Il rinforzo termoattivo dell’acciaio intelligente rigenera i ponti invecchiati.

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Il principio delle leghe a memoria di forma applicato al calcestruzzo strutturale modifica lo stato tensionale interno degli elementi esistenti senza richiedere sistemi di tesatura esterni. In Svizzera, ricercatori dell’Empa hanno sviluppato un metodo che combina barre in acciaio a memoria di forma con un getto di calcestruzzo fibrorinforzato ad alte prestazioni (UHPFRC) per creare uno strato di rinforzo attivo su impalcati di ponti. Le barre vengono installate in condizione di pre-stiramento e riscaldate a circa 200°C dopo il getto; il tentativo di ritorno alla forma originale genera compressione interna nella struttura.

Contesto europeo del degrado dei ponti

Gran parte della rete infrastrutturale costruita nella metà del Novecento sta raggiungendo il termine della vita utile nominale. Negli Stati Uniti i dati FHWA indicano decine di migliaia di ponti classificati come strutturalmente carenti, mentre diversi paesi europei affrontano situazioni analoghe con patrimoni edilizi realizzati nei programmi di ricostruzione postbellica. La sostituzione integrale di un ponte in area urbana comporta costi elevati, interruzione dei flussi di traffico e complessità nella rilocalizzazione di sottoservizi; per questo le strategie di gestione si orientano sempre più verso il prolungamento della vita utile mediante tecnologie di riabilitazione.

I metodi tradizionali di rinforzo (post-tensione esterna, piattabande metalliche, laminati in FRP) richiedono ancoraggi complessi, tempi di installazione significativi e manutenzione periodica. La ricerca si è quindi concentrata su soluzioni in grado non solo di aumentare la capacità portante, ma anche di ripristinare attivamente il comportamento strutturale.

Il principio delle leghe a memoria di forma nel rinforzo strutturale

Le leghe a memoria di forma a base di ferro contengono manganese, silicio e cromo. Sottoposte a deformazione meccanica, la loro struttura cristallina passa a uno stato deformato; il riscaldamento innesca il ritorno alla configurazione originaria. Nella tecnica sviluppata all’Empa, le barre sono vincolate dal calcestruzzo circostante e quindi non possono accorciarsi liberamente: la deformazione di recupero si converte in compressione trasmessa alla struttura esistente attraverso le zone di ancoraggio. L’effetto è simile a quello di una precompressione, ma senza l’impiego di martinetti idraulici o trefoli esterni.

Angela Sequeira Lemos, responsabile della ricerca, ha descritto il meccanismo: “La bellezza di questo sistema di rinforzo è la sua semplicità. si ancorano le barre, si riscaldano e loro fanno tutto da sole”. Il risultato è una struttura più rigida, con minore tendenza alla fessurazione subito dopo l’attivazione. La chiusura delle fessure interrompe il ciclo di degrado che dalla corrosione porta al collasso progressivo.

A differenza dei sistemi di rinforzo esterno, il meccanismo è completamente inglobato nel calcestruzzo e quindi protetto da agenti atmosferici, urti e atti vandalici. I responsabili della gestione delle reti di trasporto considerano questo aspetto cruciale per ridurre i costi di manutenzione sull’intero ciclo di vita.

Validazione sperimentale su elementi in scala reale

Per verificare la tecnologia, sono state realizzate lastre in calcestruzzo di 5 metri di lunghezza, rappresentative di impalcati a sbalzo. Una lastra è stata lasciata non rinforzata come riferimento; le altre hanno ricevuto uno strato di rinforzo in UHPFRC con barre di armatura convenzionale o con barre a memoria di forma. Prima dell’applicazione del rinforzo, le lastre sono state fessurate artificialmente per simulare le condizioni reali di un ponte degradato, un aspetto spesso trascurato nelle prove di laboratorio su elementi integri.

Dopo il getto dello strato di UHPFRC, le barre a memoria di forma sono state riscaldate. I ricercatori hanno osservato la chiusura immediata delle fessure e la rimozione delle deformazioni residue durante l’attivazione. Il monitoraggio è stato condotto con telecamere ottiche per il tracciamento delle fessure e con sensori a fibra ottica incorporati lungo le barre. Christoph Czaderski ha spiegato: “Utilizziamo sensori che funzionano come le fibre ottiche nelle telecomunicazioni. Analizziamo la luce retrodiffusa per vedere esattamente come si deformano le barre”.

I risultati hanno mostrato un aumento della capacità portante di almeno un fattore due per entrambi i metodi di rinforzo rispetto alla lastra non trattata. La differenza principale è emersa in condizioni di servizio: le lastre rinforzate con barre a memoria di forma hanno mostrato maggiore rigidezza, deformazioni permanenti ritardate e un controllo superiore della fessurazione sotto carichi ciclici. Sequeira Lemos ha sintetizzato: “Abbiamo dimostrato che il nostro sistema non solo funziona, ma è in grado di rivitalizzare ponti esistenti”.

Implicazioni per la gestione delle infrastrutture

Attualmente il costo dei materiali a memoria di forma è ancora elevato. La tecnologia viene quindi proposta per ponti in cui i metodi di rinforzo convenzionali raggiungono i loro limiti, in particolare strutture già molto deformate o che necessitano contemporaneamente di impermeabilizzazione e incremento di capacità portante. Nelle aree urbane dense, il costo di sostituzione può superare di un ordine di grandezza quello della riabilitazione se si includono le interruzioni del traffico e la rilocalizzazione dei sottoservizi; in questi casi, anche un prolungamento della vita utile di vent’anni produce un valore economico significativo.

La tecnica potrebbe essere estesa ad altri elementi in calcestruzzo a spessore ridotto come coperture piane, balconi e solette che richiedono soluzioni di rinforzo compatte. Il progetto, sostenuto da Innosuisse e sviluppato con la Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Orientale, la spin-off re fer e l’Associazione svizzera dell’industria del cemento, sta ora cercando un ponte reale per una dimostrazione in campo. La sperimentazione su opera reale è il passaggio necessario prima dell’adozione su larga scala.

Il significato più ampio della ricerca risiede nel passaggio da materiali passivi a materiali attivi nell’ingegneria civile. Per decenni il rinforzo strutturale ha significato aggiungere capacità. Questa tecnologia introduce la possibilità di modificare attivamente lo stato tensionale interno dopo la costruzione. Se i trial confermeranno i risultati di laboratorio e i costi di produzione scenderanno con la scala, il concetto potrebbe influenzare le strategie di gestione degli asset a livello mondiale. Invece di pianificare cicli di sostituzione basati su curve di degrado, gli enti gestori potrebbero intervenire periodicamente con strati di rinforzo rigenerativi.

L’industria parla da tempo di infrastrutture intelligenti riferendosi a sensori e dati. Questo sviluppo suggerisce che il prossimo passo potrebbe vedere i materiali stessi diventare attuatori strutturali.