Il carbonio: un innovativo materiale per interventi di rinforzo sismico

29/06/2022 - I materiali maggiormente usati per il consolidamento strutturale sono l’acciaio e il cemento, oggi grazie all’evoluzione tecnologica, nuovi materiali come le fibre e le resine, sono impiegati per realizzare nuove soluzioni all’insegna della leggerezza e della maggiore resistenza.
 
La fibra di carbonio è sicuramente uno fra i più interessanti ed innovativi materiali per gli interventi di retrofit (riparazione) e upgrading (rafforzamento).
 
La fibra di carbonio è un materiale con struttura filiforme, è leggero e resistente, viene utilizzato nei sistemi compositi FRCM e FRP per i rinforzi strutturali e per la sicurezza sismica del patrimonio immobiliare.
 
Un innovativo uso del carbonio è quello adoperato nel sistema di rinforzo strutturale CABKOMA Strand Rod (in breve CABKOMA): una tecnologia sviluppata dall’azienda giapponese Komatsu Matere, impegnata dal 1955 nella progettazione e produzione di materiali per l’edilizia ecologici e innovativi e tessuti ad alto contenuto tecnologico e di design.
 
CABKOMA è stato ideato e realizzato sotto la supervisione progettuale dell’architetto giapponese Kengo Kuma in collaborazione con Ejiri Structural Engineers per la parte strutturale. Lo stesso gruppo è stato autore della Casalgrande Ceramic Cloud per Casalgrande Padana, un altro progetto che sperimenta un uso innovativo dei materiali, in questo caso della ceramica usata in forma strutturale e non come materiale da rivestimento.
 
CABKOMA è considerato il più leggero rinforzo sismico al mondo.
 
 Komatsu Seiren Fabric Laboratory fa-bo | Kengo Kuma and associates ©Archilovers

Si tratta di cavi a base di fibra di carbonio di 9 mm di diametro costituiti da leggeri trefoli intrecciati tra loro. Una volta messo in tensione il cavo crea un sistema ad alta resistenza a trazione in grado di assorbire le componenti orizzontali delle forze sviluppate dai terremoti, verso cui gli edifici sono particolarmente vulnerabili.
 
Un cavo di CABKOMA è lungo circa 160 metri, pesa solo 12 kg e può essere portato a mano. Ha un peso pari a un quinto del peso dell'acciaio e circa dieci volte la sua resistenza.
 
Ogni singolo cavo è poi imbevuto nella resina in fibra di vetro, la fibra di carbonio ordinaria ha una forte elasticità, ma è debole alla forza parallela. Le fibre di vetro che ricoprono l'anima in fibra di carbonio intrecciate rendono il sistema resistente e flessibile a tale sollecitazione.
 
Fonte ispiratrice della tecnologia è il Kumihimo, letteralmente fili raccolti, una tecnica di intreccio tradizionale giapponese. A differenza della canonica tessitura fatta da una trama e ordito, nel Kumihimo i fili di seta sono raggruppati tutti insieme fra loro, questi grappoli servono poi a creare una treccia, con finalità decorative per i capelli delle donne giapponesi e come adorno del Kimono, il tipico abito giapponese.
 
Il primo sistema di CABKOMA è stato realizzato proprio nell’edificio che ospita l’azienda da cui è partita l’idea che necessitava di un importante intervento di ristrutturazione e consolidamento statico.
 
“I materiali da costruzioni usati per realizzare i cavi convenzionali erano pesanti e i costi di movimentazione e trasporto erano diventati un problema; quindi, abbiamo pensato che fosse necessario un prodotto leggero e flessibile che resistesse al deterioramento dovuto al tempo. Abbiamo deciso di utilizzare la tradizionale tecnica kumihimo nello sviluppo di un prodotto”, questo è quanto sosteneva all’epoca dello sviluppo della tecnologia Okuya Teruhiro, Direttore della Divisione Ricerca e Sviluppo di Komatsu Matere.
 
L’architetto Kuma, incaricato del progetto di ristrutturazione, si è avvicinato a questo schema sin dalle prime fasi progettuali, successivamente attraverso la modellazione digitale, è arrivato alla definizione precisa del posizionamento di ogni singolo cavo creando una struttura capace di garantire la stabilità in caso di un'azione sismica orizzontale con un movimento in ogni possibile direzione.
 
Il risultato ottenuto è scenografico: un sistema flessibile fatto di circa 1.000 cavi CABKOMA che avvolgono l’edificio come una sottile ragnatela, che aumenta la stabilità di tutto l’insieme adattandosi all’edificio e diventando uno spettacolare elemento architettonico.

 Komatsu Seiren Fabric Laboratory fa-bo | Kengo Kuma and associates ©Archilovers
 
I tiranti sono collegati tutti al livello della copertura, su cui è posizionato un volume vetrato che oltre creare un accesso sul tetto, per godere di una vista panoramica sulla costa, diventa parte integrante del leggerissimo e innovativo sistema di rinforzo strutturale antisismico elaborato, progettato e dimensionato ad hoc per l’edificio.
 
Tutti i dettagli costruttivi sono consultabili nella sezione allegati della scheda progetto su Archilovers.
 
Questo case study ha messo in luce le potenzialità del carbonio come materiale antisismico, infatti, nel 2019 il carbonio viene certificato secondo lo standard giapponese JIS (Japanese Industrial Standards) come materiale per migliorare il comportamento sismico. È la prima volta che un materiale composito in fibra di carbonio riceve una tale certificazione.
 


Riferimenti bibliografici:
A New Rust-Free Material That Is Stronger and Lighter than Steel By UMEZAWA AKIRA https://bit.ly/3xOh6XN