Cenni sulla conservazione degli edifici in calcestruzzo armato del XX secolo

Il calcestruzzo si è dimostrato decisamente vulnerabile all'invecchiamento e all'aggressione ambientale

Nel dibattito attuale certamente un posto di rilievo spetta alla salvaguardia delle costruzioni in calcestruzzo armato del ventesimo secolo: ciò costituisce un capitolo estremamente importante e di grande attualità nell’ambito del concetto più ampio di manutenzione, argomento questo ancora in deplorevole ritardo nella considerazione generale se non ad una campagna di finanziamenti legati a logiche economiche deviate come il cosiddetto superbonus. Tutto ciò è aggravato dal fatto che i processi di progresso tecnologico nell’ambito della ricerca scientifica su una nuova generazione di conglomerati cementizi appare penalizzata dalla mancata applicazione sia ai fini della sicurezza statica che dinamica.

Unitamente all’avanzamento della ricerca sul materiale calcestruzzo, si è molto studiato, con importanti risultati, il concetto di monitoraggio strutturale che segue l’applicazione diagnostica iniziale nel progetto di recupero, consentendo un possibile significativo innalzamento della sicurezza strutturale.

Il calcestruzzo, erroneamente giudicato capace di più che notevole durabilità, quando tra la fine del diciannovesimo secolo e l’inizio del ventesimo vi fu lo sviluppo di tale tecnologia sulla scorta dei solai a doppia soletta di Francoise Hennebique, si è rivelato, al contrario, decisamente vulnerabile all’invecchiamento e all’aggressione ambientale. La presenza dell’armatura ha contribuito all’accelerazione del possibile degrado in funzione della rapida ossidazione dei ferri con conseguente espulsione dello spessore copriferro.

Molti sono gli edifici storici del ventesimo secolo che sono colpiti da tale patologia che si estende anche ad altri fenomeni negativi quali la carbonatazione e si può ormai affermare che se per gli edifici della prima metà del secolo scorso i mix-design non corretti siano stati dovuti all’evoluzione degli studi al riguardo, nella seconda metà nel nostro paese sono stati dettati da colpevole affarismo che ha lasciato un patrimonio costruito su cui occorre intervenire seppur di nessuna qualità architettonica.

Il pericolo maggiore, infatti, è costituito dalla conseguente carenza di resistenza statica residua che può raggiungere limiti pericolosi da non sottovalutare.

Tale considerazione è aggravata dalla consapevolezza che questo costruito costituisce la maggiore percentuale delle nostre città che hanno visto in quegli anni un intervento sul territorio che ne caratterizza negativamente l’attualità. In funzione di tale condizione e richiamando le indagini di tipo fotoacustico con spettroscopia FT-IR si è sempre più imposto per le strutture in conglomerato cementizio armato la metodologia delle indagini non distruttive. Queste sono fondamentalmente impostate sulla trasmissione di onde che attraversando la massa del conglomerato ne misurano la velocità di propagazione trasformandola, mediante una formula di conversione, nel corrispondente valore di resistenza meccanica.

Oltre quanto precedentemente scritto, maggiore è l’incertezza nella conservazione degli edifici in calcestruzzo armato riguardo alla conoscenza della reale consistenza e validità del calcolo. Questo è legato ai fattori costitutivi non lineari dei materiali che lo compongono, l’acciaio e il calcestruzzo, e alle tensioni tangenziali che si istaurano sulla superficie cilindrica che circonda le barre necessaria per assicurare la collaborazione tra i due materiali.

L’ipotesi di perfetta aderenza è applicabile solo per bassi stati di sollecitazione: all’aumentare dello stato di deformazione aumentano gli scorrimenti. Al legame d’aderenza è legata anche la distribuzione delle lesioni, e quindi l’effetto del tension stiffening (azione di irrigidimento che il calcestruzzo teso, compreso fra due fessure contigue, esplica sulle barre di armatura) e la localizzazione delle deformazioni plastiche.

Dopo la fessurazione il materiale è ancora in grado di assorbire sforzi di trazione per effetto del tension softening ma questo fenomeno si esaurisce all’aumentare dello stato di deformazione. Tutto ciò risulta maggiormente aggravato in zona sismica. Negli ultimi anni sono state condotte molte prove sperimentali per valutare i parametri che influenzano questo meccanismo di trasmissione degli sforzi tra acciaio e calcestruzzo anche in virtù dei rilievi effettuati nel post sisma degli ultimi terremoti a partire da quello dell’Aquila in cui troppe sono state le situazioni di sfilamento dei ferri.
Altra importante scelta progettuale soprattutto per i progetti di miglioramento sismico è la tecnologia dei solai misti in legno e calcestruzzo.

Questi orizzontamenti sono più leggeri dei tradizionali solai in latero-cemento, caratteristica particolarmente vantaggiosa dal punto di vista del comportamento sismico, mentre rispetto ai solai in legno determinano una diminuzione delle deformazioni flessionali e delle vibrazioni dell’impalcato. Presentano, inoltre, un migliore comportamento al fuoco e una maggiore capacità d’isolamento acustico. Il maggiore successo, tuttavia, queste strutture l’hanno incontrato in Italia negli interventi di recupero degli edifici storici.

Le caratteristiche di resistenza e rigidezza di una trave mista dipendono, essenzialmente, dall’efficacia della connessione tra legno e calcestruzzo: nell’ipotesi d’incollaggio perfetto, infatti, sarebbe garantita la conservazione delle sezioni piane e sarebbe possibile procedere al calcolo della sezione adottando il momento d’inerzia della sezione ideale, omogeneizzata in base al rapporto dei moduli elastici del calcestruzzo e del legno.

Il modulo elastico del calcestruzzo è circa il triplo di quello del legno tuttavia, considerando l’area del corrente compresso, le caratteristiche della sezione risultano migliori rispetto a quelle della sola trave lignea, in particolare per i solai in cui l’interasse tra i travetti è considerevole.

La rigidezza, in particolare, viene incrementata di circa un ordine di grandezza comportando una riduzione della freccia in mezzeria a un decimo di quella della sola struttura lignea. Il successo delle strutture miste legno-calcestruzzo ha determinato lo sviluppo di numerose tipologie di connessione basate su diversi principi di trasmissione della sollecitazione, connessioni nelle quali la forza è trasmessa per contatto diretto fra gli elementi (connessioni ad attrito, connessioni incollate, connessioni a elementi interposti).

A differenza delle travi composte in acciaio e calcestruzzo, in cui generalmente la deformabilità della connessione è trascurabile, nelle travi miste in legno e calcestruzzo la deformabilità della connessione reale, accentuata dal comportamento reologico del legno, è tale da influenzare sia la distribuzione degli sforzi sia la rigidezza dell’impalcato. Se l’errore commesso nella valutazione dello stato tensionale può essere prevenuto tramite una progettazione cautelativa quello relativo alle deformazioni non può invece essere trascurato in quanto per il dimensionamento delle sezioni resistenti la deformabilità in esercizio è il parametro fondamentale più della resistenza ultima. Nell’ipotesi di comportamento lineare, il calcolo dello stato di sforzo e di deformazione della sezione mista può essere svolto tramite il “metodo di Möhler” basato su quattro ipotesi:

• conservazione delle sezioni piane per le due sezioni parziali (soletta e travetto) ma non per la sezione composta;
• comportamento elastico lineare dei materiali e della connessione;
• piccoli spostamenti e uguaglianza degli abbassamenti e delle curvature;
• connessione uniformemente distribuita lungo l’asse della trave.

Materiali magnetici innovativi per l'attenuazione delle vibrazioni degli edifici

Diverse problematiche relative agli edifici esistenti in calcestruzzo armato possono essere risolte mediante l’utilizzo di materiali magnetici innovativi. In particolare, la principale via di ricerca sembra riguardare i sistemi di attenuazione delle vibrazioni e la sensoristica, oltre l’isolamento.

In Italia il rapporto tra i danni prodotti dai terremoti e l’energia rilasciata è decisamente più alto rispetto a quello che si verifica normalmente in altri paesi ad elevatissima sismicità e ciò costituisce il vero problema: rispetto ad altri paesi ad alta sismicità l’Italia ha una vulnerabilità sismica molto elevata per le non buone condizioni del suo patrimonio edilizio, oltre che dell’alta densità abitativa, per cui l’attività di ricerca nel settore degli attenuatori si è indirizzata in particolare sulla riduzione delle vibrazioni che si generano tra componenti strutturali a rigidezza differenziata.

In tale ambito la tecnologia attualmente in uso si basa sull’utilizzo di sensori capaci di irrigidire localmente la struttura ove necessario che necessitano per il funzionamento di energia dall’esterno. Al contrario, gli attenuatori elastomagnetici riescono a variare, in funzione dell’effetto deformante, la propria rigidezza in maniera autonoma da energia esterna.
Nel mondo sono ormai numerose le strutture, di nuova costruzione o esistenti, protette con attenuatori sismici come, ad esempio gli “shock transmitter” o ai dispositivi in leghe a memoria di forma. In particolare si segnalano il Giappone, la Russia e la Cina.

In Italia il numero di costruzioni trattate con dissipatori è in costante aumento e riguardano, inoltre, la conservazione dei beni culturali tramite applicazioni ai basamenti di statue di grande rilevanza come i bronzi di Riace. In tale ottica vale la pena segnalare il progetto, sfruttando anche l’isolamento sismico, del Bastan Museum di Teheran frutto di una collaborazione italo-iraniana.
Nell’ottica di tecnologie non solo legate a idonei interventi di consolidamento locale, da segnalare la tecnologia innovativa dì trattamento dei terreni con metodologia colonnare (Jet-Grounding). Questa è in grado di:

• a) mitigare le azioni sismiche su costruzioni esistenti, preservandone il livello di sicurezza nei confronti di azioni gravitazionali ed in condizioni di esercizio, senza intaccarne alcun tipo di integrità iconica o formale;
• b) mitigare gli effetti di azioni vibranti prodotti da attività antropiche (macchine vibranti, treni, ecc.).

La possibilità di industrializzazione di questa tecnica nasce dall'intensa attività di ricerca che ad oggi ha evidenziato come sia possibile abbattere sensibilmente la propagazione delle onde di taglio o antropiche introducendo nel terreno strati di materiale con proprietà fisico-meccaniche sensibilmente diverse da quelle del terreno naturale. In particolare, l'idea consiste nell'introduzione di uno strato relativamente sottile di materiale caratterizzato da un'impedenza dinamica molto più bassa di quella del terreno circostante.

Le analisi numeriche e le prove di laboratorio effettuate hanno dimostrato che, quando il rapporto tra l'impedenza del terreno naturale e quella del materiale che forma la barriera alle vibrazioni raggiunge determinati valori, barriere geometricamente ben assemblate consentono un netto abbattimento della propagazione delle vibrazioni. La tecnologia dell’isolamento colonnare è assolutamente innovativa sia nel campo della difesa dalle vibrazioni sismiche sia in quello della difesa ambientale (barriere idrauliche duttili).

Nel caso delle barriere sismiche, queste saranno realizzate assemblando colonne inclinate in modo da creare una sorta di piramide rovesciata posta al di sotto della struttura da proteggere. In conclusione, i "pali soffici" costituiscono una soluzione tecnologica alternativa che può riscontrare, grazie alla sua applicabilità in molti settori dell'ingegneria, un largo impiego negli ambiti della geotecnica-sismica e dell'ingegneria ambientale. Nel primo caso (isolamento da sorgenti sismiche o da vibrazioni antropiche), l'intervento dovrà essere progettato (in termini sia di scelta della miscela idonea all'uso, sia di geometria dell'intervento) e realizzato con l'obiettivo di modificare artificialmente la propagazione delle onde di taglio nel sottosuolo attraverso il trattamento del terreno in profondità.

L'inserimento di elementi colonnari (verticali, orizzontali o inclinati) caratterizzati da un'impedenza dinamica molto più bassa di quella del terreno circostante fa sì che la perturbazione emessa da una sorgente naturale o artificiale nell'attraversare lo strato di terreno trattato subisca, oltre a una variazione del contenuto in frequenze, una forte riduzione in termini di ampiezza.

In conclusione, si dimostra come la regola del buon costruire sia la priorità e che questa concezione non possa essere lasciata alla sola responsabilità del calcolo numerico. La tecnologia più approfondita possibile consente di superare quelle soglie di sicurezza, anche minime, che le formulazioni numeriche non possono assicurare. Ciò è ancora più evidente nel caso di miglioramento sismico i cui parametri di verifica restano squisitamente tecnologici essendo legati ai materiali adoperati e al loro assemblaggio per realizzare un sistema costruttivo idoneo.

Nel caso del sistema costruttivo intelaiato troppe sono le variabili di approssimazione, nel senso di ipotesi necessarie allo sviluppo di un sistema di calcolo anche di verifica sismica, che non consentono di assicurare una risposta sufficientemente certa in funzione dell’intensità del sisma atteso.