Gli scienziati dell'Empa stanno salvando dal crollo i ponti di ferro del XIX secolo. Gli intonaci in fibra di carbonio rafforzano le strutture fatiscenti. Un ponte ferroviario in Svizzera e un ponte stradale in Australia sono già stati rinforzati con successo. Molti ponti storici potrebbero seguire. "Partners in crime" sono specialisti per la fatica dell'acciaio all'EPFL.

mantenendo, non scartare – vale non solo per le ville liberty, auto sportive anteguerra o organi Hammond degli anni '50, 'mantenimento, non rottamare' è anche una buona idea per vecchi ponti ferroviari o stradali. Questi monumenti industriali, spesso concepito e calcolato da ingegneri edili in acciaio del XIX secolo, si arrugginiscono silenziosamente o scricchiolano in modo udibile sotto il peso dei moderni treni Intercity e dei camion pesanti.

La buona notizia è:possono essere salvati. Un tutore di supporto in CFRP (polimeri rinforzati con fibra di carbonio), apposto in modo reversibile al ponte e in linea con le norme sulla tutela dei monumenti, rafforza la resistenza delle vecchie strutture, rendendoli sicuri e aiutandoli a sopravvivere meglio e più a lungo all'usura quotidiana.

Metodo delicato per strutture pesanti

Masoud Motavalli ed Elyas Ghafoori hanno già rinforzato due vecchi ponti con questo metodo "dolce":il ponte ferroviario di Münchenstein vicino a Basilea, costruito nel 1892, e il ponte stradale di Diamond Creek in Australia, costruito nel 1896. Se il loro sistema raggiunge una svolta globale, ci sarebbe molto lavoro da fare:circa il 30% di tutti i ponti in Europa ha più di 100 anni. La situazione è simile negli Stati Uniti, Australia e Giappone. Le autorità stradali e le compagnie ferroviarie sono alla ricerca globale di metodi per mantenere praticabili queste strutture. Ed è possibile che Empa abbia la chiave. Il partner di ricerca dell'Empa è Alain Nussbaumer. All'EPFL, svolge attività di ricerca sulla meccanica della fatica e della frattura delle strutture in acciaio. Nussbaumer supervisiona anche le tesi in corso all'Empa nell'ambito di questi progetti di ricerca.

Il CFRP è spesso il materiale di scelta per il rinforzo delle strutture. È resistente alla ruggine e non mostra alcun affaticamento del materiale. È anche leggero e non appesantisce la struttura con un peso extra come farebbe il rinforzo in acciaio. Sotto il suo precedente amministratore delegato, Urs Meier, Empa ha accumulato molta esperienza negli anni '90 con i rinforzi CFRP di costruzioni in calcestruzzo e legno.

Un'ancora al posto della colla

A differenza del legno o del cemento, però, dove il rinforzo CFRP può essere semplicemente incollato, è notevolmente più complicato fissarlo su vecchie travi in ​​acciaio. Spesso le travi del ponte sono arrugginite o ricoperte da spessi strati di vernice. A volte i rivetti nelle travi in ​​acciaio impediscono che gli intonaci CFRP vengano incollati senza problemi. Ghafoori aggira questi problemi fissando le piastre al ponte utilizzando ancoraggi piuttosto che attaccare il CFRP direttamente al ponte. Ciò significa che non è necessario levigare superfici estese. Un ulteriore vantaggio:il ponte non deve essere chiuso al traffico durante il montaggio delle strisce CFRP. Allo stesso modo, il ponte non ha bisogno di essere avvolto nella pellicola, cosa spesso necessaria con i vecchi ponti che attraversano i fiumi per evitare che schegge di vernice contenenti metalli pesanti cadano nell'acqua.

Gli ancoraggi che Ghafoori usa per fissare i suoi cerotti CFRP non sono così facili da ricreare. "È importante che le fibre di carbonio non si rompano quando si attacca il CFRP", dice Ghafoori. Da più di dieci anni sperimenta questa tecnica all'Empa e utilizza per i suoi esperimenti le pesanti presse idrauliche del capannone di costruzione. "Non è stato facile all'inizio", racconta il ricercatore. "Quando stavo testando i primi ancoraggi in una prova di trazione per la mia tesi di laurea nel 2009, sono caduti durante la notte. Questo non mi è valso esattamente il rispetto dei miei colleghi. Mi è stato persino vietato di visitare il laboratorio per alcuni giorni, perché il mio lavoro era considerato troppo pericoloso."

Nel frattempo il sistema di ancoraggio sviluppato all'Empa è protetto da brevetto e ha superato da tempo i suoi problemi iniziali:il ponte di Münchenstein è stato rinforzato con gli intonaci CFRP precompressi nel 2015. Diverse decine di treni passeggeri e merci rimbombano attraverso la storica struttura in acciaio ogni giorno. Un sistema di monitoraggio a lungo termine composto da una rete di sensori wireless misura il carico ei movimenti delle parti del ponte e fornisce i dati all'Empa in tempo reale.

Preparato per tutte le occasioni

Notizie sul progetto, che ha anche fornito l'argomento per il dottorato di ricerca di Ghafoori. tesi, diffondersi rapidamente negli ambienti di esperti. Di conseguenza, un ponte molto simile in Australia è stato rinforzato utilizzando il sistema CFRP nel gennaio 2018:il Diamond Creek Bridge di 122 anni vicino a Melbourne. "Abbiamo imparato molto da Münchenstein", dice Ghafoori. Per esempio, i ricercatori sono stati in grado di migliorare la forma degli ancoraggi e rendere più piatta l'intera costruzione. È importante, perché molti ponti hanno camion che guidano sotto di loro. Se il tutore dovesse sporgere troppo verso il basso, i rimorchi alti in particolare potrebbero entrare in collisione con la nuova tecnologia.

Il team ha anche incorporato nel calcolo le fluttuazioni di temperatura tra l'estate e l'inverno:le misurazioni sul ponte di Münchenstein hanno dimostrato che l'armatura in CFRP sul ponte è molto più efficace nelle calde giornate estive che in inverno. Il motivo è che il caldo estivo fa espandere il ponte d'acciaio, ma la lunghezza dell'armatura CFRP rimane praticamente la stessa. Ciò significa che il ponte è tenuto insieme più saldamente dal suo sostegno di sostegno in estate che in inverno.

Anche il Diamond Creek Bridge è dotato di sensori e fornirà i dati di carico online all'Empa per almeno un anno e mezzo. Per vedere se il rinforzo ha effetto, i ricercatori hanno inviato un camion da 42 tonnellate sul ponte prima e dopo aver attaccato le strisce di CFRP. "I dati iniziali hanno mostrato che le forze agenti sul ponte si riducono della metà", dice Ghafoori. "Come stima prudente, questo potrebbe significare che la vita residua del ponte è raddoppiata."

Ponti a prova di futuro

Al giorno d'oggi Ghafoori e Motavalli stanno ricevendo sempre più visite dall'estero. L'istituto francese di scienza e tecnologia per i trasporti, sviluppo e reti (IFSTTAR), il Centro francese per la mobilità (CEREMA) e una delegazione cinese hanno annunciato la loro intenzione di venire, mentre una delegazione statunitense ha già visitato l'Empa. Il metodo può essere utilizzato ovunque nel mondo senza grandi sforzi. "Per l'Australia, abbiamo preassemblato le clip con le strisce CFRP e le abbiamo testate qui all'Empa. Poi li abbiamo semplicemente inviati al cantiere tramite pacco postale", dice Ghafoori. "Dovevamo solo volare lì più tardi e assemblare tutto in loco."

Ovviamente i ricercatori vogliono approfondire ulteriormente le loro conoscenze. Avendo già rinforzato travi rettilinee in acciaio, l'obiettivo ora è rinforzare anche i connettori a X tra le travi. I punti in cui le giunzioni saldate e i giunti di collegamento si incontrano sono particolarmente soggetti alla ruggine ed è anche qui che compaiono crepe da fatica che possono rendere instabile il ponte. Un sistema a strisce CFRP di nuova concezione potrebbe presto risolvere questo problema. Questo tipo di supporto potrebbe rendere a prova di futuro molti ponti in acciaio del XIX secolo, consentendo loro di sopravvivere in modo significativo ai loro omologhi più giovani in cemento armato.