Nell’ultimo decennio, materiali tessili avanzati sono stati sviluppati nell’ambito di un elevato numero di progetti di ricerca ed innovazione aventi come target in particolare il settore delle costruzioni, uno dei maggiori mercati per prodotti compositi basati su tessili tecnici, tra i più importanti comparti industriali ed economici dell’Unione Europea. Il giro di affari annuo del settore è stato stimato nel 2012 essere in circa 1.172 miliardi di euro, garantendo il 6,8% dei posti di lavoro in totale ed il 30,2% dell’impiego nel campo industriale nell’Unione Europea. Gli investimenti hanno rappresentato invece il 49,9% degli investimenti a capitale fisso (nota1).
Inoltre il mondo della progettazione, costruzione, mantenimento e ristrutturazione delle infrastrutture di ingegneria civile è la più grossa industria dell’EU27 rappresenta circa il 9,2% del prodotto interno lordo europeo e più di 3 milioni di imprese, la maggior parte piccole e medie (PMI), fornendo lavoro a più di 14 milioni di lavoratori senza contare gli effetti indiretti sull’impiego generato in altri settori (nota 2).
Materiali tessili sono utilizzati nelle costruzioni sia per applicazioni geotecniche (geo-tessili) sia per strutture per edifici. Il retrofitting di edifici esistenti così come l’utilizzo di soluzioni per strutture in terra sono particolarmente importanti, rispettivamente, per la protezione da terremoti di edifici storici e per evitare frane e cedimenti.
Strutture in muratura non rinforzate sono altamente vulnerabili in quanto progettate per carichi gravitazionali; di conseguenza non possono resistere a carichi orizzontali dinamici in caso di forti terremoti.
Strutture del suolo, come arginamenti, possono essere soggetti a frane dopo pesanti piogge o terremoti. Da qui è nata la necessità di trovare metodi efficienti per il retrofitting di edifici esistenti o per strutture in terra e relativi sistemi di monitoraggio per prevenire possibilmente danni strutturali.
Nelle architetture tessili, i tessili tecnici sono utilizzati per strutture semi-permanenti e temporanee, come facciate, coperture da stadi, dirigibili, palloni aerostatici, hangar o stazioni.
Esempi di compositi avanzati per il settore delle costruzioni comprendono strutture basate su tessili per la riabilitazione degli edifici, in grado di fornire funzioni di rinforzo e di monitoraggio. Geotessili avanzati sono utilizzati per la stabilizzazione e monitoraggio di strutture in terra come argini per ferrovie o strade o strutture di protezione della costa. Per finire, tessili tecnici ad alte performance sono impiegati per realizzare strutture tensili in grado di ricoprire vaste aree come stadi o aree di esibizioni.
In tutte queste applicazioni, i nuovi materiali offrono funzionalità innovative in aggiunta alle principali funzioni dei tessili tecnici standard. Le nuove funzionalità includono il monitoraggio dello stato di salute delle strutture, per fornire allarmi in caso guasto imminente, autoriparabilità, energy harvesting, ecc. La possibilità di integrare differenti tipi di sensori nei materiali tessili assicura importanti vantaggi. Per esempio, lo stato di salute di un edificio può essere determinato attraverso l’uso di tecniche di monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring-SHM) in differenti fasi del ciclo di vita dell’edificio, come durante la fase di costruzione, durante condizioni di servizio e dopo un evento disastroso. Il monitoraggio strutturale può essere usato prima di un evento per prendere misure preventive e dopo l’evento per valutare lo stato della struttura e la sua rimanente vita utile di servizio (nota 3). Misure nel tempo possono essere usate per tracciare cambiamenti nelle performance strutturali permettendo interventi di mantenimento e di riparazione.
Compositi avanzati
Un esempio rilevante in tal senso è rappresentato dal progetto europeo POLYTECT finanziato nell’ambito del Sesto Programma Quadro e concluso alla fine del 2010, che ha permesso di fare un grosso passo in avanti ai tessili tecnici attraverso lo sviluppo di tessili multifunzionali aventi sensori integrati, in particolare fibre ottiche da utilizzare in applicazioni geotecniche o in strutture in muratura (nota 4).
I compositi basati su tessili multifunzionali con sensori integrati e sviluppati nell’ambito del progetto rappresentano una soluzione innovativa per il rinforzo, monitoraggio e la gestione di infrastrutture di ingegneria civile vulnerabili a pericoli naturali quali terremoti (nota 5). Un esempio di tessile multifunzionale di POLYTECT è la cosiddetta “Tappezzeria composita antisismica” (nota 6). Quando viene applicata a strutture in muratura, questa tappezzeria antisismica “intelligente” in composito viene usata come una copertura completa non invasiva o come una soluzione di rinforzo di un’area estesa, rendendo l’edificio più duttile se sottoposto ad eventi sismici e permettendo il monitoraggio e la localizzazione di danni non visibili ad occhio nudo. Strutturalmente la tappezzeria sismica è costituita da una struttura tessile multi-assiale (fig.1) con fibre di vetro e tessili polimerici, che presenta integrati sensori a fibre ottica di tipo POF (fibra ottica polimerica) e FBG (sensori a reticolo di Bragg). Se sottoposta ad azioni dinamiche, come un evento sismico, la struttura composita lavora come un dispositivo passivo in grado di confinare i mattoni dell’edificio prevenendo la rottura fragile, assorbendo la quantità di energia che il terremoto sta trasferendo all’edificio e rendendo definitivamente la struttura più duttile e resistente. Dall’altro lato, i sensori a fibra ottica integrati nel composito permettono di capire il comportamento dell’edificio prima, durante e dopo l’evento, fornendo misure statiche e dinamiche localizzate e distribuite. I sensori possono rilevare crepe e/o cambiamenti nelle caratteristiche dinamiche (cioè le frequenze naturali) di un edificio, direttamente correlate al cedimento progressivo potenziale dell’edificio (nota 7).
La tappezzeria composita antisismica è stata inizialmente testata in condizioni di laboratorio su una singola struttura in muratura e poi usata in condizioni reali per rinforzare edifici storici. Un edificio rinforzato con una completa copertura è stato testato su una tavola vibrante presso il Centro Europeo di Formazione e Ricerca in Ingegneria Sismica (Eucentre) (fig.2 e 3) all’interno dell’iniziativa “Tessili Tecnici Polifunzionali per il Rinforzo di Strutture in Muratura” (Polymast) nell’ambito del progetto Series (nota 8). Questo lavoro ha avuto come obiettivo la descrizione dei miglioramenti garantiti dalla tappezzeria composita alla resistenza dell’edificio durante i test su tavola vibrante, mostrando i principali vantaggi che la struttura muraria può ottenere. Inoltre, le informazioni ottenute dai sensori hanno permesso di provare la validità, affidabilità e applicabilità della soluzione come sistema antisismico per nuove e vecchie strutture in muratura.
Ma questa non è il solo prototipo basato su composito sviluppato nell’ambito del progetto: vale la pena menzionare tra gli altri un rinforzo antisismico a striscia uni-assiale, un tessile tecnico sensorizzato per il rinforzo di edifici in muratura localizzati in aree soggette a terremoti. La striscia uni-assiale è costituita da tessuto unidirezionale con vetro “E” (fig.4) applicato sul substrato in muratura usando un sistema epossidico costituito da un primer epossidico, uno stucco ed una resina epossidica. Fornisce una capacità di rinforzo aumentando la forza, la resistenza e la duttilità di edifici o elementi in muratura. Le proprietà di rinforzo possono essere combinate con le informazioni relative al monitoraggio fornito dai sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg integrate nel tessuto.
Il progetto
Tuttavia, nonostante i vantaggi mostrati dai prototipi sviluppati nei progetti europei, molti professionisti del settore delle costruzioni non hanno informazioni su comportamento e caratteristiche di questi materiali e questo ne limita la capacità di sfruttarli.
Per questi materiali ad alte performance, alcuni provenienti dalla modifica di materiali esistenti, altri completamente nuovi, gli attuali codici di progettazione e norme possono essere applicabili oppure no: in generale nuovi codici, specifiche, linee guida per il loro uso o procedure di test sono richieste per favorire l’uso in fase di progettazione, costruzione e verifica dei nuovi edifici.
Lo scopo del progetto MULTITEXCO, della durata di tre anni co-finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro, è supportare la competitività delle PMI europee del settore delle costruzioni e dei settori dei compositi e dei tessili tecnici indirizzando i bisogni descritti sviluppando procedure di test, linee guida per la progettazione e l’uso dei nuovi materiali “intelligenti”. In particolare, i seguenti sotto-settori saranno indirizzati dal progetto: tessili tecnici per il rinforzo sismico delle strutture in muratura, strutture tessili multifunzionali per applicazioni geotecniche e tessili ad alte performance da usare in strutture tensili.
Per superare i limiti nel settore delle costruzioni, un gruppo di 5 associazioni di categoria provenienti da 5 paesi europei hanno deciso di affrontare questi problemi favorendo lo sviluppo e l’applicazione della nuova generazione di tessili tecnici multifunzionali.
Il progetto è coordinato da TEXCLUBTEC, l’associazione italiana dei tessili tecnici ed include nel consorzio anche l’associazione francese CLUBTEX, le associazione del settore delle costruzioni Catiedier (Turchia), VPI (Germania) e l’associazione spagnola “Asociacion de empresarios de la construccion, promocion y afines de la Rioja”. Inoltre, include 2 aziende, SELCOM (Italia) e Arimeks (Turchia) e 5 organizzazioni responsabili delle attività di ricerca del progetto: D’Appolonia (Italia), Karlsruhe Institute of Technology (Germania), Acciona (Spagna) e Centexbel (Belgio).
Per sfruttare pienamente le potenzialità della nuova generazione di tessili tecnici avanzati e di compositi intelligenti favorendone il loro effettivo uso, il progetto ha come target i seguenti obiettivi scientifici e tecnologici:
- Sviluppare una base di conoscenza per identificare e caratterizzare le performance di prodotti esistenti e dei nuovi prodotti sviluppati nell’ambito del progetto attraverso un esteso lavoro di caratterizzazione scientifica in laboratorio e di test sul campo. In particolare, questa attività comprenderà l’elaborazione di procedure di applicazione dei prodotti ed un lavoro di ricerca a livello prenormativo per ottenere linee guida in grado di abilitare lo sviluppo di futuri standard a livello europeo. Partendo da questo obiettivo, le attività di ricerca indirizzeranno le seguenti aree tematiche:
- sensori a fibra ottica da integrare in tessili tecnici sia per applicazioni geotecniche che per applicazione in strutture in muratura (per esempio: sensori POF, FBG ecc)
- strutture unidirezionali ottenute con la tecnica della maglieria a catena e strutture multiassiali usate come rinforzo nei compositi aventi sia funzionalità di rinforzo che di monitoraggio per strutture in muratura
- strutture tessili 3D tipo “corda” e strutture bidimensionali geotessili
- rivestimento per membrani tessili da utilizzare in strutture tensili
- metodi di test per caratterizzare completamente le sopra citate tecnologie
- procedure di applicazione.
- Sviluppare una piattaforma web collaborativa per la gestione della conoscenza da integrare nel sito web del progetto e da fornire alle Associazioni di settore. La piattaforma web includerà degli applicativi software come uno strumento di supporto “alla decisione” da fornire agli utenti finali per selezionare le soluzioni più adatte a seconda delle condizioni al contorno.
- Effettuare un’accurata analisi LCA (Analisi del ciclo di vita) e LCCA (Analisi dei costi del ciclo di vita). Le analisi LCA ed LCCA verranno effettuate sui nuovi tessili tecnici avanzati per verificare l’impatto delle nuove tecnologie sull’ambiente e i costi durante l’intero ciclo di vita.
- Fornire una base scientifica per favorire lo sviluppo di norme e standard nel settore costruzione per i nuovi tessili multifunzionali.
Uno stretto legame con gli organismi di standardizzazione sarà creato lungo il progetto per favorire nuovi standard o la modifica di standard esistenti con lo scopo di tenere in considerazione la nuova generazione di tessili multifunzionali e compositi intelligenti.
Il progetto è stato finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro ed è gestito dal REA- Research Executive Agency http://ec.europa.eu/research/rea (FP7/2007-2013) sotto il Grant Agreement N.606411.
Nota 1: The FIEC leaflet “key figures – activity 2012” Construction Sector (edition June 2013)
Nota 2: FIEC PRESS RELEASE – 06/06/2013
Nota 3: C. Fuggini, D. Zangani, P. Basso, S. Berardis, D. Donisi, A systematic approach for the Structural Health Monitoring of large infrastructures across different construction stages, proceedings of the 2nd Joint International Symposium on Deformation Monitoring (JISDM2013), September 2013, Nottingham, UK
Nota 4: T. Messervey, D. Zangani, Industrial Smart Material Applications: The Polytect Project and its expansion into the IMS program. Proceedings of the 4th International Conference on SHM of Intelligent Infrastructures (ISHMII09), July 2009, Zurich, Switzerland
Nota 5: C. Fuggini, L. Stempniewski The seismic wallpaper concept for earthquake retrofitting of masonry buildings, Nanoitaltex NANOITALTEX 2010, November 2010, Milan
Nota 6: http://www.jeccomposites.com/news/composites-news/intelligent-composite-seismic-wallpaper
Nota 7: C. Fuggini, E. Chatzi, D. Zangani, Combining Genetic Algorithms with a Meso-Scale Approach for System Identification of a Smart Polymeric Textile, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, Volume 28, Issue 3, pages 227–245, March 2013
Nota 8: http://www.series.upatras.gr/sites/default/files/file/SERIES_Polymast_final%20report.pdf
di Giannicola Loriga, Clemente Fuggini, Donato Zangani – D’Appolonia S.p.A.
