By Nel panorama dell’ingegneria civile contemporanea, dove sostenibilità, digitalizzazione e innovazione dei processi costruttivi rappresentano sfide centrali, l’iniziativa promossa da ACI Italy Chapter e Federbeton si conferma un’importante occasione per valorizzare la ricerca accademica. Nell’edizione 2024 degli ACI Italy Chapter – Federbeton Awards, è stata premiata la tesi di dottorato di Lucia Licciardello, sviluppata presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Brescia e dedicata allo studio del comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo realizzati con la tecnica della stampa 3D del calcestruzzo tramite la tecnologia di estrusione. Il lavoro di tesi si è svolto sotto la supervisione del Professor Giovanni Plizzari, del Professor Giovanni Metelli e del Dott. Ing. Adriano Reggia, il cui contributo è stato fondamentale per guidare l’autrice nell’analisi critica dei dati sperimentali, nella definizione di strategie innovative per la caratterizzazione meccanica del calcestruzzo stampato 3D e nello studio del comportamento strutturale di pareti realizzate con la tecnica della stampa per estrusione.
La tesi, dal titolo “Study on the Structural Behaviour of 3D Printed Concrete Elements Made by Extrusion Process”, affronta un tema di grande attualità: le potenzialità della stampa tridimensionale applicata alla realizzazione di strutture in calcestruzzo. Si tratta di un ambito in rapida evoluzione, che richiede lo sviluppo di metodologie di prova specifiche e l’elaborazione di normative adeguate alla caratterizzazione delle proprietà meccaniche di materiali stampati e per la valutazione del comportamento strutturale di elementi realizzati con questa tecnologia, nonché la definizione di modelli computazionali affidabili.
Attraverso un originale approccio analitico-sperimentale, Licciardello ha messo a punto delle metodologie di prova per la valutazione delle proprietà meccaniche del calcestruzzo stampato 3D e per lo studio del comportamento strutturale di pareti con cavità interne, una soluzione promettente per ottenere strutture leggere ma resistenti. Per queste configurazioni, ha inoltre elaborato un modello analitico di riferimento in grado di descriverne in modo efficace la risposta strutturale.
Tra i temi più rilevanti approfonditi nello studio spicca l’analisi dell’interfaccia tra gli strati di stampa, un aspetto cruciale per la tenuta meccanica del materiale stampato. Allo stesso tempo, viene affrontata la sfida dell’integrazione delle armature, fondamentale per conferire alla tecnologia della stampa tridimensionale una piena valenza strutturale, ma tuttora complessa da risolvere nei processi di stampa automatizzati.
L’iniziativa ACI Italy Chapter – Federbeton Awards mira ogni anno a dare visibilità ai migliori lavori di tesi che trattano temi legati all’innovazione del calcestruzzo e alle sue applicazioni nell’ingegneria strutturale, premiando i giovani ricercatori che contribuiscono in modo significativo all’avanzamento del settore.
La tesi di Lucia Licciardello si distingue per l’ampiezza e la profondità della trattazione, offrendo un contributo rilevante sia dal punto di vista scientifico che progettuale, in un ambito tecnico ancora in piena evoluzione. Il suo lavoro si colloca in un contesto di grande fermento tecnologico, in cui la stampa 3D del calcestruzzo (3D printing of concrete, 3DPC) si afferma progressivamente come una delle tecnologie costruttive più promettenti e sostenibili. In questo scenario, la ricerca premiata rappresenta un passo importante verso la definizione di criteri progettuali e strumenti di analisi adatti a questa nuova frontiera dell’ingegneria.
Nei paragrafi che seguono, esploreremo più da vicino i contenuti del lavoro, soffermandoci sugli aspetti sperimentali, sui risultati ottenuti e sulle prospettive che ne derivano per lo sviluppo futuro della stampa 3D nel settore delle costruzioni.
La stampa 3D di elementi strutturali in calcestruzzo e obiettivi e scopo della ricerca
La stampa 3D del calcestruzzo (3DPC) è un moderno metodo di fabbricazione digitale che industrializza la produzione di componenti architettonici e strutturali. Integrando i processi di progettazione digitale e costruzione, la 3DPC può offrire significativi vantaggi economici e ambientali, come la riduzione dei tempi di costruzione, dei costi e un miglioramento della qualità. «Rispetto ai metodi tradizionali, questa tecnica consente una maggiore libertà progettuale, grazie alla possibilità di realizzare geometrie complesse senza l’uso di casseforme, sfruttando le proprietà reologiche del materiale e il controllo della loro evoluzione nel tempo. Inoltre, la combinazione con strategie di ottimizzazione strutturale permette di ridurre l’impiego di materiale, concentrandolo solo dove realmente necessario, con vantaggi in termini di sostenibilità ed efficienza», spiega Licciardello.
Il potenziale della tecnologia 3DPC nel ridurre l’impatto ambientale – significativo per via dell’uso di materiali a base cementizia – è considerevole: l’impiego di aggregati riciclati e artificiali, materiali cementizi supplementari (Supplementary Cementitious Materials, SCMs) e cementi alternativi a basso contenuto di carbonio rappresentano le strategie più promettenti per abbattere l’impatto ambientale. Una conferma del ridotto impatto ambientale del processo costruttivo digitale del calcestruzzo (Digital Fabrication of Concrete, DFC) rispetto a quello delle tecniche convenzionali, arriva anche dalle diverse valutazioni presenti in letteratura in termini di ciclo di vita (Life Cycle Assessment, LCA), necessarie per garantire un processo costruttivo sostenibile.
Il processo di estrusione considerato nel lavoro di ricerca, è uno dei più comuni tra i diversi approcci alla fabbricazione digitale sviluppati negli ultimi anni. «Questo processo consiste nella stampa mediante una testina automatizzata e nella deposizione, strato dopo strato, di un filamento di calcestruzzo fresco. Di conseguenza, la presenza degli strati rende il materiale stampato in 3D potenzialmente anisotropo, a differenza del calcestruzzo tradizionale, considerato isotropo. Tale caratteristica implica che le normative utilizzate per la caratterizzazione delle proprietà meccaniche del calcestruzzo tradizionale potrebbero non essere adatte per il calcestruzzo stampato in 3D. È quindi necessario definire un approccio e delle linee guida condivise e verificare le proprietà del materiale stampato sia nello stato fresco che in quello indurito, poiché influenzano il comportamento strutturale complessivo degli elementi in calcestruzzo stampato», afferma Licciardello.
Nei primi anni di ricerca, gli studi sulla stampa 3D del calcestruzzo si sono concentrati prevalentemente sulla composizione del materiale che, allo stato fresco, deve essere sufficientemente fluido per essere pompato ed estruso, ma anche sufficientemente resistente da sostenere il peso proprio man mano che vengono aggiunti i nuovi layer (buildability), così da evitare instabilità e/o collasso plastico, che rappresentano i principali meccanismi di cedimento. Più recentemente, la ricerca si è focalizzata sullo studio del comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo stampato in 3D, per il quale sono determinanti anche le proprietà del materiale indurito che, a causa della struttura stratificata, sono influenzate dalla direzione di applicazione del carico rispetto alla disposizione degli strati, come evidenziato dalle prove di compressione, flessione e trazione presenti in letteratura. Un altro aspetto cruciale è l’intervallo di tempo tra la deposizione successiva degli strati, analizzato attraverso prove a flessione, trazione e taglio sull’interfaccia. I risultati hanno evidenziato che un tempo di attesa più prolungato comporta una significativa riduzione della resistenza dell’interfaccia, fenomeno noto come “cold joint” o giunto freddo.
Sebbene oggi esistano numerosi prototipi che dimostrano il grande potenziale della stampa 3D, tuttavia, non è stato ancora sviluppato un approccio condiviso all’ingegneria strutturale, a causa della carenza di risultati sperimentali sulla risposta strutturale degli elementi 3DPC. Per tale motivo, servono nuovi approcci progettuali integrati con la fabbricazione, così come metodi di prova e standard specifici in quanto le proprietà peculiari del materiale stampato in 3D rendono spesso inapplicabili le normative utilizzate per le strutture in calcestruzzo tradizionale. «Anche se, idealmente, negli elementi in calcestruzzo stampato in 3D il posizionamento dell’armatura dovrebbe essere automatizzato, nella realtà, gran parte delle armature viene ancora inserita manualmente. Inoltre, la maggior parte dei prototipi edilizi esistenti utilizza il calcestruzzo stampato in 3D come cassero a perdere, mentre gli elementi portanti sono realizzati in calcestruzzo tradizionale. La stampa di strutture portanti richiederebbe un’approfondita indagine sperimentale preliminare a supporto della progettazione strutturale, ma in letteratura esistono solo pochi esempi di come tali strutture possano essere valutate dal punto di vista dell’integrità strutturale. Tuttavia, l’interesse su questo tema è in forte crescita. Per questo motivo, la tesi si concentra sullo studio del comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo stampato in 3D, con particolare attenzione alle pareti realizzate tramite processo di estrusione», spiega Licciardello.
Nell’ambito di ricerca della tesi, sono stati quindi investigati principalmente due aspetti: lo sviluppo di metodologie per la valutazione delle proprietà allo stato indurito del calcestruzzo stampato 3D e, nella seconda parte, lo studio del comportamento strutturale delle pareti in calcestruzzo stampato. Per raggiungere questi due obiettivi, sono stati condotti studi sperimentali e numerici.
L’analisi sperimentale per la caratterizzazione meccanica del calcestruzzo stampato 3D
«Inizialmente ci siamo concentrati sulla caratterizzazione delle proprietà meccaniche del calcestruzzo stampato in 3D allo stato indurito. Abbiamo analizzato sperimentalmente la resistenza a compressione, flessione e trazione, utilizzando configurazioni di prova già consolidate in letteratura. Particolare attenzione è stata dedicata allo studio della resistenza dell’interfaccia tra strati sottoposta a sforzi di taglio. Per questo motivo, abbiamo proposto due configurazioni sperimentali adattate al contesto della stampa 3D: il ‘modified push-out test’ e il ‘modified slant shear test’. Entrambi i test, solitamente utilizzati per strutture in muratura e in calcestruzzo tradizionale per valutare la coesione e il coefficiente d’attrito, sono stati opportunamente modificati per studiare il comportamento dell’interfaccia nei componenti stampati», racconta Licciardello.
I test di compressione, flessione e trazione condotti sul materiale 3DPC hanno evidenziato che le proprietà meccaniche dipendono dalla direzione del carico applicato rispetto all’orientamento degli strati. L’influenza della direzione del carico sulla resistenza a compressione è risultata minima (circa il 5% di differenza tra le varie direzioni), mentre l’effetto sulla resistenza a flessione è stato più marcato, con differenze tra il 20% e il 30%.
«Invece, i test di push-out e slant shear modificati hanno dimostrato che l’inclinazione degli strati influenza il modo di rottura: infatti, i provini sottoposti al test push-out hanno mostrato rottura solo lungo l’interfaccia, mentre quelli sottoposti al test slant shear sia lungo l’interfaccia sia nella matrice di calcestruzzo, a seconda dell’inclinazione degli strati. Dalle prove di push-out si è concluso che l’interfaccia (in assenza di giunto freddo) non influenza significativamente le proprietà del materiale. Nel test slant shear, invece, i campioni presentavano un giunto freddo dovuto a un’interruzione della stampa di 30 minuti, simulando una possibile pausa durante la produzione: i risultati, in termini di coesione e coefficiente d’attrito, sono risultati coerenti con quelli presenti in letteratura anche in assenza di giunto freddo. Quindi, si può ipotizzare che intervalli brevi (fino a 30 minuti) non compromettano le proprietà meccaniche, ma ovviamente ulteriori prove sarebbero necessarie per averne la certezza», afferma Licciardello.
I risultati ottenuti nella caratterizzazione del materiale indurito sono stati utilizzati per sviluppare un modello numerico del test push-out, utile per l’analisi del comportamento dell’interfaccia tra strati (interlayer behaviour). Le simulazioni FEM hanno mostrato buona coerenza con i risultati sperimentali, sia per quanto riguarda la risposta elastica iniziale, sia per comportamento post-picco, resistenza massima, coesione e angolo di attrito. Entrambi gli approcci modellistici, con fessurazione diffusa e discreta, hanno restituito risultati simili. Tuttavia, in presenza di difetti come i giunti freddi, l’approccio con fessurazione discreta offre una maggiore accuratezza.
Dai test su piccola scala alle prove su campioni in scala reale
Su scala reale, il comportamento strutturale delle pareti in calcestruzzo stampato in 3D viene analizzato in relazione a un processo di stampa eseguito off-site, spesso utilizzato per la costruzione di edifici a bassa elevazione mediante elementi modulari. Sono stati quindi condotti presso l’Università di Brescia cinque test ciclici su pareti in 3DPC: quattro pareti non armate e una rinforzata con armatura longitudinale inserita in tasche laterali. La progettazione ha tenuto conto di parametri termici, geometrici e meccanici. Per valutare la trasmittanza termica, è stato sviluppato un modello semplificato analitico e numerico, poi validato sperimentalmente, utile per ottenere una configurazione geometrica conforme ai limiti normativi. Inoltre, la parete include elementi diagonali in calcestruzzo e connettori in acciaio che hanno svolto un ruolo fondamentale nel prevenire instabilità o collassi durante il processo di stampa. Per quanto riguarda le prove strutturali, le pareti sono state sottoposte a un carico verticale costante, pari a quello di un edificio a due piani, e a un carico orizzontale ciclico nel piano, applicato per simulare l’azione del vento o del sisma.
«Le pareti non armate hanno mostrato un buon comportamento sotto carichi laterali, sia in termini di rigidezza iniziale che di resistenza. Il comportamento è risultato bilineare elastico fino al raggiungimento della resistenza flessionale massima, seguito da una rottura fragile caratterizzata da una fessura principale alla base, con un meccanismo di rocking nel post-picco, senza danni da taglio. La parete armata, che presentava un giunto freddo, ha mostrato un comportamento elastico simile, ma ha subito un cedimento prematuro per scorrimento lungo il giunto, evidenziando la criticità dei giunti freddi che possono verificarsi nei processi di stampa in situ», spiega Licciardello.
Infine, partendo dai modelli analitici presenti in letteratura per le strutture in muratura non rinforzate, sono state condotte delle analisi parametriche per la previsione delle prestazioni strutturali delle pareti 3DPC.
«Sulla base della caratterizzazione meccanica del materiale, è stato proposto un modello analitico semplice e affidabile per stimare rigidezza iniziale e resistenza a flessione delle pareti in 3DPC non rinforzate. Il modello sottolinea l’importanza della redistribuzione degli sforzi di trazione dopo la formazione delle prime fessure e il ruolo del comportamento a taglio tra strati nella rigidezza globale della parete», afferma Licciardello.
È stato, inoltre, affrontato il tema dell’integrazione tra gli aspetti termici, strutturali e di sostenibilità della tecnologia 3DCP, attraverso lo studio di un edificio di riferimento a due piani. Analisi analitiche e numeriche agli elementi finiti sono state applicate a una parete alta 3 metri, identificata come caso studio, per valutarne la trasmittanza termica e la capacità portante ed è stata condotta un’analisi semplificata del ciclo di vita (LCA) sul muro in 3DPC.
Conclusioni e sviluppi futuri
La tesi ha esplorato numerosi aspetti scientifici e può quindi costituire un valido punto di partenza per future ricerche e studi. Riassumendo i principali risultati della ricerca, possiamo affermare che «confrontando il dominio di resistenza delle pareti in 3DPC non armate con quello delle pareti in muratura tradizionale realizzate con diversi tipi di mattoni, abbiamo osservato che il 3DPC presenta una maggiore rigidezza e una migliore capacità di resistere ai carichi orizzontali. Anche con bassi carichi verticali, le pareti in 3DPC hanno mostrato una resistenza iniziale significativa, attribuita alla maggiore resistenza a trazione del materiale rispetto alla muratura tradizionale. Di conseguenza, a differenza delle strutture in muratura che tendono a collassare per meccanismi di ribaltamento, scorrimento o fessurazione diagonale, le pareti in 3DPC cedono al raggiungimento della resistenza flessionale massima e il tipo di collasso dipende dal carico verticale applicato e dal rapporto di snellezza H/L», spiega Licciardello.
Dalla ricerca è emerso che una corretta progettazione consente di ottenere buone prestazioni termiche. Le pareti progettate hanno infatti rispettato i limiti normativi in materia di trasmittanza termica.
Infine, sono state indagate anche le caratteristiche di sostenibilità del materiale. «La parete in 3DPC è stata confrontata con sistemi costruttivi tradizionali come murature in laterizio, calcestruzzo armato e pareti in legno lamellare incrociato (CLT) attraverso un’analisi semplificata del ciclo di vita, espressa in kgCO₂eq, dalla quale è emersa un’impronta di carbonio più elevata per il muro in calcestruzzo tradizionale, mentre quello in 3DPC ha registrato un’impronta simile al CLT e quasi la metà rispetto al calcestruzzo convenzionale», afferma l’autrice della tesi.
Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, Licciardello evidenzia la necessità di eseguire ulteriori test push-out e slant shear, sia per definire una relazione tra i due metodi di prova che per indagare l’effetto di un intervallo temporale superiore ai 30 minuti tra gli strati, al fine di esaminare l’influenza dei giunti freddi sul comportamento strutturale degli elementi in calcestruzzo stampato in 3D. «Servono, inoltre, ulteriori test strutturali su pareti in 3DPC, con l’obiettivo di analizzare diverse soluzioni di armatura e sviluppare strategie, dispositivi o tecniche specifiche che, in presenza di giunti freddi, permettano alle pareti di sopportare i carichi di taglio ed evitare rotture localizzate. Da ultimo, potrebbero essere utili altre prove sperimentali per approfondire il fenomeno del ritiro del materiale in calcestruzzo stampato in 3D e la sua influenza sul comportamento strutturale delle pareti in 3DPC», conclude Licciardello.
Questi risultati confermano il potenziale del calcestruzzo stampato in 3D come valida alternativa ai sistemi costruttivi convenzionali, non solo in termini di prestazioni meccaniche e termiche, ma anche di sostenibilità ambientale. Con il supporto della ricerca e di ulteriori sviluppi normativi e tecnologici, il 3DPC potrà giocare un ruolo chiave nell’edilizia del futuro, coniugando innovazione, efficienza e rispetto per l’ambiente.
