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Elementi di progettazione bioclimatica nei processi di stampa 3D

Realizzazione sostenibile di componenti edilizi in terra cruda, materiale che si caratterizza per versatilità, adattabilità ed efficienza bioclimatica

Approfondimento realizzato in collaborazione con Architettura>Energia, centro ricerche del Dipartimento Architettura dell’Università degli Studi di Ferrara.

 

Architettura vernacolare e tradizioni costruttive in terra cruda.

Dalla storia si sono tramandate serialità produttive e tecnologie di costruzione in risposta alla necessità di definire condizioni di comfort e benessere abitativo in rapporto ai fattori ambientali esterni e alle risorse presenti in diverse regioni geografiche e climatiche[i]. Tale palinsesto di conoscenze ha comportato l’elaborazione di soluzioni progettuali adatte per sfruttare apporti energetici naturali in modo passivo in relazione alle molteplici sollecitazioni del clima e ai materiali disponibili, determinanti sull’esito formale e morfologico dei volumi costruiti, in ragione delle proprietà chimico-fisiche che li contraddistinguono.


Gli esempi di realizzazioni a scala architettonica che si conformano in relazione alle caratteristiche del luogo in cui sono collocati e che per il proprio funzionamento si basano su meccanismi fisici in assenza di impianti tecnologici, rientrano nella definizione di architettura bioclimatica[ii]. Infatti, i così detti edifici bioclimatici sono predisposti per sfruttare princìpi ambientali naturali per il riscaldamento (accumulo di energia termica latente o sensibile[iii] e coibentazione dell’involucro) o per il raffrescamento (ventilazione e schermature solari).

 

In un momento in cui la crescita della popolazione mondiale[iv] e lo sviluppo urbano hanno delle ricadute sulla qualità abitativa globale[v], si è progressivamente venuto a definire un profilo esigenziale di domanda relativo a soluzioni di housing e di componenti edilizi a costi contenuti e alti standard di vivibilità.


In questo contesto potrà essere efficace l’impiego di materiali tradizionali nell’ambito dei più aggiornati sistemi di stampa 3D - progettati in modo da determinare un miglioramento degli assetti procedurali nel quadro della crisi energetica e ambientale in atto - le cui metodologie di applicazione fanno riferimento a modelli costruttivi che derivano dalla tradizione vernacolare[vi].

 

Tra gli esempi tradizionali che maggiormente rispondono a criteri di sostenibilità nelle diverse declinazioni vi sono architetture costruite mediante l’utilizzo della terra del suolo, che si configura come un materiale contraddistinto da buone prestazioni meccaniche, ecologico, economico e facilmente reperibile.

Gli edifici in terra cruda sono comunemente realizzati con la terra estratta al di sotto del primo strato superficiale, inumidita e lasciata essiccare al sole. La componente coesiva è data dal contenuto variabile di argilla al suo interno: una terra ghiaiosa risulta adatta per la tecnica della terra battuta, mentre una terra povera di scheletro sabbioso si presta ad essere impastata con inerti minerali o paglia, che ne limitano la sensibilità all’acqua e di conseguenza i rischi di fessurazione. 

 

Elemento in terra cruda realizzato con tecnologia di stampa 3D. Il materiale terra deve essere accuratamente studiato e ridefinito dal punto di vista chimico-fisico affinché sia reso compatibile con i processi di stampa. Foto per gentile concessione di Sofoklis Giannakopoulos.

 

La costruzione di architetture realizzate in terra cruda è da individuarsi in molteplici regioni della terra, in aree climaticamente molto differenti tra loro. Ad esempio, nelle zone caratterizzate da lunghi periodi di aridità e da escursioni termiche giorno/notte consistenti si trovano insediamenti dalla connotazione volumetrica compatta e definiti da spazi esterni regolarmente coperti o protetti dalle ombre portate degli edifici. Nei climi subtropicali si trovano edifici in prevalenza isolati, progettati per disperdere l’umidità conseguente alle precipitazioni atmosferiche e provvisti di ampi sporti di copertura per proteggere le superfici esposte alla pioggia battente.  

 

L’utilizzo di terra cruda come materiale da costruzione è attestato archeologicamente dalla preistoria; nel corso dei millenni si sono elaborate plurime tecniche di costruzione, tra le quali sono riconoscibili l’adobe (mattoni definiti attraverso uno stampo da una base di terra e paglia lasciata essiccare al sole), il pisè (terra compattata in casseforme lignee) e l’impasto terra-paglia (una massa di terra diluita con acqua, gettata su paglia tra due casseri).

 

I caratteri di versatilità, adattabilità ed efficienza bioclimatica alle differenti condizioni ambientali hanno incoraggiato la comunità scientifica ad approfondire gli aspetti che si riferiscono all’impiego della terra cruda e a considerarne l’ambito applicativo in relazione alle più attuali tecnologie d’implementazione. Si sono definite sperimentazioni per quanto riguarda la composizione chimica e granulometrica del materiale-terra al fine di renderlo compatibile con i processi di stampa 3D, in funzione di possibili realizzazioni in architettura. 

Processi sperimentali di stampa 3D alla scala architettonica

Nel 2014, nell’ambito di un progetto di ricerca dell’Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC), orientato allo sviluppo di sistemi robotici da impiegare nel settore della fabbricazione digitale, in collaborazione con Dinitech[vii] e Slow Life [viii], si è sperimentato l’uso della terra cruda nelle tecnologie di stampa 3D ad ampia scala.

Si è così definito Pylos[ix], un braccio meccanico guidato da un sistema software composto da un estrusore progettato per depositare strati sovrapposti di materiale, fino alla realizzazione completa dell’oggetto.

 

Le principali componenti costitutive di questa tecnologia operano in modo da definire tracciati di stampa a velocità costante su layer paralleli lungo l’asse verticale z, con la possibilità di variare il diametro di terra estrusa nelle diverse fasi del processo.

 

Esempio di realizzazione di oggetto in terra cruda tramite processi di stampa 3D. L’estrusore automatico deposita strati sovrapposti di una miscela di terra cruda e leganti naturali, aggregati in modo da ottimizzare il comportamento meccanico del materiale, compatibilmente con il funzionamento delle componenti robotiche. Foto per gentile concessione di Sofoklis Giannakopoulos.

 

La metodologia impiegata rientra nel quadro dei sistemi additivi, i cui scenari di applicazione si basano sul principio dell’addizione (a differenza delle tecnologie sottrattive, che consistono nella rimozione di materiale operata prevalentemente tramite fresatura meccanica) di impasti appositamente studiati per delineare la volumetria degli oggetti. Tale procedimento permette di individuare come punti di forza la velocità di esecuzione degli elementi, l’abbattimento dei costi di realizzazione e la possibilità di controllare forme libere senza limitazioni geometriche.

 

La ricerca condotta ha inoltre fissato come punto d’interesse l’ipotesi di compatibilità della terra cruda con i processi di stampa 3D, ovvero lo studio della composizione chimico-fisica dei composti più adatti a definire strutture in grado di resistere a sollecitazioni statiche e dinamiche.

 

L’estrusione di terra attraverso un sistema robotico è un passaggio tecnico che avviene a freddo, ovvero a bassi livelli di pressione e temperatura, per cui è esclusa la possibilità di ottenere prodotti altamente reattivi (ossidi) portando a cottura materiali argillosi e dare origine ai cementi.

Si è pertanto fatto riferimento a processi già verificati di consolidamento a temperatura ambiente di materiali per il settore edile,  a esempio quelli ottenuti da attivazione alcalina (geopolimeri[x]) che possono essere utilizzati come leganti o per la produzione di blocchi da costruzione, in quanto considerati economicamente sostenibili e a basso impatto ambientale.


Il materiale sperimentato per la stampa 3D con Pylos – a seguito di prove di resistenza a trazione e compressione su numerosi provini[xi] - è risultato dall’aggregazione di terra, cellulosa (una matrice reticolante naturale) ed esametafosfato di sodio, una miscela utilizzata per addolcire l’acqua presente nel suolo ovvero per ridurre il contenuto di sali disciolti che possono precipitare come i carbonati e generare efflorescenze.


Tali procedure, atte a migliorare la coesione, ridurre la porosità e le variazioni di volume della terra cruda sono dette di stabilizzazione fisica o chimica. La stabilizzazione fisica si può ottenere attraverso l’eliminazione o l’aggiunta, tramite setacciatura, di inerti più o meno grossi, mentre quella chimica si ricava predisponendo soluzioni che modificano le proprietà del materiale di partenza, anche creando una matrice legante.

 

Il braccio meccanico programmato da Sofoklis Giannakopoulos, ricercatore presso l’Institute for Advanced Architecture of Catalonia che ha diretto il progetto di ricerca Pylos. La progettazione meccanica è andata in parallelo con uno studio approfondito sulle caratteristiche chimico-fisiche della terra cruda, per cui si sono definiti diversi impasti a seconda della tipologia di suolo preso in analisi. Foto per gentile concessione di Sofoklis Giannakopoulos.

 

In una prima fase si è proceduto con la creazione di oggetti di dimensioni contenute, per valutare la possibilità di progettare geometrie fluide dalla connotazione organica, in modo da definire un ampio il palinsesto di realizzazioni a disposizione. Successivamente si è sperimentata l’implementazione di strutture portanti dimensionate in modo da sostenere il peso di un’abitazione a un piano, con i dovuti accorgimenti statici.


La terra cruda infatti è un materiale affidabile solo a secco e per carichi di compressione: devono essere di conseguenza previsti elementi di rinforzo laddove si verificano sforzi di trazione, da integrare alla struttura principale.

 

Processo di stampa 3D di una muratura portante in terra cruda, realizzata con sistema Pylos. Foto per gentile concessione di Sofoklis Giannakopoulos.

 

Parallelamente, l’azienda italiana Wasproject[xii] ha approfondito gli aspetti relativi all’ottimizzazione tecnica delle stampanti 3D da utilizzare alla scala architettonica, con l’impiego di materiali naturali a chilometro zero.

Nel 2014, è stato presentato al Saie di Bologna il primo esperimento di chiusura perimetrale esterna di un edificio definito da un impasto di argilla, acqua e sabbia, realizzato con una stampante Big Delta di 4 metri e con area di stampa di 6 metri quadri.

Il sistema tecnologico Wasp è composto da un estrusore in grado di posare e allo stesso tempo impastare il materiale in uscita, in modo da consentire una corretta adesione dei layer uno sull’altro. Tale elemento di componentistica è stato oggetto di plurime modificazioni, di cui la principale è caratterizzata dalla possibilità di ruotare - ovvero di generare movimenti che si discostano dall’asse verticale di gravità – e allo stesso tempo di gestire la ritrazione, ovvero l’interruzione dei flussi di deposito di terra con il ritiro del materiale estruso e conseguente possibilità di riprendere l’erogazione con precisione al decimo di millimetro.

 

Questi accorgimenti tecnici sono stati replicati ad una scala più ampia, con la costruzione di Giga Delta, una stampante 3D alta 12 metri progettata con lo scopo di produrre un villaggio ecosostenibile a basso costo, come dimostrazione dello stato di avanzamento della ricerca nell’ambito dei processi additivi di implementazione.

Il dimensionamento delle strutture edilizie e i caratteri qualitativi degli impasti studiati per la stampa 3D sono definiti in modo da garantire alti standard di vivibilità nelle architetture sperimentali proposte da Wasproject, in relazione alle componenti di inerzia e conducibilità termica, coibentazione e regolazione termo-igrometrica.

Inoltre, la scelta del materiale è stata esaminata in termini di risparmio di energia grigia[xiii] nel trasporto del materiale (in quanto viene utilizzata unicamente la terra del suolo recuperata in loco ed è previsto il solo spostamento della struttura della stampante insieme ai tecnici specializzati per il montaggio) e nelle diverse fasi di attuazione delle opere.

 

Prototipo di struttura portante alla scala architettonica, realizzata in terra cruda con l’utilizzo della stampante Wasp Big Delta. Foto per gentile concessione di Wasproject. 

 

La stampante 3D Big Delta dell’azienda Wasp, alta 12 metri, realizzata con struttura reticolare metallica, caratterizzata da un ugello definito da possibilità di movimento multiassiale e progettato per estrudere strati sovrapposti di terra e leganti, fortemente coesi tra loro. Foto per gentile concessione di Wasproject. 

 

Le tecniche di realizzazione accennate in questa sede concorrono a definire oggetti alla scala architettonica caratterizzati da standardizzazione dei processi di produzione. A differenza delle tecniche costruttive consolidate storicamente, per cui la serialità è da individuare nei singoli componenti - a esempio i mattoni o i conci di pietra – le opere stampate in 3D sono considerate strutture unitarie che raccolgono taluni caratteri ricorrenti nelle architetture tradizionali, quali a esempio l’utilizzo di impasti fibrosi, come per la realizzazione dell’adobe, e la morfologia strutturale coesa e compatta, caratteristica del pisè. 

Annotazioni conclusive e scenari futuri.

I processi di stampa 3D si ritiene possano determinare un aggiornamento dei processi di costruzione e un avanzamento per quanto riguarda i tempi di realizzazione, i costi di trasporto di attrezzature e la gestione delle logiche di cantiere, soprattutto in termini di scarti di materiale.


Tali sistemi possono risultare efficaci nell’ipotesi del verificarsi di dissesti naturali o condizioni di emergenza abitativa, in diversi contesti geografici.

 

Lo scenario prevalente consiste nel prevedere il trasporto delle stampanti 3D in luoghi in cui sono richiesti interventi tempestivi (eliminando così l’incidenza dello spostamento di materiali da costruzione nel costo totale dell’opera), e nell’utilizzo di terra locale disponibile, da adattare volta per volta agli strumenti di stampa e alle esigenze specifiche di progetto.


Dal quadro emerso, si considera questo modello operativo un esempio ripetibile di innovazione tecnologica sostenibile, a fronte della crescente richiesta di continuità qualitativa nelle diverse fasi del processo edilizio[xiv], dall’atto progettuale, alla messa in opera dell’oggetto di architettura.

  

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[i] Si veda la classificazione dei climi di Koppen (online 03/07/2016).

[ii] Cfr. Olgyay, V. 1990, Progettare con il clima: un approccio bioclimatico al regionalismo architettonico, Franco Muzzio Editore, Padova.

[iii] Si definisce calore sensibile l’apporto di energia termica che corrisponde a una variazione di temperatura (determinato dalla presenza di una fonte di calore); si definisce calore latente la quantità di energia termica necessaria allo svolgimento di una transizione di fase senza variazioni di temperatura (determinato, a esempio, dalla presenza di persone in un ambiente).

[iv] Si veda: < https://ourworldindata.org/world-population-growth/> (online: 03/07/2016).

[v] Si vedano le statistiche riferite all’Unione Europea(online 03/07/2016).

[vi] Si veda: < https://www.britannica.com/technology/vernacular-architecture (online: 03/07/2016).

[vii] Dinitech è l’azienda fondata da Enrico Dini, l’ingegnere che ha inventato D-Shape la prima stampante 3D in grado di realizzare oggetti e componenti edilizi alla scala architettonica, utilizzando una miscela di sabbia, acqua di mare e leganti, sulla base di un processo chimico-fisico cloro-attivato.

[viii] Si veda: <http://conjuntoresidencialsostenible.blogspot.it/> (online: 09/07/2016).

[ix] Si veda: <http://pylos.iaac.net/> (online: 09/07/2016).

[x] Bignozzi M.C. (2011), Geopolimeri e cementi: due leganti a confronto. Geopolimeri: polimeri inorganici chimicamente attivati, a cura di Romagnoli M. e Leonelli C., I.Cer.S, Lulu, 83-101.

[xi] Nell’ambito del progetto Pylos si sono sperimentati impasti di terra con acqua di mare, fibra di legno e carbonato di sodio prima di definire il provino con caratteristiche di resistenza più performanti, composto da terra e cellulosa.

[xii] Si veda: <http://www.wasproject.it/w/> (online: 09/07/2016).

[xiii] Cfr: Treloar G.J., Love P.E.D., Holt G.D. (2001), Using national input-output data for embodied energy analysis of individual residential buildings, Construction Management and Economics, Vol. 19, pp. 49–61.

[xiv] Cfr: Zaffagnini, M. (1981), Progettare nel processo edilizio (a cura di), Bologna, L. Parma.

 

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Arch. Sara Coradin [dottore in architettura, afferisce alla sezione architettura del centro ricerche architettura>energia]

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