Fabbricazione digitale in calcestruzzo

Il dr. Lukas Gebhard è un ingegnere civile con la passione per la ricerca e l’applicazione di tecnologie edilizie innovative e per la costruzione sostenibile. Quest’anno ha completato il suo dottorato presso l’ETH di Zurigo. Lavora come collaboratore scientifico presso la cattedra Strutture in calcestruzzo e ponti (Professur für Massiv- und Brückenbau) sotto la direzione del professor Walter Kaufmann. Nell’ambito del Polo di ricerca nazionale «fabbricazione digitale» si occupa di applicazioni portanti di elementi in calcestruzzo fabbricati digitalmente.

Cosa l’ha spinta dal punto di vista personale a scegliere un percorso nel mondo della costruzione di strutture massive e di ponti e cosa ha risvegliato la sua passione per questo campo di ricerca?

Il mio entusiasmo per l’ingegneria civile e l’ambiente costruito in generale proviene dalla mia famiglia. Sono cresciuto circondato da architetti e architetti paesaggisti, ma volevo combinare l’edilizia con la mia passione per la matematica e la fisica. Per questo ho deciso di studiare ingegneria civile. Durante gli studi ho capito subito che gli ingegneri civili hanno un’enorme responsabilità e che c’è ancora molto margine di miglioramento nel settore delle costruzioni, soprattutto in termini di sostenibilità. Durante il master sono entrato in contatto per la prima volta con la fabbricazione digitale e ne sono rimasto affascinato. Tuttavia, mi sono anche reso conto che affinché le applicazioni siano sensate e realistiche sono ancora necessarie ricerche approfondite. Inoltre, lo scambio con altre discipline mi ha sempre motivato. Nella fabbricazione digitale, è possibile ottenere soluzioni convincenti solo collaborando a stretto contatto con architetti e ricercatori nell’ambito dei materiali. Fare un dottorato in questo campo mi ha quindi permesso di combinare il mio entusiasmo per l’edilizia e la progettazione sostenibile dell’ambiente mantenendo un approccio interdisciplinare.

Potrebbe darci una definizione precisa di «fabbricazione digitale in calcestruzzo» e spiegarci in cosa si differenzia dai metodi di fabbricazione convenzionali?

La fabbricazione digitale in calcestruzzo (FDC) comprende un’ampia gamma di tecnologie in cui, a differenza di quanto si fa con i metodi convenzionali, una o più fasi dei processi costruttivi con il calcestruzzo convenzionali vengono automatizzate, allo scopo di produrre elementi in calcestruzzo senza cassaforma o con una casseratura minima. La più conosciuta fra queste tecnologie è probabilmente la stampa 3D in calcestruzzo, in cui il calcestruzzo viene estruso strato per strato per creare elementi in calcestruzzo con un processo additivo. Oltre alla stampa 3D in calcestruzzo, all’ETH stiamo studiando molte altre tecnologie, come le casseforme in plastica sottilissime e stampate per realizzare geometrie complesse o le casseforme tessili a maglia.

Per quale motivo negli ultimi anni la FDC è diventata di tendenza nel settore delle costruzioni?

A mio avviso, l’entusiasmo per queste nuove tecnologie, e per la stampa 3D in calcestruzzo in particolare, deriva dalla promessa di risolvere contemporaneamente diverse sfide nel settore delle costruzioni. Grazie al maggior livello di automazione e all’uso preciso dei materiali, queste tecnologie promettono di rendere l’edilizia più sostenibile e più economica, aumentando al contempo la sicurezza sul lavoro. Tuttavia, questo trend è ancora agli inizi e ad oggi è spesso più una promessa che una realtà. Sono quindi necessarie ulteriori attività di ricerca e sviluppo per trasformare questa promessa in realtà.

Che ruolo hanno avuto alcune pietre miliari, come la Urschel Wall Building Machine o il lavoro del professore Khoshnevis, nello sviluppo della FDC?

La storia della Urschel Wall Building Machine risale agli anni ’40 ed è stata sviluppata per costruire silos cilindrici con un processo simile all’odierna stampa 3D. Un capolavoro della tecnologia per l’epoca. Purtroppo, questa tecnologia non è stata ulteriormente sviluppata e il vero e proprio inizio del trend odierno è avvenuto solo circa 60 anni dopo grazie al professor Khoshnevis, che con la sua tecnologia «Contour Crafting» ha dato il via agli sviluppi odierni della stampa 3D in calcestruzzo.

Potrebbe citare alcune applicazioni degne di nota delle tecnologie FDC?

Il fiore all’occhiello della fabbricazione digitale all’ETH di Zurigo è la DFAB House (che è stata premiata nel 2021 nell’ambito del premio di architettura BETON), ovvero un’unità residenziale nel NEST dell’EMPA. La particolarità di questo progetto è che diversi processi di fabbricazione digitale sono stati implementati insieme. In questa unità, solo al piano inferiore sono state utilizzate tre diverse tecnologie FDC. Per i pilastri della facciata è stato utilizzato lo Smart Dynamic Casting, una tecnologia che consente di produrre pilastri di forma complessa con una cassaforma molto corta e adattabile. Per la parete a doppia curvatura è stata utilizzata la tecnologia Mesh Mould, in cui una rete di rinforzo a maglie strette prodotta da robot funge da cassaforma e armatura allo stesso tempo. Elementi innovativi di cassaforma stampati in 3D e un calcestruzzo proiettato rinforzato con fibra di vetro sono stati utilizzati per lo Smart Slab, il solaio di piano ottimizzato dal punto di vista dei materiali. Oggi questa unità è attivamente abitata e viene utilizzata anche per testare il suo comportamento a lungo termine.

L’applicazione più conosciuta a livello mondiale è probabilmente la stampa delle pareti di intere case. Per farlo viene installata una stampante più grande dell’intero edificio oppure viene utilizzato un robot mobile. Le pareti vengono poi stampate in calcestruzzo. Tuttavia, siamo piuttosto critici per quanto riguarda questo ambito di applicazione, poiché le pareti in muratura vengono sostituite con calcestruzzo non armato, il che non ha necessariamente senso dal punto di vista della sostenibilità, in quanto le esigenze statiche sono piuttosto basse e le buone proprietà del calcestruzzo non vengono sfruttate appieno.

Quali diversi elementi costruttivi e strutture possono essere prodotti con la FDC?

L’ambito di applicazione della FDC è molto vasto e si può produrre un’ampia gamma di elementi costruttivi e di strutture. Naturalmente, la scelta della tecnologia e della sua implementazione è fondamentale. Nella stampa 3D in calcestruzzo, ad esempio, è possibile produrre gli elementi in prefabbricazione o, come già detto, installare in cantiere un robot più grande dell’opera. Le applicazioni vanno da semplici vasi di fiori a intere case. Il campo di applicazione è quindi vastissimo. Tuttavia, la domanda da porsi all’inizio è sempre la seguente: la FDC è la scelta giusta per questo elemento costruttivo o questa struttura?

Una sfida fondamentale è passare dalla ricerca scientifica alla pratica. Come ricercatori, di solito ci concentriamo su una parte specifica di un problema e possiamo escludere singoli aspetti, se necessario. Ad esempio, alcuni dei nostri progetti di ricerca si concentrano sull’uso efficiente dei materiali dal punto di vista della statica. L’impatto che la riduzione di materiale ha sull’isolamento acustico o sulla protezione antincendio viene presa in considerazione solo marginalmente. Nella pratica ciò non è possibile, poiché tutte le prescrizioni devono essere chiaramente rispettate. Per far progredire la FDC in modo sensato, stiamo quindi lavorando per avere un approccio globale, allo scopo di avvicinare ancora di più le nostre tecnologie e idee alla realtà. Oltre alle sfide della ricerca, l’industria delle costruzioni è conservatrice e raramente disposta a correre rischi. È quindi importante sviluppare la ricerca in stretta collaborazione con l’industria e creare fiducia nelle nuove tecnologie. I progetti pilota, come il già citato NEST, offrono le condizioni ideali per farlo.

Potrebbe illustrare le sfide nell’ambito delle riflessioni sui materiali e sulla struttura portante? Quali sono i progressi e le ricerche in corso in questi ambiti?

Nella FDC utilizziamo materiali ben conosciuti, come il calcestruzzo, in modo innovativo. A livello di materiale vi è dunque un cambiamento ma al contempo anche continuità. Ove possibile, attingiamo alle conoscenze esistenti, ma dobbiamo anche esplorare molte cose nuove. Un punto fondamentale, ad esempio, è l’impatto della stratificazione nel calcestruzzo sul comportamento portante. A seconda del sistema di stampa, della scelta del materiale, della velocità di stampa o delle influenze ambientali, il comportamento dell’elemento stampato può essere molto diverso. Sono quindi molti i fattori che dobbiamo comprendere e tenere in considerazione.

A livello di struttura portante, dobbiamo comprendere il comportamento dei materiali e considerare come utilizzare gli elementi in modo sensato e sicuro. In particolare, l’integrazione dell’armatura e il collegamento tra gli elementi sono questioni fondamentali che affrontiamo.

Perché l’applicazione della FDC alle strutture portanti è una delle maggiori sfide e in che modo la ricerca sta tentando di risolvere questo problema?

Una delle maggiori sfide nella realizzazione di strutture portanti con la FDC è l’integrazione del rinforzo. Il calcestruzzo è noto per essere dotato di elevata resistenza alla compressione, ma anche per essere fragile e poco resistente alla trazione. Per questo motivo, per le applicazioni portanti combiniamo sempre il calcestruzzo con l’armatura. Tuttavia, l’integrazione delle armature non è così semplice per la FDC. Quando, ad esempio, un robot produce un elemento con il metodo additivo, una gabbia di rinforzo convenzionale sarebbe d’intralcio. Nella nostra ricerca stiamo quindi sperimentando diversi approcci all’integrazione del rinforzo e stiamo anche studiando materiali alternativi come fibre o tessuti. Per comprendere successivamente il comportamento della struttura portante, produciamo dei corpi appositi sui quali eseguiamo prove di carico. Possiamo quindi utilizzare i risultati di questi esperimenti per studiare il comportamento dell’elemento e sviluppare modelli per prevederne il comportamento. Oltre all’integrazione del rinforzo, ci sono molte altre sfide per le applicazioni portanti, come la combinazione tra gli elementi, il comportamento a lungo termine e molte altre ancora.

In che ambito vede il futuro della FDC? Quale impatto potenziale potrebbe avere questa tecnologia sull’industria delle costruzioni?

La FDC è ancora agli inizi ed è difficile prevedere quale sarà il futuro. I progetti in cui viene utilizzata la FDC sono sempre più numerosi e la tendenza è in crescita. Attualmente, tuttavia, questi sviluppi riguardano soprattutto applicazioni non portanti o edifici di uno o due piani. A lungo termine, tenderanno ad aumentare, ma dubito che la FDC sostituirà completamente i metodi di costruzione convenzionali. Vedo la FDC piuttosto come un nuovo settore dell’industria delle costruzioni che mette in discussione le pratiche attuali e sarà la soluzione più efficiente e/o sostenibile per varie applicazioni.

Ci sono delle applicazioni o dei progetti specifici che attendete con particolare impazienza?

Sulla base delle mie ricerche, sono ovviamente particolarmente interessato all’uso di queste tecnologie per elementi portanti impegnativi e curioso di vedere come questo campo si evolverà. Attualmente stiamo lavorando a pieno ritmo alla realizzazione di una torre alta 30 metri a Mulegns, che ci mette di fronte a una serie di sfide. Sono impaziente di vedere il risultato e l’impatto che questa torre avrà sulla regione.

In che misura la FDC può contribuire a ridurre l’impatto ambientale negativo dell’industria delle costruzioni?

Il principale argomento per un futuro più sostenibile dell’industria delle costruzioni grazie alla FDC risiede nell’uso mirato dei materiali e nella capacità di produrre in modo efficiente strutture portanti ottimizzate. Le strutture portanti ottimizzate hanno in genere un grado di complessità maggiore. Tuttavia, per il robot non fa differenza se deve produrre qualcosa di geometricamente semplice o complesso. Di conseguenza, è possibile realizzare elementi efficienti senza scarti di cassaforma o con scarti minimi. Ciò consente agli ingegneri di progettare strutture portanti più efficienti e di realizzarle con un consumo ridotto di materiale.

A questo punto, però, va detto che i materiali attualmente utilizzati nella produzione digitale in calcestruzzo, e soprattutto nella stampa 3D in calcestruzzo, hanno un’impronta di CO2 peggiore rispetto al calcestruzzo tradizionale. Ecco perché è sempre necessario avere un approccio globale quando si valuta la sostenibilità. Il fatto che qualcosa sia stato prodotto digitalmente non significa automaticamente che sia anche una soluzione sostenibile.

In che modo la ricerca tiene conto degli aspetti socio-economici e della sostenibilità della FDC?

Quando parliamo di sostenibilità, spesso mettiamo il focus sulla sostenibilità ambientale. Tuttavia, è necessario prendere in considerazione anche gli altri pilastri della sostenibilità, come l’economia e la socialità. Il tema della sostenibilità ha un ruolo centrale nella nostra ricerca e cerchiamo sempre di misurare i nostri progetti rispetto allo status quo e di migliorarlo. È difficile considerare tutte le complesse relazioni tra i vari pilastri della sostenibilità nella ricerca. Per questo motivo, all’interno del polo di ricerca abbiamo i nostri progetti che studiano principalmente gli effetti socio-economici di queste nuove tecnologie e collaboriamo in questo con altri ricercatori. Una delle domande fondamentali è, ad esempio, come le nostre nuove tecnologie possano influenzare il lavoro del futuro e come le future generazioni debbano essere formate per contribuire a plasmare questo futuro in modo positivo.

In qualità di assistente di ricerca presso il Polo di ricerca nazionale «fabbricazione digitale», lei lavora all’interfaccia tra edilizia e tecnologia. Secondo lei, quali sono le nuove tecniche o le tecnologie di fabbricazione digitale con il maggior potenziale per plasmare il futuro dell’industria delle costruzioni e qual è il suo contributo relativo a questo?

A mio avviso, non ci sarà una sola tecnologia in grado di offrire una soluzione per ogni applicazione. Attualmente, la stampa 3D in calcestruzzo è il processo più utilizzato e che sta ricevendo la maggiore attenzione sia nella ricerca che da parte dell’industria.

Penso che l’aspetto fondamentale per una progettazione sostenibile dell’ambiente costruito sia il ritorno alle virtù di base del genio civile e lo sviluppo di soluzioni valide ed efficienti in stretta collaborazione con altri professionisti dell’edilizia. La tecnologia scelta per implementare queste soluzioni deve essere valutata caso per caso.

Se potesse esprimere un desiderio per l’industria delle costruzioni o del calcestruzzo, quale sarebbe?

L’industria delle costruzioni e quella del calcestruzzo in particolare devono affrontare delle sfide enormi. Ma tali sfide sono sempre accompagnate da grandi opportunità. Il mio auspicio è che il settore colga queste opportunità mettendo coraggiosamente in discussione ciò che è già stato sperimentato e aprendosi a soluzioni innovative e sostenibili. Per raggiungere questo obiettivo, è necessaria una stretta collaborazione tra tutti gli attori, ma anche uno stretto scambio tra ricerca e pratica. Per quanto riguarda in particolare l’industria del calcestruzzo, vorrei vedere una chiara riduzione del tenore di CO2 del calcestruzzo e, soprattutto, una comunicazione più proattiva, aperta e trasparente.