Cemento Armato: Quali i Vantaggi delle Armature Polimeriche anziché in Acciaio

di Marco Arezio

Da che conosciamo la storia del cemento armato, le cui origini, verso la fine del XIX° secolo, non sono facilmente attribuibili, possiamo dire che il matrimonio tra calcestruzzo e acciaio sia stato inossidabile.

La nascita di questa unione si può far risalire ad una serie di personaggi che sperimentarono la combinazione tra la malta cementizia e il ferro in diverse occasioni.

Possiamo citare William Wilkinson, Inglese, che nel 1854 depositò un brevetto per la costruzione di tetti e pareti antifuoco realizzate in cemento armato, mentre nel 1855, durante l’esposizione universale di Parigi l’avvocato Francese J.L. Lambot presentò un modello di imbarcazione in metallo ricoperta da uno strato di cemento.

Per citare poi l’Italiano C. Gabellini che nel 1890 iniziò la costruzione di scafi navali in cemento armato ma, se guardiamo al mondo delle costruzioni al quale si associa normalmente il cemento armato, risulta che la prima soletta per un edificio sia stata progettata e costruita nel 1879 ad opera dell’Ingegnere Francese Francois Hennebique.

Molti altri ne sono seguiti, portando al centro dei lavori e delle applicazioni il connubio tra cemento (calcestruzzo) e armature in acciaio, fino ad una larghissima diffusione in tutte le opere strutturali dei giorni nostri.

Con l’avanzare della ricerca e delle conoscenze su materiali strutturali alternativi, si è scoperto che l’utilizzo di alcuni polimeri compositi potessero migliorare le prestazioni e la durabilità delle strutture portanti in cemento armato, proprio alla luce dei fatti recenti in cui si sono viste strutture collassare per l’usura dei materiali che le compongono.

In questa esplorazione ci accompagna l’Ing. Casadei Paolo, che ci illustra le recenti scoperte circa l’impiego di armature in materiali compositi rinforzati (GFRP) in sostituzione delle comuni barre d’armatura in acciaio.

Sono drammaticamente sotto gli occhi di tutti i problemi delle infrastrutture Italiane, figlie di una progettazione e realizzazione che risale al primo dopoguerra e di una scarsa conoscenza circa i fenomeni di degrado e di durabilità. Oggi, grazie all’innovazione tecnologica e alla ricerca, possono finalmente aprirsi scenari alternativi.

Sireg Geotech sta lavorando da tempo e con lungimiranza, a un’importante novità che avrà impatto strategico sul settore dell’edilizia e delle infrastrutture garantendo la durabilità necessaria alle infrastrutture italiane e permettendo finalmente al calcestruzzo di essere applicato con successo anche in ambienti particolarmente aggressivi e soggetti a costante degrado.

Lo stato dell’arte delle infrastrutture italiane

Il crollo di diverse infrastrutture, fra cui quello del ponte in Lunigiana fino all’eclatante e catastrofico collasso del ponte Morandi a Genova, hanno dimostrato come non si possa più trascurare un’analisi attenta delle nostre infrastrutture datate sia dal punto di vista del degrado dei materiali con i quali sono state realizzate, sia anche dal semplice punto di vista dei carichi iniziali per i quali erano state progettate, per finire con il tema delle pessime condizioni di manutenzione.

Il piano di ispezioni massiccio attualmente in corso è sicuramente un primo passo che ci permetterà di valutare attentamente la sicurezza del nostro patrimonio infrastrutturale, intervenendo poi sulle strutture esistenti in modo preciso e mirato, ma lascia ancora aperto un punto di domanda circa il nostro futuro:

Continueremo a costruire come abbiamo sempre fatto oppure, nell’ottica della sostenibilità, durabilità e riduzione dei costi associati alla manutenzione, valuteremo nuovi materiali più durevoli e con minore impatto ambientale?

Rispondere a questa domanda diventa oggi cruciale per un investimento efficace nelle nostre infrastrutture, siano esse grandi opere o opere di minore entità, ma comunque strategiche per lo sviluppo economico del nostro Paese.

Scenari futuri di rinnovamento infrastrutturale sostenibile con barre in GFRP

In questa direzione si colloca l’impiego di barre in materiale composito fibrorinforzato FRP (Fiber Reinforced Polymer) in sostituzione del tondino in acciaio per la realizzazione di elementi strutturali in calcestruzzo armato.

Questa tipologia di barre è realizzata con fibre di varia natura, fra le quali il vetro e il carbonio sono sicuramente i materiali più impiegati, con il vetro che svolge senza ombra di dubbio il ruolo dominante grazie a una serie di caratteristiche chimico-meccaniche che, in relazione ai costi, lo rendono ad oggi la soluzione più adottata per questo tipo di applicazioni.

La diffusione delle barre in GFRP è favorita in primis dalla proprietà fondamentale di questi materiali, ovvero la loro indiscussa maggiore durabilità dovuta al fatto di non essere in alcun modo suscettibili ai fenomeni di corrosione.

Questo fa sì che risultino particolarmente indicati in tutte le applicazioni dove l’opera o l’elemento strutturale risulta particolarmente soggetto a fenomeni di corrosione.

Basti pensare ad esempio agli impalcati da ponte che durante il periodo invernale sono particolarmente esposti ai cloruri adottati per prevenire il formarsi di gelo sul manto stradale, ai canali per lo scolo delle acque oppure alle banchine e ai pontili in riva al mare o, ancora, a qualsiasi manufatto in cemento armato in ambito industriale esposto ad ambienti particolarmente aggressivi.

Recenti studi hanno evidenziato che la vita utile di una struttura armata con questa nuova tecnologia può arrivare fino a 100 anni senza alcun accorgimento particolare rispetto alla natura del calcestruzzo o di altri particolari costruttivi, necessari invece nel caso delle strutture in cemento armato tradizionalmente rinforzate con tondini in acciaio.

Esistono però diverse altre proprietà di questi materiali che vanno certamente menzionate nel raffronto con l’acciaio per poter realizzare opportune scelte progettuali.

I tondini in GFRP sono amagnetici e non sono conduttori di calore, pertanto trovano una congeniale applicazione in tutti i manufatti esposti a correnti vaganti, risolvendo il problema della corrosione tipica delle armature in acciaio di fatto incompatibili con questo tipo di applicazioni.

Basti pensare, ad esempio, a tutte le infrastrutture legate al settore ferroviario o dei varchi autostradali con sistemi di riconoscimento elettronico.

Un altro non trascurabile vantaggio nell’impiego di armature in GFRP è la facilità e rapidità nella posa in opera grazie al loro peso ridotto, circa un quarto rispetto a quello dell’acciaio.

Tale indiscussa leggerezza rende il prodotto particolarmente agevole nella sua movimentazione a terra, tanto che diversi studi hanno dimostrato risparmi di tempo fino al 40-50% rispetto alla posa di un’equivalente armatura in acciaio.

Quali parametri da tenere sott’occhio nella progettazione e cantierizzazione di questi materiali

A fianco di tutti questi aspetti che hanno reso la tecnologia particolarmente attraente a seconda dei diversi impieghi, vanno sicuramente messi in evidenza una serie di altri aspetti che richiedono attenzione per coloro che si vogliono affacciare alla progettazione.

Innanzitutto è bene sottolineare che le barre in GFRP per impieghi strutturali sono prodotte secondo la tecnica della pultrusione impiegando fibra di vetro E-CR - nota per le sue caratteristiche meccaniche e di durabilità migliorate rispetto al tradizionale E-glass - e una matrice resinosa di natura vinilestere ovvero termoindurente.

Questo significa che una volta indurita non può più essere modellata ossia che il processo con il quale le barre vengono lavorate per realizzare staffe e/o parti piegate deve essere eseguito in fase di produzione della barra stessa e non in tempi successivi, come invece accade abitualmente con l’acciaio da costruzione.

Ancora, i raggi di curvatura delle barre non sono gli stessi comunemente noti per i tondini in acciaio, ma hanno dimensioni leggermente più grandi per cercare di ridurre al massimo l’impatto negativo della piegatura sulle caratteristiche meccaniche della parte piegata rispetto alla parte rettilinea della barra stessa, nonché per motivi produttivi industriali che vedono in tale processo uno dei principali ostacoli.

Nella tabella sotto sono indicate le caratteristiche meccaniche delle barre Glasspree® di Sireg Geotech in fibra di vetro e resina vinilestere.

Osservando la tabella si può notare come le caratteristiche meccaniche delle barre varino al variare del diametro, con i diametri più piccoli aventi caratteristiche meccaniche superiori rispetto ai diametri più grandi e, in generale, con prestazioni meccaniche a trazione decisamente superiori a quelle di un tradizionale tondino ad aderenza migliorata in acciaio.

Se da un lato la resistenza a trazione può indurre in prestazioni meccaniche superiori, dall’altro il modulo elastico risulta circa un quarto rispetto a quello dell’acciaio, pari a 46Gpa in questo specifico caso.

Questo significa quindi che se, da un lato, in una verifica allo stato limite ultimo ci si potrebbe aspettare di poter realizzare una sezione equivalente con diametri inferiori o minor quantità di materiale, dall’altro nelle verifiche agli stati limite di esercizio ci si ritroverà spesso a dover adottare più materiale a seguito del minore modulo elastico.

Nel merito poi delle verifiche a taglio, per le ragioni sopra esposte, la parte piegata di una barra non resiste come la parte rettilinea, al punto che in tabella si evince come una barra piegata di 90° perda circa il 60% della resistenza dichiarata della parte rettilinea.

Quest’ultimo aspetto è assolutamente fondamentale e da tenere presente quando si affronta la progettazione di armature a taglio o che richiedono la presenza di ferri piegati.

Risulta quindi fondamentale, nel momento in cui si approccia una progettazione con questi materiali, fare riferimento a schede tecniche nelle quali tali parametri siano messi chiaramente in evidenza, insieme allo standard rispetto al quale tali valori sono stati ottenuti.

In ambito europeo, lo standard di riferimento è la norma ISO 10406-1 e altri standard internazionali comunemente riconosciuti.

In USA e Canada impiego e normative un passo avanti

Negli Stati Uniti e in Canada l’impiego di questi materiali vede oggi un incremento sempre crescente sicuramente grazie al grande impulso favorito da uno sviluppo del quadro normativo e degli standard di qualifica che ne ha permesso una rapida implementazione.

Fino a vent’anni fa, nei laboratori universitari si studiava l’impiego di questi materiali solo per applicazioni pilota, mentre oggi siamo spettatori di un graduale, ma sempre più diffuso impiego, prevalentemente in ambito infrastrutturale con opere permanenti come ponti, canali e altre in diversi settori.

Il successo di questa tecnologia sui mercati americano e canadese è sicuramente stato favorito dal rapido ma pur sempre attento e graduale sviluppo dei documenti quali l’ACI 440.1R-15 “Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Bars” dell’American Concrete Institute e l’”AASHTO LRFD Bridge Design Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete” dell’American Association of State Highway and Transportation Officials che rappresentano oggi gli standard più aggiornati per la progettazione di elementi in cemento armato rinforzati con barre in fibra di vetro.

Situazione normativa in Italia e in Europa

Nel vecchio continente e in particolar modo in Italia il quadro normativo presenta una situazione che richiede un rapido ammodernamento e allineamento agli standard progettuali vigenti ovvero le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC) 2018. Il documento di riferimento è il CNR-DT 203-2006 pubblicato oramai più di 15 anni fa e quindi figlio del Decreto Ministeriale 9 gennaio 1996 e di studi oramai estremamente conservativi e datati.

Tuttavia uno degli aspetti che ha maggiormente frenato e tutt’ora frena lo sviluppo di questa tecnologia tanto promettente è certamente l’assenza di un quadro normativo per rispondere ai requisiti del capitolo 11 delle NTC 2018, per il quale tutti i materiali da costruzione per uso strutturale devono essere marcati CE o dotati di certificazione nazionale che ne permetta di definirne le caratteristiche essenziali e possa garantirne nel tempo la costanza delle prestazioni.

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