Come invecchia una struttura e quando l'invecchiamento diventa visibile

La vita nominale di progetto è un parametro di calcolo

L'Eurocodice EN 1990 definisce la vita nominale di progetto come il periodo assunto durante il quale una struttura deve essere usata per lo scopo previsto, con la manutenzione prevista e senza necessità di riparazioni importanti. Fissa cinque categorie: 10 anni per le opere temporanee, da 10 a 25 anni per le parti strutturali sostituibili, da 15 a 30 anni per le strutture agricole, 50 anni per gli edifici comuni, 100 anni per le opere monumentali, i ponti e le grandi opere di ingegneria civile.

Le Norme Tecniche italiane riprendono tre categorie, 10, 50 e 100 anni, e la Circolare applicativa precisa che si tratta di un parametro convenzionale correlato alla definizione delle azioni di progetto.

Il superamento di quel valore descrive uno spostamento dell'onere sulla verifica dello stato effettivo, invece di una scadenza fisica. Un'opera ispezionata e mantenuta lo supera, e un'opera trascurata mostra problemi prima.

Un dato che chiarisce la distanza tra progetto e realtà: i ponti autostradali costruiti negli anni Sessanta e Settanta furono progettati per durare 120 anni, e i primi segni di degrado sono comparsi dopo 20 o 40 anni.

Sul piano normativo europeo un aggancio esiste, ma riguarda le sole reti transeuropee: il regolamento TEN-T rivisto introduce l'obbligo di mantenere le opere in condizioni sicure e utilizzabili per tutta la loro vita, senza fissare una verifica automatica al raggiungimento della vita nominale.

In Italia il 60 per cento degli edifici residenziali è stato costruito prima del 1980, e il 42,5 per cento ha superato i 50 anni.

I meccanismi che agiscono, e i loro tempi

Il meccanismo dominante è la corrosione delle armature, descritta in due fasi. Nella fase di iniziazione le sostanze aggressive penetrano il copriferro senza che la corrosione sia attiva. Nella fase di propagazione l'acciaio depassivato si ossida.

Carbonatazione. L'anidride carbonica atmosferica penetra il calcestruzzo seguendo la legge della radice quadrata del tempo. Una rassegna statistica su 1.999 casi indica un coefficiente medio di circa 4 millimetri per radice di anno, che implica una profondità media inferiore ai 29 millimetri dopo 50 anni. Con un copriferro adeguato la carbonatazione è quindi un processo di decenni. La crescita della concentrazione di anidride carbonica atmosferica e la riduzione del clinker nei cementi possono accelerarla in futuro.

Attacco da cloruri. Tipico degli ambienti marini e delle strade trattate con sali disgelanti, è più rapido e produce corrosione localizzata con formazione di celle. In condizioni severe il tasso locale di perdita di sezione raggiunge da 0,1 a 1 millimetro all'anno.

Reazione alcali-silice. Diventa in genere visibile dopo 20 o 30 anni nei climi temperati, prima nei climi caldi. Le fessure più fini riducono già la resistenza pur restando invisibili a occhio nudo, e aprono la via al gelo e disgelo e alla corrosione delle armature.

Gelo e disgelo. Danno meccanico progressivo per congelamento dell'acqua nei pori, aggravato dall'ingresso di acqua attraverso fessure preesistenti.

Corrosione dell'acciaio strutturale. Classificata per categorie di ambiente, con tassi del primo anno che vanno da circa 1,3 micrometri all'anno negli ambienti meno aggressivi fino a oltre 200 micrometri all'anno negli ambienti marini e industriali estremi. Lo zinco della zincatura a caldo corrode da 10 a 30 volte più lentamente dell'acciaio nudo nello stesso ambiente.

Quando il degrado diventa visibile

Questo è il punto che riguarda direttamente chi programma la manutenzione, e l'evidenza è netta.

La fase di iniziazione, quella che precede l'avvio della corrosione, dura in genere decenni con un copriferro adeguato. La fase successiva conduce ai segni visibili, ed è più breve.

Una perdita di sezione dell'acciaio compresa tra 0,05 e 0,10 millimetri è sufficiente a provocare l'espulsione del copriferro. Uno studio su copriferro di 40 millimetri indica che in condizioni naturali la fase di propagazione dura almeno 7 anni prima di raggiungere un'apertura di fessura di 0,3 millimetri, che è il valore assunto dall'Eurocodice come stato limite di servizio, e che anche quel valore può sottostimare il momento in cui inizia la delaminazione.

Uno studio su 25 edifici rileva che il tasso di corrosione negli elementi con perdita di sezione inaccettabile risultava circa 8 volte superiore a quello negli elementi fessurati senza perdita di sezione, perché dopo la fessurazione del copriferro il processo accelera.

Cosa si può osservare prima, e con quali limiti

Le tecniche strumentali rilevano il degrado prima della manifestazione visiva. La letteratura documenta che la variazione delle caratteristiche dinamiche permette di identificare un danno da corrosione anche in assenza di fessurazione superficiale, e i metodi di misura del tasso di corrosione, della profondità di carbonatazione e del contenuto di cloruri restituiscono lo stato del processo mentre è in corso.

Qui va però dichiarato un limite quantitativo, perché è quello che separa una misura utilizzabile da un dato ambiguo.

Ne discende che una serie di misure dinamiche diventa interpretabile con serie temporali sufficientemente lunghe e con modelli documentati di correzione degli effetti ambientali. Uno scostamento di frequenza dell'1 o 2 per cento, letto isolatamente, descrive con pari plausibilità un cambio di stagione.

Sulla previsione della vita residua. La letteratura organizza la diagnosi in livelli: rilevazione, localizzazione, quantificazione e prognosi. I primi due livelli sono operativamente disponibili oggi. La prognosi quantificata e affidabile della vita residua di una struttura civile reale resta un obiettivo di ricerca, come dichiarato dalla letteratura di riferimento, e i metodi maturi in questo campo riguardano ambiti con storie di carico controllate e modelli di fatica consolidati, diversi dal patrimonio edilizio.

Il caso dei capannoni prefabbricati

Il costruito produttivo presenta meccanismi propri, e in Italia si diffuse dagli anni Cinquanta e Sessanta con luci libere fino a circa 30 metri.

Corrosione dei trefoli precompressi nei tegoli e nelle travi. La corrosione dell'acciaio armonico è particolarmente insidiosa, perché il materiale lavora ad alta tensione e il processo può procedere senza segni superficiali.

Appoggi ad attrito e in neoprene. Nelle strutture isostatiche gli appoggi trave-pilastro erano spesso realizzati per solo attrito nelle costruzioni anteriori alle norme sismiche, e l'elastomero degrada nel tempo.

Connessioni. Sono la zona più vulnerabile. Studi su sistemi diffusi in Italia mostrano che la connessione tra tegolo e trave può perdere fino al 60 per cento di resistenza dopo il limite portante, con rottura fragile.

Manti di copertura. Escursioni termiche, raggi ultravioletti, ristagni d'acqua per drenaggi ostruiti, e danni dovuti a installazioni successive che senza controlli periodici restano invisibili fino all'infiltrazione.

L'arretrato manutentivo, e il costo di rimandare

Il valore complessivo del patrimonio di ponti europeo è stimato intorno ai 2.000 miliardi di euro, con circa il 10 per cento classificato significativamente deficitario e circa il 30 per cento di quelli in buono stato che risulta privo di ispezioni regolari.

Sui singoli paesi: l'arretrato di sostituzione della rete ferroviaria tedesca è stimato tra 44,5 e 49 miliardi di euro, e circa 5.000 ponti autostradali necessitano di riparazione o ricostruzione. La Corte dei Conti olandese quantifica un arretrato di 54,5 miliardi di euro, con una carenza annuale strutturale di 1,8 miliardi. Nel Regno Unito l'arretrato per i ponti gestiti dagli enti locali era stimato in 6,7 miliardi di sterline nella rilevazione del 2017-2018, con 3.177 opere su 71.652 classificate come inadeguate a sostenere i veicoli più pesanti.

Il costo di rimandare ha una formulazione classica. La cosiddetta legge dei cinque, formulata da de Sitter nel 1984 negli atti di un workshop europeo sulla durabilità, indica che il costo si moltiplica di circa cinque volte a ogni fase di ritardo: qualità in progettazione e costruzione, manutenzione preventiva prima dell'avvio della corrosione, riparazione dopo l'avvio, riabilitazione o sostituzione dopo corrosione generalizzata. Lo stesso autore avverte che le cifre servono a indicare dove concentrare l'attenzione invece di essere prese alla lettera.

Quando l'ispezione visiva è strutturalmente insufficiente

Esiste una categoria di elementi per cui l'osservazione diretta restituisce poco, e il caso più documentato in Europa lo mostra con chiarezza.

Il crollo del viadotto Polcevera a Genova, il 14 agosto 2018, con 43 vittime, riguardava un'opera di 51 anni. La Commissione ispettiva ministeriale attribuì la causa alla corrosione della parte alta di uno strallo, con riduzione di sezione compresa tra il 50 e il 100 per cento sulla maggioranza dei trefoli esaminati, in un processo iniziato nei primi anni di vita dell'opera.

Due elementi rilevano per il tema di questa pagina. I trefoli erano annegati nel calcestruzzo e quindi non ispezionabili visivamente. E un sensore di monitoraggio installato sulla stessa pila operò dal 1992 al 1996 senza essere poi sostituito.

Dove il materiale che porta il carico si trova fuori dalla portata dell'osservazione diretta, la misura strumentale costituisce la sola via di conoscenza.

Cosa ne discende

I tempi del degrado sono misurabili, e i segni arrivano tardi. La fase di iniziazione dura decenni, quella di propagazione anni, e la comparsa dei segni visibili si colloca alla fine di entrambe.

Una singola ispezione descrive un istante. La conoscenza dello stato di una struttura si costruisce con osservazioni ripetute, e il confronto tra due rilievi distanti nel tempo dice quello che un rilievo isolato lascia fuori.

La misura strumentale richiede una serie e una correzione. Il segnale del danno iniziale ha la stessa ampiezza del rumore ambientale, quindi diventa leggibile con serie temporali lunghe e con modelli di compensazione degli effetti di temperatura e condizioni di esercizio. Su questo la letteratura è convergente, e vale come criterio per valutare qualunque sistema di misura.