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Acciaio e cemento: un patto inossidabile

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Acciaio e cemento: un patto inossidabile







Il concetto base del tondino in acciaio inossidabile è quello di salvaguardare la sicurezza delle costruzioni ed incrementare la loro durata di vita.
Le armature in acciaio inossidabile rispondono infatti ai requisiti statici richiesti dalle condizioni di progetto con ottime caratteristiche meccaniche che soddisfano gli standard richiesti dalle norme ministeriali e garantiscono, come già accennato, condizioni di durabilità notevoli nella r 353h74d esistenza alla corrosione: ciò porta indubbi vantaggi sul piano economico sia sul medio che sul lungo periodo ridimensionando così in misura determinante l'incidenza del maggior costo iniziale.

È importante infatti sottolineare come nella scelta di un materiale, particolarmente nel settore delle opere civili, debbono essere valutate e programmate tutte le implicazioni di carattere economico ad esso correlate (costi iniziali di acquisto, manutenzione e sua frequenza, effetti dei periodi di fuori servizio, perdita di produzione, costi di esercizio indotti quali manodopera e consumo energetico).

Comportamento delle barre nervate in acciaio inox nel calcestruzzo in ambienti aggressivi
Nel calcestruzzo non carbonatato e non inquinato da cloruri, le barre di acciaio inossidabile sono passive come le normali barre di acciaio al carbonio. Ovviamente i più costosi acciai inossidabili non danno alcun vantaggio nel caso in cui non si preveda la carbonatazione del calcestruzzo e la penetrazione dei cloruri presenti ad esempio nelle atmosfere marine o provenienti dai sali antighiaccio.
Il loro impiego è pertanto associato a tali ambienti corrosivi ove le comuni armature subiscono un attacco localizzato quando il calcestruzzo con cui sono a contatto contiene un tenore di cloruri superiore a una soglia critica. Per strutture esposte all'atmosfera questa soglia in genere è compresa fra 0,4% e 1% di cloruri rispetto alla massa del cemento.
In calcestruzzo contaminato da cloruri, anche gli acciai inossidabili potrebbero subire questo tipo d'attacco ma il contenuto di cloruri richiesto per l'innesco della corrosione è notevolmente più elevato. Poiché la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili aumenta all'aumentare del contenuto di cromo, molibdeno e azoto, il contenuto critico di cloruri dipende dalla composizione chimica delle barre.

Questo può inoltre essere influenzato da altri fattori:
. la microstruttura e le condizioni superficiali dell'acciaio (stato di passivazione)
. il pH del calcestruzzo (che dipende dal tipo di cemento o dalla carbonatazione) e dal potenziale elettrochimico dell'acciaio (che dipende essenzialmente dall'umidità del calcestruzzo).
Diversi studi hanno mostrato che nel calcestruzzo non carbonatato, anche nella condizione peggiore di esposizione (ad esempio la zona al di sopra di quella interessata dalle maree oppure nei punti critici di viadotti e gallerie, tipo cordoli di marciapiede, ecc.) per gli acciai austenitici 304L e 316L e l'acciaio duplex 2205 si può considerare un tenore critico di cloruri superiore al 5% rispetto alla massa di cemento.
Questo contenuto di cloruri viene raggiunto solo in casi eccezionali vicino alle armature, anche con gli usuali spessori di copriferro.
Il contenuto critico di cloruri diminuisce se il calcestruzzo è carbonatato.
Le situazioni in cui il calcestruzzo a contatto con le armature è sia carbonatato sia contaminato da elevati tenori di cloruri si possono trovare, ad esempio, all'interno delle gallerie stradali. In queste condizioni sono da preferire gli acciai con maggiore contenuto d'elementi di lega, come quelli austenitici con almeno 2.5% di molibdeno (tipo 316L, 1.4436) oppure gli acciai inossidabili duplex: gli acciai maggiormente legati sono da preferire anche quando si prospetta il rischio che il copriferro possa presentare fessure di notevole apertura.
È importante osservare che gli ossidi colorati - in genere ossidi di ferro - prodotti dalla saldatura sulla superficie delle armature, hanno una minore resistenza alla corrosione rispetto all'ossido di cromo che si forma spontaneamente a temperatura ambiente. Il tenore critico può quindi ridursi localmente se le barre vengono saldate e gli ossidi colorati non vengono rimossi; con prove di laboratorio si è comunque verificato che, anche in presenza di ossidi di saldatura, la soglia critica è di almeno 3,5% di cloruri in massa rispetto al cemento: valore che costituisce comunque un limite di sicurezza maggiore rispetto al normale acciaio al carbonio.

Comportamento antisismico e resistenza al fuoco

È noto che gli acciai inossidabili, in particolare quelli a struttura austenitica, sono caratterizzati da un'elevata duttilità, ovvero presentano una notevole capacità di allungarsi prima di arrivare a rottura.
Questo fatto è evidente se si osserva la figura del grafico carichi-allungamenti di un acciaio inox al cromo-nichel (304) e lo si confronta con quello di un acciaio al carbonio.
Sulla base di prove di valutazione del comportamento di acciaio inossidabile austenitico per barre ad aderenza migliorata, confrontato con il convenzionale FeB44K, in presenza di sollecitazioni alternate a forte intensità (quali quelle generate da eventi sismici) si è rilevato che l'acciaio inox presenta un elevato livello di tenacità; questo è un elemento basilare per un materiale antisismico visto che deve essere in grado di dissipare l'energia prodotta dal sisma trasformandola in energia di deformazione. Da ricordare inoltre che, per gli acciai inossidabili austenitici, tale tenacità è mantenuta pressoché invariata anche a basse temperature, dato che l'austenite non risente del fenomeno di transizione: questi acciai mantengono dunque un buon valore di resilienza anche a temperature di molto inferiori allo zero, senza passaggio del comportamento da tenace a fragile.
Per quanto riguarda la cosiddetta resistenza al fuoco, occorre rilevare che l'inox della serie austenitica (304, 316) conduce poco il calore; di conseguenza a parità di dimensioni e di geometria un elemento in acciaio inossidabile avrà un'inerzia termica superiore rispetto a quella di uno in acciaio al carbonio. È anche vero che il coefficiente di dilatazione lineare è maggiore rispetto a quello di un acciaio al carbonio, ma questo effetto viene compensato dalla maggiore inerzia termica.
Da un punto di vista strutturale è importante sottolineare come, da dati rilevati eseguendo prove secondo le prescrizioni contenute nell'Eurocodice 3 (Parte 1-2) l'acciaio inossidabile abbia un ottimo comportamento nelle situazioni di incendio.
In sintesi si è osservato che la perdita di resistenza meccanica dell'inox, per temperature superiori a 500°C sia inferiore a quella dell'acciaio al carbonio. Da rimarcare inoltre come alle più alte temperature (800°C circa) mentre l'acciaio al carbonio ha esaurito le sue risorse meccaniche (in pratica la struttura è collassata) l'inox mantiene ancora circa il 50% della sua resistenza iniziale.
Non dimentichiamo poi che tali caratteristiche sono proprie di un materiale che non necessita di alcun rivestimento protettivo, con tutti i vantaggi che ne possono derivare, come per esempio:
. minori tempi di fabbricazione
. assenza di test di verifica degli strati vernicianti
. assenza di manutenzione.
Si consideri, infine, che la combustione degli strati protettivi genera fumi che vanno ad aggiungersi a quelli sempre presenti in un incendio, influendo così sui tempi di evacuazione se ci si trova in ambiente chiuso come una galleria.




Utilizzo di acciaio inox nell'armatura di strutture stradali, ponti e gallerie
È ormai opinione comune che la durabilità di un'opera civile non dipenda solamente dalle condizioni al contorno che si possono manifestare nel futuro arco temporale, ma anche da una corretta strategia di progettazione.
Alle considerazioni relative ai fenomeni di corrosione che interessano le barre di armatura vanno aggiunte, per quanto riguarda la fase del progetto, le cause di corrosione che derivano da una geometria delle strutture troppo complessa con sezioni eccessivamente ridotte che determinano spessori di copriferro insufficienti rispetto alle effettive condizioni di aggressività dell'ambiente o dal tipo di cemento o composizione del calcestruzzo inadatti in rapporto agli ambienti in cui le strutture operano.
L'eliminazione delle cause che compromettono la durabilità dell'opera non è semplice in quanto richiede sia da parte dei progettisti che degli esecutori una sensibilità ed una cultura della prevenzione molto alte, in particolare in quelle parti delle strutture, i nodi, nei quali l'insieme delle armature può a volte ridurre lo spazio fisico impedendo un corretto passaggio del calcestruzzo in fase di getto, rendendo, con ciò, difficile il perfetto avvolgimento delle barre sia per garantirne l'aderenza sia per proteggerle contro la corrosione. È dunque evidente l'interesse dell'impiego di armature metalliche nelle quali il processo di corrosione possa essere evitato, o quanto meno notevolmente ritardato, soprattutto nel caso delle strutture che sono maggiormente soggette al più alto rischio di attacchi aggressivi quali i manufatti in cemento armato nelle reti stradali ed autostradali nei quali, durante i mesi invernali, viene impiegato il sale per evitare il formarsi del ghiaccio sulla carreggiata.
Con l'uso dell'armatura in acciaio inossidabile si possono, ad esempio, contenere gli spessori del copriferro tanto da tollerare anche leggere riduzioni rispetto ai valori imposti dalla normativa ovvero, a parità di copriferro,si può aumentare la classe di esposizione tollerabile, e questo risulta vantaggioso nella realizzazione di elementi sottili.
L'impiego generalizzato di armature in acciaio inossidabile all'intera struttura può essere effettuato nei casi di notevole importanza ed il ambienti particolarmente aggressivi o comunque laddove gli interventi di riparazione possono indurre pesanti oneri per il disagio degli utenti.
Riferendosi in particolare ai manufatti stradali, un elenco generale delle possibilità di impiego delle barre in acciaio inox può comprendere:
. le solette del ponte
. i casi di solidarizzazione delle solette per eliminare i giunti alle estremità di travi semplicemente appoggiate
. i collegamenti a cerniera di membrature varie
. l'armatura di pelle in presenza di elevati spessori del ricoprimento delle armature principali
. le pile immerse nell'acqua
. i parapetti
. l'armatura terminale nei pali radice e nell'uso della tecnica del jet grouting
. l'armatura per giunti di dilatazione in strutture stradali
. l'armatura dei cordoli e dei marciapiedi, compresi i rinforzi locali per l'inserimento dei montanti per guard-rail, parapetti e reti di protezione
. le armature sussidiarie negli interventi di riparazione, ripristino e rinforzo
. reti elettrosaldate
. armature delle volte delle gallerie e armature sussidiarie (es. zanche di ancoraggio)
. rivestimenti a vista per intradossi di tunnel stradali
. reti di protezione e contenimento per paravalanghe o paramassi
. reti di armatura direttamente applicate su terreno (terra armata)
. armature di rinforzo in consolidamenti e restauri in ambito storico, monumentale e architettonico.

Uso intelligente di armature in acciaio inossidabile: elementi di costo
Numerose strutture in calcestruzzo armato, edificate nell'arco degli ultimi trent'anni, hanno subito danni di grande entità causati dalla corrosione dell'armatura in acciaio al carbonio.
Il traffico in costante aumento e la necessità di mantenere praticabili le strade durante tutto il corso dell'anno richiedono un impiego sempre maggiore di sali antighiaccio nella stagione invernale. Questo ed altri fattori di prematuro deterioramento comportano costose riparazioni con chiusura parziale o totale di ponti, strade e gallerie durante i lavori di ripristino, con rallentamenti del traffico e/o deviazioni su strade secondarie. Il costo di tali inconvenienti è spesso sensibilmente maggiore del costo delle riparazioni stesse (secondo stime della Federal Highway Administration americana tali costi vanno da 12 $/h nel caso di una semplice automobile fino a 23 $/h nel caso di autotreno con rimorchio).
La scelta di soluzioni tecniche ottimali comporta, da parte del progettista, la necessità di valutare tutti i costi della struttura durante l'intera vista di esercizio; non soltanto quindi i costi di progettazione ed i costi iniziali dell'impianto, ma anche quelli di:
. manutenzione ordinaria e straordinaria
. i costi legati alla parziale o completa interruzione del traffico, di dismissione o bonifica del sito.

L'analisi del costo di ciclo di vita (LCCA Life Cycle Cost Analysis) è quindi lo strumento adatto per scegliere la miglior strategia di protezione contro il dissesto strutturale per periodi di tempo sempre più lunghi.
Tale argomento entra sempre più spesso a far parte delle motivazioni che spingono i committenti ed i progettisti alla scelta della soluzione costruttiva più opportuna. A tale proposito la Legge Merloni pone un marcato accento proprio sulla previsione dei piani di manutenzione e sui relativi costi nelle fasi di stesura dei progetti di opere pubbliche.
A titolo di esempio di applicazione del concetto di costo di ciclo di vita si riporta nella tabella seguente i dettagli di costo comparativo nella realizzazione del ponte di Schaffhausen, in Svizzera (1993-95), ove è stato impiegato l'acciaio inossidabile nelle armature del cemento.
Si rileva che tale analisi viene riportata a titolo di esempio, per un'opera realizzata in un momento ove l'acciaio inossidabile era ancora relativamente sconosciuto come materiale per edilizia.
Peraltro il rapporto tra i costi tra acciai che attualmente possiamo stimare può essere così riassunto:
Il che da un lato conferma l'andamento tra i valori riportati nell'esempio del ponte di Schaffhausen, d'altra parte ridimensiona i rapporti di costo tra l'inossidabile e l'acciaio al carbonio.
Da ricordare, infine, che l'ANAS, nel prezzario del 2000 (ndr edito da DEI Tipografia del Genio Civile) prevedeva già l'impiego di barre ad aderenza migliorata e di reti elettrosaldate in acciaio inossidabile.

TASSI E DURATA DEL CICLO DI VITA

Costo del capitale

9

%

Tasso di inflazione

3,5

%

Durata desiderata per il ciclo di vita

80

Anni

Tempi morti di manutenzioni/sostituzioni



120

Giorni

Valore delle perdite di produzione

50.000

FrS/giorno

Tasso effettivo di interesse

5,31

%

RIASSUNTO DEI COSTI DEL CICLO DI VITA

Descrizione

Acciaio al C

Acciaio al C riv. con resina epossidica

Acciaio inossidabile

Costi dei materiali

8.197

31.420

88.646

Costi di fabbricazione

0

0

0

Altri costi di installazione

15.611.354

15.611.354

15.611.354

Costi iniziali (FrS)

15.619.551

15.642.774

15.700.000

Manutenzione

0

0

0

Sostituzioni

256.239

76.872

-141

Perdite di produzione

2.218.524

2.218.254

0




Costi dovuti ai materiali

0

0

0

Costi di esercizio (FrS)

2.474.763

2.295.396

-141

Costi totali del ciclo di vita (FrS)

18.094.314

17.938.170

15.699.859

Nell'analisi del costo è stato incluso un costo prudenziale di 50.000 FrS al giorno per l'interruzione del servizio.
I dati sono stati rilevati da "Guidance on the use of stainless steel reinforcement", 1998.

COSTI RELATIVI DEI VARI TIPI DI TONDINO PER CEMENTO ARMATO

Acciaio al carbonio

1,0

Acciaio al carbonio rivestito con resina epossidica

2,4

Acciaio al carbonio zincato

2,4

Acciaio inossidabile (AISI 304)

5,1

Acciaio inossidabile (AISI 316)

7,1

Dati da Metal Bulletin - Febbraio 2004


a cura di A.Bennani, Cogne Acciai Speciali S.p.A. - ASSOCIATO CNIM

Appalti Pubblici: compensati i costruttori per il caro acciaio e rame
a cura di Domenico Crocco, Direttore Generale per la regolazione dei LavoriPubblici - Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti.

Tratto da Ponte, L'Informazione Essenziale di Tecnica e Legislazione per Costruire, n. 10 ottobre 2005, Dei Tipografia del Genio Civile, Roma.



Il libro per approfondire

TESTO UNITARIO NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI
Aggiornato al D.M. 14 settembre 2005
Prezzo scontato: euro 14.45
Autore: Dei Tipografia del Genio Civile







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