I materiali compositi, grandi alleati in edilizia, ancora poco sfruttati

Nascono dall’unione di due materiali acquisendo una volta combinati proprietà superiori ai singoli componenti, trovano applicazione in moltissimi ambiti tra cui quello edilizio, hanno grandissime potenzialità ma ancora in parte sconosciute. Sono i materiali compositi: l’architetto Simonetta Pegorari tra i massimi esperti della materia, ci aiuta a capirne peculiarità e possibili sviluppiIndice degli argomenti:

• Che cosa sono i materiali compositi e perché possono essere molto utili in edilizia
• Quali sono le applicazioni più interessanti dei materiali compositi in ambito edile. Alcuni esempi
• Perché scegliere i materiali compositi al posto di quelli tradizionali, quali sono i vantaggi?
• Quanto sono utilizzati in Italia?
• Esistono dei possibili limiti per il loro impiego in edilizia?
• Come rispondono i materiali compositi alle necessità di rispetto ambientale e progettazione sostenibile?

I materiali compositi uniscono caratteristiche uniche che, se ben sfruttate, assicurano migliori performance di quelle raggiunte dai materiali tradizionali. Parliamo prima di tutto di leggerezza e resistenza, ma anche stabilità dimensionale e una libertà creativa quasi totale, con la possibilità di ottenere qualsiasi forma. Abbiamo chiesto all’architetto Simonetta Pegorari – Consulente di Jec Group – di raccontarci caratteristiche, vantaggi, campi di applicazione e futuri sviluppi.

Che cosa sono i materiali compositi e perché possono essere molto utili in edilizia?

I compositi possono essere descritti come un insieme di due o più materiali diversi che quando combinati danno origine a un prodotto completamente nuovo che presenta proprietà superiori ai singoli componenti. Sono utilizzati in una gamma infinita di applicazioni: medicale e design, aerospaziale e automotive, come pure edile e ferroviario: infinito è l’elenco dei campi di utilizzo per questi materiali.
Non si deve confondere composito e plastica anche se, in effetti, quando alla plastica (ovvero a una resina) si aggiunge un materiale di rinforzo, il prodotto che ne deriva è uno dei più resistenti e versatili immaginabili.

Non per nulla sinonimo di composito è l’acronimo FRP (fiber reinforced plastics) che rappresenta la combinazione fra una resina polimerica (poliestere, epossidica, vinilestere, fenolica) e una fibra di rinforzo che può essere vetro, carbonio, kevlar e perfino canapa, bambù, lino (nel caso dei biocompositi).

A questi elementi di base si aggiungono altri materiali per modificare e migliorare il prodotto finale.

Caratteristiche dei materiali compositi sono leggerezza, resistenza alla trazione, all’impatto, alla corrosione, stabilità dimensionale, facilità di installazione e possibilità di ottenere praticamente qualsiasi forma e finitura. Per progettare con i materiali compositi si devono conoscere molto bene  materiali e tecniche  di lavorazione e aver chiari i risultati che si vogliono ottenere. I compositi, se utilizzati correttamente, portano a risultati migliori dei materiali tradizionali. Non dimentichiamo che l’Italia è il terzo produttore europeo di materiali compositi.

Grazie alle ampie potenzialità offerte dai materiali compositi e dalla loro tecnologia di lavorazione, è possibile realizzare forme sinuose, morbide, cave, di importanti dimensioni in pezzo unico, etc. caratteristiche non ottenibili con i materiali tradizionali. Inoltre, il rapporto peso/resistenza meccanica, impareggiabile nei materiali compositi, offre la possibilità di creare oggetti dalle grandi prestazioni.

In Italia, l’impiego di questi materiali in architettura e design è ancora piuttosto limitato. I compositi sono stati invece molto utilizzati per operazioni di restauro e di consolidamento ma in realtà le loro possibilità di utilizzo in architettura e product design sono praticamente illimitate.

Quali sono le applicazioni più interessanti dei materiali compositi in ambito edile?

Sono moltissime! Dai tondini in carbonio ai profili dei serramenti, dalle tubature all’impianto elettrico, per non dire dei casseri, reti, pavimentazioni, pannelli isolanti ecc. ecc. mi interrompo qui perché gli elenchi sono noiosi!

Il problema, secondo me, non è “quali” applicazioni ci sono ma sapere che esistono e saperle utilizzare, un problema di “conoscenza”da parte dei progettisti e degli addetti ai lavori.

Ci può fare qualche esempio di intervento con i materiali compositi?

A parte gli impieghi ingegneristici per il rinforzo e il consolidamento di cui parleremo più avanti, per il momento in Italia non abbiamo molti esempi di strutture realizzate in composito. Possiamo citare il caso dello Sheraton Malpensa Airport hotel, edificio disegnato dallo studio romano King & Rosselli.

La sua caratteristica peculiare è la struttura metallica di tre piani, rivestita da una “pelle” di  fibra di vetro, che lo rende simile a un grande oggetto di design. In questa applicazione, l’uso di compositi in fibra di vetro ha semplificato l’installazione, in quanto il migliore rapporto peso/volume, ha ridotto le problematiche di movimentazione e ha aumentato notevolmente la resistenza alla corrosione, al fuoco e all’acqua grazie a una resina poliestere speciale  la cui formulazione è tenuta riserva.

Altri Paesi già utilizzano da anni i compositi in architettura, particolarmente gli Emirati Arabi e l’Arabia Saudita. Un esempio recente è il Museo del futuro di Dubai attualmente in costruzione (Museum of the Future) Si tratta di una struttura con un’imponente facciata composta da 1.020 pannelli ignifughi in composito. L’edificio è un buon esempio dei vantaggi della costruzione con i compositi avanzati. I preimpregnati leggeri in fibra di vetro e carbonio sono combinati con un rivestimento esterno in acciaio inossidabile.

La Notus Composites (Emirati Arabi Uniti), che ha fornito i pannelli, ha prodotto un milione di metro quadrati di preimpregnato epossidico ignifugo rinforzato con fibra di vetro per essere utilizzato nel Museum of the Future.

I materiali FRP sono correntemente utilizzati anche per diversi progetti infrastrutturali di alto profilo in Medio Oriente, ricordiamo le avveniristiche cinque stazioni della ferrovia Haramain (450 km) ad alta velocità che collega le città sante di Medina e Mecca, appena inaugurata da Re Salman dell’Arabia Sudita.

Anche in Gran Bretagna i materiali compositi vengo utilizzati nel settore edilizia/costruzioni (ponti, viadotti, stazioni ferroviarie ecc.), così come in Olanda e in molti altri Paesi.

Perché scegliere i materiali compositi al posto di quelli tradizionali? Quali sono i vantaggi?

Leggerezza e resistenza sono le parole chiave. La riduzione di peso rappresenta un fattore fondamentale nei diversi settori industriali perché significa risparmio energetico, questo il motivo per il quale gli aerei e i treni sono costruiti in composito, così come le automobili da corsa e di alta gamma, le moto e le attrezzature sportive ecc.

Nello specifico, parlando di architettura e design, oltre alla leggerezza la parola chiave è libertà creativa (quasi) totale. Grazie alle ampie potenzialità offerte dai compositi, è possibile realizzare forme di ogni tipo sia di importanti dimensioni sia in pezzo unico, etc. caratteristiche non raggiungibili con altri materiali poiché i compositi possono essere progettati per tutti gli utilizzi. Spesso offrono prestazioni molto migliori rispetto ai materiali convenzionali, sono ideali per tutti i tipi di applicazioni architettoniche. il settore edilizio è ora visto come uno dei maggiori settori di sviluppo per i compositi.

Casseri riciclabili, pannelli isolanti, arredo urbano, l’edilizia è uno dei settori dai quali l’industria si aspetta importanti impulsi di crescita per i produttori e i trasformatori di compositi rinforzati con fibre. L’anno scorso, il 35 percento del VTR prodotto in Europa è stato prodotto per l’industria delle costruzioni.

Nel frattempo, i settori delle costruzioni e delle infrastrutture  sono quelli dai quali l’industria si aspetta importanti impulsi di crescita per i produttori e i trasformatori di compositi rinforzati con fibre.

Secondo il “Composites Market Report 2018” dell’associazione di categoria Composites Germany, il settore delle costruzioni / infrastrutture è un mercato futuro importante.

In particolare per la pultrusione. Il volume dei componenti in vetroresina prodotti in questo modo è aumentato di una media superiore al 3,4% nel 2018. Pertanto, è proseguito lo sviluppo positivo degli anni passati. Il volume totale della produzione è ora pari a 151.000 tonnellate.

I profili prodotti vengono utilizzati principalmente per le facciate. Gli esperti menzionano anche la costruzione di ponti, profili di finestre e scale / scale, ma anche sistemi di rinforzo. In particolare nel settore delle costruzioni / infrastrutture, oltre alla costruzione leggera, le proprietà dei materiali come la resistenza alla corrosione, la libertà dalla manutenzione in larga misura, la possibilità di costruzione conforme al carico e la non conduttività di corrente e temperatura svolgono un ruolo centrale.

Secondo il rapporto di mercato, le attuali ampie attività di ricerca si concentrano su inserti rinforzati con fibre per metodi di costruzione in calcestruzzo (ad es. Armature, tappeti / reti strutturali), per la sostituzione di rinforzi in acciaio. La resistenza alla corrosione dei compositi CFRP porterebbe a risparmiare grandi quantità di calcestruzzo, poiché gli spessori minimi delle pareti necessari per impedire la penetrazione dell’umidità possono essere significativamente ridotti.

Secondo gli esperti, tuttavia, al momento mancano ancora le omologazioni e gli standard generali corrispondenti. Questa mancanza di “sicurezza” porta ancora a una grande riluttanza da parte di molti architetti e decisori materiali. Inoltre, molti decisori non sono ancora sufficientemente consapevoli delle proprietà positive del GRP rispetto ad altri materiali da costruzione.

Quanto sono utilizzati in Italia?

L’Italia presenta un patrimonio edilizio di particolare importanza dal punto di vista storico e architettonico. Infatti, secondo i dati ISTAT dell’ultimo censimento (2011), in Italia il 74,1% degli edifici residenziali è stato costruito prima del 1980, e di questi, il 35% è stato realizzato prima del 1946.

In questo contesto, assume un ruolo sempre più importante la riabilitazione e riqualificazione strutturale mediante l’utilizzo di nuovi materiali quali i compositi fibrorinforzati. Con l’acronimo FRP si fa riferimento a un’ampia gamma di materiali composti da fibre di rinforzo immerse in una matrice polimerica, principalmente applicati ad elementi in c.a, strutture in muratura, legno e metalliche, calcolate con software dedicati al calcolo strutturale o verifiche locali.

Le linee guida e la normativa a cui è possibile fare riferimento sono: il Decreto del Presidente del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici n.293 del 29.05.2019, Linea Guida per l’identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di compostiti fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti, e il CNR-DT 200 R1/2013 (Consiglio Nazionale delle Ricerche) Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati. 

Esistono dei possibili limiti per il loro impiego in edilizia?

Se si intendono limiti quantitativi o strutturali la risposta è “NO”

Il problema maggiore è:

1-al momento mancano ancora le omologazioni e gli standard generali corrispondenti. Questa mancanza di “sicurezza” porta ancora a una grande riluttanza da parte di molti architetti e decisori materiali. Inoltre, molti decisori non sono ancora sufficientemente consapevoli delle proprietà positive del GRP rispetto ad altri materiali da costruzione.

2- La mancanza di conoscenza dei compositi da parte dei progettisti, degli imprenditori e delle maestranze che vedono ancora con sospetto l’uso di questi materiali.

Quanto è importante la formazione per utilizzarli nel migliore dei modi?

Da quanto detto precedentemente, si comprende come la formazione sia essenziale. Per utilizzare nuovi materiali ovviamente bisogna conoscerli, quindi preparare progettisti, tecnici e maestranze è fondamentale.

Nel corso degli ultimi anni molto si sta facendo in questo senso in alcune università italiane, come il Politecnico di Milano, tanto per fare un esempio, ma moltissimo resta da fare.

Parlando di costi, quanto incide l’uso dei materiali compositi rispetto a quelli tradizionali?

Dipende dal tipo di impiego che determina il tipo di composito utilizzato.Per la maggior parte degli impieghi il costo è più o meno lo stesso con il vantaggio della resistenza alla corrosione e al degrado che ne prolungano la durata. Ma ripeto, dipende da cosa si vuol fare, la risposta varia caso per caso

In questi anni è diventato sempre più centrale nella progettazione il tema del rispetto dell’ambiente e della progettazione sostenibile. Come rispondono i materiali compositi a queste necessità?

Recentemente, con l’aumentare dei problemi legati all’inquinamento e la ricerca di nuove fonti di energia rinnovabile, è sempre maggiore l’interesse nei prodotti naturali che non danneggiano l’ambiente. Nel campo specifico dei compositi, la ricerca si sta concentrando soprattutto sull’utilizzo delle fibre naturali.

Sono chiamati biocompositi quei tipi di FRP che derivano completamente o parzialmente dalle piante. Da una decina d’anni l’interesse per questi prodotti è sempre cresciuto e in molti casi si è arrivati all’utilizzo industriale di biocompositi.  Per esempio, le fibre naturali corte e la polvere di legno sono usate come filler in edilizia, componenti automobilistici come cruscotti e pannellature, arredi e treni. Le fibre vegetali lunghe che si ottengono da lino, canapa, bambù, iuta, sono utilizzate come rinforzo strutturale per sostituire la fibra di vetro.

Per produrre bio-fibre è necessaria una agricoltura “di ricerca” che vede l’applicazione di tecniche particolari di coltivazione che includono speciali tipi di fertilizzanti e di antiparassitari e naturalmente una tecnologia di preparazione particolarmente avanzata. Solo le fibre lunghe possono essere impiegate nella produzione di tessuti tecnici, le loro proprietà sono ottimizzate da successivi trattamenti come bollitura, candeggiatura e altri trattamenti. Queste fibre, oltre che essere meno costose del vetro sono anche innocue per l’uomo se inalate, non sono abrasive e naturalmente sono biodegradabili. L’unico aspetto negativo è l’idrofilia di queste fibre che quindi devono essere protette altrimenti assorbono l’umidità con le conseguenze negative facilmente immaginabili.

E’ evidente che, perché un composito sia veramente biodegradabile, è necessario che anche la resina e non solo il materiale di rinforzo lo sia. Una azienda belga, produce resine che derivano dalla biomassa di scarto prodotta dagli zuccherifici. La  resina così prodotta permette di ottenere un composito totalmente derivato dalla natura. Le proprietà fisiche di questi compositi sono quasi le stesse di quelli tradizionali compresa una notevole resistenza alla corrosione.

Quale opportunità rappresenta per le aziende la partecipazione al JEC WORLD – Salone Mondiale dei materiali compositi che si svolgerà a Parigi dal 12 al 14 maggio 2020?

Il Jec World di Parigi è il più importante evento fieristico al mondo dedicato ai materiali compositi dove la partecipazione internazionale è altissima sia per espositori sia per visitatori. Visitare o esporre al Jec World, significa avere le possibilità di conoscere tutto il mondo dei materiali compositi e entrare in contatto con tecnici, ricercatori, dirigenti e decision makers del settore.

Tutte le ultime novità relative a ricerca e produzione sono a disposizione e da alcuni anni si sono aggiunti due settori correlati di grande importanza come la Stampa 3D e la Robotica.

Per rispondere sinteticamente a perché partecipare: “perché il Jec è il Jec!”

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