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La durabilità dei ponti in acciaio

Fra i materiali di largo consumo per la realizzazione di ponti e viadotti, l’acciaio è tra quelli in assoluto più resistenti e durevoli.

Grazie alla scelta di un adeguato sistema di protezione in fase di progettazione è possibile realizzare infrastrutture aventi una vita utile tranquillamente superiori ai cinquant’anni, in alcuni casi anche al secolo, evitando di ricorrere a ripetuti e costosi cicli di manutenzione il che eviterebbe lo sperpero inutile di risorse economiche e ambientali.

La scelta consapevole di questi accorgimenti per le nostre infrastrutture si traduce in sicurezza, riduzione dei costi di manutenzione e di gestione ed uso sostenibile delle risorse naturali.

Nel seguito vengono presentati i principali aspetti riguardanti la corrosione, i materiali e i prodotti maggiormente impiegati per la protezione dei manufatti in carpenteria metallica per la realizzazione dei ponti e dei viadotti.
 

LA CORROSIONE, I TRATTAMENTI PROTETTIVI E LA DURABILITÀ


La corrosione è un fenomeno di graduale deterioramento di un materiale metallico per interazione con l’ambiente circostante. Essa avviene nello strato di umidità (condensa) onnipresente sulla superficie del metallo, spesso non visibile a occhio nudo, secondo processi di ossido-riduzione tra l’acciaio e l’ossigeno atmosferico. La velocità di corrosione viene condizionata da diversi fattori quali l’umidità relativa, l’aumento del tasso d’inquinamento in atmosfera e la concentrazione salina nella condensa.

L’acciaio è un materiale che, per sua natura, è vulnerabile alla corrosione in determinate situazioni, come l’esposizione ad aria umida soprattutto in ambienti molto aggressivi o inquinati. Per contrastarla si può intervenire sulle cause, rendendo l’acciaio meno vulnerabile mediante trattamenti di protezione superficiale o usando materiali in grado di passivarsi, ossia di formare sulla superficie patine di prodotti compatti e protettivi, ancorché sottili.

Il sistema di protezione deve perseguire l’isolamento della superficie del manufatto dall’ambiente esterno aggressivo ed essere in grado di inibire i processi di ossidazione che danno luogo alla corrosione atmosferica.
 
Ponte ad Arco di TN
Ponte sul fiume Adige ad Arco (TN)

Ciò, nella pratica, nelle strutture viene ottenuto attraverso l’utilizzo di acciaio a resistenza migliorata (vedi § 6.1.1.3) o l’applicazione all’acciaio al carbonio di trattamenti che comportino un rivestimento della superficie in grado di frapporsi tra l’acciaio e le specie aggressive (effetto barriera o protezione passiva). Tipicamente ciò accade, per i manufatti a comportamento strutturale, applicando dei sistemi polimerici (le vernici) o dei rivestimenti metallici (la zincatura a caldo), seguendo le indicazioni fornite nella UNI EN 1090-2. Si noti che, oltre alla protezione passiva, il rivestimento di zincatura a caldo manifesta anche una protezione di tipo elettrochimico (protezione attiva o catodica).

È ottimale ricorrere a rivestimenti in grado di fornire anche un’azione protettiva di tipo elettrochimico, per ottenere una maggiore affidabilità.

La corrosione, infatti, non è altro che il consumo di elettroni durante il processo ossidativo che porta alla formazione della ruggine (un insieme di ossidi, idrossidi ed altri composti del ferro) per interazione con l’ossigeno atmosferico in presenza di soluzioni conduttive di sali presenti in ambiente. Una contromisura efficace in atmosfera consiste nel fornire continuamente elettroni al metallo da proteggere sfruttando il contatto galvanico con un altro metallo meno nobile, che ossidandosi ceda al materiale di base i suoi elettroni. È ciò che si realizza nel caso del contatto tra zinco (che cede elettroni e si ossida) e ferro dell’acciaio che si mantiene ridotto e, quindi, protetto.

Un criterio guida essenziale nella scelta del sistema protettivo deve portare alla massima durabilità possibile (intesa secondo la definizione data nel § 6.2.1.2), in modo da ridurre i costi per le manutenzioni. Il sistema deve essere, praticabile, affidabile, robusto, economicamente compatibile ed ecocompatibile e tale da facilitare le attività ispettive e manutentive, soprattutto nelle parti di difficile accessibilità.

La durabilità dei materiali e della protezione superficiale deve essere garantita dalla corretta scelta dei materiali. Il materiale o il suo trattamento anticorrosivo devono garantire i seguenti requisiti:
  • protezione resistente ad urti ed abrasioni;
  • protezione attiva (effetto barriera) e passiva (catodica);
  • il massimo livello possibile di adesione alla superficie da proteggere;
  • protezione anche in caso di superfici chiuse o non ispezionabili;
  • La protezione per tutta la durata in esercizio del ponte con il minor numero possibile di manutenzioni, cioè in grado di durare per tutta la vita utile dell’opera idealmente senza interventi di manutenzione o riducendone al minimo la frequenza senza alcuna perdita di sicurezza strutturale). Questa indicazione non deve portare alla riduzione della sorveglianza che, al contrario, deve essere garantita con costanza e frequenza delle ispezioni da stabilirsi al momento della progettazione del sistema anticorrosivo al pari delle manutenzioni, per ovviare a danneggiamenti per imprevisti, condizioni locali di particolare aggressività o danni locali alla protezione per qualsivoglia motivo, variazione delle condizioni ambientali di esposizione, errori realizzativi eventuali che possano comportare il non corretto funzionamento in qualche punto del sistema anticorrosivo, etc.
La scelta del sistema anticorrosivo e la stesura del relativo piano delle manutenzioni deve essere effettuata sin dalle prime fasi progettuali tenendo conto degli ambienti aggressivi, delle opportune misure preventive già individuabili e delle corrette predisposizioni per l’applicazione a regola d’arte della protezione. Occorre favorire metodi e sistemi protettivi applicati in ambienti industriali controllati, piuttosto che demandare la protezione a fasi di cantiere.

Identificazione classe di corrosività

Dopo la definizione della “vita nominale” della struttura, il progettista deve prevedere l’individuazione e la classificazione della corrosività dell’ambiente nella zona in cui la struttura sarà ubicata (secondo la norma UNI EN ISO 9223-2012) e la conseguente identificazione della durabilità dei sistemi di protezione alla corrosione a seconda del tipo di protezione scelta:
  • utilizzo di materiale auto-passivante;
  • zincatura a caldo, realizzata secondo UNI EN ISO 1461:2009, utili riferimenti si trovano nella normativa UNI EN ISO 14713-1:2017 ed UNI EN ISO 14713-2:2010. Sono disponibili norme relative alla zincatura a caldo che recano una valutazione indicativa del consumo annuale di zinco nelle diverse condizioni ambientali di esposizione (vedi § 6.2.1.4 per importanti considerazioni);
  • protezione mediante verniciatura la normativa di riferimento è la UNI EN ISO 12944-2:2018.
In tutti i casi, si possono distinguere quattro principali condizioni di riferimento ovvero ambienti di esposizione:
  • Rurale: alternanza di umidità e atmosfera secca – assenza pressoché di inquinanti;
  • Urbana: alternanza di umidità e atmosfera secca – presenza di diossido di zolfo (SO2);
  • Marina: umidità relativamente alta – presenza di cloruri che accelerano la corrosione;
  • Industriale: presenza di agenti chimici – livello di corrosione legato al tipo di sostanza inquinante rilasciata nell’aria.

Scelta della classe di corrosività in funzione delle caratteristiche dell’ambiente di esposizione in condizioni tipiche delle zone temperate (tabella ricavata dalla ISO 9223 - Corrosione dei metalli e loro leghe - e dalla UNI EN ISO 14713 – Rivestimenti di Zinco, Linee guida e raccomandazioni)


Tabella tratta dalle norme EN ISO 12944-1÷5, Pitture e vernici. Protezione della corrosione di strutture di acciaio mediante verniciatura.

Trattazione a parte merita la gestione degli scarichi risultanti dal dilavamento delle acque particolarmente cariche di cloruri per l’utilizzo durante la stagione invernale del sale di disgelo delle sedi stradali. Detto anche “fondente”, il sale è costituito prevalentemente da cloruro di sodio, cloruro di calcio e dal più costoso cloruro di magnesio. Questi tre composti sono corrosivi e possono determinare il deterioramento del manto stradale, del calcestruzzo e delle strutture in acciaio rivestito o autopatinabile. È utile ricordare che lo ione cloruro per le sue ridotte dimensioni tende a diffondere rapidamente nel calcestruzzo raggiungendo le armature e determinandone l’ammaloramento dell’impalcato in carpenteria, altera le vernici causandone la delaminazione, il contatto con l’acciaio autopatinabile ne destabilizza la patina in modo da renderne il comportamento praticamente indistinguibile dall’acciaio normale non protetto, nell’acciaio zincato a caldo può accelerare la corrosione dello zinco. Sono in commercio anche inibitori di corrosione che possono essere additivati per moderare gli effetti sulle strutture metalliche ma gli effetti tossici sull’ambiente consigliano di limitarne l’utilizzo. Ai fini della protezione dalla corrosione, l’utilizzo dei sali fondenti rende ancora più importante, se possibile, progettare in modo che non siano possibili accumuli di acqua sulla superficie delle strutture, che le acque inquinate dai cloruri vengano convogliate in canalizzazioni o gronde resistenti alla corrosione e rapidamente allontanate dalle strutture, e che si consideri una frequenza ottimale di ispezione per intercettare rapidamente eventuali infiltrazioni o inneschi alla corrosione.
 
Ponte sul canale Twente
Ponte sul canale Twente ad Ehzer (NL), realizzato nel 1945 in acciaio zincato a caldo

Durabilità

La durabilità è il tempo previsto di durata dell’efficacia di una protezione anticorrosiva fino al primo importante intervento di manutenzione.

La verniciatura protettiva, realizzata secondo UNI EN ISO 12944-5, ha una durabilità molto variabile, in base alla classe del trattamento protettivo e all’ambiente in cui si trova il manufatto metallico, generalmente può durare dai 2 ai 15 anni.

La zincatura a caldo, realizzata secondo UNI EN ISO 1461, determina una protezione di durabilità molto lunga, quantificabile in svariati decenni. A seconda dell’ambiente di esposizione e dello spessore del rivestimento, possono essere facilmente superati i cinquanta anni e, in alcuni casi, anche il secolo senza esigenza di interventi di manutenzione.

Si può considerare un trattamento protettivo anche lo strato di “ossidi” che protegge l’acciaio autopatinabile, esso infatti crea una protezione impermeabile che protegge l’acciaio sottostante anche oltre i 30 anni nelle condizioni ideali di utilizzo.

Si consideri, però, che la valutazione della durabilità, per tutti i materiali e trattamenti protettivi, va effettuata in modo dettagliato se c’è la possibile presenza di punti in cui gli inquinanti, le specie reattive o le soluzioni conduttive, possano determinare un’aggressione localmente più forte. Ciò suggerisce che la protezione dalla corrosione (ovvero, per meglio dire, la sua progettazione) sia prevista in modo da evitare su tutta la superficie del manufatto condizioni che la rendano meno efficiente.

Manutenzione ordinaria

La durata in servizio di una struttura protetta è generalmente superiore alla durata del sistema protettivo adottato. In quest’ottica è necessaria la stesura di un programma di manutenzione, in accordo con l’attuale normativa tecnica, che permetta la fruibilità della struttura per tutto il periodo di servizio di riferimento (vita nominale).

Il programma deve prevedere una manutenzione ordinaria, da tenersi con cadenza regolare per tutta la vita nominale della struttura, a seconda della necessità scaturenti dal particolare trattamento protettivo adottato. È fondamentale che i committenti, la direzione lavori, i costruttori, i realizzatori del rivestimento protettivo e i controllori dei rivestimenti, siano a conoscenza di informazioni concise, complete e precise circa il sistema protettivo utilizzato per la struttura, in modo da permettere a tutti i soggetti coinvolti di interpretare correttamente le indicazioni al fine di consentire le verifiche e le successive operazioni manutentive. Colui che realizza il rivestimento protettivo dovrebbe fornire tutte le indicazioni per permettere la stesura del piano di manutenzione ordinaria.

È necessario eseguire un’ordinaria manutenzione al manifestarsi delle tracce della ruggine (per esempio, se si riscontra una presenza di ruggine su più del 5% di una struttura) e appena vengano riscontrate alterazioni del rivestimento protettivo (sfarinamenti, screpolature, vescicamento, danneggiamenti, distacchi, diffusione di prodotti della corrosione all’interno dei rivestimenti, ecc.).
 
Ponte ciclopedonale Nzinc
Passerella pedonale con ciclo protettivo combinato zincatura-verniciatura

Ispezione

Per ogni sistema anticorrosivo va stabilita una frequenza di ispezione onde verificare la tenuta del sistema stesso sia globalmente che nei punti in cui possano localmente verificarsi delle criticità o imprevisti (come, ad esempio, inevitabili criticità progettuali, danneggiamenti accidentali, variazione delle condizioni di esposizione).

Anche per trattamenti affidabili e di lunga durabilità come la zincatura a caldo, che in genere non richiede manutenzione se non dopo svariate decadi di esercizio, è consigliabile prevedere delle campagne ispettive a cadenza regolare (per esempio ogni 5-10 anni) per verificare che non ci siamo punti in cui, anche per cause occasionali non prevedibili, possa esserci un consumo anomalo del rivestimento.
 

Materiale tratto da: "SOSTITUZIONE DI IMPALCATI ESISTENTI IN C.A.P. CON NUOVI MANUFATTI IN CARPENTERIA METALLICA"
Immagini: PICHLER Projects srl, Officine Bertazzon spa, AIZ (Associazione Italiana Zincatura), Nord Zinc spa

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