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La valutazione della precompressione residua rappresenta uno degli aspetti più delicati nelle verifiche di sicurezza dei ponti esistenti in calcestruzzo precompresso. Durante FABRE 2026, Silvia Manarin ha presentato uno studio sperimentale sull’impiego della diffrattometria a raggi X (XRD) come tecnica non distruttiva per la stima delle tensioni presenti nei fili e nei trefoli di precompressione. Attraverso una campagna di quasi 300 prove, la ricerca ha analizzato l’accuratezza del metodo e l’influenza di diversi parametri sperimentali, dalla geometria degli elementi alle condizioni superficiali. I risultati evidenziano le potenzialità della tecnologia, soprattutto per i livelli tensionali più rappresentativi delle condizioni di esercizio, ma anche la necessità di controllare attentamente le modalità di misura.
La conoscenza dello stato tensionale delle armature di precompressione costituisce un elemento fondamentale per la valutazione della sicurezza e dell’affidabilità dei ponti esistenti. Nel corso della vita utile di una struttura, infatti, diversi fenomeni possono determinare una progressiva riduzione della precompressione originariamente applicata, modificando il comportamento resistente dell’opera e influenzando le verifiche agli stati limite.
La possibilità di stimare la precompressione residua attraverso tecniche non distruttive assume quindi un’importanza particolare, soprattutto quando si interviene su infrastrutture esistenti per le quali le informazioni progettuali, costruttive o relative allo stato di conservazione risultano incomplete.
Su questo tema si è concentrata la relazione presentata da Silvia Manarin durante FABRE 2026, dedicata all’impiego della diffrattometria a raggi X, comunemente identificata con l’acronimo XRD (X-Ray Diffraction), per la valutazione dello stato tensionale dei fili e dei trefoli utilizzati nelle armature di precompressione.
Lo studio ha preso in esame l’accuratezza della metodologia attraverso un’ampia campagna sperimentale, approfondendo l’influenza dei principali parametri di acquisizione, delle caratteristiche geometriche degli elementi e delle condizioni superficiali dei campioni.
L’obiettivo è contribuire allo sviluppo di procedure di indagine capaci di fornire informazioni attendibili sullo stato tensionale delle armature, limitando il più possibile le alterazioni prodotte dalle attività diagnostiche.
La precompressione residua come parametro fondamentale per la sicurezza dei ponti
La valutazione della precompressione effettivamente presente nelle strutture esistenti rappresenta una delle principali difficoltà nell’analisi dei ponti in calcestruzzo precompresso.
Nel tempo, infatti, lo stato tensionale delle armature può modificarsi rispetto alle condizioni iniziali a causa di diversi fenomeni, tra cui le perdite di precompressione, il rilassamento dell’acciaio, il ritiro e la viscosità del calcestruzzo e, nei casi più critici, eventuali processi di degrado.
La determinazione della tensione residua assume quindi un ruolo determinante per comprendere il comportamento strutturale dell’opera e per valutare correttamente i margini di sicurezza disponibili.
Tuttavia, misurare direttamente lo stato tensionale delle armature all’interno di un ponte esistente non è un’operazione semplice. Alcune metodologie di indagine possono richiedere interventi invasivi, con il rischio di alterare localmente le condizioni dell’elemento sottoposto a verifica.
In questo contesto, l’impiego di tecniche non distruttive costituisce una prospettiva di particolare interesse.
Come evidenziato da Manarin, l’importanza di queste metodologie non riguarda soltanto la possibilità di ottenere informazioni sul comportamento delle armature, ma anche quella di ridurre il danneggiamento conseguente alle operazioni di ispezione, preservando per quanto possibile l’integrità della struttura.
È proprio in questa direzione che si inserisce la sperimentazione condotta sulla tecnica XRD.
Come funziona la diffrattometria a raggi X per la misura delle tensioni
La diffrattometria a raggi X è una tecnica consolidata nell’ingegneria dei materiali, tradizionalmente utilizzata per analizzare la struttura cristallina e identificare le fasi presenti in un materiale.
Il suo funzionamento si basa sull’interazione tra una radiazione a raggi X e la struttura atomica del materiale analizzato.
All’interno di un materiale cristallino, gli atomi sono disposti secondo configurazioni ordinate e caratterizzati da specifiche distanze interplanari. Queste distanze influenzano il modo in cui il materiale diffrange la radiazione incidente.
Il principio fisico alla base della tecnica è descritto dalla legge di Bragg, che mette in relazione la lunghezza d’onda della radiazione, la distanza tra i piani cristallini e l’angolo di diffrazione.
La relazione può essere espressa come:
dove λ rappresenta la lunghezza d’onda della radiazione incidente, d la distanza interplanare, θ l’angolo di Bragg e n l’ordine della diffrazione.
Dalla variazione delle distanze atomiche alla stima dello stato tensionale
L’aspetto più interessante per le applicazioni strutturali riguarda la possibilità di utilizzare questa tecnica non soltanto per caratterizzare il materiale, ma anche per ricavare informazioni sul suo stato tensionale.
Quando un materiale viene sottoposto a una sollecitazione meccanica, infatti, la sua struttura cristallina subisce deformazioni elastiche che determinano variazioni delle distanze tra i piani atomici.
La misura di queste variazioni consente di stimare indirettamente le deformazioni elastiche e, conoscendo le proprietà del materiale, di risalire allo stato tensionale.
Nel caso delle armature di precompressione, la tecnica può quindi essere utilizzata per valutare la tensione presente nell’acciaio a partire dalle deformazioni reticolari rilevate attraverso i raggi X.
Un elemento particolarmente importante riguarda però la profondità di penetrazione della radiazione.
Come ricordato durante la presentazione, i raggi X utilizzati per queste misure penetrano soltanto per poche decine di micrometri nel materiale.
Questo significa che la misura è fortemente influenzata dallo stato tensionale degli strati superficiali e, di conseguenza, dalle caratteristiche della superficie dell’elemento analizzato.
La limitata profondità di indagine costituisce uno degli aspetti da considerare con maggiore attenzione quando si intende applicare la metodologia a fili e trefoli di precompressione.
FABRE 2026: ponti, viadotti e gallerie tra manutenzione, norme e rischi climatici
Il terzo Convegno FABRE 2026 ha riunito ricerca, istituzioni e gestori per migliorare metodi e criteri nella gestione di ponti, viadotti e gallerie. Al centro: nuove norme tecniche, valutazione del rischio, monitoraggio e impatti di eventi estremi e dissesto idrogeologico. INGENIO è media partner e il nostro Direttore Andrea Dari ha moderato l’evento.
LEGGI L’APPROFONDIMENTO
Una campagna sperimentale di quasi 300 prove su fili e trefoli
Per verificare l’affidabilità della tecnica XRD, lo studio presentato a FABRE 2026 ha previsto un’ampia campagna sperimentale condotta su elementi in acciaio per precompressione.
Le configurazioni analizzate sono state complessivamente quasi 300, suddivise in:
- 96 configurazioni su filo singolo;
- 200 configurazioni su trefoli a sette fili.
Le prove sono state effettuate sottoponendo i campioni a trazione mediante una macchina di prova, in modo da applicare livelli tensionali conosciuti e confrontarli con quelli stimati attraverso la diffrattometria a raggi X.
Il programma sperimentale ha previsto cicli di carico a gradini crescenti, con tensioni comprese tra 200 e 1.200 MPa.
Questa impostazione ha permesso di confrontare la tensione effettivamente applicata al campione con quella ricavata dalle misure diffrattometriche, valutando l’accuratezza della metodologia in differenti condizioni di carico.
L’attività non si è limitata a verificare la corrispondenza tra i valori misurati e quelli applicati, ma ha approfondito anche l’influenza dei parametri sperimentali che possono modificare la qualità delle acquisizioni.
Tra quelli considerati figurano il diametro del collimatore, il tempo di acquisizione per ciascun punto, l’angolo di incidenza della radiazione, il numero di punti misurati e le procedure di elaborazione dei risultati.
Un’ulteriore attenzione è stata dedicata alle condizioni superficiali dei campioni, distinguendo tra elementi puliti ed elementi caratterizzati dalla presenza di uno strato ossidativo.
L’accuratezza è stata esaminata anche attraverso un parametro adimensionale, indicato nella relazione con il simbolo θ, utilizzato per confrontare la tensione effettiva con quella stimata mediante XRD.
È importante distinguere tale parametro, impiegato nell’analisi statistica dei risultati, dall’angolo di diffrazione presente nella legge di Bragg.
L’influenza delle condizioni superficiali sull’accuratezza delle misure
Uno dei risultati più significativi della sperimentazione riguarda l’influenza esercitata dalle condizioni superficiali dei campioni.
Le prove condotte sui fili singoli hanno mostrato, nel complesso, una buona capacità della tecnica XRD di stimare la tensione applicata.
Tuttavia, l’accuratezza delle misure risulta fortemente condizionata dalla presenza di ossidazione superficiale.
Questo comportamento è direttamente collegato alla limitata capacità di penetrazione della radiazione X.
Poiché il volume di materiale effettivamente interessato dalla misura è estremamente ridotto, la presenza di uno strato ossidativo può alterare in modo significativo il segnale registrato, compromettendo la corrispondenza tra la tensione stimata e quella realmente applicata.
La preparazione superficiale diventa quindi una fase determinante del procedimento sperimentale.
La ricerca ha evidenziato come le operazioni di pulizia dei fili e dei trefoli possano incidere direttamente sulla qualità del risultato, rendendo necessario un controllo accurato delle modalità con cui queste vengono effettuate.
Tale aspetto assume particolare rilevanza in vista delle applicazioni sulle infrastrutture esistenti, dove le armature possono presentare condizioni superficiali differenti in funzione dell’età dell’opera, dell’ambiente di esposizione e dei fenomeni di degrado eventualmente intervenuti.
La pulizia deve peraltro essere eseguita con procedure adeguate, evitando trattamenti che possano modificare lo stato tensionale superficiale che si intende misurare.
L’elaborazione dei dati: il ruolo dei metodi di interpolazione
Accanto alle condizioni superficiali, la sperimentazione ha evidenziato l’importanza delle procedure utilizzate per elaborare i dati acquisiti.
La determinazione delle tensioni mediante XRD richiede infatti un’interpretazione dei segnali diffrattometrici e l’applicazione di specifici metodi matematici per individuare i parametri necessari alla stima.
Nel corso dello studio sono stati confrontati differenti metodi di interpolazione e analisi dei dati.
I risultati hanno mostrato che alcune procedure, indicate nella presentazione con le sigle GNRR, PV e P7, oltre all’interpolazione parabolica, hanno fornito prestazioni migliori rispetto al metodo normalmente disponibile nel software della strumentazione utilizzata.
Il dato è particolarmente significativo perché dimostra come l’affidabilità della tecnica non dipenda esclusivamente dalle caratteristiche dello strumento o dalle condizioni del campione.
Anche la scelta del metodo di elaborazione può influenzare sensibilmente il risultato finale.
Ne deriva la necessità di definire procedure di acquisizione e trattamento dei dati quanto più possibile controllate e riproducibili.
La standardizzazione dei protocolli di misura rappresenta quindi uno degli aspetti centrali per un possibile impiego sistematico della diffrattometria XRD nella diagnostica delle strutture esistenti.
I trefoli a sette fili: una geometria più complessa e maggiori difficoltà di misura
Rispetto ai fili singoli, le prove effettuate sui trefoli a sette fili hanno evidenziato alcune criticità aggiuntive.
In questo caso, la sperimentazione è stata condotta su campioni già puliti, in modo da limitare l’influenza degli strati superficiali di ossidazione.
Nonostante questa precauzione, l’accuratezza delle misure è risultata generalmente inferiore rispetto a quella registrata sui fili singoli.
La principale spiegazione riguarda la maggiore complessità geometrica del trefolo.
A differenza di un filo rettilineo, il trefolo a sette fili presenta una configurazione composta da un elemento centrale e da sei fili esterni disposti elicoidalmente.
Questa geometria condiziona il modo in cui la radiazione X incide sulla superficie del materiale, introducendo ulteriori variabili nella procedura di misura.
La curvatura e l’orientamento locale dei fili possono infatti modificare le condizioni di acquisizione e influenzare la precisione della stima tensionale.
Lo studio ha evidenziato inoltre un secondo fattore di particolare interesse: la presenza di tensioni residue iniziali negli elementi, indipendenti dal carico di trazione successivamente applicato.
Le tensioni residue dovute ai trattamenti di produzione
Durante le prove condotte sui trefoli in assenza di carico esterno sono state rilevate tensioni residue superficiali di compressione dell’ordine di 100 MPa.
Secondo quanto illustrato da Manarin, queste tensioni possono essere legate ai trattamenti termici e ai processi produttivi ai quali vengono sottoposte le armature.
Si tratta di un aspetto particolarmente rilevante perché la diffrattometria XRD, operando sugli strati più superficiali del materiale, risente direttamente dello stato tensionale residuo presente in tali zone.
La tensione rilevata attraverso la strumentazione può quindi risultare influenzata dalla sovrapposizione tra lo stato tensionale indotto dal carico applicato e quello già presente nel materiale prima della prova.
La presenza di tensioni residue iniziali costituisce pertanto una possibile fonte di errore nella ricostruzione della tensione effettivamente agente sul trefolo.
Questo fenomeno contribuisce a spiegare perché la stima risulti più complessa sui trefoli rispetto ai fili singoli e perché, ai fini dell’interpretazione dei risultati, sia importante conoscere anche le caratteristiche produttive delle armature.
Il trattamento degli outlier per migliorare la precisione delle stime
Un ulteriore approfondimento della ricerca ha riguardato la possibilità di migliorare l’accuratezza delle misure attraverso una gestione più efficace dei dati sperimentali.
Per ogni campione sono state generalmente effettuate tra 9 e 11 acquisizioni, in modo da disporre di un insieme di misure da sottoporre a elaborazione.
L’analisi ha mostrato come la presenza di alcuni valori anomali, o outlier, possa condizionare significativamente il risultato finale.
L’esclusione di questi valori, effettuata sulla base di criteri statistici appropriati, ha permesso di migliorare sensibilmente la stima delle tensioni anche senza introdurre una correzione esplicita per lo stato tensionale residuo iniziale.
Questo risultato evidenzia il ruolo determinante dell’elaborazione statistica nella qualità delle misure XRD.
La disponibilità di più punti di acquisizione consente infatti di identificare eventuali misure non rappresentative e di ridurre l’influenza delle anomalie sul valore finale.
Tuttavia, la rimozione degli outlier non può essere considerata una soluzione automatica alle criticità sperimentali, ma deve essere supportata da procedure oggettive e riproducibili, per evitare di eliminare dati che rappresentano effettive caratteristiche del campione.
L’impiego di adeguati criteri di selezione e interpretazione dei risultati rappresenta quindi un ulteriore elemento da approfondire nella definizione dei protocolli operativi.
L’accuratezza della XRD alle tensioni più rappresentative delle condizioni di esercizio
Uno degli aspetti più interessanti dello studio riguarda il comportamento della tecnica in funzione del livello tensionale applicato.
La campagna sperimentale ha preso in considerazione un intervallo piuttosto ampio, compreso tra 200 e 1.200 MPa, per verificare l’affidabilità delle misure in differenti condizioni.
Secondo quanto illustrato da Manarin, i risultati evidenziano un’accuratezza ritenuta sufficientemente buona soprattutto per tensioni superiori a 800 MPa, considerate rappresentative di condizioni plausibili di esercizio delle armature di precompressione analizzate.
Questo elemento assume particolare importanza per le possibili applicazioni sulle infrastrutture esistenti.
L’obiettivo della metodologia è infatti quello di fornire informazioni utili per la valutazione della precompressione residua nelle condizioni operative delle strutture, piuttosto che esclusivamente in situazioni di laboratorio.
Nel corso della presentazione è stato inoltre evidenziato come, per livelli tensionali molto ridotti, la presenza di un’importante perdita di precompressione possa accompagnarsi ad altri fenomeni di degrado del calcestruzzo, che devono necessariamente essere considerati nella valutazione complessiva dell’opera.
In queste situazioni, una misura puntuale sul trefolo potrebbe non essere sufficiente, da sola, a caratterizzare il comportamento strutturale.
La diffrattometria XRD deve quindi essere interpretata come uno strumento diagnostico potenzialmente complementare alle altre indagini, capace di contribuire alla conoscenza dello stato tensionale delle armature, ma non di sostituire una valutazione complessiva delle condizioni di sicurezza del ponte.
È inoltre necessario ricordare che le misure XRD restituiscono informazioni relative allo stato tensionale superficiale dell’acciaio. Il passaggio dalla misura locale alla valutazione della precompressione effettiva di un elemento strutturale richiede pertanto ulteriori interpretazioni e verifiche.
Gli sviluppi della ricerca: collaborazione con l’Università di Pisa e studio delle armature esistenti
La ricerca presentata a FABRE 2026 non si esaurisce con la campagna sperimentale illustrata.
Come anticipato da Silvia Manarin, sono in corso ulteriori attività di approfondimento, sviluppate anche in collaborazione con l’Università di Pisa, per comprendere meglio l’influenza degli stati tensionali residui presenti nelle armature.
Uno degli obiettivi principali riguarda la caratterizzazione delle tensioni indotte dai trattamenti termici e dai processi produttivi, con particolare attenzione alle differenze che possono emergere tra trefoli di differenti generazioni.
L’indagine intende infatti approfondire il rapporto tra anno di produzione delle armature, caratteristiche del materiale e presenza di tensioni residue superficiali.
Questa attività potrebbe risultare particolarmente utile nell’ambito della diagnostica dei ponti esistenti, dove possono essere presenti armature realizzate in periodi storici diversi e con tecnologie produttive non necessariamente coincidenti con quelle attuali.
La possibilità di riconoscere e quantificare gli effetti dei trattamenti produttivi contribuirebbe a migliorare l’interpretazione delle misure diffrattometriche, distinguendo in modo più affidabile le tensioni legate alle caratteristiche originarie del materiale da quelle associate alle condizioni di carico.
Si tratta di un passaggio rilevante per aumentare la robustezza della metodologia e favorirne, in prospettiva, l’impiego nelle attività di ispezione e valutazione delle infrastrutture.
Verso tecniche diagnostiche meno invasive per i ponti in calcestruzzo precompresso
Il lavoro presentato da Silvia Manarin offre un contributo alla ricerca di metodologie innovative per la valutazione della precompressione residua nei ponti esistenti.
La campagna sperimentale ha dimostrato che la diffrattometria a raggi X può fornire stime sufficientemente accurate dello stato tensionale delle armature, soprattutto per i livelli di tensione considerati maggiormente rappresentativi delle condizioni di esercizio.
Allo stesso tempo, lo studio ha permesso di individuare alcuni fattori che influenzano in modo significativo la qualità dei risultati.
Le condizioni superficiali, la presenza di ossidazione, la geometria dei trefoli, i metodi di elaborazione e le tensioni residue derivanti dai processi produttivi rappresentano elementi che devono essere attentamente considerati.
Particolarmente importante appare la distinzione tra fili singoli e trefoli a sette fili: questi ultimi presentano maggiori difficoltà di acquisizione e interpretazione, rendendo necessario un ulteriore perfezionamento delle procedure.
I risultati disponibili sono quindi promettenti, ma non equivalgono ancora alla validazione generalizzata della tecnica per l’impiego diretto su qualsiasi ponte esistente. Il trasferimento dalle condizioni sperimentali alle applicazioni in situ richiederà ulteriori verifiche, anche considerando l’accessibilità delle armature, le modalità della loro esposizione locale e la rappresentatività delle misure rispetto allo stato tensionale complessivo.
In questa prospettiva, il proseguimento delle attività sperimentali, anche attraverso lo studio dell’influenza dei trattamenti termici e delle caratteristiche produttive delle armature, potrà contribuire a definire protocolli più affidabili.
Il principale valore della ricerca risiede nella possibilità di sviluppare strumenti diagnostici sempre meno invasivi e più efficaci per la conoscenza dello stato di conservazione e del comportamento strutturale dei ponti in calcestruzzo precompresso.
Una prospettiva particolarmente significativa nell’attuale contesto di crescente attenzione alla sicurezza, al monitoraggio e alla gestione del patrimonio infrastrutturale esistente.
DI SEGUITO LA RELAZIONE INTEGRALE DI SILVIA MANARIN.
Il testo è stato realizzato grazie alla videoregistrazione dell’intervento, con l’uso di strumenti di IA (ChatGpT).
IN SINTESI
-La valutazione della precompressione residua è fondamentale per verificare la sicurezza dei ponti esistenti in calcestruzzo precompresso, privilegiando tecniche diagnostiche non distruttive.
-La diffrattometria a raggi X (XRD) permette di stimare lo stato tensionale delle armature attraverso la misura delle variazioni delle distanze interplanari nella struttura cristallina dell’acciaio.
-La ricerca presentata da Silvia Manarin a FABRE 2026 ha previsto quasi 300 prove sperimentali su fili singoli e trefoli a sette fili, con tensioni applicate comprese tra 200 e 1.200 MPa.
-L’accuratezza delle misure dipende da diversi fattori, tra cui le condizioni superficiali, la presenza di ossidazione, la geometria dei trefoli, i metodi di elaborazione dei dati e le tensioni residue iniziali.
-I risultati evidenziano una buona affidabilità della tecnica XRD soprattutto per tensioni superiori a 800 MPa, aprendo prospettive interessanti per la diagnostica dei ponti esistenti, pur richiedendo ulteriori approfondimenti e validazioni.