Progettare e manutenere le grandi opere tra efficienza, sostenibilità e sicurezza

APPROFONDIMENTO – La recente tragedia del crollo del ponte Morandi di Genova, con il suo pesantissimo tributo in termini di vittime, ha scatenato un dibattito molto acceso a tutti i livelli della società, dalle istituzioni governative, agli enti di vigilanza e ai comuni cittadini. Considerando la criticità del tema è più che legittimo chiedersi – e chiedere – quali siano le strategie e le contromisure da mettere in campo per garantire la tenuta e l’integrità delle grandi opere e delle costruzioni in generale.

Si tratta di una materia complessa e per arrivare a un’opinione consapevole bisogna lasciar perdere la chiacchiera da bar  (o social network) e far riferimento al parere di un esperto. Su questo tema così delicato, OggiScienza ha intervistato Sergio Paciello, ingegnere professionista nel settore della progettazione di edifici e infrastrutture in ambito civile.

Paciello ha una lunga esperienza nel campo delle strutture, iniziata con la laurea e il dottorato di ricerca in ingegneria delle strutture e proseguita con diversi anni di attività di ricerca e sperimentazione presso l’Università degli Studi di Salerno, dove ha lavorato su tecniche innovative di rinforzo delle strutture murarie con materiali FRP (fiber reinforced polymers, materiali fibrorinforzati a matrice polimerica); infine con la progettazione e realizzazione di alcune opere suggestive, come il ponte tibetano sul fiume Temete a Laviano, in provincia di Salerno. Lungo circa 90 metri e con un’altezza dal fiume di circa 80, il ponte collega il castello medioevale di Laviano e le pendici del monte Pennone, e registra ogni anno un numero molto alto di turisti e visitatori.

Quali sono i parametri e criteri fondamentali da tener conto nella progettazione di una grande opera? Quanto cambiano nel tempo?

Le opere di ingegneria civile sono realizzare per soddisfare le esigenze di piccoli gruppi di persone, come le abitazioni, oppure di intere comunità, come ad esempio musei, ospedali e grandi infrastrutture, come aeroporti, stazioni, ponti e viadotti e cosi via. All’aumentare della complessità dell’opera i parametri da considerare si moltiplicano per cui il progetto diventa un lavoro complesso di collaborazione e coordinamento tra specializzazioni (si pensi all’architettura, agli impianti, alle strutture e altro ancora).

Generalmente per le grandi opere sono previsti vari livelli di progettazione. In questo modo, attraverso un approfondimento tecnico progressivamente più dettagliato, si verifica il soddisfacimento delle esigenze della collettività, si valutano le proposte progettuali alternative, la qualità architettonica e dei materiali, l’uso del suolo, l’impatto ambientale della soluzione progettuale scelta, fino ad arrivare, nella fase finale, alla completa ingegnerizzazione del progetto, definendo tutti i particolari che ne consentono la realizzazione.

Considerando, ad esempio, l’aspetto strutturale, il dimensionamento di tutti gli elementi che fanno parte della struttura deve garantire il soddisfacimento dei requisiti di sicurezza e di funzionalità. Il primo requisito attiene alla salvaguardia della vita degli utilizzatori dell’opera nonché del valore economico del contenuto (si pensi, ad esempio, ad un museo). Il secondo requisito deve essere rispettato affinché, in condizioni ordinarie, si possano svolgere le funzioni per le quali l’opera è progettata. Il soddisfacimento dei requisiti avviene sempre in maniera quantitativa, confrontando grandezze di interesse ingegneristico (spostamenti, forze, tensioni) con i limiti delle grandezze stesse.

Negli ultimi anni il progresso tecnologico ha introdotto materiali da costruzione sempre più performanti, nuove e molto più potenti metodologie di analisi strutturale e infine innovative metodologie di esecuzione delle opere. Ciò ha richiesto sostanziali modifiche nella modalità di controllo del rispetto dei requisiti di sicurezza e di funzionalità. Le norme tecniche di settore, infatti, sono passate da un approccio puramente prescrittivo ad un approccio prestazionale, finalizzato a raggiungere elevati e realistici livelli di sicurezza e funzionalità in relazione, soprattutto, alle specificità dell’opera e delle esigenze delle attività condotte in essa.

È possibile stimare la durata di una struttura in fase di progettazione? Se sì, quali sono le stime tipiche in anni? Che tipo di ricerca viene condotta in questo ambito?

La durabilità di un manufatto edilizio o di una sua parte è un importante requisito della progettazione. In ambito strutturale, ad esempio, durabilità e robustezza, intese rispettivamente come capacità di conservazione delle prestazioni e capacità di superare, senza eccessivi danni, eventi di tipo eccezionale (come incendi, urti e così via) sono esplicitamente richieste dalle attuali norme tecniche.

Questi requisiti sono strettamente legati a un periodo di riferimento (vita utile), durante il quale il manufatto edilizio, sottoposto a una corretta manutenzione, deve continuare a essere usato mantenendo quei livelli di sicurezza e funzionalità per i quali è stato progettato. I periodi di riferimento sono dell’ordine dei 50 anni per opere ordinare, come le abitazioni, fino a raggiungere i 200 anni per strutture che esibiscono livelli di prestazione elevati e che rivestono funzione strategica in caso di calamità, come ad esempio i ponti di grande luce.

Negli ultimi anni la ricerca ha dedicato particolare attenzione allo studio dell’evoluzione, nel tempo, delle caratteristiche meccaniche dei materiali tradizionali; ciò ha prodotto da un lato la messa a punto di tecniche finalizzate al ripristino di manufatti esistenti con l’impiego di materiali più durevoli e resistenti di quelli originari, dall’altro ha dato impulso alla produzione di materiali dalle caratteristiche meccaniche sempre più elevate. Si pensi, ad esempio, al calcestruzzo, il materiale da costruzione attualmente più utilizzato al mondo e che, prodotto in regime di controllo di qualità, esibisce resistenze meccaniche maggiori rispetto ai calcestruzzi prodotti nello scorso secolo.

Gli strumenti di analisi strutturale attualmente disponibili consentono di modellare, con diversi gradi di approssimazione, i fenomeni di degrado del calcestruzzo e delle armature metalliche in esso contenute al fine di stimare il comportamento delle strutture nel tempo. I risultati degli studi e delle sperimentazioni hanno consentito di fornire una serie di raccomandazioni e prescrizioni, recepiti dalla normativa tecnica, allo scopo di agevolare una corretta progettazione strutturale.

Quali sono i materiali in uso per le grandi opere e come sono cambiati nel tempo?

I materiali più largamente usati nelle costruzioni civili, anche di importanza rilevante, sono ancora il calcestruzzo armato e l’acciaio. Rispetto al passato, tuttavia, grazie alle più moderne tecnologie di produzione, entrambi i materiali hanno subito una netta trasformazione in termini di prestazioni meccaniche, di durabilità e di efficienza.

Grazie all’impiego di opportuni additivi, infatti, sono confezionati speciali calcestruzzi che non soltanto possono raggiungere resistenze elevatissime, ma possiedono anche ridotta permeabilità in modo da fornire un’ottima protezione contro gli attacchi ambientali. Esistono anche alcuni cementi innovativi impiegati soprattutto in architettura grazie alla loro estrema versatilità, si pensi ad esempio alle facciate di Palazzo Italia in Expo 2015.

I moderni acciai da costruzione sono materiali notevolmente adattabili in ambito civile. A seconda degli impieghi, infatti, sono disponibili acciai che possono soddisfare le particolari esigenze della tipologia di costruzione da realizzare, ad esempio la resistenza alla corrosione atmosferica, la resistenza meccanica e altro ancora. Per questi motivi molte opere civili aventi un design ardito e realizzate negli ultimi anni sono sostenute da articolate strutture in acciaio (un esempio è il nuovo Louvre ad Abu Dhabi).

Grazie ai vantaggi derivanti dall’uso dei materiali compositi fibrorinforzati (le più comuni fibre utilizzate per la produzione dei compositi sono il carbonio, il vetro, l’aramide ed altre ancora), si è avuto, in questi ultimi anni, un impulso delle applicazioni di questi prodotti in ambito civile. Tra i vantaggi dei materiali compositi, infatti, è compresa la loro elevata leggerezza, l’altissima resistenza meccanica e una notevole inerzia chimica.

Questi materiali sono spesso impiegati nel recupero e nell’adeguamento di opere esistenti, in sostituzione o affiancamento di elementi strutturali che hanno subito, ad esempio, una riduzione della capacità resistente. Sono state edificate anche opere, come coperture, passerelle e ponti, realizzate completamente, appunto, con materiali compositi fibrorinforzati.

Lo sviluppo di tecniche, sempre più innovative, di protezione delle strutture da eventi eccezionali come i terremoti, ha consentito lo sfruttamento delle speciali caratteristiche meccaniche di alcuni materiali non comunemente usati in ambito civile. Si pensi, ad esempio, agli isolatori sismici, realizzati con strati alternati di acciaio e di elastomeri vulcanizzati, ai dissipatori di tipo viscoso, che sfruttano le caratteristiche dissipative di speciali fluidi e ad alcuni dispositivi di vincolo assiali, che sfruttano le capacità elastiche di alcune leghe a memoria di forma.

Come si prepara un corretto piano di manutenzione e quali possono essere gli interventi in funzione del tempo?

Il piano di manutenzione è un importante documento che deve essere redatto perché la struttura, così come realizzata, conservi nel tempo le caratteristiche di sicurezza e funzionalità originarie nonché il valore economico. Banalizzando, può essere inteso come il libretto delle istruzioni che accompagna un bene all’atto dell’acquisto. In ambito strutturale, da circa dieci anni, il piano di manutenzione deve obbligatoriamente far parte del progetto.

Un piano, correttamente redatto, deve indicare le più opportune modalità di ispezione, individuando i guasti che possono ridurre la durabilità dell’opera, il tipo di indagine programmata e la possibile modalità di intervento, la frequenza delle indagini nonché una stima dei costi. A seconda dei casi, possono essere previsti interventi straordinari di riparazione ma anche di sostituzione di elementi strutturali (si pensi ad esempio agli apparecchi di appoggio nei viadotti).

Come già accennato, pertanto, il tema è molto complesso e ha una significativa articolazione tecnica. Inoltre, non è di certo da escludere che l’avvento delle nuove tecnologie (intelligenza artificiale, internet of things) consentano di realizzare in modo efficiente e sostenibile architetture di sensori per il monitoraggio continuo degli elementi critici di una grande opera. Aiutando a prevenire e scongiurare, in tal modo, terribili tragedie come quella di Genova.

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