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Calcestruzzo deformabile per edifici antisismici

Quando creano strutture in grado di resistere ai terremoti, gli ingegneri attualmente usano solo metodi basati sulla forza. Non possono determinare in che modo la struttura si adatterà alle vibrazioni sismiche, il che a sua volta porta a problemi indesiderati. Si spera che la progettazione innovativa di una struttura di calcestruzzo rinforzato altamente deformabile porti una tale libertà, ottimizzando allo stesso tempo l’uso di risorse, riducendo al minimo i costi e garantendo la sicurezza.
Calcestruzzo deformabile per edifici antisismici
Il progetto SHDS (Seismic-resistant Highly Deformable Structures) sviluppa i risultati di un altro progetto finanziato dall’UE e chiamato ANAGENNISI, che ricicla frammenti di gomma di pneumatici trasformandoli in sostituti per calcestruzzo a elementi sia fini che grezzi.

Usando questo “calcestruzzo ad alta deformabilità” (high deformability concrete o HDC) in travi accoppiate flessibili e sviluppando muri portanti duttili, il team spera di sviluppare una struttura con prestazioni controllate nelle quali il danno strutturale sia concentrato su specifici elementi dedicati. Questo significa riparazioni più facili e veloci e un contributo all’economia circolare.

Il dott. David Escolano, titolare di una borsa individuale Marie Curie presso l’Università di Sheffield e coordinatore di SHDS, parla degli ambiziosi risultati ottenuti dal progetto fino a questo momento.

Il progetto tiene conto delle prestazioni della struttura piuttosto che della sua forza. Quanto è importante?

Dott. David Escolano: Nei metodi basati sulla forza, l’azione sismica è definita usando “forze equivalenti” laterali distribuite lungo l’altezza della struttura. La magnitudine elastica di tali forze dipende dal livello di pericolo sul luogo (accelerazioni del terreno) e, per i luoghi con un alto rischio sismico, i codici esistenti permettono di ridurre le forze laterali. Questo ha come risultato strutture più efficienti in termini di costi, a condizione ovviamente che tali strutture possano sopportare una certa quantità di danno prima di crollare.

Anche se questa filosofia di progettazione è semplice, facile da usare ed efficace per evitare potenziali perdite di vite umane, gli ingegneri si stanno spostando verso una filosofia di progettazione che permetterebbe loro di progettare strutture che possano resistere ai terremoti di diversa gravità all’interno di livelli di danno specificati, e cioè una progettazione basata sulle prestazioni. Tale progettazione permetterebbe lo sviluppo di strutture ottimali, di massimizzare l’uso di risorse e minimizzare i costi, tutto ciò producendo allo stesso tempo livelli accettabili di sicurezza e dando ai progettisti la possibilità di sperimentare nuove soluzioni di progettazione, materiali innovativi e componenti strutturali in modo da ottenere i livelli di prestazione desiderati.

Qual è l’apporto di SHDS a questo riguardo?

Il progetto SHDS è dedicato a un componente strutturale molto specifico: travi accoppiate in sistemi di muri accoppiati. Due o più muri portanti sono legati per mezzo di travi secondo uno schema regolare lungo l’altezza della struttura, questo migliora le prestazioni sismiche di ogni singolo muro e fornisce una fonte molto stabile di dissipazione dell’energia.

Poiché il comportamento generale del sistema dipende fortemente dalla capacità di deformazione delle travi accoppiate, il nostro obiettivo è sviluppare soluzioni innovative per la costruzione di travi accoppiate con una capacità di deformazione senza precedenti grazia all’uso di un HDC appena sviluppato.

Cos’è un HDC e qual è il suo valore aggiunto per questo progetto?

HDC è un prodotto del progetto ANAGENNISI che ha lo scopo di trovare modi di usare tutti i componenti di pneumatici dopo il consumo in calcestruzzo di alto valore. Uno dei suoi centri di interesse consiste nel sostituire aggregati minerali in calcestruzzo con frammenti di gomma in modo da incrementare la capacità di deformazione del calcestruzzo friabile.

Un’alta deformabilità richiede un alto contenuto di gomma, che a sua volta può ridurre drasticamente la forza compressiva del materiale di fino al 90 %, l’HDC usa anche avanzati rivestimenti compositi per aumentare la forza compressiva al grado strutturale mantenendo allo stesso tempo l’ampia capacità di deformazione assiale del calcestruzzo gommato. Un rivestimento di Aramid spesso appena 1,6 mm messo intorno a colonne di calcestruzzo gommato può portare a un miglioramento straordinario della forza e della deformabilità.

Due dei vostri principali argomenti a favore di questo nuovo calcestruzzo sono la sua sostenibilità e la facilità di riparazione. Può spiegarci meglio?

La progettazione basata sulle prestazioni permette agli ingegneri di progettare componenti predeterminati e ben costruiti in grado di assorbire il danno durante i terremoti. Di conseguenza, le riparazioni in seguito a un terremoto in strutture progettate con questo metodo sarebbero concentrate su questi componenti piuttosto che su tutta la struttura. Le travi accoppiate sviluppate in questo progetto funzionano come valvole e sono i primi elementi a sopportare danni notevoli durante un terremoto, proteggendo la maggior parte dei rimanenti componenti strutturali e non strutturali.

Per quanto riguarda la sostenibilità, le travi accoppiate proposte possono essere facilmente sostituite dopo importanti eventi sismici, riducendo così al minimo riparazioni costose e limitando l’impatto sulla comunità perché gli edifici sarebbero abitabili molto più rapidamente. Le travi accoppiate proposte usano anche materiali recuperati da pneumatici usati, un contributo importante per un’economia più verde con una minore produzione di rifiuti e una ridotta pressione sulle materie prime.

Cosa può dirci sui risultati della fase di collaudo fino a questo momento?

A livello dei materiali, abbiamo testato oltre 300 cilindri/cubi per analizzare le proprietà del calcestruzzo gommato fresco e indurito. Sono state testate diverse miscele e quantità di gomma, il che ha avuto come risultato definitivo lo sviluppo di una miscela ottimizzata con una sostituzione del 60 % degli aggregati minerali fini e grezzi. Questo composto ottimizzato è stato adottato per lo sviluppo finale di HDC.

Diversi tipi di rivestimenti compositi avanzati sono stati poi testati per fornire la combinazione ottimale di capacità di deformazione e forza, tra cui Aramid e carbonio rinforzato con fibre polimeriche. L’HDC sviluppato può raggiungere forze compressive adatte a fini strutturali (40-120 MPa) con deformazioni assiali massime 20 volte più grandi di quanto possibile con il calcestruzzo tradizionale. I risultati di SHDS finora sono molto incoraggianti e mostrano che le travi accoppiate in HDC possono resistere a carichi simili a quelle tradizionali, ma raggiungono una capacità di deformazione quattro volte maggiore.

Siete già in contatto con potenziali investitori?

Non abbiamo ancora contattato possibili investitori. Per le applicazioni strutturali, crediamo di essere a un Livello di prontezza tecnologica 5 e quindi non siamo pronti per la commercializzazione. Stiamo già sviluppando la tecnologia e dobbiamo approfondire la nostra conoscenza del materiale e delle sue prestazioni strutturali prima di essere pronto a passare al livello superiore. Stiamo anche facendo dei test per valutare la durabilità a lungo termine del nuovo HDC.

Un’altra importante questione da tenere a mente è che il nostro nuovo materiale e le nostre soluzioni di costruzione non rientrano in nessuno degli standard esistenti e che si deve continuare a lavorare in questa direzione per permettere l’adozione e l’uso di queste nuove tecnologie. Siamo comunque molto contenti di quello che abbiamo ottenuto finora e speriamo che il settore edilizio saprà riconoscere il valore delle numerose innovazioni che proponiamo.

Quali sono i suoi piani dopo la conclusione del progetto?

Il lavoro di SHDS ha avuto risultati molto positivi, ma ha anche sollevato una serie di questioni molto interessanti sul comportamento sia fisico che strutturale dell’HDC e i suoi molteplici usi possibili in applicazioni strutturali. Se ne avremo l’opportunità, ci piacerebbe approfondire ulteriormente la conoscenza di questo materiale ed esaminare le sue prestazioni a lungo termine (compresi creep e tenuta) e la sua reazione al fuoco e agli impatti.

SHDS
Finanziato nell’ambito di H2020-EU.1.3.2.
Pagina del progetto su CORDIS

Fonte: Intervista su research*eu rivista dei risultati n.60 pagg. 8-9

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