Prescrizioni del Calcestruzzo nei Capitolati Tecnici: osservazioni e suggerimenti

Introduzione

roberto-marino-calcestruzzo.jpgCon l’aggiornamento delle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2018 e della Circolare Ministeriale esplicativa di quest’anno, ritengo che il percorso normativo abbia fatto alcuni dei passaggi necessari che da tempo gli operatori del settore auspicavano.

Naturalmente, come ho potuto sottolineare nei miei precedenti articoli, ci sarebbero alcuni temi che meriterebbero ancora una certa attenzione, come quello che dovrebbe portare alla ridefinizione dei criteri dei Controlli di Accettazione, da parte della Direzione Lavori, in corso d’opera.

Comunque, alla luce di quello che è stato fatto, ritengo, che sia venuto il momento di esaminare alcune prescrizioni che riportano i maggiori Capitolati Tecnici di lavoro, di altrettanto importanti Committenze, in tema, soprattutto, di qualifica dei calcestruzzi necessari per le consuete autorizzazioni ai getti.

In sintesi, gli argomenti che vorrei trattare sono i seguenti:

  • Dossier di prequalifica e qualifica di impianto per i singoli calcestruzzi richiesti dai Capitolati
  • Conformità alla UNI EN 206
  • Resistenza caratteristica in opera

Calcestruzzo: DOSSIER di PREQUALIFICA e QUALIFICA in impianto

I Capitolati elencano – o meglio, dovrebbero sempre elencare - dettagliatamente i contenuti che un dossier di prequalifica deve riportare dopo una attenta progettazione che deve essere condotta in laboratorio, con le relative certificazioni da parte di un Laboratorio Ufficiale.

Faccio notare che in taluni Capitolati si richiede la verifica della classe di consistenza (oltre al classico abbassamento al cono di Abrams) anche con l’impiego della Tavola a Scosse (UNI EN 12350-5), che meglio interpreta la reologia dei calcestruzzi corrispondenti a valori superiori ai 21 cm di cedimento al cono, come specificato nella UNI EN 206:2016, APPENDICE L, alla riga 10 del punto 5.4.1.

Questa fase di studio e progettazione delle miscele risulta essere, di gran lunga, la più importante, perché serve a stabilire preliminarmente i valori target delle grandezze fisico meccaniche e reologiche delle miscele.

In termini di resistenza caratteristica, fck o Rck, il responsabile dello studio di prequalifica deve fare riferimento alle Norme Tecniche per le Costruzioni, Cap 11, par. 11.2.10.1, Caratteristiche del calcestruzzo, Resistenza a compressione, dove si evince quanto segue: 

Sulla base di tale specifica, è bene ricordare quanto scrive l’ERMCO nella sua:

Guidance to the engineering properties of concrete 

del Novembre 2006.

In particolare, al paragrafo relativo alla resistenza caratteristica, e più precisamente al 4.2, Estimation of mean compressive strength, scrive quanto segue:

carte-calcestruzzo-marino-00.jpg

 

Pertanto la resistenza media target, per ogni resistenza caratteristica, richiesta nel caso di provini cubici, deve essere calcolata con un margine (differenza tra Rcm e Rck) non inferiore a 10 MPa, che si ottiene dividendo l’equazione del paragrafo 11.1.20.1, Resistenza a compressione, delle NTC per il coefficiente cilindro/cubo pari a 0,83.

Tale margine dovrà essere poi attentamente verificato durante i controlli in corso d’opera che, di fatto, assumono una importanza rilevante ai fini della conformità ai requisiti di progetto e alla qualità del calcestruzzo fornito.

Ricordiamo che ovviamente debba essere previsto il rispetto dei requisiti relativi alla Classe di Esposizione, al Diametro massimo superiore e al Diametro massimo inferiore, unitamente al massimo rapporto a/c.

Controlli statistici sul Calcestruzzo: una opportunità data dalla Norma

Non si dimentichi, inoltre, che la normativa vigente (sia la UNI EN 206 sia le NTC) non esclude l’applicazione di controlli statistici accurati quali, per esempio, possono essere le carte di controllo del tipo X-bar e R-chart, secondo i modelli di Shewhart, dove X è la media campionaria dei prelievi e R è il rango, cioè la differenza in termini resistivi di due valori consecutivi della popolazione dei dati.

Un esempio, nell’ambito del controllo di produzione, è riportato di seguito dove i prelievi per un Rck 40 (quindi non in famiglia di calcestruzzo come dettano i criteri di conformità della UNI EN 206), effettuati in un determinato spazio temporale, sono in totale 21 con la linea di attenzione inferiore calcolata in conformità alla UNI EN 206, corrispondente a -1,48s, dove s è lo scarto quadratico medio di processo.

Come si può osservare dall’immagine di seguito riportata, la media è leggermente superiore a 10 MPa, lo scarto del processo è leggermente superiore a 2,6 MPa, la media mobile di 5 prelievi consecutivi è molto prossima alla media campionaria (linea centrale della X-bar).

 carte-calcestruzzo-marino-01.jpg

Figura 1: carta X-.bar e R-chart per un Rck 40

Si osservi che i valori di resistenza dei prelievi, nel diagramma X-bar, sono all’interno delle linee di controllo superiore e inferiore, corrispondenti alle linee tratteggiate in rosso, con i limiti calcolati a 3s.

La linea di attenzione superiore, nella X-bar è posta a 2s mentre quella inferiore a -1,48s come viene richiesto dalla UNI EN 206.

Il prelievo 11° nella carta della R-chart supera la linea di attenzione posta a 7,4 MPa, ma ampiamente entro i limiti delle tolleranze naturali posti a 3s.

Il calcestruzzo, per il periodo considerato, è da ritenersi conforme alle prescrizioni dell’Rck 40.

Stante le considerazioni sopra esposte, i Capitolati riportano, nella fase di qualifica all’impianto, dei valori di Rcm su almeno 4 prelievi (2 o più impasti consecutivi, sui quali si dovrebbe chiarirne la procedura) del tipo:

  • per Rck ≤ 30 MPa si deve avere Rcm ≥ 1,15Rck
  • per Rck > 30 MPa si deve avere Rcm ≥ 1,10Rck

oppure:

  • per Rck > 40 MPa si deve avere Rcm ≥ 1,15Rck

e, inoltre,

  • il valore minimo di ogni singolo provino deve essere: Rci ≥ Rck.

Si evince che, se calcolo la Rcm con un aumento del 15 o del 10%, rispetto alla caratteristica di progetto, assolutamente non viene rispettata la Rcm che invece prescrive le NTC.

In effetti, l’ultimo requisito, e cioè che il singolo provino debba essere superiore o uguale a Rck, ci imporrebbe, comunque, per una conformità accettabile in termini probabilistici, almeno un margine di sicurezza pari a 10-12 MPa.

In definitiva, questa parte dei Capitolati andrebbe rivista ampiamente, facendo riferimento semplicemente alle Norme Tecniche per le Costruzioni.

L’importanza della qualifica presso l’impianto di produzione del calcestruzzo

La qualifica presso l’impianto di produzione è doverosa, avendo lo scopo di verificare, soprattutto, la qualità dell’impianto stesso, lo stato delle automazioni, la correttezza delle stampe delle pesate, le percentuali di errori nelle pesate dei componenti, l’omogeneità, etc.

Si deve, però, precisare che la verifica di impianto (prove preliminari) delle miscele di calcestruzzo così come quelle effettuate in laboratorio, rientrano in un quadro che deve essere considerato di tipo “deterministico” e non “statistico” come, invece, dovranno essere interpretati i risultati dei prelievi che si otterranno in corso d’opera.

Si potrebbe concludere che la qualifica in impianto serva sostanzialmente a valutare più l’aspetto tecnico degli stessi impianti piuttosto che verificare i valori target della miscela già qualificata in laboratorio.

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Basti pensare, per esempio, al fatto che i componenti che si andranno ad utilizzare nella verifica di impianto saranno certamente diversi rispetto a quelli impiegati in laboratorio: modulo di finezza delle sabbie, curve granulometriche degli aggregati e, soprattutto, la qualità del cemento, in termini prestazionali, che difficilmente sarà la stessa di quella impiegata in laboratorio.

Ritengo, pertanto, che il vero lavoro di qualifica delle miscele rimanga quello eseguito in laboratorio dove si stabiliscono realmente i valori target, prestazionali e reologici, di progetto per essere conformi alle prescrizioni di Capitolato per ciascuna classe di resistenza richiesta.

Spetterà al controllo di produzione apportare quelle variazioni dei componenti in corso d’opera affinché i target progettuali siano rispettati, senza ricorrere a inutili e obsolete riqualifiche che fanno perdere solo del tempo, nel caso di importanti forniture di cui ai Capitolati citati.

Quest’ultima considerazione ci introduce al prossimo argomento: cosa significa che un impianto di produzione deve essere conforme alla UNI EN 206?

La conformità alla UNI EN 206:2016

In taluni Capitolati, tra i requisiti richiesti all’impresa esecutrice, vi è anche una prescrizione di conformità alla UNI EN 206:2016 da parte del produttore di calcestruzzo.

È un argomento che richiederebbe una attenta valutazione da pare degli attori del processo perché è bene capire quali sono i criteri di conformità alla UNI EN 206.

Non mi sembra che l’attuale Linea Guida per il Controllo di Processo industrializzato del calcestruzzo preconfezionato preveda questo criterio per la certificazione dello stesso Controllo di Processo che, invece, dovrebbe essere discusso e affrontato in maniera decisiva presso le sedi competenti.

Pertanto, alcuni chiarimenti sono necessari e cercherò di illustrarli brevemente di seguito, dal momento che, firmando un contratto di fornitura in cui si richiede tale criterio di conformità, questo comporterà delle scelte, non solo qualitative ma anche economiche.

L’argomento è un po' ostico perché i criteri della UNI EN 206 scaturiscono da considerazioni statistiche di base che non sempre vengono studiate e applicate da noi addetti alla produzione del calcestruzzo.

In linea di massima, per un impianto di produzione continua, essere conformi alla UNI EN 206, significa che si deve essere conformi alla seguente equazione:

Rcm ≥ Rck + 1,48σ (1)

Dove sigma, σ, è lo scarto quadratico medio stimato dell’impianto di produzione calcolato con i risultati di non meno 35 provini trasposti alla Rck di riferimento della famiglia di calcestruzzo, scelta dal produttore per un determinato periodo di valutazione, o anche, la stessa equazione, per una sola resistenza caratteristica oggetto della fornitura.

La stessa norma chiarisce anche i periodi di valutazione di prova in funzione della frequenza dei prelievi.

In questa tabella ho cercato di riassumere i periodi di valutazione proprio in un impianto con frequenze di prova inferiori e frequenze di prova superiori:

Impianti con frequenze di prova minori Impianti con frequenze di prova maggiori

carte-calcestruzzo-marino-03.jpg

La norma stabilisce anche, nel prospetto 18, Criterio di conferma per i membri della famiglia, la media degli n risultati per ogni singolo membro della famiglia sulla base dei prelievi che hanno interessato quella determinata caratteristica facente parte della famiglia.

Inoltre, come appena ricordato, per sigma, σ, si intende la deviazione standard di almeno 35 risultati, che si deduce impiegando la formula classica del calcolo dello scarto, mentre la s è lo scarto che viene calcolato sulla base dei prelievi, come dal prospetto 19:

carte-calcestruzzo-marino-04.jpg 

Tabella 2: verifica degli scarti in raffronto a quella stabilita dai 35 risultati

L’importanza dell’analisi dei margini, rappresentata dal prodotto:

Margine: k σ

dove k è il coefficiente statistico corrispondente al frattile scelto e σ è, come detto, lo scarto quadratico medio stimato della intera popolazione dei dati.

Per definizione di resistenza caratteristica il valore del k è di 1,645 corrispondente al frattile pari al 5%.

In una distribuzione gaussiana, i valori sono tutti rappresentati dalla figura seguente:

carte-calcestruzzo-marino-05.jpg 

Tabella 3: Curva di Gauss e rappresentazione dei valori

Come si può osservare, si definiscono la resistenza media, la resistenza caratteristica di progetto, il margine, la resistenza minima (fck-4) e si definisce il frattile quale area identificativa della stessa resistenza caratteristica.

Rimane da spiegare il k di 1,48 presente nella equazione (1).

Per rispondere alla domanda del perché si sia scelto il k di 1,48 è necessario rifarci agli studi statistici di Taerwe sulle curve operative caratteristiche (OCC) e tratte dalla pubblicazione Quarry Products Association, Guidance on the application of the EN 206 conformity rules.

Nella presente pubblicazione si definisce l’importanza delle OCC che riporto integralmente:

carte-calcestruzzo-marino-06.jpg 

Come descritto, con le OCC si stabilisce una correlazione tra la qualità del calcestruzzo prodotto e la probabilità della accettazione, o meno, quando vengono eseguiti dei controlli applicando i criteri di conformità ai risultati degli stessi.

È bene chiarire al lettore che quando si parla, in questo contesto, di probabilità di accettazione ci si riferisce alla probabilità di essere conformi alla UNI EN 206 ricordando che non c’è alcun riferimento ai Controlli di Accettazione italiani secondo le NTC e a quelli adottati dai paesi membri della Comunità Europea, tra l’altro, molto diversi fra loro.

Nella figura sottostante si evidenzia una OCC nel caso di 15 prelievi coerenti con il numero minimo prescritto dalla normativa europea:

carte-calcestruzzo-marino-07.jpg 

Figura 2: OCC, nelle ordinate la Probabilità di accettazione e nelle ascisse il frattile della curva di Gauss

Il diagramma, come si può osservare, presenta due aree delineate con il tratteggio: una zona, a destra, corrispondente ad un’area definita di non sicurezza e l’altra, a sinistra, di una area definita come area antieconomica.

Le due aree sono sostanzialmente separate dalla linea corrispondente al frattile 5% con il k pari 1,645 e rappresenta una sorta di “border line” tra un calcestruzzo soddisfacente e un calcestruzzo non soddisfacente

Secondo il modello di Taerwe, in altre parole, il primo punto più vicino all’area della non sicurezza è rappresentato da un frattile del 7% corrispondente ad un k pari a 1,48 come indicato dalla freccia: rappresenta, in altri termini, un punto oltre il quale la probabilità di accettazione scende in modo vertiginoso (al 10% scende al 40%, al 20% scende al 15%).

Si osservi che in quel punto la percentuale di accettazione è pari al 50%, con distribuzione del rischio paritetico tra produttore ed utilizzatore, mentre con un frattile pari al 5% e un k pari a 1,645, la probabilità di accettazione è pari a circa al 65%.

In maniera paritetica, se si osservano i frattili sotto il 5%, il punto massimo oltre il quale si passa nella zona più antieconomica è rappresentato da un frattile pari al 2,5% con un k di 1,960 e la probabilità di accettazione è circa dell’85%.

La seguente Tabella mette in relazione frattile e valore di k:

carte-calcestruzzo-marino-08.jpgFigura 3: correlazione tra frattile e k

Naturalmente, se aumento il numero di prelievi, il modello di Taerwe si modifica in questo modo:

carte-calcestruzzo-marino-10.jpg Figura 4: OCC, nelle ordinate la Probabilità di accettazione e nelle ascisse il frattile della curva di Gauss

Man mano che si aumentano i controlli, cioè i prelievi, la percentuale di accettazione aumenta: con 35 risultati, per esempio, la probabilità di accettazione con un k di 1,96 (frattile 2,5%) la probabilità di accettazione diventa del 95%, circa il 10% in più rispetto alla percentuale ottenuta con 15 prelievi che era dell’85%.

In conclusione, le regole di conformità della UNI EN 206 assicurano una adeguata protezione alla non conformità, sia nei riguardi dei progettisti e sia nei riguardi degli utilizzatori, nel caso di un calcestruzzo prodotto con bassa qualità.

Resistenza Caratteristica in Opera del Calcestruzzo

L’aggiornamento delle Linee Guida per la valutazione delle caratteristiche del calcestruzzo in opera, pubblicata nei primi mesi del corrente anno, deve essere preso in seria considerazione da parte dei prescrittori.

Nei Capitolati sono piuttosto ricorrenti procedure da ritenersi ormai obsolete circa il calcolo della resistenza strutturale in opera e non tengono conto di tali aggiornamenti, richiamati dalle stesse NTC, alimentando discussioni e contenziosi fra le parti in causa.

Inoltre, come ho potuto già scrivere nei miei articoli più recenti, si dovrebbe meglio specificare il concetto dello stato di umidità delle carote estratte dalle strutture e portate allo schiacciamento, avendo una certa implicazione sul risultato resistivo delle carote stesse.

Conclusioni

roberto-marino-cls.jpgHo cercato di spiegare brevemente la necessità di apportare sostanziali modifiche circa le prescrizioni del calcestruzzo in fase di prequalifica dei calcestruzzi oggetto delle forniture.

Inoltre, mi sono soffermato al significato delle richieste nei Capitolati Tecnici di produrre il calcestruzzo in conformità alla UNI EN 206.

Alla luce delle considerazioni esposte, ritornando ai requisiti richiesti nelle fasi di qualifica in laboratorio e successivamente all’impianto di produzione, la progettazione delle miscele deve essere, come ho ricordato all’inizio del presente articolo, eseguita adottando un margine di sicurezza di almeno 10 MPa, coerente sia con le NTC e sia con la UNI EN 206.

Del resto, se assumiamo uno scarto di impianto stimato in 5 MPa, e adottando un k di 1,96, il margine non dovrà essere inferiore al prodotto:

Margine: 5.1,96 = 9,8 con arrotondamento a 10 MPa

con probabilità di conformità alla UNI EN 206 che, in funzione dei prelievi, ricade in un intervallo dall’85% al 95% e che assicureranno prestazioni, conformità ai requisiti progettuali e durabilità alle nostre strutture.

Un’ultima considerazione vorrei farla sui valori dello scarto quadratico medio stimato di impianto: come si può osservare dalla Tabella 2, la “forchetta” dello scarto s in rapporto allo scarto σ, a me sembra abbastanza ampia.

In altri termini, interpreto lo scarto σ come un indicatore di qualità della produzione affinché il prodotto rimanga il più possibile coerente con le prestazioni target. 

In corso d’opera, pertanto, il produttore si dovrà concentrare, attraverso analisi statistiche, sul mantenimento dei margini precedentemente indicati.

Sono graditi commenti, correzioni e ulteriori chiarimenti.

Bibliografia essenziale

1. UNI EN 206:2006, Calcestruzzo – Specificazione, prestazione, produzione e conformità

2. Guidance to the engineering properties of concrete, ERMCO, November 2006

3. QUARRY PRODUCTS ASSOCIATION, Guidance on the application of the EN 206-1 conformity rules

4. Use of control charts in the production of concrete, Ian Gibb and Tom Harrison, August 2010, ERMCO and MPA

5. STATISTICA 19, TIBCO Software INC.,