Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma, 27 maggio 2019.

1. I concetti necessari
per l’utilizzo dei nuovi materiali.
Franco Bontempi
Professore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale
UNIVERSITÀ' DEGLI STUDI DI ROMA LA SAPIENZA
Via Eudossiana 18 - 00184 Roma – ITALIA
franco.bontempi@uniroma1.it
1

2. FB - 27/05/2019
I concetti necessari per l'utilizzo dei nuovi
materiali
2

3. I concetti necessari
Orizzonte temporale
Design clima
Principio di precauzione
Sistema strutturale
Robustezza
1
2
3
4
5
3
L’introduzione di nuove
materiali (o nuove
tecnologie) nell’ingegneria
strutturale - in particolare
per quelle applicazioni
dell’ingegneria civile - deve
considerare i concetti
elencati qui accanto.
In particolare, inserire nuovi
materiali nella progettazione
richiede considerare che
questa attività è un
processo decisionale che
presenta due caratteristiche
ben precise.

4. Progettazione come sintesi (1)
4
Il punto di partenza per ogni
applicazione di nuovi materiali,
deve partire dal fatto che l'attività
di progettazione è prima di tutto
una attività di sintesi: differenti
esigenze, anche di discipline
diverse, devono essere
amalgamate e rese coerenti per
arrivare ad una soluzione
progettuale effettiva. Qui accanto
è riportato lo schema che
rappresenta per J. Schleich il
vortice che porta alla definizione
di questa soluzione.

5. Progettazione come previsione (2)
5
La seconda caratteristica
connessa alla attività di
progettazione è che essa è
essenzialmente una attività
di previsione: progettare
significa prevedere consa
esperirà la costruzione nella
sua vita.
Con una analogia numerica,
mentre analizzare i dati
passati con interpolazioni o
approssimazioni è un
operazione relativamente
facile, estrapolare dai dati
risulta difficile.

6. RESILIENCE
1° concetto: l’orizzonte temporale
6
Prevedere significa pensare a come
può evolvere la qualità di una
costruzione lungo la sua traiettoria
di vita: l’evoluzione dipende da
fenomeni continui legati alla
durabilità, o a eventi discreti in cui
la struttura deve avere robustezza.
Infine, si deve pensare alla
resilienza come la capacità di
riparare la costruzione. Si deve
quindi considerare l’orizzonte
temporale che attende la
costruzion. Il termine inclusivo che
sintetizza tutti vari aspetti della
qualità di una costruzione è
integrità strutturale.

7. Integrità strutturale
• Integrità strutturale è la qualità di una costruzione di avere
tutte le sue parti organizzate ordinatamente capaci di
sviluppare le proprie funzioni in modo da garantire la
sicurezza delle persone (e dell’ambiente) oltre alle
prestazioni previste per la costruzione.
7

8. 2° Concetto: il design clima
8
L’industria Italiana del
Cemento 1983;12:759–72.
Con design clima si intende sia l’insieme delle conoscenze al momento del progetto, sia
l’atteggiamento verso lo stesso e verso le conoscenze stesse. Un atteggiamento non critico, o
addirittura entusiastico apriori ovvero sostenuto da interessi di parte, può comportare la
sottovalutazione (anche la negazione) di aspetti negativi di nuovi materiali e del loro utilizzo.

9. Progetto evolutivo vs. progetto innovative (1)
9
La progettazione può essere considerata
come un'attività di problem solving e,
ulteriormente, come un'attività di
ottimizzazione. Ora, esistono due tipi di
ricerca di una soluzione ottimale: a) una
ricerca in piccolo – ottimizzazione
locale – in cui si variano di poco i
parametri di progetto di schemi noti; b)
una ricerca in grande – ottimizzazione
globale – in cui si cercano soluzioni
anche al di fuori degli schemi già
esplorati. Quest’ultima tecnica può
fornire soluzioni anche molto
performanti, ma un atteggiamento
(design clima) troppo fiducioso può non
evidenziare aspetti collaterali negativi.

10. Insospettati effetti reologici nel calcestruzzo alleggerito
10
La soluzione innovativa di utilizzare il calcestruzzo alleggerito in un ponte ad arco ribassato,
senza un’adeguata conoscenza di fenomeni reologici dello stesso, ha fatto emergere nel
tempo un comportamento deformativo (impuntatura dei due semiarchi) negativo.

11. Mixture before the addition of the fibers
Emergenza di effetti collaterali imprevisti
11
Mixture after the addition of the fibers
Casting of fiber reinforced concrete plate
Problemi inattesi di
lavorabilità a seguito
di aggiunta di fibre.
Problemi inattesi
nel
mantenimento
preciso della
posizione di reti
di fibre.

12. 3° concetto: il principio di precauzione
• Nell’introduzione di tecnologie e materiali innovativi, deve essere
adottato questo principio che si declina come:
1. Criterio adottato da istituzioni governative e scientifiche in
base al quale vengono sospese quelle attività e produzioni
dell'uomo per le quali non sia possibile escludere una loro
potenziale influenza dannosa sull'ambiente.
2. Criterio di gestione del rischio in condizioni di incertezza
scientifica circa possibili effetti dannosi ipoteticamente
collegati a determinate attività, installazioni, impianti, prodotti,
sostanze.
• Da notare che la precauzione, nel suo significato di prudenza, è
uno dei requisiti (insieme a diligenza e perizia) della deontologia
professionale.
12

13. Precauzione (Vocabolario Treccani)
• precauzióne s. f. [dal lat. tardo praecautio -onis, der. di praecavere
«guardarsi, essere cauto» (comp. di prae- «pre-» e cavere «stare in
guardia»), prob. attraverso il fr. précaution]. –
• 1. Prudenza, cautela, circospezione nell’agire per evitare pericoli,
danni, rischi imminenti e possibili: operare, muoversi, avanzare con
p.; comportarsi con p.; guidare con estrema p.; anche, attenzione,
delicatezza nel maneggiare, nel toccare qualcosa: trasportare con
mille precauzioni un vaso di cristallo. 2.
• Atto, provvedimento attuato a scopo di cautela, di prudenza, di
prevenzione: adottare le dovute p.; prendere precauzioni (spesso con
riferimento alla profilassi anticontraccettiva); abbiamo agito con ogni
possibile p.; p. igieniche, sanitarie; non prese nessuna p. contro la
peste (Manzoni).
13

14. Introduzione e utilizzo dell’amianto negli Anni Sessanta
14
All’inizio degli
Anni Sessanta,
l’amianto era
considerato
come un ottimo
materiale
innovativo, e ne
erano vantate
applicazioni in
testi tecnici di
riferimento: una
chiara,
devastante,
violazione del
principio di
precauzione.

15. 4° Concetto: il sistema strutturale
15
Una struttura è un insieme organizzato
e gerarchico di parti ed elementi
strutturali.
In particolare, elementi strutturali
come le travi, hanno una ben precisa
fisiologia (modalità attraverso le quali
l’elemento strutturale riesce a
mantenere equilibrio e stabilità).
L’introduzione di nuovi materiali deve
essere rispettosa di questi
comportamenti intrinseci, oltre che
della gerarchia strutturale
complessiva. Ad esempio, la
sostituzione di elementi portanti
lineari come le barre di rinforzo in travi
con microfibre appare innaturale.

16. Micro-level:
local size of the sections, i.e.
thickness, area, inertia, …
(Detailed Geometry)
Meso-level:
form of the structural element
or structural part
(substructure), i.e. main
longitudinal axis, curvature,
profile, … (Global Geometry)
Macro-level:
connections of the different
structural parts (Load Path)
Design Hierarchy and Optimization Levels
16
DIMENSIONI
FORMA (MORFOLOGIA)
CONNESSIONI
(PERCORSO CARICHI)

17. Un applicazione: proposta per Palazzo Camponeschi
17

18. 18

19. 19

20. 20

21. Basis of design
1. How the building is configured
2. How to maintain connected the parts of the building
3. How to enhance the characteristics of the various parts
4. How to solve specific local problems
21

22. 1. How is configured
the building
2. How to maintain
connected the
parts of the
building
3. How to enhance
the characteristics
of the various
parts
4. How to solve
specific local
problems
22

23. To understand structural topology
1. How the building is configured
2. How to maintain connected the parts of the building
3. How to enhance the characteristics of the various parts
4. How to solve specific local problems
23

24. BASI DEL
PROGETTO
CONFIGURAZIONE
TOPOLOGICA
ANALISI
STORICA
REGOLARITA'
STRUTTURALE
DISPOSIZIONI
PER
GARANTIRE
L'INTEGRITA'
STRUTTURALE
IN PIANTA
presenza di
Via Forcella
comportamento
esplicato
durante
il sisma
IN
ELEVAZIO
NE
IN
SOMMITA'
integrazione dei
diaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioni
indicative in
facciata dei
principali
rinforzi in
rete
disposizione
in pianta
disposizione
in facciata
piano
terra
primo e
secondo
piano
indicazioni per
le iniziezioni di
miscele leganti
e disposizioni
di reti di rinforzo
disposizioni
di reti di
rinforzo
1
2
3
4
ELEMENTI
SPECIALI
24

25. BraccioSE
BraccioNO
BloccoVA
1
y
x
Historical basis
25

26. BraccioSE
Braccio NO
BloccoVA
2 y
x
26

27. Damage Blocco NO
27
3

28. 28
4

29. b a
Structural subdivision: regularitazion
5
29

30. a b
Ground
Floor
1st Floor
2nd Floor
6
30

31. 7
31
Introduction
of masonry
shear walls
A questa scala
strutturale, è
necessaria
l’introduzione di
massa muraria.

32. BloccoNO
BloccoVA
BloccoSE
Geometric
Subdivision
8
32

33. IPE 300 IPE 600
Main Top
Frames
9
33
A questa scala
strutturale, è
necessario
l’utilizzo di
elementi primari
in acciaio.

34. IPE 300 IPE 600
Secondary
Top Frames
(wood beams)
10
34
A questa scala
strutturale, è
necessario
l’utilizzo di
elementi
secondari in
legno.

35. To guarantee structural integrity
1. How the building is configured
2. How to maintain connected the parts of the building
3. How to enhance the characteristics of the various parts
4. How to solve specific local problems
35

36. 36

37. BASI DEL
PROGETTO
CONFIGURAZIONE
TOPOLOGICA
ANALISI
STORICA
REGOLARITA'
STRUTTURALE
DISPOSIZIONI
PER
GARANTIRE
L'INTEGRITA'
STRUTTURALE
IN PIANTA
presenza di
Via Forcella
comportamento
esplicato
durante
il sisma
IN
ELEVAZIO
NE
IN
SOMMITA'
integrazione dei
diaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioni
indicative in
facciata dei
principali
rinforzi in
rete
disposizione
in pianta
disposizione
in facciata
piano
terra
primo e
secondo
piano
indicazioni per
le iniziezioni di
miscele leganti
e disposizioni
di reti di rinforzo
disposizioni
di reti di
rinforzo
1
2
3
4
ELEMENTI
SPECIALI
❑ Steel ties
❑ Wall – floor slab
37

38. Palazzo Camponeschi - FB
Wall – floor slab connections
Smeared
38
A questa scala
strutturale, si
introducono
connessioni
diffuse fra solai e
pareti murarie.

39. Palazzo Camponeschi - FB
North side tie system
Lumped
39
A questa scala
strutturale, si
introducono
connessioni
discrete in forma
di catene in
acciaio fra le
varie pareti
murarie.

40. Palazzo Camponeschi - FB
Incatenamenti: piano secondo
CATENA
LONGITUDINALE
TRAVE ACCIAIO
SOMMITA’
CORRENTE
INFERIORE
CAPRIATA IN LEGNO
CATENA
TRASVERSALE
PIASTRE DI
DIFFUSIONE
40

41. Palazzo Camponeschi - FB
South side tie system
Lumped
41

42. 42

43. How to enhance the characteristics of the
various parts
1. How the building is configured
2. How to maintain connected the parts of the building
3. How to enhance the characteristics of the various parts
4. How to solve specific local problems
43

44. BASI DEL
PROGETTO
CONFIGURAZIONE
TOPOLOGICA
ANALISI
STORICA
REGOLARITA'
STRUTTURALE
DISPOSIZIONI
PER
GARANTIRE
L'INTEGRITA'
STRUTTURALE
IN PIANTA
presenza di
Via Forcella
comportamento
esplicato
durante
il sisma
IN
ELEVAZIO
NE
IN
SOMMITA'
integrazione dei
diaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioni
indicative in
facciata dei
principali
rinforzi in
rete
disposizione
in pianta
disposizione
in facciata
piano
terra
primo e
secondo
piano
indicazioni per
le iniziezioni di
miscele leganti
e disposizioni
di reti di rinforzo
disposizioni
di reti di
rinforzo
1
2
3
4
ELEMENTI
SPECIALI
❑ Masonry enhancements
44

45. Palazzo Camponeschi - FB
Ground floor
45
A questa scala
strutturale, si
considerano
miglioramenti
delle
caratteristiche
delle singole
pareti attraverso
iniezioni di malta
e intonaci armati
con reti in fibra
di basalto.

46. Palazzo Camponeschi - FB
First and second floor
46
A questa scala
strutturale, si
considerano
miglioramenti
delle
caratteristiche
delle singole
pareti solo
attraverso
intonaci armati
con reti in fibra
di basalto.

47. Gray regions:
Masonry failure
Extended and
conncected
masonry regions
where failure
happens
Before
47

48. Masonry with
strengtening injections
Masonry reinforced
with transversal
connections
After
48

49. BASI DEL
PROGETTO
CONFIGURAZIONE
TOPOLOGICA
ANALISI
STORICA
REGOLARITA'
STRUTTURALE
DISPOSIZIONI
PER
GARANTIRE
L'INTEGRITA'
STRUTTURALE
IN PIANTA
presenza di
Via Forcella
comportamento
esplicato
durante
il sisma
IN
ELEVAZIO
NE
IN
SOMMITA'
integrazione dei
diaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioni
indicative in
facciata dei
principali
rinforzi in
rete
disposizione
in pianta
disposizione
in facciata
piano
terra
primo e
secondo
piano
indicazioni per
le iniziezioni di
miscele leganti
e disposizioni
di reti di rinforzo
disposizioni
di reti di
rinforzo
1
2
3
4
ELEMENTI
SPECIALI
❑ Smeared reinforcing mats
49

50. Facade smeared basalt reinforcing mat
50

51. L’efficacia della rete di rinforzo,
specie nella parte in alto dell’edificio,
è mostrata da uno stato tensionale di trazione
significativo con valori intorno a 10 -30 MPa.
analisi
non lineare
Behavior along y direction
51

52. Sintesi delle verifiche di sicurezza
52

53. 53
a. La curva gialla, caratterizzata dalla
capacità portante minore, rappresenta
la situazione danneggiata esistente.
b. La curva verde comprende l'incremento
di resistenza offerto dal ripristino
dell'ammorsamento delle pareti
trasversali.
c. La curva azzurra rappresenta la fase
iniziale dell'adeguamento, senza
considerare gli incatenamenti e la
disposizione delle reti in fibra di
basalto.
d. La curva viola rappresenta
l'adeguamento presenti gli
incatenamenti ma senza rete in fibra di
basalto.
e. Infine, la curva rossa rappresenta
l'adeguamento nella sua completezza,
con la presenza delle reti di basalto.

54. 5° concetto: robustezza strutturale
• Capacità di una struttura (sistema strutturale) di mostrare un
degrado regolare della propria qualità (integrità) in
proporzione alle cause negative scatenanti.
• Precsiamente, si deve avere:
a. un degrado regolare della qualità strutturale (integrità),
proporzionale all'entità della causa scatenante
(caratteristica intensiva);
b. una diffusione spaziale del degrado strutturale limitata
(caratteristica estensiva).
54

55. Structural Robustness: Intensity Feature
ATTRIBUTES
RELIABILITY
AVAILABILITY
SAFETY
MAINTAINABILITY
INTEGRITY
SECURITY
FAILURE
ERROR
FAULT
permanent interruption of a system ability
to perform a required function
under specified operating conditions
the system is in an incorrect state:
it may or may not cause failure
it is a defect and represents a
potential cause of error, active or dormant
THREATS
NEGATIVE CAUSE
STRUCTURALQUALITY
less robust
more robust
Nominal
configuration
Damaged
configuration
55

56. Nota
• La robustezza strutturale è la proprietà di una costruzione di mostrare una perdita di qualità
proporzionata all’evento negativo originante tale perdita. In tal modo, se la struttura è
robusta, esiste una relazione continua e regolare fra la causa innescante il decadimento ed il
conseguente effetto.
• Si può illustrare graficamente il concetto di robustezza strutturale considerando in ordinata la
misura della qualità in esame: tale grandezza può essere, ad esempio, la capacità portante
rispetto ad una condizione di carico, rappresentata dal moltiplicatore di carico; in generale, in
ordinata si può riportare una qualsiasi capacità prestazionale o una grandezza
rappresentativa la sicurezza strutturale; in ascissa si riporta l’entità dell’evento negativo, che
può essere pensato come un danno strutturale o anche un errore nella concezione o nel
calcolo della struttura
• Delle due strutture in esame, si nota come quella indicata col colore verde sia di qualità
migliore nelle condizioni integre, o nominali, rispetto a quella indicata col colore blu: la stessa
risulta però meno robusta della seconda, come si vede dal maggior degrado di qualità, a
parità di danno, che risulta addirittura inferiore al livello minimo previsto. Questo esempio
può essere tipico del caso di un pilastro in cemento armato cerchiato con spirale (caso verde)
rispetto a quello di un pilastro quadrato staffato (caso blu).
56

57. Synonym: Damage Tolerance
• Property of a structure relating to its ability to sustain
defects safely until repair can be effected.
• The approach to engineering design to account for damage
tolerance is based on the assumption that flaws can exist in
any structure and such flaws propagate with usage.
• In engineering, structure is considered to be damage tolerant
if a maintenance program has been implemented that will
result in the detection and repair of accidental damage,
corrosion and fatigue cracking before such damage reduces
the residual strength of the structure below an acceptable
limit.

58. Synonym: Graceful Degradation
• Ability of a computer, machine, electronic system or network
to maintain limited functionality even when a large portion
of it has been destroyed or rendered inoperative. The
purpose of graceful degradation is to prevent catastrophic
failure.
• Ideally, even the simultaneous loss of multiple components
does not cause downtime in a system with this feature.
• In graceful degradation, the operating efficiency or speed
declines gradually as an increasing number of components
fail.

59. “IMPLOSION”
OF THE
STRUCTURE
“EXPLOSION”
OF THE
STRUCTURE
is a process in which
objects are destroyed by
collapsing on themselves
is a process
NOT CONFINED
STRUCTURE
& LOADS
Collapse
Mechanism
NO SWAY
SWAY
Bad vs Good Collapse: Extensive Feature
59
Un risvolto significativo della robustezza è che il
collasso della struttura se avviene, deve
avvenire con modalità opportune: le
conseguenze devono essere limitate, come
avviene nei casi di collassi in cui ha l’implosione
della costruzione, con un processo limitato.

60. Fail-Safe (ITA)
• Nella tecnica, denominazione dei sistemi (apparati,
componenti, strutture ecc.) progettati in modo da evitare
che eventuali avarie arrechino danni a persone o ad altri
sistemi a loro interconnessi od operanti in prossimità.
• In particolare, nelle costruzioni meccaniche, e specialmente
in quelle aeronautiche, sono così chiamate le strutture
capaci ancora di notevole resistenza, benché affette da
incrinature o rotture di qualche parte o elemento (anche di
parti nascoste o non immediatamente visibili). Le incrinature
e rotture vengono riparate o rimosse in occasione delle
ispezioni e delle revisioni obbligatorie periodiche.
60

61. Un caso di accoppiamento di materiali diversi: giunti.
61
Un caso ben noto di accoppiamento di materiali con diverse caratteristiche fisiche e
meccaniche, nel tentativo di ottenere una soluzione innovativa è quello dei giunti stradali,
in cui si è proposto l’accoppiamento di parti in acciaio attraverso a vulcanizzazione della
gomma. Questi accoppiamenti devono superare la prova del tempo e, in caso di crisi,
devono sviluppare collassi non disastrosi. Dovrebbero avere, quindi, caratteri tipo fail-safe.

62. 62
Un caso comune di accoppiamento fra
materiali con caratteristiche diverse è quello
dei giunti stradali.

63. 63
Accoppiamento di parti in acciaio attraverso la
vulcanizzazione della gomma.

64. 64

65. 65
Affidare alla gomma vulcanizzata l'integrità
del giunto, ovvero il corretto funzionamento e
collegamento delle parti in acciaio, appare non
adeguato, specie considerando l’orizzonte
temporale in cui deve funzionare il giunto.

66. 66
L’eventuale disarticolazione del giunto, ovvero
la perdita di integrità strutturale fra la parte in
acciaio e la gomma vulcanizzata, può portare
alla dislocazione fuori dal piano stradale del
giunto, con ovvi pericoli per la circolazione.

67. Progetto evolutivo vs. progetto innovative (2)
Il principio di precauzione si applica
non a pericoli già identificati, ma a
pericoli potenziali, di cui non si ha
ancora conoscenza certa.
67

68. Conclusione: i concetti necessari
• L’introduzione di nuovi materiali (e nuove tecnologie) nell’ambito
dell’ingegneria strutturale (e in particolare in quella legata all’ingegneria
civile con le sue caratteristiche di essenziale non ripetitività della
costruzione, di significative incertezze e inevitabili imperfezioni, di esteso
orizzonte temporale), deve considerare criticamente quelle che sono le
basi di conoscenza tecnica e scientifica presenti e passate, con necessario
rispetto del principio di precauzione, e giusta considerazione della scala
strutturale di applicazione.
• L’introduzione – propugnata o forzata – di materiali innovativi che non
rispettino la intrinseca fisiologia strutturale (ad esempio, travi in
calcestruzzo armato senza armature longitudinali in acciaio o
incatenamenti in materiali effimeri in costruzioni murarie massive) o di cui
siano incerte le proprietà lungo l’esteso periodo di vita della costruzione,
appare controproducente e foriera di situazioni non sicure. Durabilità e
robustezza sono doti imprescindibili.
• Solo dopo un esame equilibrato delle caratteristiche proprie di materiali
innovativi e della loro introduzione ponderata nel sistema strutturale, si
può procedere consapevolmente alla loro diffusione e utilizzo.
68

69. 69

70. I concetti necessari
per l’utilizzo dei nuovi materiali.
Franco Bontempi
Professore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale
UNIVERSITÀ' DEGLI STUDI DI ROMA LA SAPIENZA
Via Eudossiana 18 - 00184 Roma – ITALIA
franco.bontempi@uniroma1.it
70