Progettazione sismica ecoefficiente: come l'ottimizzazione parametrica può ridurre CO₂ e costi nelle strutture in calcestruzzo

Ridurre le emissioni di CO₂ nel settore delle costruzioni significa intervenire non solo sui materiali, ma anche sul modo in cui le strutture vengono progettate. La ricerca presentata da Vittoria Borghese mostra come l'ottimizzazione parametrica possa supportare una progettazione sismica più efficiente, capace di minimizzare l'impiego di calcestruzzo e acciaio nel rispetto delle normative vigenti. Attraverso algoritmi genetici, modelli parametrici e l'analisi di differenti mix design, lo studio apre nuove prospettive per coniugare sicurezza strutturale, sostenibilità ambientale e contenimento dei costi.

Dalla progettazione tradizionale alla progettazione strutturale orientata alla sostenibilità

La sostenibilità delle costruzioni non dipende soltanto dall'impiego di materiali a basse emissioni, ma anche dalle scelte progettuali che determinano quantità di calcestruzzo, armature e prestazioni strutturali. La ricerca presentata da Vittoria Borghese, sviluppata durante il dottorato all'Università degli Studi Roma Tre in collaborazione con Camillo Nuti e Cristoforo De Martino e presentata ad ICC 2026, affronta proprio questo tema, proponendo un approccio innovativo alla progettazione sismica delle strutture in calcestruzzo armato.

Attraverso modelli parametrici, algoritmi genetici e processi di ottimizzazione automatica, lo studio dimostra come sia possibile progettare edifici conformi alle normative riducendo contemporaneamente impatto ambientale e costi di realizzazione.

Negli ultimi anni il settore delle costruzioni è stato chiamato a ridurre drasticamente il proprio impatto ambientale, considerando che il calcestruzzo rappresenta una delle principali fonti di emissioni di CO₂ lungo l'intero ciclo edilizio. Se gran parte della ricerca si concentra sullo sviluppo di cementi a minore impronta carbonica o sull'impiego di aggregati riciclati, il lavoro illustrato da Vittoria Borghese sposta l'attenzione su un altro aspetto fondamentale: progettare meglio, prima ancora che progettare con materiali migliori.

L'obiettivo dello studio è infatti dimostrare come la progettazione strutturale possa diventare uno strumento di sostenibilità, riducendo il quantitativo di materiale necessario senza compromettere sicurezza e affidabilità.

La ricerca costituisce una delle due anime della tesi di dottorato: mentre un filone è dedicato agli interventi di miglioramento sismico delle infrastrutture esistenti, questa parte si concentra esclusivamente sulla progettazione di nuove strutture in calcestruzzo armato.

Per sviluppare l'attività sperimentale è stata avviata una collaborazione con Buzzi Unical, che ha fornito dati reali relativi a differenti mix design di calcestruzzo, comprendenti diverse classi di resistenza, differenti tipologie di cemento, aggregati naturali e riciclati e calcestruzzi alleggeriti.

Il modello parametrico che progetta e verifica automaticamente la struttura

Il cuore della ricerca è rappresentato dallo sviluppo di un modello parametrico capace di progettare e verificare automaticamente edifici intelaiati con pareti di taglio.

L'intero edificio viene definito attraverso pochi parametri iniziali: numero e dimensione delle campate, altezza dei piani, caratteristiche meccaniche dei materiali, zona sismica, carichi e requisiti normativi. Da questi dati il software genera automaticamente il modello strutturale, esegue le analisi elastiche e procede alla progettazione delle armature.

L'algoritmo integra direttamente i requisiti delle NTC 2018 e dell'Eurocodice, verificando che ogni elemento soddisfi le prescrizioni normative con il minimo quantitativo possibile di acciaio.

La geometria viene rappresentata mediante elementi monodimensionali che descrivono travi, pilastri, pareti di taglio ed eventuali elementi secondari, assumendo impalcati infinitamente rigidi e vincolo d'incastro alla base.

Una caratteristica particolarmente interessante è la completa automazione del processo progettuale: l'utente fornisce esclusivamente i dati iniziali, mentre il programma genera il progetto strutturale verificato, restituendo come output i volumi di calcestruzzo e le quantità di acciaio necessari.

Per ampliare il campo di indagine sono state eseguite centinaia di simulazioni variando automaticamente parametri come geometria, configurazione strutturale e livello di pericolosità sismica, così da costruire un database sufficientemente ampio per confrontare le diverse soluzioni progettuali.

Algoritmi genetici per minimizzare armature, costi ed emissioni

La fase più innovativa del lavoro riguarda l'impiego degli algoritmi genetici come motore dell'ottimizzazione.

Per ciascun elemento strutturale il software ricerca automaticamente la combinazione ottimale di numero e diametro delle barre di armatura, sia longitudinali sia trasversali, rispettando contemporaneamente tutte le verifiche richieste dalla normativa.

L'algoritmo lavora su specifiche funzioni obiettivo finalizzate alla minimizzazione dell'acciaio, mentre i vincoli progettuali comprendono sia i requisiti geometrici sia quelli derivanti dalla progettazione in capacità prevista dalle norme sismiche.

Lo stesso approccio viene applicato non soltanto alle travi, ma anche ai pilastri e alle pareti di taglio, che risultano più complesse per il maggior numero di variabili coinvolte nella progettazione.

In questo modo il progettista dispone di uno strumento capace di individuare automaticamente la soluzione più efficiente, riducendo il rischio di sovradimensionamenti spesso inevitabili nella progettazione tradizionale.

Il ruolo degli elementi secondari nella riduzione delle emissioni

Uno degli aspetti più originali dello studio riguarda l'utilizzo degli elementi strutturali secondari.

Le normative consentono infatti di classificare alcuni elementi come secondari quando il loro contributo complessivo alla rigidezza e alla resistenza dell'edificio rimane entro limiti prestabiliti. In questi casi tali elementi non sono chiamati a resistere direttamente alle azioni sismiche orizzontali e possono quindi essere progettati con criteri assimilabili alle condizioni non sismiche.

Partendo dall'osservazione che molti edifici italiani dispongono di nuclei scala e ascensori con pareti in calcestruzzo armato capaci di assorbire gran parte delle azioni sismiche, la ricerca ha valutato quanto possa essere conveniente trasformare la restante parte della struttura in elementi secondari.

Le simulazioni mostrano risultati particolarmente significativi. Pur diminuendo il numero di configurazioni verificabili all'aumentare della pericolosità sismica, le strutture che adottano elementi secondari consentono una sensibile riduzione del quantitativo di armatura.

Dal punto di vista ambientale ciò si traduce in una riduzione delle emissioni di CO₂ pari a circa il 10%, mentre sotto il profilo economico il risparmio raggiunge mediamente il 16%.

Si tratta di valori tutt'altro che trascurabili, soprattutto considerando edifici di grandi dimensioni o interventi ripetuti su vasta scala.

Materiali innovativi e progettazione ottimizzata: due strategie complementari

La ricerca ha inoltre confrontato differenti tipologie di calcestruzzo, variando classe di resistenza, tipologia di cemento e presenza di aggregati riciclati.

I risultati confermano come l'utilizzo di mix design più sostenibili produca ulteriori benefici sia dal punto di vista economico sia sotto il profilo delle emissioni climalteranti.

Gli autori sottolineano tuttavia un aspetto fondamentale: la sostenibilità non può essere affidata esclusivamente all'innovazione dei materiali.

Sebbene cementi a basse emissioni e nuovi mix design possano incidere in misura ancora maggiore sulla riduzione della CO₂, anche la progettazione strutturale rappresenta una leva determinante. Ottimizzare geometrie, sezioni e quantità di armatura significa infatti ridurre a monte il consumo di materiali, amplificando gli effetti positivi ottenuti attraverso l'impiego di calcestruzzi più sostenibili.

La prospettiva futura della ricerca va proprio in questa direzione. Il modello attuale opera ancora in campo elastico lineare, ma gli sviluppi già avviati prevedono l'estensione alle analisi non lineari, così da valutare il comportamento strutturale anche nelle condizioni più gravose previste dagli eventi sismici reali.

L'integrazione tra modellazione parametrica, algoritmi di ottimizzazione e materiali innovativi delinea così una nuova frontiera della progettazione sismica: edifici sicuri, conformi alle normative e, al tempo stesso, significativamente più efficienti dal punto di vista ambientale ed economico.

DI SEGUITO L'INTERVENTO INTEGRALE DI VITTORIA BORGHESE.

Il testo è stato elaborato mediante la videoregistrazione dell'intervento, con l'aiuto di strumenti di IA (ChatGpT).

IN SINTESI
-La progettazione come leva di sostenibilità: la ricerca dimostra che ridurre l'impatto ambientale delle strutture in calcestruzzo armato non dipende solo dai materiali, ma anche da un progetto strutturale più efficiente.
-Modello parametrico e automazione: è stato sviluppato un modello che progetta e verifica automaticamente edifici in calcestruzzo armato secondo NTC 2018 ed Eurocodice, ottimizzando geometrie e quantità di armatura.
-Algoritmi genetici per minimizzare le armature: il software individua la combinazione ottimale di barre d'armatura per travi, pilastri e pareti di taglio, garantendo sicurezza strutturale con il minimo impiego di acciaio.
-Elementi secondari per ridurre costi ed emissioni: la classificazione di parte della struttura come elemento secondario consente di ottenere, nelle configurazioni idonee, una riduzione delle emissioni di CO₂ fino al 10% e dei costi fino al 16%.
-Materiali innovativi e progettazione ottimizzata: l'integrazione tra mix design sostenibili, aggregati riciclati e ottimizzazione strutturale rappresenta una strategia efficace per sviluppare edifici sismicamente sicuri, più economici e con una minore impronta ambientale.