Corsetto di sostegno per ponti storici in acciaio

Conservare invece di buttare via: questo non vale solo per le ville in stile liberty, le auto sportive d'anteguerra o gli organi Hammond degli anni Cinquanta; conservare invece di rottamare è una buona idea anche per i vecchi ponti ferroviari o stradali. Questi monumenti industriali, spesso concepiti e calcolati da ingegneri siderurgici del XIX secolo, arrugginiscono silenziosamente o scricchiolano rumorosamente sotto i moderni treni interurbani e i pesanti autoarticolati.

La buona notizia è che possono essere salvati. Un corsetto di sostegno in CFRP (plastica rinforzata con fibre di carbonio), fissato in modo reversibile al ponte in conformità con l'ordinanza di conservazione, rafforza la resilienza delle vecchie strutture, le rende sicure e permette loro di sopravvivere più a lungo e meglio alla vita quotidiana.

Metodo delicato per strutture robuste

Masoud Motavalli e Elyas Ghafoori hanno già sostenuto due vecchi ponti con questo metodo "dolce": il ponte ferroviario di Münchenstein, vicino a Basilea, costruito nel 1892, e il ponte stradale di Diamond Creek, in Australia, costruito nel 1896. Se il loro sistema prendesse piede in tutto il mondo, ci sarebbe molto da fare: In Europa, circa il 30% di tutti i ponti ha più di 100 anni. La situazione è molto simile negli Stati Uniti, in Australia e in Giappone. Le autorità stradali e le compagnie ferroviarie di tutto il mondo sono alla ricerca di metodi per mantenere in vita queste strutture. L'Empa potrebbe avere la chiave di volta. Il partner della ricerca è Alain Nussbaumer, che lavora al EPFL ricerca la fatica e la meccanica della frattura delle strutture in acciaio. Nussbaumer è anche supervisore delle tesi di laurea scritte nel corso di questi progetti di ricerca presso l'Università di Parigi. Empa correre.

Il CFRP è ideale per il rinforzo delle strutture: è resistente alla corrosione e non presenta fatica, inoltre è leggero e non appesantisce la struttura come farebbe un rinforzo in acciaio.

Un'ancora al posto della colla

A differenza del legno o del cemento, però, dove è sufficiente incollare il rinforzo in CFRP, il fissaggio alle vecchie travi in acciaio è molto più complicato. Spesso le travi del ponte sono arrugginite o ricoperte da spessi strati di vernice. A volte i rivetti nelle travi in acciaio impediscono alle patch in CFRP di aderire in piano. Ghafoori aggira questi problemi non incollando il CFRP direttamente al ponte, ma fissando i pannelli al ponte con degli ancoraggi. In questo modo si risparmia la rettifica in bianco di grandi superfici. Un ulteriore vantaggio: il ponte non deve essere chiuso al traffico durante l'installazione della striscia di CFRP. Inoltre, non è necessario avvolgere il ponte in un foglio di alluminio, come spesso accade quando i vecchi ponti attraversano i fiumi, evitando che schegge di vernice contenenti metalli pesanti finiscano nell'acqua.

Gli ancoraggi utilizzati da Ghafoori per fissare le sue patch in CFRP non sono del tutto facili da replicare. "È fondamentale che le fibre di carbonio non si rompano quando il CFRP viene bloccato", spiega Ghafoori. Lavora a questa tecnica all'Empa da più di dieci anni e per i suoi esperimenti utilizza le pesanti presse idrauliche della sala costruzioni. L'ufficio dove scrive le sue pubblicazioni si trova proprio sopra. "L'inizio non è stato facile", ricorda il ricercatore. "Quando nel 2009 ho testato i primi ancoraggi con una prova di trazione nell'ambito della mia tesi di laurea, si sono staccati da un giorno all'altro. Questo non mi ha fatto guadagnare il rispetto dei miei colleghi. Mi è stato persino vietato di visitare il laboratorio per alcuni giorni, il mio lavoro era considerato troppo pericoloso".

Nel frattempo, il sistema di ancoraggio sviluppato dall'Empa è protetto da un brevetto e ha superato da tempo il suo test: Dal 2015, il ponte di Münchenstein è stato rinforzato con patch in CFRP precompresso. Ogni giorno, diverse decine di treni passeggeri e merci passano sopra la storica struttura in acciaio. Un sistema di monitoraggio a lungo termine costituito da una rete di sensori wireless misura il carico e i movimenti delle parti del ponte e fornisce i dati all'Empa in tempo reale.

Equipaggiati per ogni evenienza

Il progetto, che Ghafoori ha utilizzato anche per la sua tesi di laurea, è diventato rapidamente noto tra gli esperti. Nel gennaio 2018, un ponte molto simile in Australia è stato rinforzato con il sistema CFRP: il Diamond Creek Bridge, vecchio di 122 anni, vicino a Melbourne. "Abbiamo imparato molto da Münchenstein", sottolinea Ghafoori. Ad esempio, i ricercatori sono riusciti a migliorare la forma degli ancoraggi e a rendere più piatta l'intera struttura. Questo è importante perché i camion passano sotto molti ponti. Se le controventature dovessero sporgere troppo verso il basso, i rimorchi particolarmente alti potrebbero scontrarsi con la nuova tecnologia. Il team ha tenuto conto anche delle fluttuazioni di temperatura tra estate e inverno: Le misure effettuate sul ponte di Münchenstein hanno dimostrato che l'irrigidimento in CFRP del ponte funziona molto meglio nelle calde giornate estive che in inverno. Il motivo: con il caldo estivo, il ponte in acciaio si espande, ma la lunghezza del rinforzo in CFRP rimane pressoché invariata. Pertanto, il ponte è tirato insieme dal suo corsetto di sostegno più in estate che in inverno.

Anche il ponte di Diamond Creek, rinforzato nel gennaio 2018, è dotato di sensori e fornirà dati di carico online all'Empa per almeno un anno e mezzo. Per verificare l'effetto dell'irrigidimento, i ricercatori hanno fatto rotolare un autoarticolato da 42 tonnellate sul ponte prima e dopo l'applicazione delle strisce di CFRP. "I dati iniziali mostrano che le forze che agiscono sul ponte sono ridotte della metà", afferma Ghafoori. "Questo potrebbe, secondo una stima prudenziale, portare a raddoppiare la sua vita residua".

Ponti adatti al futuro

Nel frattempo, Ghafoori e Motavalli ricevono sempre più visite dall'estero. L'Istituto francese di ricerca sui trasporti, il Centro francese per la mobilità e una delegazione cinese hanno annunciato la loro presenza, mentre una delegazione statunitense ha già visitato l'Empa. Il metodo può essere utilizzato in tutto il mondo senza grandi sforzi. "Per l'Australia, abbiamo preassemblato le staffe con le strisce di CFRP all'Empa, le abbiamo testate e poi le abbiamo semplicemente inviate al cantiere tramite pacco postale", spiega Ghafoori. "Abbiamo solo dovuto volare lì più tardi e assemblare tutto in loco".

Naturalmente, i ricercatori non vogliono fermarsi allo stato attuale delle conoscenze. Dopo aver rinforzato le travi d'acciaio rettilinee, ora si devono rinforzare anche gli elementi di collegamento a X tra le travi. In particolare, in corrispondenza delle saldature e dei giunti di collegamento, la ruggine si sviluppa e si formano crepe da fatica che possono rendere il ponte instabile. Un sistema di nastri in CFRP di nuova concezione potrebbe presto risolvere il problema. Con questo tipo di supporto, molti ponti in acciaio del XIX secolo potrebbero essere resi a prova di futuro e quindi sopravvivere ai loro fratelli minori in cemento armato con un margine considerevole.