Imparare dalla natura: la strategia degli echinoidi per progettare strutture a guscio leggere e resistenti

Lo scorso 25-26 giugno 2020 si è tenuto il primo workoshop italiano dedicato ai Gusci e alle Strutture Spaziali, IWSS2020. Per conoscere più nel dettaglio alcuni degli argomenti trattati INGENIO in collaborazione con la Società Italiana di Scienza delle Costruzioni sta pubblicando alcuni abstract con la relativa presentazione VIDEO della memoria.

La progettazione di strutture a guscio leggere e resistenti 

La progettazione di strutture a guscio leggere e resistenti è un problema di particolare interesse per l’ingegneria strutturale. Queste strutture possono essere progettate mediante una opportuna integrazione di forma, struttura e funzione al fine di renderle in grado di resistere efficacemente ad una grande varietà di condizioni di carico. In natura è possibile ammirare una diversità illimitata di strutture a guscio, altresì particolarmente efficienti dal punto di vista strutturale e funzionale, adatte a resistere ai forti carichi ambientali biotici e abiotici [1]. Grazie ad un approccio basato sulla comprensione e il trasferimento delle soluzioni presenti in natura, lo studio delle strutture biologiche può portare all'acquisizione di nuove strategie funzionali e alla realizzazione di costruzioni bio-ispirate estremamente innovative [2, 3].

In tale contesto, il presente lavoro riguarda lo studio approfondito del funzionamento meccanico del guscio degli echinoidi, comunemente conosciuti come ricci di mare. Il fine è quello di impiegare le strategie progettuali messe a punto da milioni di anni di evoluzione naturale per la realizzazione nuove strutture a guscio leggere ed in grado di resistere efficacemente a diverse condizioni di carico. 

A tal fine, la struttura scheletrica della teca del riccio comune Paracentrotus lividus (Lamarck, 1816) è stata studiata mediante una preliminare analisi visiva ed analizzata attraverso prove di flessione su tre punti. Successivamente la teca è stata riprodotta in un modello digitale 3D attraverso una tecnica di rilievo fotogrammetrico. In questo modo è stato possibile ottenere la geometria di base del guscio, da utilizzare per la preparazione di un modello agli elementi finiti. Le analisi numeriche hanno evidenziato il ruolo meccanico della specifica organizzazione strutturale della teca. Questa è caratterizzata da una struttura discontinua suddivisa in piastre pressocché esagonali unite da suture di collagene parzialmente flessibili. Se confrontata con un guscio monolitico dalla geometria identica, è possibile notare come la suddivisione in piastre consenta di ridurre significativamente le azioni flessionali agenti su di esso.

Figura 1. Da modello biologico (P,lividus) ad applicazione tencica (struttura a guscio bioispirata): Teca di P.lividus (a); Azioni flessionali sulla teca di echinoide (b) e sulla struttura a guscio bioispirato (c): modello monolitoco (sinistra) o segmentato (destra). 

Questa strategia è stata astratta ed applicata alla progettazione di una nuova struttura a guscio in plexiglass concepita quale divisore di spazi per mostre ed eventi fieristici in uno scenario post-COVID-19. Tale struttura è composta da moduli esagonali rigidi con giunti flessibili. Le analisi numeriche hanno mostrato l’efficacia dello schema strutturale bioispirato nel resistere alle azioni da vento, gravitazionali, antropiche e sismiche.

GUARDA IL VIDEO DELLA PRESENTAZIONE 

Keywords: Progettazione bioispirata, echinoidi, morfologia, gusci strutturali, membrane strutturali. 

References

• [1] S. A Wainwright et al., Mechanical design in organisms. Edward Arnold Publishers, 1982.
• [2] F. Marmo et al., “Bioinspired design of shell structures: a lesson from echinoids” in 60th Ann. Symp. of the IASS, 9th Int. Conf. on Textile Comp. and Infl. Struct., Form and Force, October 7-10, 2019, Barcelona, Spain. 
• [3] T. Wester, Structural order in space: the plate-lattice dualism. Plate Laboratory, Royal Academy of Arts, School of Architecture, 1984.