Nuovo sistema di armatura per ponti in cemento armato: Rinnovare i ponti con l'acciaio «intelligente

Oggi i ponti sono già rinforzati con uno strato aggiuntivo di calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni (UHPFRC). Questo calcestruzzo ad alte prestazioni viene applicato direttamente alle solette della carreggiata ed è particolarmente denso e resistente all'acqua. L'acciaio d'armatura convenzionale è incorporato per aumentare la capacità portante.

Un team dell'Empa guidato dai ricercatori Angela Sequeira Lemos e Christoph Czaderski del dipartimento di «Ingegneria strutturale» ha fatto un ulteriore passo avanti: ha sostituito l'armatura convenzionale in acciaio con l'acciaio a memoria di forma a base di ferro (Fe-SMA), un materiale «intelligente» in grado di ricordare la sua forma originale. Dopo l'installazione, le barre vengono riscaldate a circa 200 gradi Celsius. Quando vogliono contrarsi, ma sono trattenute dal calcestruzzo, si crea una tensione interna. Queste forze interne possono chiudere le fessure, sollevare gli elementi deformati e prolungare la vita utile di un ponte, senza bisogno di complessi dispositivi di tensionamento. «Il bello di questo sistema di rinforzo è la sua semplicità», spiega Sequeira Lemos. «Si ancorano le barre, le si riscalda e loro fanno il resto da sole».»

Test su larga scala nel capannone dell'Empa

In primo luogo, il team dell'Empa ha studiato l'interazione tra l'acciaio a memoria di forma e il calcestruzzo fibrorinforzato ad altissima resistenza, che sono stati combinati per la prima volta. I ricercatori hanno analizzato quanto i due materiali si legano anche dopo il riscaldamento dell'acciaio a memoria di forma e quali forze possono essere trasferite.

Sono seguite prove su larga scala nella sala costruzioni dell'Empa con cinque lastre di calcestruzzo, ciascuna lunga cinque metri, che simulavano impalcati di ponti autoportanti. Una lastra è rimasta non rinforzata, mentre le altre sono state dotate di uno strato di calcestruzzo fibrorinforzato ad altissima resistenza, sia con armatura convenzionale che con barre Fe-SMA. Per simulare le condizioni reali, il team ha innanzitutto provocato deliberatamente la fessurazione delle solette prima di rinforzarle, proprio come accadrebbe in una vera ristrutturazione di un ponte.

Dopo l'installazione, i ricercatori hanno riscaldato le barre di Fe-SMA, facendole contrarre nella loro forma originale e precompattando la struttura in cemento armato. Anche durante l'attivazione, le fessure esistenti si sono visibilmente chiuse e le deformazioni rimanenti sono regredite completamente.

Significativamente più rigida e durevole

Utilizzando metodi di misurazione all'avanguardia, i ricercatori hanno monitorato continuamente le deformazioni all'interno delle lastre. Telecamere digitali hanno monitorato le fessure sulla superficie del calcestruzzo, mentre minuscoli sensori a fibre ottiche sono stati inseriti lungo le barre. «Utilizziamo sensori che funzionano in modo simile ai cavi in fibra ottica delle telecomunicazioni», spiega il ricercatore dell'Empa. «Tuttavia, invece di inviare dati criptati attraverso le fibre, analizziamo la luce che viene diffusa indietro. Questo ci permette di vedere esattamente come si deformano le aste».»

I test hanno dimostrato che sia l'armatura convenzionale che il nuovo sistema con acciaio a memoria di forma raddoppiano almeno la capacità portante di una soletta non armata. Tuttavia, in condizioni quotidiane - come quelle causate dal normale traffico stradale - la combinazione di calcestruzzo fibrorinforzato e acciaio a memoria di forma si è dimostrata superiore: rende la soletta del ponte più rigida, ritarda le deformazioni permanenti e può chiudere le fessure esistenti o sollevare leggermente i componenti cedevoli. «Siamo riusciti a dimostrare che il nostro sistema non solo funziona, ma può anche rivitalizzare i ponti esistenti», afferma Sequeira Lemos.

Perfetto per i ponti danneggiati

I materiali utilizzati sono ancora relativamente costosi. Il sistema è quindi particolarmente adatto per ponti fortemente deformati o già danneggiati, ovvero dove i metodi di rinforzo convenzionali hanno raggiunto i loro limiti. Secondo Sequeira Lemos, potrebbe essere utilizzato anche nell'edilizia, ad esempio per balconi o tetti piani, dove sono richieste soluzioni compatte o buone proprietà di tenuta.

Il progetto, finanziato da Innosuisse, è stato sviluppato in stretta collaborazione con l'Università di Scienze Applicate OST della Svizzera orientale, lo spin-off dell'Empa re-fer e l'associazione svizzera dell'industria del cemento cemsuisse. Dopo il successo dei test, il team è ora alla ricerca di un ponte adatto per la prima applicazione pratica. «Se riusciamo a rinforzare un ponte reale con il nostro sistema, è probabile che l'interesse dell'industria cresca rapidamente», afferma Sequeira Lemos. «E con l'aumento della domanda, è probabile che anche i costi dei materiali diminuiscano: questa tecnologia potrebbe quindi avere un impatto duraturo sulla ristrutturazione dei ponti».»

Fonte: empa.ch