Progetta i vuoti nel calcestruzzo senza ridurne la resistenza

Pasquale Poggi

24/11/2024

Articolo aggiornato il 24/11/2024

Questa è la storia di una collaborazione multidisciplinare tra ricercatori, laboratori e produttori per ridurre l’impronta ambientale del calcestruzzo agendo sulla progettazione delle strutture.

Tutto è iniziato nel 2012 a Laboratorio di strutture poliedriche presso l’Università della Pennsylvaniadiretto dal dottor Massoud Akbarzadeh. Lui e il suo team si chiedevano come ridurre l’impatto del calcestruzzo sull’impronta ambientale degli edificisapendo che il cemento resta essenziale per molte opere. La loro risposta è in due parole: strutture poliedriche o poliedrichela cui progettazione tuttavia non è così semplice. Hanno infatti implementato un nuovo approccio, il grafica 3D staticaun metodo di analisi e progettazione strutturale che rappresenta l’equilibrio delle forze utilizzando strumenti geometrici e consente di analizzare e progettare strutture spaziali più complesse. Questo approccio porta all’ottimizzazione delle forme strutturali e fornisce ad architetti e ingegneri un potente strumento per la progettazione innovativa. Là grafica 3D statica risulta molto sensibile riduzione della quantità di calcestruzzo utilizzato in una strutturagrazie ai vuoti creati nei luoghi dove non c’è interazione di forze nella struttura.

Il progetto Diamanti

Come spiega il dottor Akbarzadeh: “La competenza del mio team consiste nell’ottimizzare le forme geometriche per trasferire i carichi nella struttura. Esistono applicazioni nei campi dell’architettura, della scienza dei materiali, dell’ingegneria meccanica e del calcolo strutturale. Sono riuscito a portarlo in tre dimensioni. Ciò ha aperto un nuovo orizzonte per la progettazione strutturale e le sue applicazioni in architettura“. Di conseguenza, il lavoro del dottor Massoud Akbarzadeh fu notato e fu invitato dagli organizzatori del Biennale del Centro Culturale Europeo di Veneziauno degli incontri più importanti al mondo in questo ambito, che si terrà dal 10 maggio al 23 novembre 2025.

Sì, ma cosa presentare? La cosa più eclatante sarebbe presentare alla scala 1 un lavoro progettato secondo questa metodologia. Questo sarà il Progetto Diamantiuna passerella progettata in dieci elementi in cemento stampati in 3D e assemblati mediante incollaggio e post-tensione.

Ecco le fasi principali del calcolo e della progettazione delle 10 celle Diamanti e del loro assemblaggio mediante post-tensione, effettuati dal team del Polyhedral Structures Laboratory dell’Università della Pennsylvania. © Laboratorio di strutture poliedriche, Università della Pennsylvania

L’analisi strutturale e la calibrazione dei materiali sono state eseguite dall’Advanced Building Construction Lab, City College di New York. ©City College di New York

Una volta presa la decisione di realizzare un’opera in scala 1, il dottor Akbarzadeh si è circondato di partner industriali e laboratori in grado di effettuare test in scala reale: SIKA, Carsey 3D, Ævia e il Cerib (Centro Studi e Ricerche di l’industria del calcestruzzo).

Tutti i partner si sono riuniti per dimostrare l’importanza dell’innovazione e della collaborazione per testare e valutare su scala 1 le capacità o le prestazioni, nonché gli ostacoli tecnici e ambientali nel campo della costruzione strutturale in cemento stampato in 3D. ©PP

Ecco Diamanti, la passerella progettata dal Polyhedral Structures Lab dell’Università della Pennsylvania e stampata in 3D da Carsey 3D a Coubert nel 77, utilizzando Sikacrete – 7100 3D, un microcemento fibrorinforzato utilizzato come inchiostro da stampa nel sistema sviluppato esclusivamente per i robot di stampa 3D Sika, con l’aiuto del produttore svizzero LCA. A Venezia, Diamanti sarà posizionato su una struttura in legno per mostrare chiaramente la sua leggerezza nonostante le dimensioni: 7,8 tonnellate, 9 m di lunghezza, 1,5 m di larghezza sopra, 1,8 m di larghezza sotto. © Laboratorio di strutture poliedriche, Università della Pennsylvania

Sika e la stampa 3D del calcestruzzo

Sika ha fornito il materiale SikaCrete (7100 3D, a Microcemento monocomponente fibrorinforzato per la stampa 3D) ma ha anche apportato competenze tecniche nella costruzione stampata in 3D, con modellazione, affettare degli oggetti e la valutazione della fattibilità del progetto. Per Sika, il La Francia è il paese più avanzato nella stampa 3D e il suo primo mercato per questa categoria di prodotti.

Carsey 3D, rappresentata dal suo amministratore delegato Alberto Arena, ha messo a disposizione per produrre Diamanti la sua stampante 3D, la prima per uso industriale in Francia. In Europa esistono solo tre gru a portale tipografiche di questo tipo. Carsey 3D dispone di un portale di stampa a Coubert in un recinto climatizzato dove la temperatura è mantenuta tra 18 e 23°C e l’umidità relativa rimane all’80%. Alla testina di stampa viene aggiunto un attivatore che permette alle parti di indurirsi in pochi secondi. ©PP

Come afferma il Dr. Akbarzadeh: “Se guardiamo la sezione trasversale dei segmenti di cemento, vediamo che è composta solo da due strati stampati in 3D, che sono calcestruzzo stampato che misura solo pochi centimetri di larghezza. Ma ancora una volta, ci affidiamo a superfici curve geometria nello spazio tridimensionale, creando superfici che aggiungono rigidità geometrica alla struttura. Questa struttura appare voluminosa dall’esterno, ma, in sezione, ne ha solo due. pannolini”. ©Carsey3D

Ævia, specializzata all’interno del gruppo Eiffage nella riparazione e manutenzione delle strutture, ha applicato la precompressione e ha offerto il suo supporto scientifico e tecnico per convalidare i vari calcoli del dottor Massoud Akbarzadeh. Cerib ha effettuato diverse prove reali sull’opera finita, in particolare verificando la capacità di resistenza della futura passerella.

I risultati del test CERIB

Una volta stampati i nove elementi di cinque diverse tipologie, prodotti presso Carsey 3D, sono stati introdotti gli otto cavi di post-tensione applicati: quattro nella parte superiore e quattro nella parte inferiore. Cavi TS15 (15,7 mm² di diametro, decisamente più resistente del usuali armature in calcestruzzo) infilati nelle cavità ricavate nei segmenti stampati sono stati rivestiti in modo che offrano lo stesso contatto su tutta la lunghezza e che la compensazione sia identica in tutti i punti dei cavi.

I quattro cavi superiori sono diritti, ma i quattro cavi inferiori hanno una forma parabolica. I condotti sono stati sigillati utilizzando SikaGrout-217, una malta sigillante e cuneo a ritiro compensato che presenta elevatissime resistenze meccaniche alla compressione e alla flessione. Ciascun blocco terminale è stato riempito con SikaGrout-238, per resistere meglio alla pressione dei cavi di post-tensione. I segmenti sono stati uniti poco a poco e leggermente pressati insieme, mentre l’adesivo strutturale Sikadur-30 ha fatto effetto. Ævia (una filiale di Eiffage) ha dovuto adattare la sua tecnica per assemblare sezioni di cemento stampate in 3D con cavi e i suoi ancoraggi di precompressione per dimostrare la fattibilità. ©Cerib

I nove conci sono stati sigillati insieme utilizzando colla epossidica su entrambe le estremità di ciascun concio e l’insieme è stato trasportato a Cerib. I cavi infilati nelle cavità ricavate nei segmenti stampati sono stati rivestiti in modo tale da offrire lo stesso contatto su tutta la loro lunghezza e che la compensazione sia identica in tutti i punti dei cavi. I quattro cavi superiori sono diritti, ma i quattro cavi inferiori hanno una forma parabolica. I condotti sono stati sigillati utilizzando SikaGrout-217, una malta sigillante e cuneo a ritiro compensato che presenta elevatissime resistenze meccaniche alla compressione e alla flessione. I progettisti hanno calcolato Diamanti per un carico di 500 kg/m²che corrisponde al carico richiesto dalla norma per le passerelle. Nel suo test, il Cerib ha applicato il doppio del carico. Alla fine il test è stato bloccato dalla capacità degli attuatori del Cerib. Ma il risultato del test va oltre la validazione dei calcoli: per lo Stato Limite di Servizio (ELS) è stato determinato un coefficiente di sicurezza superiore a 2 rispetto ai calcoli predittivi. ©Cerib

Riuniti a Cerib, i principali attori del progetto hanno assistito al test. In totale sono state necessarie due ore per realizzare l’esperimento, procedendo per fasi. Il carico è stato controllato in spostamento con una velocità imposta di 1,0 mm/s per il carico allo stato limite di servizio (ELS) e di 3 mm/s per il carico allo stato limite ultimo (ELU), allo scopo di controllare e osservare adeguatamente il deformazione della trave. La prova è iniziata con l’applicazione di cicli di carico corrispondenti allo stato limite di servizio (SLS), volti a verificare la rigidezza flessionale, lo stato fessurativo e la freccia della trave. Sensori posizionati al centro e ai lati della trave hanno permesso di monitorare le misurazioni delle deformazioni in tempo reale. Al termine dell’applicazione del carico corrispondente al 100% del SLS si è osservata una deformazione di circa 1,5 mm, a conferma che il materiale si è comportato elasticamente senza alcuna comparsa di fessurazioni. Quando si applica un carico corrispondente allo stato limite ultimo (SLU), una prima cosa apparve una crepa nel cementosenza provocare rotture o perdite di capacità resistente della trave, che era il risultato atteso dai calcoli.

E adesso?

IL quantità di calcestruzzorispetto ad a passerella in cemento armato delle stesse caratteristiche, è ridotto del 60% e la quantità di rinforzo è ridotta di:

– 81% rispetto ad un sistema con precompressione,

– e del 94% rispetto ad una soluzione senza precompressione.

Come indica Patrice Decroix, il Direttore dell’Innovazione Sika Francia“Questo approccio poliedrico consente un notevole risparmio di materiale, la posta in gioco è quindi alta. Avevamo già utilizzato questa tecnologia sulla plastica, ma mai sul cemento. Il progetto Diamanti serve come elemento di prova per il futuro e per poter immaginare di applicarlo a veri e propri ponti pedonali.“. È stato firmato un accordo di esclusività tra il dottor Akbarzadeh, il suo team e i partner del progetto per utilizzare questo approccio in Europa. Potremmo vedere almeno un vero gateway in Francia nel 2025.

Oltre a ciò, questa tecnologia può essere utilizzata per solai leggeri, creazione di travi, ecc.