Tecniche integrate NSM e GFRP rinforzate con ECC/UHPC per il rafforzamento di pilastri in CA degradati

Perché contano pilastri in calcestruzzo più sicuri

Molti edifici in calcestruzzo più vecchi perdono silenziosamente resistenza quando l’acciaio nascosto nelle loro colonne si corrode. Questo degrado lento può ridurre la capacità di carico sicura di una struttura e la sua resistenza a terremoti o ad altri eventi estremi. Questo studio esplora un nuovo modo per restituire una seconda vita a tali pilastri indeboliti utilizzando gusci esterni sottili ad alta resistenza e barre di rinforzo aggiuntive posizionate appena sotto la superficie.

Come i pilastri si indeboliscono silenziosamente

I pilastri in calcestruzzo armato sono le “ossa” verticali di un edificio, sostenendo solai e coperture sovrastanti. Col tempo, umidità e sali possono corrodere le barre d’acciaio al loro interno. Man mano che l’acciaio si arrugginisce, si assottiglia, si espande, provoca fessurazioni nel calcestruzzo circostante e indebolisce il legame tra acciaio e calcestruzzo. Il pilastro perde così resistenza, rigidezza e la capacità di deformarsi senza rompersi improvvisamente. Esistono metodi di riparazione tradizionali, ma possono risultare ingombranti, costosi o non sufficientemente efficaci per elementi gravemente danneggiati.

Nuove guaine e barre nascoste

I ricercatori hanno studiato un metodo di riparazione combinato che aggiunge resistenza sia all’interno sia all’esterno del pilastro. Prima, hanno praticato scanalature poco profonde lungo la superficie del pilastro e hanno incassato barre di rinforzo aggiuntive, o in acciaio tradizionale o in barre resistenti alla corrosione in fibra di vetro. Questo approccio è noto come rinforzo posizionato vicino alla superficie (near-surface mounted). Poi hanno avvolto il pilastro con una guaina esterna sottile realizzata con materiali cementizi speciali molto più resistenti e duraturi del calcestruzzo ordinario. Un tipo, chiamato engineered cementitious composite, contiene fibre fini che controllano la fessurazione; l’altro, il calcestruzzo ultra-alta prestazione, è ancora più resistente e include fibre d’acciaio. Una leggera rete in fibra di vetro è stata incorporata in queste guaine per contribuire a tenere insieme il sistema.

Mettere alla prova i pilastri rinforzati

Per verificare l’efficacia del sistema, il team ha costruito e testato in laboratorio undici pilastri corti e circolari. Uno era un pilastro “master” integro, mentre un altro è stato intenzionalmente indebolito per simulare la corrosione usando barre d’acciaio di diametro ridotto. Gli altri erano pilastri indeboliti riparati in modi diversi: solo con guaine esterne dei materiali ricchi di fibre, o con entrambe le soluzioni—barre near-surface e guaine—utilizzando barre in acciaio o in fibra di vetro e una o due strati di rete. Tutti i pilastri sono stati poi compressi dall’alto verso il basso fino al collasso mentre gli strumenti registravano il carico sopportato e l’accorciamento.

Cosa è successo sotto carichi elevati

Il pilastro danneggiato senza intervento è fallito in modo fragile, con il dondolamento delle barre interne e un brusco calo di resistenza. L’aggiunta solo di una guaina in engineered cementitious composite con rete ha prodotto guadagni modesti nella capacità e un modo di rottura più graduale. Quando le barre in acciaio near-surface sono state combinate con queste guaine, i pilastri hanno sopportato dal 25 al 32 percento di carico in più rispetto al pilastro danneggiato e hanno assorbito fino a quasi quattro volte più energia prima del collasso. Sostituire il materiale esterno con calcestruzzo ultra-alta prestazione ha dato risultati ancora migliori, aumentando la capacità portante del 35-44 percento e l’assorbimento energetico fino a circa 4,7 volte. La migliore prestazione è stata ottenuta con barre in fibra di vetro near-surface abbinate a guaine in UHPC, che hanno incrementato la resistenza di circa il 49 percento mantenendo una buona duttilità.

Modelli numerici e indicazioni progettuali

Il team ha inoltre sviluppato modelli computazionali dettagliati dei pilastri per simulare l’interazione dei materiali e prevedere fessurazione, schiacciamento e scollamento alle interfacce. Questi modelli hanno rispecchiato da vicino le resistenze, gli spostamenti e i pattern di danneggiamento visibili misurati sperimentalmente, dando fiducia che l’approccio possa essere usato per esplorare altre soluzioni progettuali. Uno studio numerico supplementare ha mostrato che l’impiego di barre interne d’acciaio di maggior diametro aumenta la resistenza del pilastro, ma i benefici diminuiscono con l’aumentare del diametro, suggerendo che esiste un intervallo efficiente piuttosto che una regola “più è sempre meglio”.

Cosa significa per le strutture esistenti

Per ingegneri e proprietari di edifici, i risultati suggeriscono che sottili guaine di materiali cementizi avanzati, unite a rinforzi near-surface, possono ripristinare o addirittura aumentare resistenza e tenacità di pilastri in calcestruzzo degradati senza un ingrandimento significativo. Le guaine in ultra-high-performance concrete, specialmente se abbinate a barre in fibra di vetro, si sono dimostrate particolarmente efficaci nel confinare il nucleo di calcestruzzo e nel ritardare il cedimento improvviso. In termini pratici, questa tecnica combinata offre una strada promettente per estendere la vita utile sicura di edifici e infrastrutture invecchiate, usando interventi relativamente sottili e duraturi.

Citazione: Elsamak, G., Bahrami, A., Emara, M. et al. Integrated NSM and GFRP-reinforced ECC/UHPC techniques for strengthening deficient RC columns. Sci Rep 16, 16440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52870-4

Parole chiave: pilastri in calcestruzzo, rafforzamento strutturale, danni da corrosione, calcestruzzo ad alte prestazioni, tecniche di retrofit