Migliorata la resistenza alle crepe nei componenti in calcestruzzo abbinando progetti architettonici a processi di produzione additiva e robot industriali in grado di controllare con precisione il deposito dei materiali
In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications (1), i ricercatori guidati dal dottor Reza Moini (2), professore associato di ingegneria civile e ambientale a Princeton, descrivono come i loro progetti abbiano aumentato la resistenza alle crepe fino al 63% rispetto al calcestruzzo gettato in opera convenzionale. I ricercatori si sono ispirati alle strutture a doppia elica che compongono le squame di un'antica stirpe di pesci chiamati celacanti (pronunciati see-luh-kanth). Moini ha affermato che la natura spesso utilizza un'architettura intelligente per aumentare reciprocamente le proprietà dei materiali, come la resistenza e la resistenza alla frattura.
Per generare queste proprietà meccaniche, i ricercatori hanno proposto un design che dispone il calcestruzzo in singoli fili in tre dimensioni. Il design utilizza la produzione additiva robotica per collegare debolmente ogni filo al suo vicino. I ricercatori hanno utilizzato diversi schemi di design per combinare molte pile di fili in forme funzionali più grandi, come le travi. Gli schemi di design si basano sulla leggera modifica dell'orientamento di ogni pila per creare una disposizione a doppia elica (due strati ortogonali intrecciati in altezza) nelle travi, che è fondamentale per migliorare la resistenza del materiale alla propagazione delle crepe.
«L'articolo si riferisce alla resistenza di base nella propagazione delle crepe come a un “meccanismo di rafforzamento”. La tecnica, descritta in dettaglio nell'articolo della rivista, si basa su una combinazione di meccanismi che possono impedire la propagazione delle crepe, interbloccare le superfici fratturate o deviare le crepe dal loro percorso rettilineo una volta formate», ha affermato Moini.
Il dottor Shashank Gupta (3), uno studente laureato a Princeton e coautore del lavoro, ha affermato che la creazione di materiale in calcestruzzo architettonico con la necessaria elevata fedeltà geometrica su larga scala in componenti edilizi come travi e colonne a volte richiede l'uso di robot. Questo perché attualmente può essere molto impegnativo creare disposizioni interne mirate di materiali per applicazioni strutturali senza l'automazione e la precisione della fabbricazione robotica. La produzione additiva, in cui un robot aggiunge materiale filo per filo per creare strutture, consente ai progettisti di esplorare architetture complesse che non sono possibili con i metodi di fusione convenzionali. Nel laboratorio di Moini, i ricercatori utilizzano grandi robot industriali integrati con elaborazione avanzata in tempo reale di materiali in grado di creare componenti strutturali a grandezza naturale che sono anche esteticamente gradevoli.
Come parte del lavoro, i ricercatori hanno anche sviluppato una soluzione personalizzata per affrontare la tendenza del calcestruzzo fresco a deformarsi sotto il suo peso.
«Quando un robot deposita il calcestruzzo per formare una struttura, il peso degli strati superiori può causare la deformazione del calcestruzzo sottostante, compromettendo la precisione geometrica della struttura architettonica risultante. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno mirato a controllare meglio la velocità di indurimento del calcestruzzo per evitare distorsioni durante la fabbricazione. Hanno utilizzato un avanzato sistema di estrusione a due componenti implementato nell'ugello del robot in laboratorio», ha affermato Gupta, che ha guidato gli sforzi di estrusione dello studio.
Il sistema robotico specializzato ha due ingressi: un ingresso per il calcestruzzo e un altro per un acceleratore chimico. Questi materiali vengono miscelati all'interno dell'ugello appena prima dell'estrusione, consentendo all'acceleratore di sveltire il processo di indurimento del calcestruzzo, garantendo al contempo un controllo preciso sulla struttura e riducendo al minimo la deformazione. Calibrando con precisione la quantità di accelerazione, i ricercatori hanno ottenuto un migliore controllo sulla struttura e ridotto al minimo la deformazione nei livelli inferiori.
Oltre a Moini, gli autori dell'articolo pubblicato su Nature Communications includono Arjun Prihar, Shashank Gupta e Hadi Esmaeeli di Princeton. Il supporto al progetto è stato fornito in parte dal National Science Foundation CMMI Advanced Manufacturing Program.
Riferimenti:
(1) Tough double-bouligand architected concrete enabled by robotic additive manufacturing
(2) Reza Moini
(3) Shashank Gupta
Descrizione foto: I robot forniscono la precisione e l'affidabilità necessarie per implementare il design. - Credit: Sameer A. Khan/Fotobuddy.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Double twist makes cracking easier to resist