Applicazione del calcestruzzo schiumato a micropori in telai in c.a.: studio comparativo

Nel dibattito contemporaneo sulle costruzioni in zona sismica, l’idea di alleggerire le strutture non è più soltanto un auspicio teorico, ma una strategia concreta che può tradursi in benefici misurabili in termini di sicurezza, costi e sostenibilità ambientale. La relazione presentata da Devid Falliano ad ANIDIS 2025, ad Assisi, si colloca esattamente in questo solco, proponendo un cambio di paradigma nella progettazione dei telai in calcestruzzo armato attraverso l’impiego strutturale dei calcestruzzi schiumati, o foamed concrete.

Che caratteristiche dovrebbe avere il materiale ideale per l'edilizia?

La ricerca parte da una riflessione quasi “utopica” ma profondamente ingegneristica: il materiale ideale per le costruzioni dovrebbe coniugare resistenza meccanica, leggerezza, isolamento termico, durabilità e comportamento al fuoco. Molte di queste proprietà convivono già oggi nei calcestruzzi leggeri, ossia in quei conglomerati cementizi caratterizzati da densità inferiori ai 2.400 kg/m³ del calcestruzzo convenzionale.

All’interno di questa famiglia, i foamed concrete rappresentano una tipologia particolarmente interessante, perché l’alleggerimento non avviene mediante l’introduzione di aggregati speciali, ma grazie all’inglobamento controllato di microbolle d’aria nella matrice cementizia. In altre parole, si ottengono prestazioni migliorate “togliendo” materiale, con un immediato beneficio anche in termini di consumo di risorse.

Dalla microstruttura alle prestazioni meccaniche: perché il foamed concrete è diverso

Il carattere distintivo di questi materiali è l’elevatissima ingegnerizzabilità. Agendo sul mix design e sulla quantità di schiuma introdotta, è possibile spaziare da densità estremamente basse, dell’ordine di 85 kg/m³, fino a valori prossimi a 2.000 kg/m³, mantenendo una notevole flessibilità progettuale. L’aumento della porosità comporta un incremento di leggerezza, isolamento termico e resistenza al fuoco, ma inevitabilmente riduce le prestazioni meccaniche. È proprio in questo equilibrio delicato tra benefici e penalizzazioni che si gioca la partita della ricerca.

Il comportamento del foamed concrete allo stato fresco è governato da un sistema complesso di forze che agiscono sulle bolle d’aria all’interno della pasta cementizia. La sfida consiste nel garantire la stabilità di bolle il più possibile piccole e uniformemente distribuite, dando origine a un cosiddetto micropore foamed concrete.

Il confronto microstrutturale con il calcestruzzo cellulare autoclavato tradizionale, come il gasbeton, mostra chiaramente come, a parità di densità, la distribuzione dei pori sia radicalmente diversa, con effetti diretti sulle prestazioni meccaniche e sulla durabilità del materiale.

Una volta compresa e controllata la microstruttura, la domanda diventa inevitabile: perché non pensare a un impiego strutturale? In realtà, la storia insegna che il calcestruzzo alleggerito non è una novità assoluta. I Romani lo utilizzarono magistralmente nella costruzione del Pantheon, variando la densità del conglomerato lungo l’altezza della struttura per ridurre i carichi verso la sommità. In epoca moderna, il calcestruzzo alleggerito strutturale con argilla espansa è ampiamente diffuso, con un rapporto noto tra densità e resistenza a compressione. Tuttavia, i foamed concrete ad alta densità offrono un’alternativa con caratteristiche meccaniche sorprendenti.

XX Convegno ANIDIS: focus su sicurezza sismica e vulnerabilità del costruito
Ad Assisi si è svolto il XX Convegno ANIDIS, principale appuntamento per la comunità dell’ingegneria sismica. Al centro del dibattito: vulnerabilità del costruito, tecniche di rinforzo, monitoraggio strutturale, nuovi materiali, strategie multi-hazard e politiche di riduzione del rischio. INGENIO segue l’evento con video e interviste ai protagonisti.
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Telai in calcestruzzo armato e risposta sismica: il confronto tra soluzioni tradizionali e ibride

Trasferendo l’esperienza maturata sui calcestruzzi schiumati a bassa densità verso un intervallo compreso tra 1.350 e 1.600 kg/m³, lo studio ha analizzato resistenza a compressione, resistenza a flessione e modulo elastico.

Il confronto con il calcestruzzo alleggerito tradizionale ha evidenziato come, a parità di densità, i foamed concrete presentino resistenze a compressione nettamente superiori, mentre i moduli elastici risultano comparabili. Questo dato è cruciale, perché apre la strada a un utilizzo strutturale non più marginale, ma pienamente integrato nella progettazione antisismica.

Per valutare le reali potenzialità di questi materiali, la ricerca ha adottato un approccio comparativo basato su telai in calcestruzzo armato regolari, variando esclusivamente il tipo di conglomerato utilizzato. Le strutture di riferimento, progettate inizialmente con un calcestruzzo convenzionale di classe C25/30, sono state poi rianalizzate sostituendo il materiale con diverse tipologie di foamed concrete, senza modificare le sezioni. Il contesto sismico scelto, nel sud della Sicilia in prossimità di Palazzolo Acreide, rappresenta uno degli scenari più severi del territorio nazionale, rendendo i risultati particolarmente significativi.

Due sono state le configurazioni analizzate. Nelle strutture omogenee, travi e pilastri sono realizzati con lo stesso tipo di calcestruzzo, mentre nelle strutture ibride i pilastri rimangono in calcestruzzo convenzionale e le travi vengono alleggerite mediante foamed concrete. Questa seconda soluzione nasce dall’esigenza di mantenere un adeguato controllo degli spostamenti, senza rinunciare ai vantaggi legati alla riduzione di massa.

Riduzione delle azioni sismiche, controllo degli spostamenti e benefici economici

Le analisi dinamiche lineari hanno restituito un quadro estremamente interessante. Come atteso, i primi modi di vibrare risultano traslazionali, seguiti da un modo torsionale, e i periodi aumentano con l’altezza dell’edificio. Tuttavia, il dato più rilevante è che la struttura più rigida non coincide con quella in calcestruzzo convenzionale, bensì con la configurazione ibrida che utilizza foamed concrete ad alta densità nelle travi. Questo risultato mette in evidenza un aspetto spesso sottovalutato: la variazione di materiale incide sì sulla massa, ma soprattutto sulla rigidezza globale della struttura.

Le conseguenze sul comportamento sismico sono rilevanti. Le strutture omogenee mostrano una riduzione del taglio massimo alla base compresa tra il 31% e il 47% rispetto alla soluzione convenzionale, mentre le strutture ibride registrano riduzioni tra il 30% e il 42%. Sul fronte degli spostamenti, le soluzioni ibride riescono addirittura a contenere le deformazioni laterali al di sotto di quelle della struttura tradizionale, ottenendo così un duplice vantaggio prestazionale.

A questi risultati si sommano benefici economici e ambientali concreti. La riduzione delle azioni sismiche comporta una minore quantità di armature necessarie e quindi un risparmio di acciaio, mentre l’uso di un materiale alleggerito grazie alle bolle d’aria riduce il consumo di risorse e l’impatto ambientale complessivo. La ricerca presentata ad ANIDIS 2025 dimostra così come il foamed concrete, se correttamente progettato e inserito in configurazioni strutturali ibride, possa diventare un elemento chiave per una nuova generazione di edifici antisismici, più sicuri, più economici e più sostenibili.

Il testo è stato elaborato tramite la videoregistrazione della relazione, mediante l'uso dell'IA.