Copertura autoportante e doppia curvatura: NEST HiLo dell’ETH Zurich | Ingegneri.info

Copertura autoportante e doppia curvatura: NEST HiLo dell’ETH Zurich

Dopo la “Armadillo Vault” presentata alla scorsa Biennale di Architettura di Venezia, il Block Research Group dell’ETH di Zurigo torna a stupire con volte dallo spessore medio di soli 5 cm.

Nest HiLo - courtesy Michael Lyrenmann
Nest HiLo - courtesy Michael Lyrenmann
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“HiLo” è il prototipo, in scala 1:1, di una copertura autoportante a doppia curvatura in calcestruzzo TRC, ottenuta combinando le nuove possibilità offerte dalla modellazione parametrica/computazionale alla robotica, così come alle avanzate metodologie di fabbricazione. Il processo progettuale si sviluppò partendo da un modello parametrico integrato utilizzato per l’ottimizzazione evolutiva della forma, calibrata questa su più step, e la successiva analisi del comportamento non lineare. Questi venne a realizzarsi in Grasshopper, a cui si sommarono diversi altri plugin, quali Karamba (per l’analisi strutturale e l’ottimizzazione degli spessori), Kangaroo (per un successivo affinamento del form-finding) e Octopus (per l’ottimizzazione multi-obiettivo). Alta 7,5 m complessivi e con una superficie di 160 m2 (che copre un’area di 120 m2), tale superficie anticlastica è data da una parabola gaussiana a curvatura negativa, il cui calcestruzzo possedeva uno spessore medio di soli 5 cm. Esso, infatti, variava dai 3 cm nelle aree prossime alle selle fino ad a giungere ai 12 cm nelle superfici prossime agli appoggi.

Per approfondire, leggi anche l’articolo di Fabrizio Aimar: “Beyond Bending: come costruire ‘a sola compressione’ grazie alla catenaria”

Continuando il filone di ricerca portato a conoscenza del grande pubblico internazionale durante la scorsa 15a Mostra Internazionale di Architettura a Venezia tramite la “Armadillo Vault”, la “NEST HiLo” ambisce alla significativa razionalizzazione nella fornitura delle materie prime, della manodopera e dell’energia grigia. In tale ottica, il processo costruttivo predispose la quasi sostituzione integrale di potenziali casseforme in legno, funzionali al contenimento dei getti in cls, con sistemi di sospensione con cavetti in acciaio. Dapprima, 5 travi in legno lamellare a sezione rettangolare vennero sagomate con l’ausilio di macchine CNC a controllo numerico, la cui necessità di posa in opera lungo il perimetro, mediante carpenteria metallica (barre filettate, dadi, rondelle, bullonature a testa esagonale e piastre forate di connessione), risiedette nella necessità di confinare i getti delle altrettante zone convesse. Ognuna di esse è stata suddivisa lungo direzioni radiali e concentriche rispetto alle posizioni dei vari supporti.

Successivamente, la citata teoria di cavi, regolabili e a bloccaggio rapido, funse da supporto ad un tessuto polimerico, quest’ultimo nuova cassaforma per il getto del calcestruzzo fibro-rinforzato in opera. I nodi vennero progettati con l’obiettivo di garantire che il cavo avesse i necessari gradi di libertà alla costituzione della rete. Detto vantaggio realizzativo ha consentito anche all’area sottostante di essere relativamente sgombra da centine o puntelli, permettendo ad eventuali lavori in fieri di poter procedere. Tale scelta consentì di poter considerare il riutilizzo futuro degli stessi anche in opere tipologicamente differenti, grazie all’adattabilità del presente sistema a nuove topologie. Esso, infatti, offrirebbe un più preciso grado di controllo sulla forma, facilmente ottimizzabile al fine di migliorarne il comportamento strutturale rispetto alle geometrie tradizionali, come nelle strutture laminari in calcestruzzo generabili da un paraboloide iperbolico.

Nest HiLo - courtesy Naida Iljazovic

Nest HiLo – courtesy Naida Iljazovic

Precisamente, i cavi tensionati di tale rete furono progettati al fine di assumere la forma desiderata al di sotto del peso del calcestruzzo bagnato, grazie a un preciso metodo di calcolo algoritmico sviluppato dal gruppo di ricerca del Prof. Block e dallo svizzero Centro Nazionale Ricerche (NCCR) per la fabbricazione digitale. Infatti, in collaborazione con il Laboratorio a Controllo Automatico presso l’ETH, venne implementato un algoritmo con lo scopo di determinare la tensione necessaria da applicare a ciascun cavo, il quale permise, in un solo ciclo di controllo e di ri-tensionamento, di ridurre del 50% gli abbassamenti indesiderati con una media di 40 mm.

Tale sistema sospeso possedeva un peso proprio di 500 kg a cui si aggiunsero altri 300 kg del tessuto polimerico; dunque, un totale di soli 800 kg per sorreggere circa 20 tonnellate complessive di cls bagnato (24 kN/m3) e, come detto, rinforzato in fibre di carbonio. Quest’ultimo venne spruzzato in opera avvalendosi di apposite lance, grazie ad un metodo sviluppato ad hoc da Bürgin Creations e Marti in grado di assicurare la tenuta del tessuto al di sotto del suddetto carico. Fu delicato compito di Holcim Svizzera determinare il corretto mix-design del calcestruzzo, il quale doveva combinare esigenze di una sufficiente fluidità, al fine di essere spruzzato e vibrato, ma al contempo essere anche abbastanza viscoso da non scorrere sul tessuto in prossimità dei 5 appoggi.

Ecco il video relativo alle fasi costruttive:

Tale progetto, chiaramente dimostrativo, mira a testare il contributo dell’ingegnerizzazione nel settore delle costruzioni, abbinando ad una copertura voltata in calcestruzzo, di ridotto spessore, la possibilità di essere termicamente attiva e generatrice di energia al contempo. Infatti, tale sistema voltato a guscio diverrà la chiusura orizzontale della soluzione abitativa denominata “HiLo”, duplex di dimensioni 16×9 m la cui costruzione è in programma nel 2018 a Dübendorf, comune del Canton Zurigo in Svizzera, e prevista in otto-dieci settimane.

Nest HiLo - courtesy Block Research Group

Nest HiLo – courtesy Block Research Group

In intradosso della volta, verrà posato un sistema accoppiato di climatizzazione e isolamento, mentre in estradosso saranno installate celle fotovoltaiche a film sottile. A queste si aggiungerà una soletta in calcestruzzo prefabbricato, non rinforzato e termicamente attiva, la quale utilizzerà il 70% in meno di cls rispetto alle tecniche costruttive convenzionali. In ultimo, la facciata solare possiederà un sistema adattativo cinetico, in grado di utilizzare l’automazione e l’intelligenza artificiale robotica al fine di produrre la quantità di energia necessaria. Verrà inoltre ottimizzato l’ombreggiamento e i guadagni solari, così come modulata la privacy, puntando a zero emissioni in esercizio.
Dunque, nuovi approcci dell’ingegneria strutturale verso il form-finding degli elementi di calcestruzzo soggetti a sola compressione, il cui prototipo in questione, dalle superfici anticlastiche a forma di sella, è stato realizzato fisicamente nell’arco di 6 mesi ma per la cui gestazione sono stati necessari, complessivamente, 4 anni. L’intero articolo si è avvalso dell’uso di tempi verbali al passato in quanto l’opera è già stata distrutta, volendo essa rappresentare, infatti, una sorta di “beta test” che anticipa la sua realizzazione definitiva.

Crediti
Progetto architettonico e strutturale: Block Research Group – ETH Zurigo (Philippe Block, Tom Van Mele, Tomás Méndez Echenagucia, Andrew Liew, Ioannis Mirtsopoulos); supermanoeuvre (Dave Pigram, Iain Maxwell); Bollinger+Grohmann; Geodesia matematica e fisica del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Geomatica – ETH Zurigo; Laboratorio a controllo automatico del Dipartimento di tecnologia dell’informazione e di Ingegneria Elettronica – ETH Zurigo;
Realizzazione: Marti (appaltatore); Bürgin Creations (opere in calcestruzzo); Holcim Svizzera (miscela calcestruzzo); Doka (carpenterie);
Altri fornitori e posatori: Jakob (cavi); Bruno Lehmann (raccordi bilanciatori e sistemi di sospensione); Blumer Lehmann (legname); Dafotech (carpenteria metallica); Bieri (tessuti polimerici);
Sponsors: ETH Zurigo; NCCR Digital Fabrication; Holcim Svizzera;
Committente: EMPA (Laboratorio federale svizzero per la Scienza dei Materiali e la Tecnologia).

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