Umwelt und Geomatik: una costruzione moderna con tecniche dimenticate da tempo
I ricercatori del Dipartimento di architettura dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato elementi per pavimenti in calcestruzzo che non richiedono armature in acciaio e sono più leggeri del 70% rispetto ai pavimenti in calcestruzzo tradizionali. La costruzione si è ispirata ai principi dell'edilizia storica.
Nelle città lo spazio è ridotto al minimo. Per questo gli architetti sono alla ricerca di modi per costruire in modo compatto, il più economico ed ecologico possibile. Un approccio è la costruzione leggera: Più sottili sono i soffitti di un edificio a più piani, ad esempio, più spazio c'è per i piani aggiuntivi. Dovendo sponsorizzare un peso minore, è possibile risparmiare sui materiali da costruzione per le fondazioni e i muri, con conseguente riduzione dei costi.
Tuttavia, è difficile ridurre il peso con gli attuali metodi di costruzione standard in calcestruzzo: Per essere portanti, i solai dei piani devono avere uno spessore medio di 25 centimetri ed essere inoltre rinforzati all'interno con barre o griglie di acciaio, le cosiddette armature. Questo li rende molto pesanti.
Portanti senza acciaio
I ricercatori dell'Istituto di Tecnologia dell'Architettura dell'ETH di Zurigo presentano ora un nuovo approccio. Hanno progettato elementi di pavimento in calcestruzzo con una soletta sponsor spessa solo due centimetri, ma comunque molto stabile. "Questo ci permette di risparmiare il 70% del peso rispetto ai pavimenti in calcestruzzo convenzionali", spiega Philippe Block, professore straordinario di architettura e strutture e vicedirettore del Politecnico di Zurigo. pagina esternaCentro Nazionale di Competenza per la Ricerca sulla Fabbricazione Digitale. In questo modo si protegge anche l'ambiente, poiché è necessario meno cemento, la cui produzione emette grandi quantità di CO2 sorgere.
La riduzione del peso è possibile perché i pannelli non sono piatti, ma curvi, come i soffitti a volta delle cattedrali gotiche. La loro forma permette di resistere a carichi molto elevati e non richiede l'uso di acciaio di rinforzo.
Umwelt und Geomatik come gli antichi maestri
"Abbiamo basato il nostro progetto su principi e tecniche di costruzione storici che sono stati dimenticati", dice Block. Tra le altre cose, i ricercatori hanno analizzato gli edifici in stile catalano a volta. L'architetto spagnolo Rafael Guastavino portò questo metodo di costruzione tradizionale dalla Spagna agli Stati Uniti alla fine del XIX secolo. Egli rinforzò la sommità delle sue volte in mattoni con strette nervature verticali. Da un lato, queste servono a creare una superficie piana per il pavimento. Dall'altro, aumentano la stabilità in presenza di carichi asimmetrici, cioè quando il peso delle persone o degli oggetti non è distribuito uniformemente nella stanza.
I ricercatori del Fare all'ETH hanno utilizzato il principio delle nervature di rinforzo per i loro elementi in calcestruzzo. Utilizzando un programma informatico appositamente sviluppato, hanno calcolato come devono essere disposte le nervature per distribuire in modo ottimale le forze di compressione che si verificano sotto carico. Il risultato è un disegno a filigrana di linee sottili che convergono agli angoli. L'elemento stesso è fissato in un telaio d'acciaio che assorbe le forze di compressione: ha quindi la stessa funzione dei contrafforti su cui si reggono le volte delle cattedrali. "La costruzione è estremamente stabile", afferma Block. I test di carico hanno dimostrato che può sopportare un carico asimmetrico di 4,2 tonnellate. Si tratta di un carico due volte e mezzo superiore a quello richiesto dalle norme edilizie vigenti in Svizzera.
Prova pratica al NEST
I ricercatori testeranno per la prima volta nella pratica i nuovi pannelli per pavimenti nell'edificio di ricerca NEST di Dübendorf (vedi box informativo). A partire da quest'estate, sul tetto dell'edificio verrà costruito un attico per gli ospiti a due piani. A questo scopo verranno utilizzati elementi di pavimento di cinque metri per cinque, prefabbricati in moduli e poi installati in loco. Offrono un ulteriore vantaggio: i tubi per la ventilazione, il raffreddamento e il riscaldamento possono essere facilmente posati nelle cavità tra le nervature di cemento, risparmiando spazio aggiuntivo.
Tuttavia, la produzione degli elementi è stata finora costosa perché richiedeva stampi su entrambi i lati che dovevano combaciare esattamente. Block e il suo team hanno quindi fatto un ulteriore passo avanti: Per ridurre i costi di produzione, hanno prodotto i primi elementi con la stampa 3D, ma non con il calcestruzzo, bensì con la sabbia e un legante. Questi elementi sono in grado di sopportare carichi di 1,4 tonnellate e quindi soddisfano anche gli standard edilizi svizzeri. "I nostri principi costruttivi consentono di utilizzare anche materiali che in precedenza non erano adatti alla costruzione", spiega Block. "Basta modellarli nella forma giusta per creare una struttura molto stabile".
Un nuovo metodo di costruzione per i pavimenti
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Il nuovo metodo di costruzione dei pavimenti è stato esposto alla Biennale di Venezia. (Immagine: Block Research Group) -
La struttura del pavimento è modellata sul soffitto della cappella del King's College di Cambrige. (Immagine: FA2010, via Wikimedia Commons)
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I singoli pannelli del pavimento sono uniti tra loro senza malta. (Immagine: Gruppo di ricerca Block) -
Le prove di carico hanno dimostrato che il pavimento soddisfa facilmente gli standard edilizi svizzeri. (Immagine: Block Research Group)
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Il pavimento è stato testato per la prima volta in condizioni reali nell'edificio sperimentale NEST. (Visualizzazione: supermanovra e Doug & Wolf)
Test al NEST
Il nuovo tipo di pavimento sarà sottoposto al primo test di resistenza durante la costruzione dell'Umwelt und Geomatik".Unità HiLo" del NEST, un edificio modulare per la ricerca e l'innovazione dove è possibile testare nuove tecnologie, materiali e sistemi in condizioni reali. L'Empa e l'Eawag sono responsabili del NEST. L'ETH di Zurigo è responsabile dello sviluppo della "Unit HiLo" con l'architettura Gruppo di ricerca BLOCK (BRG) dell'Istituto per la tecnologia dell'architettura e della Cattedra di architettura e tecnologie edilizie sostenibili (SuAT) del Prof. Arno Schlüter. In HiLo, ricercatori e architetti combinano la costruzione leggera dei piani e del tetto con una tecnologia costruttiva adattabile, utilizzando l'esempio di una facciata solare. HiLo è stato progettato come un edificio a più energie e si propone di produrre il 50% di elettricità in più rispetto al consumo. L'ETH di Zurigo è coinvolto anche in un'altra unità NEST: Il pagina esternaPolo di ricerca nazionale (PRN) Fabbricazione digitale La costruzione di una guest house a più piani sul tetto del NEST inizierà presto. Diverse cattedre dell'ETH sono coinvolte e testeranno insieme per la prima volta diverse tecnologie di costruzione digitale in un'applicazione reale. La messa in funzione di entrambe le unità è prevista per il 2018.
Riferimento alla letteratura
Liew A, López López D, Van Mele T, Block P. Progettazione, realizzazione e test di un prototipo di solaio a volta sottile in calcestruzzo non armato. Engineering Structures, 137 (2017) 323-335. DOI: pagina esterna10.1016/j.engstruct.2017.01.075