Retrofitting e rafforzamento delle strutture in calcestruzzo per un futuro sostenibile

In un mondo sempre più attento alla sostenibilità, la richiesta di riutilizzare e adattare il nostro ambiente costruito non è mai stata così forte. Sebbene demolire e costruire di nuovo possa sembrare una tabula rasa, l'adeguamento delle strutture in calcestruzzo esistenti è un'operazione convincente e spesso sottovalutata: non si tratta solo di una sfida tecnica, ma di una scommessa intelligente sui costi, sul patrimonio e sul pianeta.

Prevenzione più che crollo

In tutto il mondo, questa necessità sta diventando urgente. Ponti ed edifici invecchiati, molti dei quali progettati secondo standard obsoleti e spinti ben oltre la loro durata originaria, richiedono ora una rivalutazione e una rivitalizzazione. In Europa, Nord America e nella regione Asia-Pacifico, decine di migliaia di strutture sono già state classificate in condizioni precarie o carenti, e molte altre sono in attesa di indagini dettagliate. E i recenti crolli, come il ponte Morandi di Genova o il parziale cedimento di Dresda, ci ricordano cosa succede quando il rafforzamento arriva troppo tardi. Codici internazionali come l'ISO 13822, il Manuale di Valutazione dei Ponti dell'AASHTO e la guida emergente dell'Eurocodice stanno determinando un cambiamento: valutare prima, rinforzare ciò che conta e prolungare la vita utile delle strutture su cui facciamo affidamento ogni giorno.

Crollo parziale del ponte Carola/Elbe (Dresda, 11 settembre 2024) e Ponte Morandi (Genova, Italia, 14 agosto 2018)

Ma non sempre si tratta di strutture importanti, a volte un piccolo dettaglio può avere un peso enorme e prevenire problemi maggiori.

Si veda, ad esempio, una breve trave a sbalzo modellata in IDEA StatiCa Detail utilizzando i parametri di armatura esistenti ma valutati per i nuovi carichi secondo le norme vigenti. Nella prima immagine, è possibile vedere la disposizione delle armature, l'utilizzo e la sollecitazione delle barre. La struttura cede, con la capacità limitata da sollecitazioni di trazione troppo elevate che l'armatura esistente non è in grado di gestire.

L'immagine successiva mostra la versione rinforzata, che ora utilizza barre non legate. Questa soluzione elimina quasi completamente le tensioni di trazione nell'armatura e sopporta in sicurezza i carichi di stato limite, dimostrando come un intervento di retrofitting mirato possa migliorare notevolmente le prestazioni anche di un elemento apparentemente minore.

Parleremo più avanti di IDEA StatiCa Detail e della gamma di funzioni che offre per il rinforzo, ma per ora concentriamoci sulla domanda che questo esempio solleva...

Calcestruzzo vecchio, nuove regole

Le strutture in calcestruzzo costruite decenni fa erano progettate secondo standard molto diversi. Le proprietà dei materiali venivano ipotizzate anziché misurate. Le armature erano spesso lisce anziché nervate. Le lunghezze di ancoraggio erano inferiori. I dettagli nelle regioni D erano più semplici, a volte troppo semplici. Le fessure potevano svilupparsi gradualmente nel corso di anni di servizio, ma ora devono essere considerate in una nuova realtà di carico.

Barre lisce - immagine tratta da Comportamento sperimentale di armature lisce ancorate in edifici in cemento armato di vecchio tipo, di Giovanni Fabbrocino, Gerardo M. Verderame, Gaetano Manfredi

Tutte queste incertezze si accumulano. Gli ingegneri spesso scoprono che il materiale esistente semplicemente non corrisponde alle ipotesi richieste dai codici odierni. Soprattutto quando la verifica si basa principalmente su modelli empirici determinati attraverso prove ed esperienze, ma in condizioni completamente diverse! L'analisi lineare standard perde di importanza. E la domanda diventa improvvisamente: Qual è la capacità effettiva di questo elemento strutturale esistente oggi, non decenni fa?

Retrofitting vs. ricostruzione

Quando si confronta il rafforzamento di una struttura esistente con la costruzione di una nuova, le risposte sono sempre più orientate verso il retrofit, sia dal punto di vista finanziario che ambientale. È curioso che ci si concentri sulla sostituibilità soprattutto nel contesto dei nuovi materiali. Potrebbe essere una buona cosa, ma solo finché si costruisce in un'area verde e non si ha a che fare con la demolizione. Onestamente, a volte l'approccio più ecologico è semplicemente il riutilizzo.

Le demolizioni e le nuove costruzioni creano grandi quantità di rifiuti, distruggono il carbonio incorporato già investito nella struttura e richiedono la produzione di nuovo cemento e acciaio. Il retrofit, invece, preserva ciò che è già presente, riducendo notevolmente le emissioni di carbonio.

Dal punto di vista dei costi, spesso il rafforzamento può essere realizzato in modo più rapido ed economico rispetto alla ricostruzione. Le fondamenta esistenti rimangono. I telai strutturali rimangono. I disagi sono minori. In molti casi, un retrofit ben progettato consente di ottenere non solo la conformità agli standard moderni, ma anche di migliorare le prestazioni e la durata di vita.

Rafforzamento dei ponti - immagine tratta da Bridge Engineering - Selected Issues, di Tomasz Siwowski

IDEA StatiCa Deatil

Invece di affidarsi a ipotesi conservative o a modelli troppo semplificati, il Metodo dei Campi di Sollecitazione Compatibili aiuta gli ingegneri a simulare realisticamente la ridistribuzione delle sollecitazioni.

Il Compatible Stress Fields Method (CSFM) è un'estensione dei metodi Strut-and-Tie (S&T) e Stress Fields Methods. Si tratta di un moderno metodo non lineare per l'analisi delle regioni D e degli elementi il cui comportamento può essere semplificato alle sollecitazioni piane, cioè a un modello 2D. Si veda il seguente articolo per capire le basi: CSFM spiegato

Utilizzando IDEA StatiCa Detail, gli ingegneri possono modellare e analizzare qualsiasi geometria, indipendentemente dalla complessità, e ottenere risultati quali campi di sollecitazione e deformazione, ampiezza delle fessure e percorsi di carico. Questo strumento supporta sia gli standard ACI che EN, rendendolo versatile per diversi progetti.

I recenti progressi di IDEA StatiCa Detail rendono il retrofitting molto più preciso ed efficace. Due caratteristiche particolarmente rilevanti sono:

1. Cavi non aderenti: A differenza della tradizionale post-tensione aderente, i trefoli non aderenti non si basano sul legame con il calcestruzzo lungo la loro lunghezza.

• Ciò è particolarmente utile per l'armatura delle regioni D: ad esempio, i cavi verticali nelle mensole o nelle testate possono chiudere le fessure, ridistribuire le tensioni e rinforzare senza aderenze invasivi.

• Quando si procede al retrofit di calcestruzzo molto vecchio (già parzialmente creep), il coefficiente di creep per la precompressione deve essere regolato più basso per evitare di sovrastimare gli effetti. IDEA StatiCa consente questa sfumatura.

2. Barre di armatura lisce: IDEA StatiCa Detail supporta anche le armature lisce (cioè non deformate) nella progettazione e nell'analisi.

• Tali barre possono assomigliare maggiormente alle armature più vecchie o fornire dettagli di ancoraggio più semplici.
• La combinazione di barre lisce e tendini non legati può rendere più efficiente, preciso ed economico il rinforzo di travi prefabbricate, solette nervate o regioni D invecchiate.

3. Ancoraggio della struttura in acciaio nel calcestruzzo: Durante i progetti di riabilitazione o rafforzamento, è molto comune combinare i materiali ancorando nuove strutture in acciaio nel calcestruzzo armato esistente. Con IDEA StatiCa Detail (modulo 3D), queste connessioni possono essere modellate utilizzando un comportamento realistico dei materiali, catturando il trasferimento di carico non lineare tra acciaio e calcestruzzo.

Rispettare il passato

L'adeguamento non è solo un problema ingegneristico, ma un atto di gestione. Molte delle strutture in calcestruzzo oggi esistenti sono più che semplici elementi costruttivi: hanno un valore storico, sociale e culturale. Rafforzandole, ne preserviamo la storia, ne prolunghiamo la vita funzionale e leghiamo la sostenibilità all'eredità. In definitiva, il retrofitting non è solo una riparazione. Si tratta di trasformare ciò che già esiste in qualcosa che possa continuare a servire la società per i decenni a venire.

Esempio di valutazione e ristrutturazione di un edificio esistente - immagine tratta da Nuove regole tecniche europee per la valutazione e il retrofitting delle strutture esistenti, di P. Luechinger, J. Fischer, Christis Z Chrysostomou, Peter Tanner

Molti di voi conoscono tutti i vantaggi, ma continuano a preferire la demolizione e la progettazione ex novo, e sappiamo perché. Un compito del genere è molto difficile da affrontare, sia per la scarsa documentazione, sia per l'imprecisione dei metodi, sia per gli effetti del tempo sulla struttura. Il lavoro di ingegneria è spesso unico e richiede una profonda comprensione del problema con pochi esempi su cui fare affidamento, ed è qui che il CSFM (disponibile in IDEA StatiCa Detail) aiuta.

Conclusione

L'adeguamento e il rafforzamento delle strutture in calcestruzzo esistenti non è solo un'opzione di ripiego, ma una scelta lungimirante. Con gli strumenti e le analisi giuste, gli ingegneri possono superare le sfide tecniche poste dalle vecchie armature, dalle zone fessurate e dal comportamento incerto dei materiali. Nel frattempo, gli altri beneficiano di un impatto ambientale ridotto e della conservazione del patrimonio. Per quanto riguarda i costi risparmiati... lascio alla vostra immaginazione.