Rinnovare i ponti con l’acciaio “intelligente

Gran parte dei ponti svizzeri risalgono a prima del 1980 e stanno lentamente raggiungendo i limiti della loro vita utile. Un team dell'Empa ha ora sviluppato un sistema di rinforzo che utilizza calcestruzzo fibrorinforzato ad altissima resistenza e "acciaio a memoria di forma" per stabilizzare anche le solette dei ponti danneggiate e renderle utilizzabili per decenni.

Molti ponti in cemento armato sono stati progettati per carichi di traffico e pesi di veicoli che sono obsoleti rispetto alla prospettiva odierna. Allo stesso tempo, cloruri, acqua e gelo hanno causato problemi alle strutture per decenni. Le ristrutturazioni tradizionali raggiungono i loro limiti quando i componenti sono già gravemente incrinati o deformati in modo permanente.

È qui che entra in gioco il nuovo sistema Empa. Combina un metodo collaudato, lo strato aggiuntivo di calcestruzzo fibrorinforzato ad altissima resistenza, con un elemento di rinforzo attivo che accumula in modo specifico le forze di precompressione interne. L’obiettivo non è solo quello di aumentare la capacità portante, ma anche di ricostruire letteralmente le solette dei ponti danneggiate.

L’UHPFRC incontra l’acciaio a memoria di forma
I ponti vengono già riadattati con un sottile strato di calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni, applicato direttamente alla soletta del ponte. Il calcestruzzo ad alte prestazioni è molto denso, resiste all’acqua e ai sali antighiaccio e può essere facilmente rinforzato. Una robusta “armatura protettiva” con un valore aggiunto strutturale.

Il team dell’Empa guidato da Angela Sequeira Lemos e Christoph Czaderski sta ora sostituendo l’armatura convenzionale in acciaio di questo strato con barre in acciaio a memoria di forma a base di ferro. Dopo l’installazione, le barre vengono riscaldate a circa 200 gradi Celsius e tentano di contrarsi, ma sono impedite dal calcestruzzo. Il risultato è una precompressione interna che chiude le fessure, riduce la deformazione e mette permanentemente la soletta in uno stato di tensione più favorevole.

Lefessure si chiudono visibilmente
In una prima fase, il team ha studiato l’effetto di legame tra l’UHPFRC e l’acciaio a memoria di forma. Quanto bene rimane il legame dopo il riscaldamento? Quanto è possibile trasferire le forze in modo affidabile? Sono seguiti test su larga scala con cinque lastre di cemento, ciascuna lunga cinque metri, che simulavano impalcati da ponte autoportanti.

Una lastra è rimasta non rinforzata, mentre alle altre è stato applicato uno strato di UHPFRC, con armatura convenzionale o con barre Fe-SMA. Per simulare condizioni realistiche, le lastre sono state inizialmente caricate fino alla formazione di fessure e solo successivamente rinforzate. Dopo il riscaldamento delle barre di Fe-SMA, le fessure esistenti si sono visibilmente chiuse e le aree di cedimento si sono risollevate. Già durante questa fase di attivazione erano evidenti miglioramenti significativi nella deformazione.

Più rigido, più forte, più duraturo
I test sono stati accompagnati da un fitto sistema di misurazione. Le telecamere digitali hanno osservato l’andamento delle crepe, mentre i sensori a fibre ottiche all’interno dei pannelli hanno registrato le deformazioni lungo le aste. Simile ai cavi in fibra ottica delle telecomunicazioni, ma in questo caso la luce retrodiffusa viene usata per misurare la deformazione.

Sia il rinforzo convenzionale con UHPFRC che il nuovo sistema con acciaio a memoria di forma sono stati in grado di raddoppiare almeno la capacità di carico rispetto alla piastra non rinforzata. Tuttavia, la variante Fe-SMA ha dimostrato di avere un chiaro vantaggio sotto i carichi quotidiani, come quelli causati dal normale traffico stradale. La piastra è diventata più rigida, le deformazioni permanenti si sono verificate più tardi o sono scomparse del tutto e le crepe esistenti hanno potuto essere chiuse. Il sistema agisce quindi come una “riattivazione” della struttura portante esistente.

Campi di applicazione e prossimi passi
Sia il calcestruzzo fibrorinforzato ad altissima resistenza che l’acciaio a memoria di forma sono ancora relativamente costosi. Il sistema è quindi economicamente più interessante laddove altri metodi di rinforzo non sono più sufficienti. Ad esempio, in ponti fortemente deformati e già danneggiati o, in particolare, in strutture sensibili con spazi di intervento limitati.

L’uso del sistema non è limitato ai ponti. Sono ipotizzabili anche applicazioni nell’edilizia, ad esempio per balconi a sbalzo, tetti piani o componenti sensibili in cui sono richieste soluzioni di rinforzo compatte e una superficie molto densa. Il progetto finanziato da Innosuisse è stato sviluppato in collaborazione con OST, lo spin-off dell’Empa re-fer e cemsuisse. Dopo il successo delle prove, il team è ora alla ricerca di un ponte adatto per la prima applicazione pilota. Se questo passo avrà successo, il cemento armato “intelligente” potrebbe diventare uno strumento importante per affrontare l’invecchiamento dell’infrastruttura svizzera dei ponti.

Quelle: Empa