Tetto in calcestruzzo ultrasottile e ultraleggero

Gli ingegneri del Politecnico federale di Zurigo hanno sviluppato un nuovo tipo di tetto che potrebbe rivoluzionare il settore edile: il tetto in calcestruzzo ultrasottile e ultraleggero richiede meno energia, materiale e tempo rispetto alla costruzione tradizionale. Debrunner Acifer Bewehrungen AG collabora strettamente con università e centri di ricerca e ha messo a disposizione circa 3 t di PREZINC 500®, acciaio per cemento armato zincato B500, per questo progetto orientato al futuro.

Il tetto rivoluzionario fa parte della nuova unità di ricerca e innovazione «HiLo», inaugurata il 6 ottobre 2021. L’unità fa parte dell’edificio di ricerca NEST dell’Empa e dell’Eawag a Dübendorf. HiLo è un edificio a due piani situato sulla piattaforma superiore del NEST e costruito interamente con una struttura leggera. Oltre alla costruzione leggera, vengono studiati sistemi edilizi intelligenti adattabili, come ad esempio una facciata solare. Sia la climatizzazione, che l’approvvigionamento energetico devono imparare in modo autonomo e adattarsi alle mutevoli esigenze di comfort e alle condizioni energetiche. Il nuovo centro, dovrà produrre complessivamente più energia di quanta ne consumino gli inquilini. HiLo significa «high performance – low emissions» (alte prestazioni – basse emissioni).

Casseforme flessibili

Con il «tetto del futuro», il Block Research Group del Politecnico federale di Zurigo, sotto la direzione del Prof. Philippe Block e del Dr. Tom Van Mele, intende testare una nuova forma di costruzione. Il tetto HiLo deve soddisfare requisiti quali la statica e l’isolamento termico grazie alla sua struttura multistrato. Inoltre, deve ampliare visivamente lo spazio al suo interno. Tom Van Mele: «Volevamo costruire un tetto stabile e pratico nonostante la complessità della struttura, utilizzando una cassaforma che impiegasse meno materiale rispetto a una cassaforma tradizionale».

Rete di cavi d’acciaio come struttura portante

La geometria gioca un ruolo fondamentale per la stabilità di un edificio quando si vuole evitare l’uso di grandi quantità di materiale. Per calcolare la cassaforma del tetto, i ricercatori dell’ETH hanno quindi sviluppato un algoritmo appositamente per un sistema a rete di cavi regolabile. La rete di cavi d’acciaio funge da struttura portante per il tetto in calcestruzzo ultrasottile e ultraleggero, che ricorda il tetto di una chiesa. La rete di cavi d’acciaio è tesa fra travi perimetrali, fissate a dei pilastri. È leggera, facile da trasportare e può essere riutilizzata al termine dei lavori di costruzione. Sulla rete è posato un telo a base polimerica, sul quale viene applicato a spruzzo il calcestruzzo. Questo processo consente da un lato di risparmiare tempo, poiché grazie a questa tecnica di costruzione è possibile eseguire i lavori all’interno dell’edificio, mentre il tetto viene ancora cementato. Dall’altro lato, grazie alla tecnica della rete di cavi, non sono necessari i pannelli in legno, normalmente utilizzati per casserare nelle costruzioni in calcestruzzo e il consumo di materiale è notevolmente ridotto.

Il prototipo in scala 1:1 fornisce informazioni utili

«Vogliamo dimostrare che le casseforme in calcestruzzo non sono efficienti solo nel loro impiego, ma possono esserlo anche nella loro progettazione e costruzione», afferma Tom Van Mele. Solo un prototipo in scala 1:1 del tetto sviluppato al computer avrebbe potuto rivelarne i punti di forza e di debolezza. Per la realizzazione strutturale del prototipo è stato chiesto il supporto di Theo Bürgin della Bürgin Creations. Così, tra il 2012 e il 2016, nei laboratori dell’ETH e nella sede della Bürgin Creations sono stati realizzati diversi piccoli prototipi, poi è iniziata la progettazione del prototipo in scala 1:1, che è stato completato nel 2017 e presentava un’altezza di 7,5 m, una superficie di 162 m2 e una copertura di 120 m2.

Una struttura portante del tetto spessa solo 19 cm

Nella primavera del 2019 sono iniziati i lavori in cantiere con la struttura del tetto composta da cinque barre verticali per i punti di appoggio del tetto. Sono seguite le travi perimetrali come costruzione speciale. Da agosto a novembre 2019, il Block Research Group ha teso la rete di cavi d’acciaio e vi ha posato sopra il telo a base polimerica. Tra maggio e agosto 2020, il team di Theo Bürgin ha spruzzato il calcestruzzo leggero. La struttura del tetto è costituita da un guscio interno spesso 5 cm e uno esterno spesso 3 cm. I due gusci sono collegati tra loro da nervature in calcestruzzo larghe solo 3,5 cm e agiscono quindi insieme. Gli spazi vuoti tra le nervature sono riempiti da blocchi isolanti, che fungono da una parte come isolamento termico e dall’altra come cassaforma a perdere per le nervature. Lo spessore totale della struttura portante del tetto è di 19 cm. L’intera struttura del tetto pesa meno di 20 t, il che la rende leggera e delicata rispetto alle costruzioni convenzionali.

Tetto autoportante e calcestruzzo leggero fibrorinforzato

«Oltre alle pressioni in termini di tempo, scadenze e budget, il passaggio dalla facciata in vetro HiLo al tetto ha rappresentato una sfida per noi», riferisce Tom Van Mele. «Il tetto è autoportante, ovvero non poggia sulla facciata in vetro, che altrimenti si romperebbe». Come soluzione di transizione, il team dell’ETH ha quindi montato un profilo in acciaio sui bordi del tetto che abbraccia la facciata in vetro senza però entrare in contatto con il vetro. Il costruttore Theo Bürgin: «È stato necessario risolvere molte altre difficoltà. Ad esempio, abbiamo dovuto applicare il calcestruzzo spruzzato nel punto in cui si trova l’unità HiLo, all’ultimo piano dell’edificio di ricerca NEST». Il calcestruzzo leggero fibrorinforzato sviluppato da Theo Bürgin si asciuga rapidamente, motivo per cui può essere miscelato solo in piccole quantità. È stato necessario costruire una macchina speciale per pompare il calcestruzzo dal pavimento alla piattaforma più alta del NEST, con la semplice pressione di un pulsante e garantire un flusso costante. A causa della struttura leggera del tetto, la spruzzatura del calcestruzzo ha dovuto essere eseguita in parte da una piattaforma di lavoro elevabile. La piattaforma ha reso impossibile l’uso delle barre d’acciaio d’armatura lunghe normalmente da 8 a 10 m, motivo per cui il team di progetto ha dovuto ricorrere a barre lunghe da 5 a 6 m.

Debrunner Acifer Bewehrungen sponsorizza armature speciali

Per questo progetto innovativo, Debrunner Acifer Bewehrungen AG, che collaborato strettamente con università e centri di ricerca, ha sponsorizzato circa 3 tonnellate di acciaio per armature. Si tratta di un prodotto speciale: PREZINC 500® è l’unico acciaio per cemento armato zincato B500 disponibile sul mercato svizzero. È disponibile da un diametro di 6 mm e consente quindi di armare strutture snelle, con raggi di curvatura ridotti e copriferro minimi. A causa del rivestimento interno ed esterno sottile della struttura portante del tetto, un rivestimento in calcestruzzo conforme alle norme non avrebbe funzionato nel caso di HiLo. Grazie alla zincatura, anche in fase di costruzione, PREZINC 500® non presenta alcun rischio di corrosione, che potrebbe causare difetti estetici, soprattutto nel calcestruzzo a vista.

L’acciaio per cemento armato viene piegato direttamente in cantiere

«Le forze di trazione che devono essere assorbite dall’armatura sono ridotte», spiega Theo Bürgin. «A causa della forma irregolare del tetto, abbiamo rinunciato a piegare le barre dell’acciaio di armatura in fabbrica. Per poter piegare facilmente le barre dritte in cantiere e adattarle alla forma curva del tetto, il diametro delle barre di acciaio doveva essere il più piccolo possibile». Normalmente, secondo la norma SIA, la tolleranza per una barra in acciaio è di 1 cm. Nel caso del tetto HiLo, tuttavia, l’armatura doveva essere posata con una tolleranza millimetrica. L’acciaio per cemento armato zincato PREZINC 500® B500 con un diametro di 6 mm era la soluzione ottimale per questo progetto di costruzione.

Conoscenze innovative per l’industria dell’edilizia

Il tetto HiLo è interessante per l’industria delle costruzioni come prototipo, poiché dimostra sia la praticità che l’efficienza del sistema di casseforme flessibili. Il consumo di materiale è notevolmente ridotto rispetto ai metodi precedenti per la realizzazione di casseforme in calcestruzzo a doppia curvatura, così come gli scarti, poiché non è più necessaria la cassaforma rigida sostenuta dal basso. I tempi di costruzione del tetto in loco si riducono notevolmente, poiché questo tipo di cassaforma richiede meno lavoro rispetto alla costruzione convenzionale del tetto: la rete di cavi è sostenuta dal bordo delle travi, quindi non sono necessari supporti interni e fondazioni. L’accesso sotto la cassaforma e quindi uno spazio di manovra sufficiente sono garantiti in ogni momento, il che rende il sistema interessante per la costruzione di ponti, poiché il traffico non viene disturbato durante i lavori.

Trovare l’equilibrio tra progettazione e realizzazione pratica

«I risultati della nostra ricerca presso HiLo possono essere sperimentati dal vivo, in un edificio reale, conforme alle norme edilizie e realizzato in collaborazione con l’industria», spiega Tom Van Mele. Il tetto funziona nella pratica ed è un elemento che attira l’attenzione sull’edificio NEST. «Dal prototipo al tetto finito, abbiamo compiuto grandi progressi nel campo della costruzione e acquisito conoscenze “pratiche”, ad esempio nella collaborazione con l’industria: dobbiamo trovare un equilibrio tra una costruzione efficiente e la praticità in cantiere di realizzarla».

Estratto della fornitura Debrunner Acifer

• 3 t PREZINC 500® acciaio per cemento armato zincato B500

Acciaio per cemento armato zincato da 6 mm

Michael Knauß, responsabile di progetto nella fase esecutiva, ROK Architekten

Perché avete scelto l’acciaio per cemento armato zincato per HiLo?

Il tetto è costituito da due gusci in calcestruzzo collegati tra loro tramite nervature in calcestruzzo. I singoli gusci sono molto sottili, con uno spessore di 5 cm e 3 cm. A causa del ridotto rivestimento in calcestruzzo che ne deriva e del comportamento portante dell’armatura in acciaio, l’ingegnere responsabile Dr. Marco Bahr ha scelto l’acciaio per cemento armato zincato per l’interno e l’acciaio cromato per l’esterno.

E perché alla fine è stato scelto l’acciaio per cemento armato zincato PREZINC 500® B500? Quali sono i suoi vantaggi?

Come già accennato, gli strati di calcestruzzo sono molto sottili, pertanto l’armatura non può essere inserita nel calcestruzzo alla profondità usuale per proteggerla dalla corrosione. La zincatura garantisce una migliore protezione dalla corrosione. L’armatura scelta ha uno spessore di soli 6 mm e, se necessario, può essere piegata a mano, consentendo di realizzare anche forme 3D complesse con un dispendio ragionevole. L’acciaio per armatura zincato PREZINC 500® B500 ha quindi soddisfatto tutti i requisiti strutturali del nostro progetto. Per la progettazione del layout dell’armatura nella copertura a doppia curvatura, abbiamo sviluppato un algoritmo che garantisce la disposizione precisa delle barre nei singoli strati secondo le specifiche dell’ingegnere. L’armatura è stata progettata interamente in 3D, come tutti i componenti della struttura del tetto e dell’edificio. Dal modello 3D è stato quindi possibile ricavare i piani di montaggio per il cantiere.

Quanto siete soddisfatti del prodotto?

Le barre di acciaio sono state facilmente inserite nella forma a doppia curvatura della copertura del tetto secondo le specifiche del progetto. Non è stato quindi necessario precedentemente piegare e classificare le barre in fabbrica , con un notevole risparmio di tempo e lavoro. Grazie al loro peso ridotto, l’armatura è stata facilmente montata dalla piattaforma di lavoro elevabile in altezza. Nel complesso siamo molto soddisfatti del prodotto.

Perché avete collaborato con Debrunner Acifer Bewehrungen?

Debrunner Acifer Bewehrungen è una delle poche aziende in grado di fornire PREZINC 500®, acciaio per armatura zincato B500.

Cosa apprezza della collaborazione?

Era la prima volta che collaboravo con Debrunner Acifer Bewehrungen. Abbiamo ricevuto un’ottima consulenza e la consegna dell’acciaio per cemento armato è avvenuta rapidamente, con soddisfazione di tutte le parti coinvolte. Sono pronto a collaborare nuovamente in futuro.

Primo progetto comune tra Block Research Group e l’industria

Dr. Tom Van Mele, Senior Scientist e Co-Direttore del Block Research Group dell’ETH di Zurigo

Qual è l’importanza di HiLo per il Block Research Group?

Per noi il tetto dell’edificio HiLo rappresenta una pietra miliare, poiché è il primo progetto che abbiamo realizzato insieme all’industria. Ciò significa che non ci siamo limitati alla progettazione al computer, ma abbiamo effettivamente costruito il tetto insieme a diversi partner industriali. HiLo è un progetto di successo per noi e quindi per l’ETH, poiché è stato completato il trasferimento dalla teoria alla pratica. In futuro ci concentreremo su questo aspetto. I risultati della ricerca non servono a nulla se rimangono in laboratorio.

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi della costruzione leggera in generale e in relazione al tetto HiLo?

Il primo pensiero è sempre: la costruzione leggera richiede meno materiale. Questo è vero, ma è solo uno dei vantaggi. Si tratta anche di dimostrare che la riduzione del quantitativo del materiale nella costruzione leggera, non comporti un enorme impiego di altri materiali per la costruzione. Ciò avrebbe conseguenze sulla geometria, che diventa più complessa e deve comunque essere praticabile.

Cosa può dirci della progettazione di HiLo?

Una struttura del genere non era mai stata realizzata prima, il che significa che non esistevano valori empirici né era possibile effettuare confronti. Abbiamo dovuto sviluppare tutto da soli e prevedere costantemente le conseguenze che i nostri sviluppi avrebbero potuto avere. Ciò ha richiesto tempo. Il risultato è stata una forte pressione temporale: alle nostre spalle c’erano i nostri partner industriali che volevano iniziare. Noi, dal canto nostro, volevamo presentare loro un oggetto progettato nel modo più perfetto possibile. A un certo punto è arrivato il momento emozionante in cui abbiamo dovuto passare dalla teoria alla pratica.

A cosa avete dovuto prestare particolare attenzione durante la progettazione?

La cassaforma del tetto HiLo è un sistema flessibile. Ogni fase, ogni strato, ha la sua funzione ed è coordinata con le altre fasi in termini di dimensioni, costruzione, design, ecc. Una volta che il calcestruzzo si è indurito, il tetto è finito e non è più possibile apportare modifiche.

Perché il tetto ha questa forma curva?

Volevamo dimostrare che il nostro metodo di costruzione non è legato a forme standard, ma funziona anche con forme creative e insolite.

Che significato ha per lei questo progetto a livello personale?

Per me il progetto è legato alla nostalgia, perché il tetto HiLo è un’applicazione di una delle prime pubblicazioni scientifiche di Philippe Block e me nel 2010. Sono felice di vedere il risultato positivo undici anni dopo. Inoltre, questo tetto è il più grande progetto che il Block Research Group abbia mai realizzato.

Sperimentare l’aspetto pratico della ricerca nella realtà

Reto Largo, amministratore delegato NEST

Con le sue unità di ricerca, tra cui HiLo, NEST è un laboratorio vivace e un luogo di incontro tra ricercatori e partner economici. Insieme sviluppano nuove tecnologie, le integrano in progetti reali e ne dimostrano la praticità. Le persone interessate del settore edile possono sperimentare da vicino nuovi metodi di costruzione e concetti innovativi e trarne ispirazione. L’ultima unità HiLo, situata nella parte superiore del NEST, è un capolavoro di architettura e tecnica delle costruzioni applicata alla edificazione di una costruzione leggera. Il progetto è inoltre un ottimo esempio di come la ricerca e l’industria possano imparare l’una dall’altra. Sono molto soddisfatto del risultato e orgoglioso di ciò che è stato realizzato.