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Nuove forme per costruire ponti più leggeri e sostenibili

Realizzare ponti sempre più lunghi e da record, ottimizzando la forma della struttura per spingere la progettazione a livelli mai visti. Ecco la ricerca sviluppata dalla Technical University of Denmark, un lavoro diventato la più grande ottimizzazione strutturale mai realizzata.

I ponti di nuova costruzione potranno essere più leggeri e più sostenibili grazie a nuove forme finora mai realizzate. Una ricerca sviluppata dalla Technical University of Denmark e pubblicata su Nature Communication dimostra come è possibile ridurre il materiale utilizzato per la realizzazione di un ponte sospeso di oltre il 25%, portando ad un risparmio fino al 30% delle emissioni di CO₂. L’obiettivo di questo studio è di soddisfare la richiesta di ponti sempre più lunghi e da record, ottimizzando la forma della struttura per spingere la progettazione a livelli mai visti. I risultati della ricerca indicano un grande potenziale.

Ponti più leggeri per la loro forma

La ricerca, portata avanti da Niels Aage e da Ole Sigmund, si basa su un raffinato lavoro computazionale tramite l’uso di un supercomputer PRACE. Queste le parole dei due ingegneri: “Abbiamo applicato diversi metodi per esaminare come utilizzare al meglio i materiali, principalmente in acciaio e cemento. Inizialmente, abbiamo cercato di ottimizzare il loro uso nelle strutture tradizionali utilizzando diaframmi trasversali nel ponte, ottenendo così una riduzione teorica del peso fino al 14%“.

Nuove forme per costruire ponti più leggeri e sostenibili
Un esempio di che cosa è l’ottimizzazione topologica. PH: www.hisour.com

Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno modificato il progetto strutturale del ponte sospeso di Osman Gazi, in Turchia. Ciò è stato fatto utilizzando l’ottimizzazione topologica, un metodo noto nell’industria automobilistica e aeronautica ma mai utilizzato in precedenza per strutture civili così grandi. Questo metodo matematico si basa nello “svuotare” le travi di supporto dell’impalcato del ponte, offrendo la completa libertà di scegliere un nuovo design. Il volume interno della travi viene quindi diviso in una struttura di voxel molto piccoli, ovvero pixel in 2D.

Il metodo di ottimizzazione della topologia definisce quindi se ogni singolo voxel deve essere costituito da aria o da materiale d’acciaio. Il risultato è quello di una trave che utilizza il meno possibile acciaio senza compromettere la resistenza della struttura. In particolare, è stato analizzato un elemento di 30 x 5 x 75 metri, diviso in 2 miliardi di voxel, ciascuno non più grande di pochi centimetri. Un progetto dall’onere computazionale gigantesco che è stato eseguito da un supercomputer. Processare questi dati con un normale computer, infatti, avrebbe richiesto 155 anni. E questa ricerca infatti è per questo diventata la più grande ottimizzazione strutturale mai realizzata.

Il risultato dell’ottimizzazione

L’interpretazione del risultato dell’ottimizzazione, molto complicata e onerosa, ha portato a un nuovo design più semplice, visibile in rosso nella figura in basso. Come si nota, rispetto al design originale in blu, parte dei diaframmi trasversali dell’impalcato del ponte sono stati curvati. Questa mossa ha permesso di eliminare il 28% del materiale utilizzato per la costruzione di questa parte del ponte, ottenendo una corrispondente riduzione delle emissioni di CO₂. Questo perché meno materiale utilizzato significa meno inquinamento dovuto alla produzione e al trasporto in situ dell’acciaio.

Nuove forme per costruire ponti più leggeri e sostenibili
Il risultato dell’ottimizzazione topologica è visibile in rosso. In blu il design originale dell’impalcato del ponte. PH: mek.dtu.dk

Abbiamo interpretato e modificato i calcoli in modo che il risultato fosse quello di una struttura con un design ottimale, che può essere eseguito senza metodi di produzione troppo costosi. L’aspetto economico è importante affinché la progettazione sia un’opzione realistica per i futuri progetti di ponti “, afferma Mads Jacob Baandrup.

Il futuro dei ponti sospesi

Naturalmente saranno necessarie ulteriori analisi prima che questo nuovo design possa essere utilizzato nella realità per costruire ponti più leggeri. I ricercatori però sono fiduciosi che i risultati raggiunti aggiungano preziose conoscenze ai ponti sospesi, il cui sviluppo tecnologico è molto lento da circa ultimi 60 anni. Il nuovo design delle travi dell’impalcato può essere convertito in una riduzione di peso e CO₂ fino al 20% per l’intero ponte.

“Riteniamo che ci siano grandi prospettive nell’uso dell’ottimizzazione della topologia per garantire la progettazione sostenibile di altre grandi strutture CIVILI, come grattacieli, stadi o ponti autostradali”

Dati i risultati promettenti del lavoro, i ricercatori non vogliono fermarsi qui e puntano ad esplorare ancora di più il campo delle grandi costruzioni civili. Il settore delle grandi costruzioni rappresenta infatti il 39% delle emissioni globali di CO₂. In questo momento, anche una piccola riduzione può essere fondamentale per il futuro del pianeta.

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Massimiliano Russohttp://building.closeupengineering.it
Laureato Triennale in Ingegneria Civile e Ambientale presso il Politecnico di Bari, laureato Magistrale in Ingegneria Strutturale presso l'Università di Pavia. Responsabile editoriale di BuildingCuE, in passato ha scritto anche per Teknoring. La divulgazione scientifica rappresenta la sua missione quotidiana.