Durability of metallic components for buildings. Development of a software for estimating the corrosion rate in Italy

In order to successfully implement metallic components for buildings, not only their cost of manufacturing should be taken into consideration, but also the component’s minimum performance for a fixed service life. Unfortunately, a valid estimation of service life by designers is usually not made during the first design stage of a building project, particularly for metallic components. Furthermore, maintenance is often carried out only when problems arise, with not enough attention being given to the durability aspects. Consequently, the correct selection of the metallic material is very important in order to avoid a reduction of quality and a waste of money and resources. In order to correctly select metallic components with the desired durability and service lifetime, a deep analysis about the component’s material characteristics is required. An investigation through the Italian suppliers of metallic components mostly used for building has highlighted a deficiency in the consideration of the durability aspects. It is well known that the durability of metals is strictly connected to the concept of corrosion. In this dissertation the research presented has been conducted collaboration with Dr Ivan Cole and his staff at the CSIRO Material Engineering Division (Australia) in order to establish the mass loss estimation of several metallic materials for building components mainly used in Italy. These values have been calculated with a corrosion software, developed ad hoc, which was utilized to estimate the service life of various components. Cole et al. developed a holistic model to deal with the complex environments that occur in atmospheric corrosion with the aim of accurately predicting the life of corrodible components in order to guide material selection, maintenance and ensure the safety of structures. To understand the degradation of metals exposed to the atmosphere and their durability, detailed information regarding atmospheric corrosion and rain chemistry must be collected. In our research project, we aimed to expand this model to determine the durability of components in various Italian locations. This involved contributing to the development of this software through the addition of atmospheric corrosion data in several major Italian cities. In order to achieve this, we carried out three accelerated ageing tests on several metallic materials which were run inside a custom made climatic chamber, and the weather conditions of an Italian city was simulated. This consisted of three types of atmospheric simulations: (1) simulating the rain conditions, (2) simulating the rain washing effect on salt spray deposition and (3) salt spray tests. Several coupons (samples) of aluminium, copper, mild steel and zinc were placed in the chamber and their corrosion activity was analysed upon exposure to all these simulated environments. These materials were selected as the most representative materials used in Italy, in accordance with the European and Italian Standards to whom the suppliers refer. For these tests were used Australian sourced materials whose chemical composition exactly matched those of the Italian ones. Each test consisted of a weekly cycle for 6 effective weeks of exposure; everyday a 12 hours of dry period and a 12 hours of wet period have been alternated. The salt test was carried out to show the effects of salinity whilst the rain tests were conducted to show how the pollutants absorbed by rain affect the corrosion rate. Both the salt and rain test also demonstrated how rain washing affects the corrosion rate. After the first 3 weeks of exposure, a subset of samples were removed and analysed to understand the progression of the tests. Upon completion of the tests, all the specimens were removed and the effects due to corrosion was analysed in depth through various laboratory experiments. To modify and apply the software to the Italian territory, five months of study and experimental work were accomplished under the guidance of the leading atmospheric corrosion scientists in Australia. Firstly we analysed and compared the mass gain and mass loss of each of the samples. This was then followed by the identification of corrosion products using a selection of analytical techniques, which included profilometry, Raman Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Diffraction. The outcomes obtained by the analytical lab experiments carried out at CSIRO served as input data for the software. In particular, the key data extracted from experiments served as coefficients for the empirical formulas used by the software for Italy. The corrosion software is valid and valuable tool that can guide and support project engineers in the choice of suitable components and materials in order to reach a great saving in terms of cost and consumption of environmental resources. The software requires several key experimental data, these being: a range of climatic data, the pollution rate of a given region, distance from the coast, salinity, plus several features regarding the building component such as the material, the shape and the location against the dwelling. The program operates calculating mass loss estimation in three modes: (1) dry, (2) wet from condensation, and (3) wet from rain. For each of these, the usage of empirical formulas and coefficients is required. Thus, starting from the location and a series of features which characterize the location, it is possible calculate the annual corrosion, obtained by summing all mass loss defined by three-hours steps. Once obtained, the annual mass loss estimation value can be used to estimate the component’s service life and enable engineers to design suitable maintenance plans. Project engineers can define the failure conditions referring to standards, based on their experience or according with the clients requests. Thus the reference service life is easily given by an empirical formula. The duration value of the components can finally be more reliable through the application of the factor method.

Quando si vogliono realizzare componenti metallici per l’edilizia, non si dovrebbe tenere conto soltanto del loro costo di realizzazione, ma è altresì importante prendere in considerazione il livello prestazionale minimo del componente per un periodo di vita prefissato. Sfortunatamente, molto spesso accade che i progettisti non considerino una stima di durata della vita utile di un componente durante la prima fase di progettazione di un edificio, specialmente quando ci si riferisce ai componenti metallici. Inoltre, la manutenzione viene spesso effettuata solamente quando sorgono dei problemi, senza che venga data sufficiente attenzione alle tematiche durabilistiche. Per questi motivi la corretta selezione dei materiali dei componenti metallici è molto importante al fine di evitare una riduzione della qualità ed uno spreco di risorse. Per scegliere correttamente i componenti metallici che rispettino la vita di servizio programmata è necessario affrontare una profonda analisi sulle caratteristiche dei materiali più utilizzati. Un’indagine presso i maggiori produttori e fornitori di componenti metallici maggiormente diffusi nel panorama italiano ha messo in evidenza che il tema della durabilità è spesso considerato marginalmente. Come ben risaputo il concetto di durabilità dei metalli è strettamente correlato al concetto di corrosione. In questa dissertazione la ricerca presentata è stata condotta in collaborazione con il Dr. Ivan Cole e i suoi collaboratori presso il CSIRO Material Engineering Division (Australia). Il proposito è stato quello di ottenere una stima della perdita di massa di diversi componenti metallici per l’edilizia principalmente utilizzati nel contesto Italiano. Questi valori vengono calcolati attraverso un software sviluppato ad hoc, che permette quindi di facilitare il calcolo di stima della vita utile di varie componenti. Cole, insieme ad un gruppo di scienziati del settore, ha teorizzato un holistic model per avere a che fare con la complessità dei diversi ambienti che influiscono sulla corrosione atmosferica, con l’obiettivo di predire accuratamente la vita utile di componenti corrodibili al fine di aiutare nella scelta dei materiali, nella programmazione della manutenzione e di garantire la sicurezza di strutture. Per comprendere meglio come avviene il degrado dei materiali esposti all’atmosfera e in che modo questo influenza la durabilità, è stato necessario raccogliere informazioni dettagliate sul tema della corrosione atmosferica e sulla chimica dell’acqua piovana. Nel nostro progetto di ricerca, l’obiettivo è stato quello di estendere a varie località italiane il suddetto modello. Per lo sviluppo del software è stato necessario ricercare dati sulla corrosione atmosferica di alcune delle principali città italiane. Per raggiungere questo scopo sono stati eseguiti tre test d’invecchiamento accelerato su alcuni campioni di diversi materiali metallici all’interno di una camera climatica realizzata su misura che simulava le condizioni atmosferiche di Palermo. Questi esperimenti consistevano nel ricreare le piogge acide di Milano e di Palermo, la nebbia salina che si deposita sui materiali metallici e l’effetto dilavante effettuato dalla pioggia sui sali depositati. Le indagini sono state effettuate su provini di alluminio per edilizia, acciaio dolce al carbonio, zinco e rame. Questi quattro materiali sono stati selezionati come i maggiormente rappresentativi del panorama italiano, in accordo con le normative italiane ed europee cui le aziende fanno riferimento. Per i test sono stati utilizzati materiali australiani equivalenti, la cui composizione chimica corrispondeva quasi esattamente a quella italiana. Ogni test consisteva in un ciclo settimanale per sei settimane effettive di esposizione. Tutti i giorni si alternava un periodo secco di 12 ore con un periodo umido di 12 ore. Il test del sale ha mostrato gli effetti della salinità sulla corrosione, il test della pioggia è stato condotto per verificare come gli inquinanti presenti nell’aria influenzano il tasso di corrosione. Il test della pioggia e del sale alternati hanno mostrato come l’effetto dilavante delle superfici attraverso la pioggia influenza la velocità di corrosione. Dopo le prime tre settimane di esposizione alcuni provini sono stati rimossi ed analizzati per verificare l’andamento dei test. Al termine degli esperimenti, tutti i campioni sono stati rimossi e sono stati analizzati in modo approfondito gli effetti dovuti alla corrosione attraverso varie analisi di laboratorio. Per modificare il software originale australiano e renderlo adatto al contesto italiano sono stati necessari cinque mesi di studi e di esperimenti sotto la guida dei principali scienziati della corrosione in Australia. Innanzitutto sono stati analizzati e comparati il guadagno e la perdita di massa dei provini. Successivamente si è provveduto a identificare i prodotti della corrosione attraverso un serie di tecniche di analisi, tra cui la profilometria, la spettroscopia Raman, la microscopia elettronica a scansione e la diffrazione dei raggi X. I risultati ottenuti attraverso gli esperimenti analitici effettuati presso il CSIRO sono successivamente stati utilizzati come dati di input per il software per l’Italia. Il software per la stima della perdita di massa è un valido strumento che può guidare gli ingegneri nella scelta di materiali e componenti adatti ottenendo un grande risparmio sia in termini economici che di consumo delle risorse ambientali. Il software richiede una grande quantità di dati di input tra i quali: un serie di dati climatici, tassi d’inquinamento di alcune zone, distanze dalla costa, livelli salinità, più altre caratteristiche riguardanti il componente, come il materiale, la forma e la posizione rispetto all’edificio. Il programma funziona calcolando la perdita di massa in tre stati: asciutto, bagnato dalla condensazione e bagnato dalla pioggia. Per ognuno di questi stati si utilizzano delle formule e dei coefficienti empirici. Quindi, a partire da una serie di peculiarità che caratterizzano la località ed il componente, è possibile calcolare la corrosione annuale, ottenuta sommando tutte le perdite di massa calcolate in step di tre ore. Una volta ottenuto il valore della stima di perdita di massa annuale, questo può essere utilizzato per stimare la vita utile di servizio di un componente e per consentire agli ingegneri di programmare piani di manutenzione adeguati. Gli ingegneri possono, inoltre, definire delle condizioni di guasto del materiale e del componente a partire dalle normative, sulla base della loro esperienza o sulla base delle richieste del committente. La vita utile di servizio è quindi facilmente ottenuta attraverso una formula empirica. Il valore della durata può infine essere modificato e reso più affidabile attraverso l’applicazione del Metodo Fattoriale.