Il sistema di fondazioni “elettriche” del Burj Khalifa: funzionano come una pila?

Il Burj Khalifa è, attualmente, il grattacielo più alto al mondo. Tra le diverse peculiarità che rendono unica questa mega-struttura, vale la pena trattare alcuni degli aspetti tecnici delle parti "nascoste" dell'opera nel suo complesso, ovvero il sistema di fondazione che è caratterizzato da un  sistema anti-corrosivo delle armature. Queste, infatti, per non danneggiarsi sfruttano la corrente, con un meccanismo del tutto simile a quello delle batterie del nostro telecomando!

Il sistema di fondazione

In generale, le fondazioni di un edificio permettono il trasferimento dei carichi in elevazione al terreno circostante, su cui appunto si fonda l'opera. Il compito di una fondazione è duplice:

• Deve garantire una adeguata resistenza affinché ci possa essere una corretta trasmissione dei carichi al terreno circostante;
• Deve garantire una ridotta deformabilità, affinché il sistema – trasferendo i carichi al suolo – non sprofondi in maniera significativa all'interno del terreno, compromettendo quindi la funzionalità dell'edificio.

Come fanno le fondazioni del Burj Khalifa a garantire questi due requisiti prestazionali? Il progetto utilizza fondazioni indirette, oppure profonde, solitamente chiamate fondazioni su pali. Un palo di fondazione altro non è che un elemento di forma cilindrica allungata, immerso nel terreno. Praticamente, ci si riferisce sempre ad un gruppo di pali: nel caso del Burj Khalifa, ne troviamo ben 192! A differenza delle fondazioni dirette, o superficiali, un palo di fondazione permette di raggiungere strati profondi di terreno, dotati di caratteristiche meccaniche migliori degli strati superficiali e per questo più consoni a garantire un corretto trasferimento dei carichi.

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I problemi del sistema fognario del Burj Khalifa

La posizione dei pali in pianta dipende fortemente dalle sollecitazioni a cui gli stessi devono resistere: in questo specifico caso, le azioni del vento sulle consistenti altezze dell'edificio inducono significativi problemi di ribaltamento. Per tale ragione, una distribuzione ottimale dei pali prevede un allargamento della struttura di base rispetto allo sviluppo altimetrico dell'edificio. Per questa ragione, la parte bassa del grattacielo è più larga della parte alta. Lunghezza e diametro di ogni palo può cambiare da elemento a elemento: mediamente, la fondazione del Burj Khalifa è formata da pali di diametro 1,50 m e lunghezza tra i 30 m e 50 m circa.

Il problema di corrosione delle armature dei pali

Tecnologicamente, un palo di fondazione è realizzato tramite elementi in calcestruzzo armato. Esso è dotato quindi di armature di acciaio annegate nel getto di calcestruzzo. Purtroppo, l'acciaio di armatura è molto suscettibile all'ambiente che lo circonda, in quanto la protezione che il calcestruzzo fornisce nei confronti della corrosione può venire meno per effetto della carbonatazione. Le armature possono quindi corrodersi ed indebolirsi progressivamente se il calcestruzzo è carbonatato.

Questa condizione di indebolimento è una grave insidia tecnologica, aggravata inoltre in prossimità del mare per la presenza di importanti quantità di sali che, disciolti in acqua, sono fonte di presenza di importanti concentrazioni di ioni. L'acqua di mare filtra infatti all'interno del terreno, arrivando fino alle fondazioni del grattacielo. Venendo a mancare l'armatura, un palo di fondazione potrebbe non essere più in grado di trasmettere i carichi al terreno circostante. Questo potrebbe comportare, progressivamente, un indebolimento tale da innescare il collasso dell'intero edificio.

Il sistema di protezione catodica

Come ci si difende dalla corrosione? Uno dei sistemi che permette un'ottimale protezione nei confronti della corrosione è quello che viene chiamato sistema di protezione catodica. In cosa consiste? La protezione catodica sfrutta il principio di funzionamento di una pila, ma all'inverso. Mentre la pila permette la generazione di corrente dalle reazioni di ossidoriduzione che si producono al suo interno, la protezione catodica sfrutta il processo di elettrolisi: dall'esterno viene introdotta corrente elettrica in un circuito. Nel caso specifico, il circuito è formato da queste tre componenti principali, che rappresentano quella che in elettrochimica viene chiamata cella elettrolitica:

• I pali di fondazione sono il catodo della reazione, ovvero la zona metallica che acquista elettroni che viaggiano nella corrente elettrica imposta;
• Il terreno circostante rappresenta il filo del circuito immaginario che permette il passaggio di corrente sotto forma di ioni da una parte all'altra del sistema;
• Il metallo che si corrode è l'anodo della reazione, cioè la zona metallica che perde elettroni.

Nel sistema di protezione catodica, dunque, le armature dei pali di fondazione non perdono elettroni per effetto della reazione chimica che si genera a seguito dell'introduzione di corrente dall'esterno, dunque non si verifica corrosione. Questo è vero solo se il quantitativo di corrente che viene fornito al sistema è tale da comportare una ben precisa differenza di potenziale tra la zona catodica e quella anodica, permettendo quindi al metallo aggiunto di essere effettivamente l'anello debole della catena.

Nel caso specifico, si utilizza una griglia di titanio quale metallo da far corrodere a protezione delle armature. Dopo un certo lasso di tempo, che dipende dalla velocità della reazione chimica, il titanio "consumato" dalla progressiva corrosione deve essere sostituito con uno nuovo, in maniera tale che possa far proseguire il ciclo di protezione indotto dall'elettrolisi.

Esistono diversi riferimenti normativi che regolano la progettazione della protezione catodica. Infatti, sia la quantità di corrente che viene fatta scorrere nel circuito che la dimensione e la tipologia di metallo aggiuntivo devono essere opportunamente progettati, in maniera tale che la reazione possa avvenire con successo. Questo sistema di protezione è molto utilizzato per evitare la propagazione di corrosione nei serbatoi metallici o nelle tubazioni interrate. Tuttavia, le prime applicazioni di questa tecnica di protezione sono relative alle navi e segnano il passaggio dell'utilizzo di scafi in legno a quelli in metallo.