Utilizzo di barre di rinforzo in fibra di vetro nei vani ascensore

In questa sezione dedicata ai lettori, l'autore illustra i vantaggi, le sfide e le applicazioni.

di Patrick Morrissey

Introduzione 

Con l'evoluzione dei materiali da costruzione per soddisfare le esigenze di durabilità, sicurezza e sostenibilità, le barre d'armatura in fibra di vetro, o polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP), si sono affermate come una valida alternativa al tradizionale rinforzo in acciaio. Un'applicazione specifica che sta suscitando interesse è l'utilizzo di barre d'armatura in fibra di vetro nei vani ascensore, componenti strutturali critici che devono mantenere la propria integrità a lungo termine in condizioni difficili.

Che cos'è il tondino in GFRP? 

Le barre di rinforzo in GFRP sono un materiale composito costituito da fibre di vetro ad alta resistenza incorporate in una matrice di resina. A differenza delle armature in acciaio, sono anticorrosive, leggere e non conduttive. Queste proprietà le rendono particolarmente interessanti in ambienti in cui il deterioramento dell'acciaio o le interferenze elettromagnetiche rappresentano un problema.

Perché i vani ascensore? 

I vani ascensore presentano sfide strutturali e ambientali uniche. Queste includono: 

• Elevata umidità ed esposizione all'umidità proveniente da acque sotterranee o condensa 
• Accessibilità limitata per interventi di manutenzione e riparazione. 
• Aspettative di lunga durata (da 50 a oltre 100 anni) 
• Sensibilità alle interferenze elettromagnetiche nei moderni sistemi di ascensori 

Le tradizionali armature in acciaio, pur essendo resistenti e ampiamente utilizzate, sono vulnerabili alla corrosione, soprattutto nei pozzi sotterranei o scarsamente ventilati. La corrosione può provocare crepe, sfaldamenti e, in definitiva, costose riparazioni.

Vantaggi delle barre di rinforzo in GFRP nei vani ascensore 

I vantaggi delle barre di rinforzo in GFRP nei vani ascensore sono numerosi. Tra questi: 

• Resistenza alla corrosione: le barre di rinforzo in fibra di vetro non arrugginiscono né si corrodono, nemmeno in ambienti aggressivi come quelli con elevata umidità, esposizione a cloruri o infiltrazioni di acqua di falda. Ciò prolunga significativamente la durata utile dei vani ascensore.

• Leggerezza e maneggevolezza: le barre in fibra di vetro sono circa quattro volte più leggere dell'acciaio, riducendo i costi di trasporto e installazione. Questo è particolarmente vantaggioso nella costruzione di pozzi in spazi ristretti.
• Neutralità elettromagnetica: a differenza dell'acciaio, le barre di rinforzo in fibra di vetro sono non conduttive e non magnetiche. Ciò riduce al minimo le interferenze con i sistemi di controllo degli ascensori, i sensori e le apparecchiature di comunicazione, un fattore sempre più importante negli edifici intelligenti.
• Elevata resistenza alla trazione: le barre di rinforzo in fibra di vetro hanno una resistenza alla trazione superiore, pari a 2 volte quella dell'acciaio, il che le rende adatte a resistere alle forze di trazione nelle strutture in cemento armato.
• Riduzione dei costi di manutenzione: grazie all'eliminazione del deterioramento dovuto alla corrosione, le barre di rinforzo in fibra di vetro possono ridurre i costi di manutenzione e riparazione a lungo termine, risultando economicamente vantaggiose per l'intero ciclo di vita di un edificio.

Sebbene le barre di rinforzo in fibra di vetro siano utilizzate nel cemento armato da oltre 30 anni, il loro impiego iniziale e principale era legato ad applicazioni come gli scanner medicali, dove le barre metalliche non potevano essere utilizzate, e ad applicazioni critiche in cui era richiesta l'assenza totale di corrosione. Ci si potrebbe chiedere perché le barre di rinforzo in GFRP non abbiano completamente sostituito le barre metalliche convenzionali. Fino a poco tempo fa, i motivi erano i seguenti:

• Il GFRP era più costoso delle barre d'armatura tradizionali, ma ora lo è meno.
• Tutte le curve devono essere realizzate in fabbrica.
• Il GFRP non può sostituire automaticamente le barre d'armatura convenzionali in tutti i casi.

Altri motivi includono:

• La sostituzione non è uno a uno.
• È necessario affrontare la questione della riprogettazione dei requisiti per le barre d'armatura.
• L'American Concrete Institute ha incluso il GFRP tra le alternative per la maggior parte delle applicazioni solo di recente.

Stabilizzazione e consolidamento strutturale

Gli elementi strutturali in calcestruzzo e muratura possono essere rinforzati utilizzando sistemi di rinforzo compositi avanzati, tra cui soluzioni in polimeri rinforzati con fibre (FRP)/polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) e matrici cementizie rinforzate con fibre (FRCM), a seconda del difetto strutturale, degli obiettivi di progettazione e del livello di rinforzo richiesto. I materiali compositi sono stati introdotti inizialmente nell'ingegneria civile per applicazioni come il rinforzo sismico delle colonne dei ponti, offrendo un'alternativa pratica al tradizionale rivestimento in acciaio. Nel tempo, gli ingegneri hanno riconosciuto che questi sistemi ad alte prestazioni potevano essere utilizzati per risolvere un'ampia gamma di difetti strutturali in edifici e infrastrutture esistenti.

Oggi, sia i sistemi FRP che FRCM offrono soluzioni di rinforzo efficienti, leggere ed estremamente efficaci, soprattutto in progetti in cui l'ammodernamento strutturale deve essere eseguito con un impatto limitato, in condizioni di accesso ristretto e con un attento controllo dello spessore e del peso aggiuntivi: tutti fattori spesso di grande rilevanza nel settore degli ascensori, inclusi vani, locali macchine, pianerottoli, solai, pareti e relative strutture di supporto.

I sistemi FRP e FRCM sono:

• Facile da trasportare e da movimentare in loco, il che rappresenta un vantaggio significativo in edifici con accesso difficoltoso, spazi ristretti o aree di lavoro limitate.
• Sono noti per il loro elevato rapporto resistenza-rigidità-peso, che consente agli ingegneri di ottenere significativi miglioramenti strutturali senza introdurre un carico permanente aggiuntivo considerevole.
• Sono estremamente sottili, non occupano molto spazio e aggiungono pochissimo peso alla struttura: un vantaggio importante laddove i vincoli dimensionali sono critici.

Sia i sistemi di rinforzo FRP che FRCM si adattano facilmente a forme e geometrie esistenti, risultando adatti a un'ampia varietà di dettagli strutturali e substrati irregolari. I sistemi FRCM, che combinano reti di fibre ad alta resistenza con matrici minerali inorganiche, sono particolarmente indicati per substrati in calcestruzzo e muratura, soprattutto laddove la compatibilità con il substrato, la permeabilità al vapore e le prestazioni ad alte temperature siano importanti considerazioni progettuali.

In genere, l'accesso e il tempo necessari per l'installazione dei materiali sono minimi. In molti casi, i lavori possono essere eseguiti mentre l'edificio rimane occupato, riducendo al minimo i disagi per i residenti, gli utenti e i gestori dell'edificio. Le installazioni possono spesso essere pianificate in modo efficiente anche in cantieri con spazi ristretti, comprese le situazioni in cui le finestre di accesso sono limitate e i tempi di inattività devono essere ridotti al minimo.

I sistemi FRP e FRCM sono di per sé soluzioni competitive. Rispetto alle tecniche di rinforzo più tradizionali, questi sistemi di retrofit compositi avanzati sono spesso tra le opzioni più convenienti in termini di costi, considerando il costo totale di installazione, la velocità di applicazione, la riduzione della manodopera e il minore impatto sull'utilizzo dell'edificio. Considerando un precedente dialogo con il vostro autore, "State of the Shaft (ELEVATOR WORLD, marzo 2023)", incentrato sull'utilizzo dei sistemi FRCM, il discorso si chiude in questo modo.

Determinazione della probabilità di infiltrazione d'acqua

Molti edifici sono progettati e costruiti su terreni che un tempo erano campi di grano produttivi. Molti di questi siti sono pianeggianti e presentano livelli di falda freatica variabili. A seconda dei dati climatici, della posizione geologica e/o dei livelli di falda freatica rilevati tramite sondaggi del terreno, tali livelli possono variare da 1 cm a 5 metri nel corso di una stagione.

È frequente che costruttori e sviluppatori esaminino una relazione di indagine geotecnica, magari redatta durante una stagione secca o un periodo di siccità, e constatino che, al momento della misurazione del livello della falda freatica, una fossa profonda 4 o 5 metri non sarebbe soggetta a pressione idrostatica. Tuttavia, quando le condizioni meteorologiche cambiano, l'acqua inizia improvvisamente ad accumularsi sul fondo della fossa dell'ascensore.

La maggior parte dei regolamenti edilizi non consente la costruzione di vani ascensore con pozzetti di raccolta interni per l'acqua di falda. Questo perché la contaminazione da idrocarburi di tali falde acquifere è frequente e, una volta raccolta, l'acqua viene solitamente convogliata tramite pompe meccaniche nel sistema di drenaggio delle acque piovane.

Ecco alcune linee guida da tenere a mente se la fossa dell'ascensore si trova entro 5 metri dalla falda freatica:

• La fossa dell'ascensore deve essere sempre realizzata in cemento armato gettato in opera.
• Utilizzare guarnizioni impermeabili in tutti i giunti di costruzione.
• Installare una membrana impermeabile sotto il pavimento/le fondamenta e lungo le pareti.
• Tenete presente che i pozzi idraulici potrebbero essere perforati dopo la costruzione del pozzetto; il fissaggio della membrana impermeabilizzante ai cilindri esterni del pozzo richiede un'attenta pianificazione.

Iniezione di malta impermeabilizzante nelle fosse degli ascensori

Le fosse degli ascensori sono tra le aree più vulnerabili di un edificio in termini di infiltrazioni d'acqua. Situate nel punto più basso della struttura e spesso al di sotto della falda freatica, le fosse degli ascensori sono regolarmente soggette a pressione idrostatica e infiltrazioni di acqua sotterranea.

Di conseguenza, sono altamente suscettibili a perdite che possono causare danni alle apparecchiature, corrosione, formazione di muffa, rischi per la sicurezza e costosi fermi operativi. La malta impermeabilizzante offre una soluzione collaudata e a lungo termine a queste problematiche.

Senza un'adeguata impermeabilizzazione, l'infiltrazione d'acqua nel vano ascensore può accelerare il deterioramento strutturale e compromettere i componenti critici dell'ascensore. Intervenire tempestivamente contro le infiltrazioni d'acqua è essenziale per proteggere sia la struttura che l'affidabilità dell'impianto dell'ascensore.

Le perdite dalle fosse degli ascensori possono essere sia un fastidio che un fattore di costo significativo. Quando l'acqua di falda si infiltra nella fossa dell'ascensore e si mescola con i fluidi idraulici, l'acqua contaminata deve essere pompata fuori e smaltita come rifiuto pericoloso. Ciò non solo aumenta i costi di bonifica e smaltimento, ma espone anche i proprietari degli edifici a rischi di non conformità normativa e a prolungati tempi di fermo dell'impianto.

Cause comuni di infiltrazioni d'acqua nelle fosse degli ascensori

La maggior parte delle perdite nelle fosse degli ascensori ha origine da una o più delle seguenti condizioni:

• Giunti freddi all'interfaccia tra la soletta e la parete o agli angoli della parete
• Crepe nei muri o nelle lastre di cemento
• Crepe intorno ai pistoni dell'ascensore
• Intere pareti prive di impermeabilizzazione esterna o con impermeabilizzazione esterna difettosa
• Attraversamenti di tubi e condotti

In molti casi, l'infiltrazione d'acqua può essere il risultato di una combinazione di queste condizioni.

Come funziona l'iniezione di malta

L'iniezione di malta sigilla i percorsi di infiltrazione dell'acqua alla fonte, bloccando il movimento dell'acqua attraverso la struttura in calcestruzzo, anziché affidarsi esclusivamente a rivestimenti superficiali. Il processo prevede l'iniezione di polimeri reattivi all'acqua, come resine poliuretaniche idrofobiche o idrofile o resine acriliche, in crepe, giunti e vuoti all'interno del calcestruzzo.

Quando l'impermeabilizzazione esterna è compromessa o inesistente, è possibile iniettare polimeri idroreattivi dietro la parete, dove formano una sorta di "camera d'aria" impermeabile sul lato esterno della struttura.

Sotto pressione, questi materiali reagiscono con l'acqua o l'umidità presente nel substrato ed espandono formando una schiuma o un gel flessibile. Questa espansione permette alla malta di penetrare nelle fessure più sottili, sigillare le perdite attive e creare una barriera durevole e impermeabile, in grado di resistere alla pressione idrostatica.

Preparazione della superficie e valutazione delle perdite

Prima dell'iniezione, il vano ascensore deve essere valutato per identificare i punti di perdita, le crepe, i giunti freddi e le transizioni tra parete e soletta. Sebbene l'iniezione di malta sia molto efficace nell'arrestare le perdite attive, una preparazione adeguata ne migliora le prestazioni. Questa preparazione include in genere la pulizia della superficie, la mappatura dei modelli di fessurazione e l'installazione di punti di iniezione meccanici a intervalli controllati lungo i punti di perdita identificati.

Iniezione di malta cementizia: una soluzione collaudata

L'iniezione di malta è una soluzione collaudata ed efficace per l'impermeabilizzazione dei vani ascensore, in particolare in presenza di infiltrazioni d'acqua attive. Sigillando le perdite alla fonte e creando una barriera impermeabile di lunga durata, questo metodo protegge l'integrità strutturale, preserva le apparecchiature critiche dell'ascensore e riduce i costi di manutenzione e riparazione a lungo termine.

L'unico modo per prevenire la maggior parte delle riparazioni delle fosse degli ascensori nelle nuove costruzioni è che il progettista fornisca disegni strutturali che non utilizzino più nessuna delle cinque forme convenzionali di barre d'armatura metalliche, bensì esclusivamente barre d'armatura non metalliche.

Oggi, non solo il costo è inferiore, ma la quantità di barre d'armatura in una fossa per ascensore è irrilevante rispetto al costo complessivo dei materiali necessari. L'installazione è persino più semplice. Sebbene questo sia relativamente semplice, se vi rendete conto che le vostre preoccupazioni immediate e più critiche riguardano le strutture esistenti costruite con barre d'armatura convenzionali, con i relativi ingenti costi di ripristino, allora l'utilizzo di barre d'armatura in GFRP diventa una questione secondaria. La vostra priorità principale è l'infiltrazione d'acqua e la corrosione delle barre d'armatura esistenti.

Torniamo all'iniezione di malta. Per molti anni, le fessure fuori terra venivano riempite con resine epossidiche, mentre quelle interrate, soggette a infiltrazioni d'acqua, venivano riempite con resine idrofile o idrofobe. L'iniezione nelle fessure era la procedura standard, ma in molti casi si limitava a spostare l'acqua in un'altra parte della struttura. Oggi, i mezzi, i metodi e i materiali consentono di realizzare membrane sul lato positivo (lato esterno della parete), installate dal lato negativo (lato interno della parete), per garantire una "membrana impermeabile" – in pratica, una protezione preventiva per qualsiasi struttura interrata. Queste tecniche sono state utilizzate con successo per oltre 30 anni in progetti che vanno da una singola fossa per ascensore a fondazioni di edifici complete, centrali nucleari, interventi di impermeabilizzazione d'emergenza e persino nel City Water Tunnel n. 3 di New York, a una profondità di circa 600 metri.

Quando si parla di iniezioni di malta, non è necessario essere esperti, ma è fondamentale sapere chi sono gli esperti. Questo mi porta a citare una fonte autorevole in materia: askcharlieandmonica.com, un sito di domande e risposte online frequentato da alcuni dei migliori esperti al mondo. Il suo successore, askthegroutingexperts.com, è in fase di sviluppo e sarà disponibile a breve.