Leghe a memoria di forma, materiali innovativi per la protezione sismica degli edifici
Le leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMA), classificabili come Smart Materials, sono materiali “intelligenti” in grado di reagire alle sollecitazioni esterne di origine termica o meccanica, modificando una o più delle loro proprietà. Si tratta di materiali metallici che presentano due particolari caratteristiche: l’effetto a memoria di forma (Shape Memory Effect, SME) e il comportamento superelastico (Superelasticy, SE).
Nel 1962, William Buehler e Frederick Wang, mentre lavoravano ad un progetto su un materiale resistente alla corrosione e alle alte temperature da utilizzare nel settore navale presso il Naval Ordnance Laboratory (NOL), riconobbero casualmente l’effetto a memoria di forma nella lega nichel-titanio (Ni-Ti) alla quale poi fu associato il suffisso NOL, in onore del luogo dove fu scoperta: da qui il nome Nitinolo, che tra tutte resta la lega SMA più utilizzata (copre circa il 90% del mercato) e alla quale può essere aggiunto un terzo metallo per migliorarne le proprietà, come per esempio il rame (Ni-Ti-Cu).
Le caratteristiche della lega
Il primo comportamento estremamente interessante è l’effetto a memoria di forma, che consiste nel ricordare la forma macroscopica iniziale, la quale, a seguito di un processo deformativo dovuto ad una variazione di temperatura o a causa di uno stato di sollecitazione applicato, viene riacquisita surriscaldando il materiale.
L’effetto superelastico, invece, tra le due proprietà è quella che risulta essere più utile ai fini della protezione sismica, e riguarda la capacità di non subire deformazioni residue durante la fase di scarico. Queste proprietà delle leghe a memoria di forma sono essenzialmente dovute alle due trasformazioni di fase reversibili (austenite, fase stabile ad alte temperature, e martensite, fase stabile a basse temperature) che, in base a variazioni termiche, meccaniche o elettriche, fanno prevalere l’una rispetto all’altra facendone scaturire proprietà differenti. Oltre all’effetto memoria di forma e alla superelasticità, le leghe a memoria di forma hanno una grande stabilità sotto carichi ciclici, alte capacità di ricentramento e di dissipazione dell’energia, elevata resistenza alla corrosione, alta resistività elettrica e un’elevata durabilità.
I possibili campi di applicazione della lega
I campi di applicazione di queste leghe sono molteplici: dal settore biomedico (stent coronarici, apparecchi ortodontici) al settore ingegneristico meccanico (attuatori, valvole termiche) e strutturale (dispositivi antisimici). Un esempio applicativo nel settore civile sono gli SMAD® (Shape memory Alloys Devices) utilizzati per la prima volta per un intervento di restauro del campanile di San Giorgio a Trignano in Reggio Emilia, danneggiato a seguito del terremoto del 15 ottobre 1996. Si tratta di 4 tiranti in acciaio posizionati negli angoli interni del campanile e a ciascun tirante è installato un dispositivo in lega a memoria di forma, che agisce come limitatore di carico, grazie alle proprietà superelastiche.
SMAD molto simili sono stati utilizzati anche nella Basilica di San Francesco d’Assisi che, a causa del terremoto avvenuto nel 1997, subì deformazioni permanenti in tutte le volte e crolli dei timpani. In questo caso sono stati utilizzati 47 SMAD per collegare il tetto ai due timpani del transetto.
In ambito sperimentale queste leghe hanno trovato impiego anche come sistemi di controventamento. Un caso di applicazione sperimentale a scala reale, è stato nell’ambito del progetto ILVA-IDEM “Seismic upgrading of RC buildings by advanced techniques”, sfruttando come modelli sperimentali le strutture in fase di demolizione del complesso industriale di Bagnoli (NA). Le prove effettuate hanno avuto lo scopo di individuare l’efficienza di diverse tecniche avanzate per l’adeguamento sismico. Le prestazioni dei controventi a base SMA risultano comparabili con quelle dei tradizionali controventi in acciaio, offrendo però vantaggi connessi ad una maggiore capacità di ricentraggio e ai ridotti requisiti di manutenzione.
