Nell'officina del gigante

A prima vista, ci si potrebbe immaginare in un cantiere navale da qualche parte nell'area portuale di Amburgo: un'ampia sala, luci al neon e una gru sospesa su rotaie sul soffitto, che solleva elementi in acciaio, colonne di cemento e travi di legno del peso di tonnellate attraverso la stanza. Bulloni lunghi e spessi come gli avambracci di un adulto e dadi con il raggio di un piatto: come se fosse l'officina di un gigante.

"Per noi, testare qualcosa di solito significa sollecitarlo fino a distruggerlo", dice Dominik Werne con una risata. Da dodici anni dirige il team della sala costruzioni dell'Istituto di analisi e costruzione (IBK) del Campus Hönggerberg. Insieme a quattro collaboratori fissi, supporta i sette cattedratici dell'Istituto nei loro esperimenti. Werne indica il pavimento verde pastello sotto di noi, il fulcro della sala. È in cemento armato, spesso un metro, rinforzato con decine di strati di acciaio in modo da poter sponsorizzare un peso totale di diverse migliaia di tonnellate. Come un sistema Meccano, i banchi di prova possono essere liberamente assemblati da vari elementi, alcuni dei quali pesano diverse tonnellate. "La progettazione e la costruzione di un banco di prova spesso richiedono mesi", dice Werne. Molto più tempo degli esperimenti successivi.

I banchi di prova sono allineati a destra e a sinistra lungo un corridoio contrassegnato da un nastro giallo. Per esempio, "LUSET", un colosso di dieci metri per dieci il cui interno è costituito da cento cilindri idraulici controllabili singolarmente. Questi possono essere utilizzati per frantumare lastre di calcestruzzo rinforzato con acciaio - in modo splendidamente controllato per imitare le condizioni naturali. Il gruppo di ricerca del professore Walter Kaufmann esegue qui anche test per conto dell'Ufficio federale delle strade (USTRA) per determinare se i ponti devono essere ristrutturati. Di fronte si trova un altro gigante chiamato "MAST". Un muro di cemento armato lungo circa tre metri e alto due metri si trova sotto massicce travi d'acciaio. Le piastre metalliche che si trovano sul bordo superiore del muro possono essere spostate da enormi cilindri per simulare le forze di un terremoto al rallentatore. Il professore Božidar Stojadinović lo utilizza per analizzare il comportamento del calcestruzzo e dell'acciaio in condizioni di terremoto. "In principio, si potrebbe anche costruire una piccola casa nel banco di prova e testarne la resistenza ai terremoti", spiega Werne.

Gli ingegneri e la croce

"Fermatevi! Vedo la prima crepa qui", grida qualcuno all'estremità nord del capannone. Fa parte di un gruppo di sei uomini, due dello studio di ingegneria di Zurigo "WaltGalmarini", tre dottorandi dell'IBK e un tecnico della sala costruzioni. Sono riuniti attorno a un tavolo con diversi schermi di computer; accanto c'è una scatola blu brillante con due manometri e due leve che sporgono da essa - una pompa idraulica azionata a mano. Davanti a questo ponte di controllo temporaneo c'è una croce di legno composta da un supporto di legno lungo 4,4 metri e da due bulloni. La metà di questi ultimi è realizzata con lo stesso legno lamellare di faggio del supporto, ma ciascuno di essi è rivestito da uno strato di cemento sul lato inferiore. Le due travi sono collegate alla colonna da barre filettate incollate nel legno. Per fissare i traversi è stato realizzato un giunto largo una decina di centimetri con una malta ad alta resistenza. Questo giunto colonna-traversa sarà testato oggi. A tale scopo, la croce è stata installata tra due ingombranti cilindri idraulici, fissati al suolo da pareti di acciaio a taglio del peso di diverse tonnellate.

Gli ingegneri si sono riuniti nella sala di costruzione alle sette del mattino per mettere alla prova la croce. Chi siamo vuole saperne di più sulla sua rigidità, capacità portante e duttilità. Tre telecamere a infrarossi sono state fissate a una trave d'acciaio a Chi siamo. Utilizzando 78 punti di misurazione precedentemente marcati sul cemento della croce, misurano qualsiasi spostamento superiore a 0,1 millimetri. Questi valori possono essere utilizzati per tracciare curve e diagrammi che mostrano quali deformazioni si sono verificate in quale punto e sotto quale carico.

Eruttivo anziché duttile

"Baam!" Un botto sordo e acciaioso riecheggia nella sala. Manca poco alle 16.00 e il carico di trazione sui due bulloni ha da poco raggiunto 510 chilonewton (51 tonnellate), circa il doppio della forza che l'edificio deve sopportare per legge. Nel calcestruzzo di uno dei due traversi sono visibili lunghe crepe, larghe circa due centimetri. A questo punto, i soffitti orizzontali in legno-calcestruzzo composito saranno collegati al supporto verticale in legno. Andreas Galmarini e il suo collega si precipitano sulla crepa, la fotografano e la segnano nuovamente con una penna blu. "Ora l'armatura di trazione nel nodo è stata pulita", dice il co-titolare di "WaltGalmarini", che conosce ancora il capannone dalla sua tesi di dottorato all'ETH.

La frattura improvvisa e non annunciata si discosta dai calcoli del modello degli ingegneri. Essi avevano infatti previsto un comportamento duttile, ossia un forte aumento della deformazione prima della frattura, che preannuncia il cedimento. Questo dimostra quanto sia importante la ricerca sperimentale nel settore delle costruzioni, dice Frangi: "Possiamo fare molti calcoli alla nostra scrivania e simulare il comportamento statico dei componenti utilizzando software sofisticati. Ma questi modelli devono essere convalidati da test, soprattutto nel caso di innovazioni".

Un dottorando del gruppo di Frangi afferra di nuovo la leva della pompa idraulica e inizia a pompare. Ora anche il secondo bullone deve essere "caricato a rottura", come si dice in gergo ingegneristico. Subito si toglie il maglione, il sangue gli affluisce alla testa e la resistenza della leva aumenta. A 500 kilonewton, si sente un crack per una frazione di secondo. La resistenza diminuisce e la curva sul portatile si appiattisce. "Bellissimo!" commenta il collaboratore di Galmarini. "Il comportamento di frattura duttile che gli ingegneri strutturali desiderano per le loro opere è ora rivelato. Nessun cedimento improvviso della struttura portante, ma piuttosto una lenta deformazione plastica dei materiali.

Il dottorando continua a pompare; il manometro segna presto 300 bar. Nel frattempo, una crepa nella malta si allarga. A 550 kilonewton, il colpo si ripete. Questa volta due volte di seguito, e ancora più forte che con il primo bullone. Il dottorando abbassa la leva. La crepa nel giunto di malta è ora larga diversi centimetri e rivela barre di ferro coperte di calcinacci. L'enorme forza ha fatto saltare due delle asole metalliche a incastro che si stavano testando come collegamento alternativo tra la traversa e la colonna.

Intuizioni preziose come l'oro

Gli ingegneri usano smartphone e reflex per documentare la croce distrutta, che giace floscia nella luce pallida della sala. Ancora una volta, le due traverse vengono ispezionate da tutti i lati, si interpretano le scaglie di calcestruzzo e si ipotizza l'esatto comportamento all'interno del nodo. Una settimana dopo, viene testata una seconda croce con due ulteriori varianti di progetto. Gli ingegneri della "WaltGalmarini" decideranno poi, insieme ad Andrea Frangi, quali sistemi di nodi Implenia saranno utilizzati nella costruzione dei 27 piani della torre in legno alta 80 metri.

"Altrimenti possiamo raccogliere questo tipo di dati sul comportamento del calcestruzzo, dell'acciaio e del legno in situazioni estreme solo nelle regioni recentemente colpite da un terremoto o da un tifone", afferma Galmarini. Egli stesso si è già recato nelle regioni terremotate per conto del Corpo svizzero di aiuto umanitario (CSA). Ma anche lì, le dinamiche dei materiali e della costruzione non possono essere seguite al rallentatore, come qui nella sala di costruzione. "Per noi questo vale come l'oro!", dice euforico l'ingegnere, tornando a ispezionare la ferita aperta nel cemento.