Smart Circular Bridge made of Bio-composite

Un materiale antico viene riscoperto: il lino accompagna l’umanità da migliaia di anni sotto forma di abiti, sacchi e robuste corde navali. Oggi le fibre vegetali stanno vivendo una rinascita e potrebbero diventare il materiale da costruzione del futuro. Combinate con una speciale bio-resina, possono essere trasformate in un materiale leggero e altamente resistente, con proprietà paragonabili all’alluminio o all’acciaio. Il progetto europeo “Smart Circular Bridge” dimostra cosa sia possibile realizzare con questo nuovo materiale innovativo: attraverso lo sviluppo di tre ponti realizzati con il cosiddetto bio‑composito. Il primo è già stato costruito e altri due seguiranno.

In un’epoca di cambiamento climatico e di progressivo esaurimento delle materie prime, i bio‑compositi offrono una grande opportunità per l’industria delle costruzioni, caratterizzata da un elevato impatto in termini di emissioni di CO₂ e da un enorme consumo di risorse. Essi presentano un enorme potenziale per un’economia circolare basata su materiali biologici.

Team interdisciplinari guidano lo sviluppo

Il primo “Smart Circular Bridge”, con una campata di 15 metri, è stato realizzato da un consorzio internazionale composto da 15 partner, guidato dall’Università Tecnologica di Eindhoven nei Paesi Bassi. Il team di progetto comprende cinque università, sette aziende innovative e tre comuni. Il primo ponte, installato presso l’esposizione internazionale di orticoltura Floriade ad Almere (Paesi Bassi), sarà inaugurato il 22 aprile. Altri due ponti “Smart Circular Bridge” per pedoni e ciclisti saranno costruiti a Ulm, in Germania, e a Bergen op Zoom, nei Paesi Bassi, rispettivamente nel 2022 e nel 2023. Grazie a questa intensa collaborazione tra mondo accademico, industria e autorità locali, viene avviata una vasta gamma di innovazioni.

Test di laboratorio per comprendere il comportamento a lungo termine

Uno degli obiettivi della ricerca sui ponti Smart Circular è comprendere il comportamento a lungo termine dei compositi rinforzati con fibre naturali, con l’obiettivo di impiegarli in grandi progetti con una durata di diversi decenni.

A tal fine, i bio‑compositi sono stati analizzati in laboratorio valutandone la resistenza a trazione e compressione, nonché la rigidità del materiale in diverse condizioni ambientali, come l’esposizione ai raggi UV o all’umidità. L’attenzione si è concentrata in particolare sulla resistenza alla fatica e sull’invecchiamento del materiale.

Monitoraggio in tempo reale – su una dashboard pubblica

Un aspetto complementare della ricerca è il monitoraggio strutturale avanzato dello stato di salute dei tre ponti. Il sistema utilizzato è simile a quello impiegato nei parchi eolici offshore. Ciò significa che i ponti non vengono controllati periodicamente, ma monitorati continuamente in tempo reale.

Il sistema di monitoraggio ha due compiti principali. Innanzitutto, garantisce la sicurezza del ponte rispetto ai requisiti strutturali, un aspetto fondamentale quando si utilizzano materiali relativamente nuovi in strutture portanti. I dati raccolti continuamente forniscono un quadro preciso delle condizioni del ponte e permettono anche di stimarne la durata.

Soprattutto, però, i quasi cento sensori installati forniscono costantemente una grande quantità di dati sul comportamento del materiale nella vita reale. Come i risultati dei test di laboratorio, i dati in tempo reale servono a verificare i modelli a elementi finiti adottati e le proprietà dei materiali previste. In questo modo, il progetto contribuisce a un’intensa attività di ricerca in tempi relativamente brevi. I dati dei sensori sono consultabili in tempo reale su una dashboard pubblica:
dashboard.smartcircularbridge.eu/

Monitoraggio con tre tipi di sensori e intelligenza artificiale

I sensori in fibra ottica forniscono informazioni sulle deformazioni del ponte nelle diverse direzioni. Non sono installati all’esterno, ma integrati longitudinalmente all’interno del materiale bio‑composito. Presentano un grande vantaggio: anche in caso di rottura di una fibra ottica, i sensori continuano a trasmettere i dati attraverso una seconda interfaccia intatta.

I sensori di temperatura forniscono dati utili per il confronto con le deformazioni e sono anch’essi collocati all’interno del ponte.

I sensori di accelerazione rilevano anche le vibrazioni più lievi e forniscono informazioni, ad esempio, sulla frequenza di oscillazione del ponte sotto l’effetto del vento o dei carichi dinamici del traffico.

Questi dati vengono registrati continuamente e inizialmente elaborati direttamente sul ponte, quindi inviati a un server e sintetizzati. Attraverso l’intelligenza artificiale vengono estratte caratteristiche e parametri significativi che descrivono il comportamento e lo stato della struttura. Se viene raggiunto un valore limite predefinito, il sistema emette immediatamente un allarme per garantire la sicurezza del ponte.

Nella prima fase del progetto sono già stati effettuati test su modelli di grandi dimensioni. Il monitoraggio sul ponte reale prosegue la raccolta dati a un livello superiore, in condizioni operative quotidiane. In combinazione con la ricerca sui materiali, consente anche di stimare la cosiddetta vita utile residua.

I partner puntano a una durata dei ponti Smart Circular paragonabile a quella dei ponti convenzionali in polimeri rinforzati con fibra di vetro, ma con tutti i vantaggi dei bio‑compositi in termini di economia circolare e protezione del clima.

Materiale

Il primo Smart Circular Bridge di Almere utilizza circa 3,2 tonnellate di fibre di lino, provenienti principalmente dalla Francia. Le fibre, intrecciate in stuoie, sono impregnate con una resina poliestere. Nel primo ponte, il 25% della resina è di origine biologica. Per i ponti futuri, l’obiettivo è aumentare questa percentuale fino a circa il 60%. A tal fine vengono utilizzati sottoprodotti della produzione di biodiesel e bottiglie in PET riciclate.

Le innovazioni del progetto comprendono lo sviluppo di una resina adatta a gestire l’umidità residua delle fibre di lino, nonché di un accelerante privo di cobalto. Uno dei vantaggi di questo materiale composito è che il lino è una pianta a crescita rapida rispetto, ad esempio, al legno. Inoltre, a livello globale, sono disponibili anche altre fibre come materie prime per bio‑compositi ad alte prestazioni.

Costruzione

La struttura del ponte è composta da un impalcato e da una ringhiera in bio‑composito, oltre che da spalle con rampe di accesso. L’impalcato è formato da una struttura scatolare rettangolare multicellulare con anime longitudinali continue e pareti trasversali alle estremità. La larghezza è di 3 metri, l’altezza di 90 cm e la campata di 15 metri.

Lo spessore dei pannelli varia da 15 mm per le anime longitudinali a 20 mm per l’intradosso e 25 mm per il piano di calpestio. I calcoli strutturali dell’Università di Eindhoven dimostrano che queste dimensioni sono sufficienti a sostenere i carichi richiesti: carichi permanenti, carichi distribuiti e un carico veicolare con assi da 2 x 25 kN.

Le spalle sono costituite da una paratia di pali, due pali trivellati e una trave in acciaio che collega i pali e supporta il ponte. I carichi verticali vengono trasferiti ai pali tramite la trave in acciaio, mentre le reazioni orizzontali sono trasmesse alle palancole. Le rampe di accesso sono realizzate con lastre in calcestruzzo su un letto di sabbia.

Produzione

Il ponte viene realizzato come elemento unico mediante un processo di infusione sottovuoto. In una prima fase, uno stampo negativo viene ricoperto con stuoie di fibre di lino. Successivamente, blocchi di schiuma poliuretanica (35 kg/m³), rivestiti in lino, vengono posizionati ravvicinati.

L’intero sistema viene quindi ricoperto nuovamente con stuoie e sigillato con un sacco da vuoto. Dopo l’estrazione dell’aria, il vuoto consente alla resina di fluire uniformemente, riempiendo tutte le cavità. Durante questo processo, i blocchi si compattano tra loro. La resina polimerizza in circa un giorno, completando l’elemento.

Innovazione nel design

Un’altra innovazione riguarda la ringhiera del ponte, anch’essa realizzata in bio‑composito. Viene prodotta roboticamente mediante una tecnica di avvolgimento senza anima. I fasci di fibre naturali di lino, disposti in una struttura triangolare, sono collegati alla trave principale tramite elementi trasversali a sbalzo.

Questo design sottolinea la leggerezza e la finezza della struttura, evidenziando al contempo le potenzialità estetiche e tecniche dei bio‑compositi e delle fibre naturali.

Per informazioni di contatto dettagliate, consultare il comunicato stampa: Smart Circular Bridge made of Bio-composite – Press Release.