risultati di prove sistematiche e che, per le resistenze legate al cls, l’influenza della fessurazione sia presa in conto. Il tema entra nei calcoli con la resistenza di breakout di base di un ancoraggio singolo a trazione (17.6.2.2.1), dove il coefficiente \(k_c\) vale 24 per gli ancoraggi gettati in opera e 17 per i post-installati; il commentario precisa che \(k_c\) deriva da un’ampia base di prove su cls non fessurato al frattile del 5%.

    La sezione 17.10.3 richiede la qualifica con le prove cicliche simulate sismiche di ACI 355.2 e ACI 355.4 per gli ancoraggi post-installati nelle strutture assegnate alle categorie sismiche SDC C, D, E o F, mentre la sezione 17.10.5.4 fissa il principio: il cls si assume fessurato, salvo dimostrazione che resti non fessurato. Stabilire se le condizioni fessurate siano applicabili è compito del progettista, che può assumerle conservativamente in luogo della verifica puntuale delle singole posizioni. Per le strutture in SDC A o B, dove la fessurazione ai livelli di servizio risulta esclusa, valgono le disposizioni per cls non fessurato.

    Muratura fessurata: i coefficienti introdotti da AC58 e AC01

    TMS 402-22 non richiede né uno stato fessurato né un fattore di sovrarezza del sistema per l’ancoraggio in muratura, gettato in opera o post-installato, e non distingue gli stati fessurato e non fessurato nelle prove e nei calcoli per la resistenza nominale. La svolta arriva dalla filiera dei criteri di accettazione: nel 2019 il settore muratorio ha esaminato l’impatto di una fessura sulle prestazioni complessive dell’ancoraggio, e una revisione sostanziale di AC58 ha ottenuto l’approvazione dell’Evaluation Committee introducendo protocolli di prova su muratura fessurata per gli adesivi. Nel 2021 provvedimenti analoghi sono entrati in AC01 per i meccanici a coppia e a controllo di spostamento, undercut e a vite, con date di conformità fissate al 15 aprile 2023 per AC58 e al 15 agosto 2026 per AC01. Per i produttori, la certificazione tramite report di valutazione passa ormai per le prove previste dai criteri aggiornati, che incorporano i requisiti di dimensionamento a resistenza su muratura fessurata.

    Nella seconda edizione di AC58 l’influenza calcolativa della muratura fessurata compare per la prima volta nella resistenza di breakout di base di un ancoraggio singolo a trazione, \(N_{b,m}\), ricavata dalla relazione 17.6.2.2.1 di ACI 318-19 in forma modificata. Il fattore di efficacia per il breakout nella muratura, \(k_m = 12\), incorpora il fattore di riduzione \(\alpha_{\text{masonry}}\), pari a 0,70, applicato al coefficiente \(k_c = 17\) valevole per i post-installati nel cls.

    Le condizioni di applicazione ricalcano quelle del cls: il dimensionamento per stato fessurato è richiesto quando la struttura è assegnata a SDC C, D, E o F, oppure quando l’analisi strutturale indica una possibile fessurazione ai livelli di servizio, inclusi gli effetti del vento e delle azioni sismiche nella posizione dell’ancoraggio. La valutazione spetta al progettista, che può assumere conservativamente la muratura fessurata senza analisi dedicata; lo stato non fessurato resta utilizzabile se giustificato analiticamente.

    ASD o LRFD: quattro strade per la verifica

    TMS 402-22 ammette sia la verifica alle tensioni ammissibili (ASD, capitolo 8) sia il dimensionamento a resistenza (LRFD, capitolo 9), e le opzioni per gli ancoraggi post-installati sono quattro. La prima segue il capitolo 8 e utilizza i carichi ammissibili a trazione e taglio pubblicati dal produttore, ricavati da prove ASTM C1892 su muratura non fessurata con applicazione di un fattore di sicurezza pari a 5. L’adozione, nel giugno 2026, del criterio ICC-ES AC585, Acceptance Criteria for Mechanical Anchors in Uncracked Masonry Construction, continua a consentire la pubblicazione di dati ASD per muratura non fessurata per gli ancoraggi meccanici, coerenti con TMS 402 e IBC e con la versione storica di AC01.

    La seconda è una via ASD alternativa: ai valori LRFD pubblicati, fessurati o non fessurati, si applica il fattore di conversione α, media pesata dei fattori di carico della combinazione dominante; in una condizione di solo vento, ad esempio, vale 1,67, corrispondente a 1/0,60. La terza replica il capitolo 9 in LRFD, con resistenze di progetto derivanti dal 65% dei carichi medi di rottura ASTM C1892 e dal fattore Φ del meccanismo. La quarta è un LRFD alternativo che poggia interamente sui dati del report di valutazione conforme ai criteri AC01 o AC58 rivisti, validi per entrambi gli stati della muratura.

    Molti report pubblicano già valori di dimensionamento a resistenza, ricavati secondo i criteri di accettazione, per muratura fessurata e non fessurata. Chi opera in ASD può convertire i valori LRFD con α oppure attingere, dove disponibile, ai dati ASD per muratura non fessurata: dopo l’adozione di AC585 alcuni produttori li hanno inseriti nei propri report.

    Limitazioni applicative da presidiare in fase di specifica

    La specifica va preceduta dalla lettura del report di valutazione, che raccoglie le condizioni d’uso del prodotto: resistenza della muratura, orientamento di installazione, condizioni di carico, requisiti di ispezione e obbligo di seguire le istruzioni di montaggio del produttore. Alcune restrizioni ricorrono con frequenza.

    La resistenza a compressione dei blocchi provati dipende dal tipo di ancoraggio: per la muratura a bassa resistenza il minimo si colloca tra 1.500 e 2.000 psi, per quella ad alta resistenza, riservata ai blocchi con getto integrale, la soglia è di 5.000 psi. Per i laterizi la resistenza dell’unità è determinata secondo ASTM C67 e serve alla normalizzazione e alla rendicontazione dei risultati. Gli adesivi richiedono ispezione speciale continua se installati in posizione inclinata orizzontale e sollecitati a trazione sostenuta, mentre le installazioni a extradosso non sono ammesse; sotto azione sismica l’inserimento nelle zone di cerniera plastica è vietato.

    Il montaggio deve rispettare le istruzioni stampate del produttore (MPII): nei supporti cavi, ad esempio, il martello perforatore va impostato in sola rotazione, escludendo la modalità rotazione più percussione. I sistemi non sono valutati per fatica o carichi d’urto, in assenza di un criterio di accettazione approvato, e non possono sorreggere direttamente costruzioni con requisito di resistenza al fuoco. L’installazione nei giunti di testata cavi è vietata nelle murature senza getto o con getto parziale e nelle murature con getto integrale realizzate con blocchi chiusi in testata; è consentita solo nei giunti di testata di murature con getto integrale e blocchi aperti. Per gli adesivi nel laterizio sono infine richiesti tubi a rete (screen tubes).

    Ispezioni speciali: cosa viene controllato in cantiere

    I requisiti di ispezione speciale variano, ma il riferimento comune sono le sezioni 1704 e 1705 dell’IBC e la tabella 4 di TMS 602, con ispezioni periodiche o continue; quelle continue sono obbligatorie per gli ancoraggi adesivi inclinati orizzontalmente e dimensionati per trazione sostenuta. Per la prima installazione di ciascun tipo e dimensione di ancoraggio è previsto un ispettore speciale, chiamato a verificare:

    • tipo e dimensioni dell’ancoraggio;
    • tipo di muratura, resistenza a compressione e spessore;
    • identificazione dell’adesivo e data di scadenza;
    • metodo di foratura con martello perforatore, diametro della punta e conformità ad ANSI B212.15-1994;
    • dimensioni dei fori e procedure di pulizia;
    • installazione al di fuori dei giunti di testata cavi;
    • interasse, distanze dal bordo e di estremità;
    • profondità di incastro;
    • coppia di serraggio;
    • aderenza alle istruzioni stampate del produttore.

    La prassi per l’ancoraggio post-installato in muratura, fessurata o non fessurata, procede su binari propri rispetto al cls: categoria sismica, livelli di carico di servizio e analisi locale stabiliscono lo stato della muratura da assumere, mentre i valori di progetto provengono dai report di valutazione o dalle prove ASTM C1892. Riconoscere limitazioni e requisiti di ispezione è la condizione per un’installazione corretta e per prestazioni del prodotto adeguate.