Retrofitting e rinforzo di strutture in calcestruzzo per un futuro sostenibile

In un mondo sempre più orientato alla sostenibilità, l'invito a riutilizzare e adattare il nostro ambiente costruito non è mai stato così forte. Sebbene demolire e ricostruire da zero possa sembrare un nuovo inizio, esiste un caso convincente, e spesso sottovalutato, a favore del retrofitting delle strutture in calcestruzzo esistenti. Non si tratta solo di una sfida tecnica, ma di una scelta intelligente in termini di costi, patrimonio e rispetto per il pianeta.

Prevenzione prima del collasso

In tutto il mondo, questa esigenza sta diventando urgente. Ponti ed edifici invecchiati, molti progettati secondo standard obsoleti e spinti ben oltre la loro vita utile originale, richiedono ora una rivalutazione e una rivitalizzazione. In Europa, Nord America e nella regione Asia-Pacifico, decine di migliaia di strutture sono già classificate in condizioni precarie o carenti, con molte altre in attesa di indagini dettagliate. I recenti crolli, come il Ponte Morandi di Genova o il cedimento parziale a Dresda, sono un duro promemoria di ciò che accade quando il rinforzo arriva troppo tardi. Norme internazionali come ISO 13822, il Bridge Evaluation Manual dell'AASHTO e le emergenti linee guida dell'Eurocode stanno guidando un cambiamento: valutare prima, rinforzare ciò che conta ed estendere la vita utile delle strutture su cui facciamo affidamento ogni giorno.

Crollo parziale del ponte Carola/Elba (Dresda, 11 set 2024) e Ponte Morandi (Genova, Italia, 14 ago 2018) 

Ma non deve sempre riguardare strutture di grande rilevanza: a volte un piccolo dettaglio può avere un peso enorme e prevenire problemi maggiori.

Si veda, ad esempio, una mensola corta modellata in IDEA StatiCa Detail utilizzando i parametri dell'armatura esistente, ma verificata per i nuovi carichi secondo le norme vigenti. Nella prima immagine è possibile vedere la disposizione dell'armatura, lo sfruttamento e la tensione nelle barre. La struttura è insufficiente, con la capacità limitata da tensioni di trazione eccessivamente elevate che l'armatura esistente non è in grado di sopportare.

L'immagine successiva mostra la versione rinforzata, che utilizza ora barre non aderenti. Questo elimina quasi completamente la tensione di trazione nell'armatura e sopporta in sicurezza i carichi allo stato limite ultimo, dimostrando come un retrofitting mirato possa migliorare drasticamente le prestazioni anche in un elemento apparentemente secondario.

Approfondiremo IDEA StatiCa Detail e la gamma di funzionalità che offre per il rinforzo strutturale più avanti, ma per ora concentriamoci sulla domanda che questo esempio solleva...

Calcestruzzo vecchio, nuove regole

Le strutture in calcestruzzo costruite decenni fa sono state progettate secondo standard molto diversi. Le proprietà dei materiali erano supposte piuttosto che misurate. L'armatura era spesso liscia anziché nervata. Le lunghezze di ancoraggio erano più corte. La progettazione nelle regioni D era più semplice, a volte troppo semplice. Le fessure potrebbero essersi sviluppate gradualmente nel corso degli anni di esercizio, eppure ora devono essere considerate in una nuova realtà di carico.

Barre lisce – immagine tratta da Experimental behaviour of anchored smooth rebars in old type reinforced concrete buildings, di Giovanni Fabbrocino, Gerardo M. Verderame, Gaetano Manfredi

Tutte queste incertezze si accumulano. Gli ingegneri scoprono spesso che il materiale esistente non soddisfa le ipotesi richieste dalle norme odierne. Soprattutto quando la verifica si basa principalmente sul rispetto di schemi empirici determinati attraverso prove ed esperienza, ma in condizioni completamente diverse! L'analisi lineare standard perde di rilevanza. 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 rinforzo di una struttura esistente con la costruzione di una nuova, le risposte si orientano sempre più verso il retrofit, sia dal punto di vista finanziario che ambientale. È curioso come le persone si concentrino sulla sostituibilità principalmente nel contesto dei nuovi materiali. Questo può essere positivo, ma solo finché si costruisce su un'area libera e non si deve affrontare la demolizione. Onestamente, a volte l'approccio più ecologico è semplicemente il riutilizzo.

La demolizione e la nuova costruzione generano grandi quantità di rifiuti, distruggono il carbonio incorporato già investito nella struttura e richiedono la produzione di nuovo calcestruzzo e acciaio. Il retrofitting, al contrario, preserva ciò che è già presente, riducendo sostanzialmente le emissioni di carbonio. 

Dal punto di vista dei costi, il rinforzo può spesso essere realizzato più rapidamente e a costi inferiori rispetto alla ricostruzione. Le fondazioni esistenti rimangono. I telai strutturali rimangono. Le interruzioni sono minori. In molti casi, un retrofit ben progettato consente non solo la conformità agli standard moderni, ma anche prestazioni e vita utile migliorate.

Rinforzo di un ponte – immagine tratta da Bridge Engineering - Selected Issues, di Tomasz Siwowski

IDEA StatiCa Detail

Anziché affidarsi a ipotesi conservative o modelli eccessivamente semplificati, il Metodo del Campo di Tensioni Compatibile aiuta gli ingegneri a simulare in modo realistico come si ridistribuiscono le tensioni. 

Il Metodo del Campo di Tensioni Compatibile (CSFM) è un'estensione dei metodi Puntone-e-tirante (S&T) e dei Campi di Tensione. È un moderno metodo non lineare per l'analisi delle regioni D e degli elementi il cui comportamento può essere semplificato a uno stato piano di tensione, ovvero un modello 2D. Vedere il seguente articolo per comprendere 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 tensione e deformazione, ampiezza delle fessure e percorsi dei carichi. Questo strumento supporta sia gli standard ACI che EN, rendendolo versatile per vari progetti. 

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

1. Tendini non aderenti: A differenza della post-tensione aderente tradizionale, i tendini non aderenti non si affidano all'aderenza con il calcestruzzo lungo la loro lunghezza.

• Questo è particolarmente utile per il rinforzo delle regioni D: ad esempio, tendini verticali in mensole corte o estremità ribassate possono chiudere le fessure, ridistribuire le tensioni e rinforzare senza aderenza invasiva.

• Quando si esegue il retrofitting di calcestruzzo molto vecchio (già parzialmente viscoso), il coefficiente di viscosità per la precompressione dovrebbe essere ridotto per evitare di sovrastimare gli effetti. IDEA StatiCa consente questa sfumatura.

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

• Tali barre possono assomigliare più da vicino all'armatura più vecchia o fornire dettagli di ancoraggio più semplici.
• La combinazione di barre lisce con tendini non aderenti può rendere il rinforzo di travi prefabbricate invecchiate, solai nervati o regioni D più efficiente, preciso ed economico.

3. Ancoraggio di strutture in acciaio nel calcestruzzo: Durante i progetti di riabilitazione o rinforzo, è molto comune combinare materiali ancorando nuove strutture in acciaio nel calcestruzzo armato esistente. Con IDEA StatiCa Detail (modulo 3D), questi collegamenti possono essere modellati utilizzando un comportamento realistico dei materiali, catturando il trasferimento non lineare dei carichi tra acciaio e calcestruzzo.

Rispettare il passato

Il retrofitting non è solo un problema ingegneristico, è un atto di responsabilità. Molte delle strutture in calcestruzzo esistenti oggi sono più che semplici elementi costruttivi: portano con sé un valore storico, sociale e culturale. Attraverso il rinforzo, preserviamo la loro storia, estendiamo la loro vita funzionale e colleghiamo la sostenibilità all'eredità. In definitiva, il retrofitting non riguarda solo la riparazione. Riguarda la trasformazione di ciò che già esiste in qualcosa che possa continuare a servire la società per i decenni a venire.

Esempio per la valutazione e il retrofitting di un edificio esistente - immagine tratta da New European Technical Rules for the Assessment and Retrofitting of Existing Structures, di P. Luechinger, J. Fischer, Christis Z Chrysostomou, Peter Tanner

Molti di voi conoscono tutti i vantaggi, eppure preferiscono ancora optare per la demolizione e la progettazione ex novo, e sappiamo perché. Un tale compito è molto difficile da affrontare, sia a causa della scarsa documentazione, di metodi imprecisi o degli effetti del tempo sulla struttura. Il lavoro di ingegneria è spesso unico e richiede una profonda comprensione del problema con pochissimi esempi su cui fare affidamento, ed è qui che il CSFM, (disponibile in IDEA StatiCa Detail) aiuta.

Conclusione

Il retrofitting e il rinforzo delle strutture in calcestruzzo esistenti non è semplicemente un'opzione di ripiego, ma una scelta lungimirante. Con gli strumenti e le analisi adeguati, gli ingegneri possono superare le sfide tecniche poste dalla vecchia armatura, dalle regioni fessurate e dal comportamento incerto dei materiali. Nel frattempo, gli altri beneficiano della riduzione dell'impatto ambientale e della preservazione del patrimonio. Quanto ai costi risparmiati… lascio questo alla vostra immaginazione.