«Form fol­lows avail­a­bi­li­ty»

Allo Structural Xploration Lab dell’EPF di Losanna, Jan Brütting ha sviluppato metodi computerizzati per progettare strutture portanti da elementi strutturali riutilizzati o nuovi e per testare le varianti in merito al loro impatto ambientale.

Publikationsdatum
20-07-2021

TEC21: Signor Brütting, cosa intende quando parla del cambiamento di paradigma nel progetto – «La forma al servizio della disponibilità» (Form follows availability)?

Jan Brütting – Oggi si costruisce per demolire pochi anni dopo, sfruttando così solo parzialmente il valore degli edifici. In questo senso, gli elementi strutturali riutilizzati hanno un grande potenziale per ridurre l’impatto ambientale1 dell’energia grigia delle strutture portanti, poiché rispetto ai materiali nuovi riducono il consumo energetico, le emissioni e i rifiuti. Il principio non è nuovo nell’industria delle costruzioni, ma la sua applicazione comporta un cambiamento di mentalità. All’istituto ci occupiamo di progettazione strutturale concettuale. È quindi naturale chiedersi come sia possibile sviluppare le strutture secondo i criteri dell’economia circolare in modo da potere riutilizzare gli elementi strutturali, e come questo influenzi il processo di progettazione. I risultati dovrebbero aiutare a ridurre le ricadute ambientali.

Se invece di riciclare l’acciaio, riutilizziamo i componenti nel loro insieme, si ottengono vantaggi ecologici ed economici. La progettazione deve tenere conto delle dimensioni e delle proprietà meccaniche degli elementi disponibili. Questo porta a un cambio di paradigma, e si può parlare di «forma al servizio della disponibilità» (forms follows availability).
 

Quali sono le domande di partenza che hanno portato al progetto di ricerca?

I nostri metodi di calcolo offrono supporto nella progettazione. Per esempio, mostrano se la struttura portante progettata può essere costruita riutilizzando elementi disponibili. Il programma calcola come i componenti devono essere tagliati a misura per far sì che la nuova realizzazione abbia la geometria desiderata – e in modo più efficiente, in maniera tale che vi siano pochi scarti. Si scopre anche se le forze possono essere assorbite dagli elementi strutturali. In futuro è prevista la creazione di interfacce con le piatta­forme di dati sugli elementi strutturali. Tali metodi prima non esistevano.
 

Sta cercando il risultato ottimale con le variabili geometria, topologia, taglio e quantità di pezzi riutilizzabili?

Esattamente. Una volta noti i carichi che una nuova struttura portante deve sostenere e registrati gli elementi relativi a uno smontaggio, il programma è in grado di calcolare le migliori alternative utilizzando diversi parametri. Per esempio, si può fissare come condizione che il 100% dei componenti vengano riutilizzati e ottimizzare gli scarti, o combinare i nuovi elementi strutturali e quelli riutilizzati e minimizzare la massa della struttura portante. Inoltre, la geometria della struttura portante può essere adattata alle lunghezze degli elementi disponibili. Un’analisi integrata del ciclo di vita consente di minimizzare l’impatto ambientale della struttura.

Viene quindi stilata una dichiarazione sull’energia grigia e sulle emissioni di CO2. L’analisi comprende l’impatto ambientale dovuto allo smontaggio, al trasporto e alla produzione dei nuovi elementi. Essa attribuisce lo smontaggio selettivo al componente riutilizzato, al nuovo elemento strutturale vengono invece computate demolizione e fusione del rottame di acciaio.
 

A quali costruzioni e materiali può essere applicato il programma?

Attualmente si possono calcolare le strutture reticolari, ossia i tralicci e i telai, e abbiamo lavorato soprattutto con l’acciaio. Tuttavia, il programma può essere utilizzato anche per le strutture portanti in legno. Con il calcestruzzo è più difficile poiché spesso gli elementi sono collegati monoliticamente oppure si tratta di lastre. Il calcestruzzo e gli elementi piani possiedono quindi un ulteriore potenziale di ricerca.

 

l legno non è  omogeneo, bensì le sue proprietà possono variare in modo puntuale. Ciò può essere applicato all’acciaio?

Per il metodo di calcolo questo non fa molta differenza. L’importante è controllare la qualità del materiale. Con l’acciaio, occorre conoscerne la qualità e le proprietà meccaniche. Con il legno, si deve stare più attenti e, se necessario, classificarlo secondo le categorie predefinite o effettuare prove distruttive. Inoltre, si pone anche la domanda di chi si assume il rischio nel progetto, che può però essere minimizzato lavorando, per esempio, con fattori di sicurezza maggiori.
 

Questo comporta dimensionamenti maggiori e quindi anche un quantità maggiore di materiale?

L’utilizzo dipende dal progetto. Quelli in acciaio hanno dimostrato che la disponibilità limitata di elementi strutturali può portare a sistemi sovradimensionati. Se non vi sono sufficienti elementi con sezioni piccole, la costruzione richiederà, in confronto a una nuova, più materiale. Abbiamo anche studiato la relazione tra la massa e gli impatti ambientali: per una struttura portante, realizzata interamente o parzialmente con parti riutilizzate, e che presenta il 20 % di massa in più rispetto a una nuova, gli impatti ambientali sono ancora inferiori dal 40 al 60 %. Il riutilizzo è quindi caratterizzato da una significativa riduzione dell’energia grigia e delle emissioni di CO2. Nelle strutture portanti in acciaio, anche se sovradimensionate, il peso proprio, a confronto con i carichi esterni, è piccolo. Pertanto, i com­ponenti adiacenti come le colonne e le fondazioni non devono necessariamente essere più grandi.
 

A quali costruzioni è stato in grado di applicare tali metodi?

Abbiamo calcolato alcuni casi di stu­dio teorici sulla base di inventari di elementi strutturali realistici. Un esempio è stato quello dei supporti in acciaio utilizzati dai progettisti di Baubüro in situ per il padiglione 118 (cfr. Il puntino rosso sulla i. p. 30). Abbiamo anche inventariato le lunghezze e le sezioni trasversali dei profili dei tralicci dell’alta tensione progettando con essi il padiglione di una stazione. In combinazione con i nuovi profili standard, abbiamo progettato e calcolato le varianti strutturali: il programma interattivo mostra graficamente e sulla base dei calcoli che in certi punti sono necessari nuovi elementi, per esempio perché nell’inventario sono troppo corti o perché non hanno una portanza sufficiente. Ciò può significare che non è possibile un riutilizzo al 100 %, o che il progetto deve essere adattato.

Per il minor impatto ambientale, spesso la soluzione è una combinazione di vecchio e nuovo – per esempio, quando rimuovere le parti da strutture esistenti è dispendioso, il nuovo può avere senso. Per contro, distanze di trasporto lunghe peggiorano di poco l’impatto ambientale.
 

Il programma può già essere usato concretamente? 

Si tratta di un plugin per il programma CAD parametrico Rhino/Grasshopper che verrà terminato nei prossimi mesi e che potrà poi essere usato da tutti liberamente.

Nota

  1. Gli impatti ambientali sono interventi materiali e strutturali causati dall’attività umana che colpiscono le persone o l’ambiente. Esempi sono le immissioni dovute ai processi di combustione o i cambiamenti struttural dei suoli causati dall’estrazione di materie prime.

Bibliografia complementare

Su commissione dell'Ufficio federale dell'ambiente, i seguenti numeri speciali sull'economia circolare sono stati pubblicati da espazium – Edizioni per la cultura della costruzione:

 

Nr. 1/2021: «Architettura circolare: Edifici, concetti e strategie per il futuro»

Gli articoli del ciclo «Economia circolare» sono raccolti in questo e-dossier.

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