Travi intelligenti stampate in 3D per il monitoraggio delle deformazioni: una nuova frontiera dello Structural Health Monitoring

Il monitoraggio dello stato di salute delle strutture è oggi una delle sfide centrali dell’ingegneria civile, soprattutto in un contesto di infrastrutture sempre più complesse e spesso esistenti da decenni. Le tecnologie di Structural Health Monitoring stanno evolvendo rapidamente, ma i sistemi di sensoristica tradizionale presentano ancora limiti applicativi, economici ed estetici. In questo scenario, i materiali cementizi autosensibili rappresentano un cambio di paradigma, perché integrano la funzione di “sensore” direttamente nel materiale strutturale. L’incontro con le tecnologie di stampa 3D apre inoltre nuove possibilità progettuali e costruttive. La ricerca presentata ad ANIDIS 2025 si inserisce in questo filone innovativo, proponendo un approccio integrato tra materiali intelligenti e fabbricazione additiva.

Materiali cementizi autosensibili: dal concetto alla progettazione del mix

In occasione del convegno ANIDIS 2025 (Assisi, 7–11 settembre), Israel Sousa ha presentato i risultati di una ricerca sviluppata in collaborazione tra il gruppo di Perugia e il gruppo del prof. Laflamme della Iowa State University, dedicata allo sviluppo di travi “intelligenti” in calcestruzzo stampato in 3D per il monitoraggio delle deformazioni. Il lavoro si inserisce nel filone dello Structural Health Monitoring (SHM), ambito sempre più strategico per la valutazione dello stato di salute delle strutture, la riduzione dei costi di manutenzione e il miglioramento della sicurezza nel ciclo di vita delle opere civili.

Le tecniche di monitoraggio strutturale basate su sensori commerciali sono oggi ampiamente diffuse e consentono di misurare parametri come deformazioni, vibrazioni e spostamenti. Tuttavia, queste soluzioni presentano limiti noti: la necessità di un numero elevato di sensori per coprire grandi superfici, problemi legati al posizionamento, difficoltà nel rilevare direttamente alcuni fenomeni locali, impatti sull’estetica e sull’architettura – particolarmente critici nel caso di edifici storici – oltre a costi elevati dovuti a cablaggi, sistemi di acquisizione, alimentazione, calibrazione e manutenzione, con prestazioni spesso sensibili alle condizioni ambientali.

Una delle alternative più promettenti ai sistemi di sensoristica tradizionale è rappresentata dai materiali cementizi autosensibili, nei quali la capacità di “percepire” lo stato di deformazione è intrinseca al materiale stesso. Il principio di funzionamento si basa sul miglioramento delle proprietà piezoelettriche e piezoresistive della matrice cementizia mediante l’introduzione di filler conduttivi. Quando il materiale viene sollecitato meccanicamente, la variazione di deformazione induce una variazione misurabile della risposta elettrica, che può essere correlata allo stato di sforzo o di danneggiamento della struttura.

Un aspetto cruciale nella progettazione di questi compositi è la scelta del tipo, della quantità e della dispersione dei filler conduttivi. Una concentrazione troppo bassa non consente di raggiungere una conducibilità e una sensibilità adeguate, mentre un eccesso di materiale conduttivo porta alla formazione di un materiale prevalentemente conduttivo ma poco sensibile alle variazioni di deformazione. Tra questi due estremi esiste una zona ottimale, nota come soglia di percolazione, nella quale si forma una rete di cammini conduttivi interconnessi in grado di garantire un’elevata sensibilità elettromeccanica.

Nel lavoro presentato, la miscela è stata progettata utilizzando un legante commerciale per stampa 3D fornito da Sika, combinato con tre tipologie di filler conduttivi: grafite, fibre di carbonio “chopped” di circa 6 mm di lunghezza e microfibre di carbonio di circa 150 µm. L’uso simultaneo di filler con differenti rapporti di forma consente di ottenere un composito ibrido in grado di generare una rete conduttiva più efficiente e diffusa all’interno della matrice cementizia, migliorando la sensibilità del materiale alle deformazioni.

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Integrazione tra stampa 3D e funzionalizzazione del materiale

La ricerca esplora l’integrazione tra calcestruzzo autosensibile e tecnologie di stampa 3D, un ambito che negli ultimi anni ha mostrato un forte sviluppo grazie alle potenzialità in termini di libertà geometrica e scalabilità del processo. Rispetto alle tecniche tradizionali di getto, la stampa 3D richiede materiali con requisiti reologici specifici: la miscela deve essere sufficientemente fluida per essere estrusa, ma al tempo stesso stabile per sostenere il proprio peso e quello degli strati successivi durante il processo di deposizione.

Nel caso specifico, le travi sono state realizzate adottando una configurazione “bifasica”: uno strato inferiore realizzato con il materiale conduttivo autosensibile e uno strato superiore in materiale cementizio privo di filler. Questa scelta progettuale risponde a una logica strutturale e funzionale: nelle prove di flessione a tre punti, la zona inferiore della trave è quella maggiormente sollecitata a trazione e quindi più idonea a ospitare il materiale sensibile, massimizzando l’efficacia del monitoraggio. Le dimensioni dei provini stampati sono state dell’ordine di 32 cm di lunghezza, 120 mm di larghezza e circa 55 mm di altezza, con l’inserimento di ancoraggi in acciaio utilizzati come elettrodi per la misura della resistenza elettrica.

Prove sperimentali e risposta elettromeccanica in flessione

Per valutare le prestazioni elettromeccaniche delle travi stampate in 3D, i ricercatori hanno condotto prove di flessione a tre punti mediante macchina universale di prova, abbinando la misura meccanica della forza e dello spostamento alla misura della variazione di resistenza elettrica del materiale sensibile. Le acquisizioni sono state effettuate tramite un LCR meter operante a 1 kHz e un sistema di acquisizione basato su LabVIEW.

Lo studio preliminare sulla percolazione dei filler ha consentito di individuare una combinazione ottimale tra grafite e fibre di carbonio, in grado di garantire un buon compromesso tra conducibilità e sensibilità. Le prove cicliche in flessione hanno mostrato una chiara correlazione tra il carico applicato e la variazione frazionaria di resistenza, evidenziando una risposta continua e coerente del materiale durante i cicli di carico e scarico. Nonostante la presenza di un certo rumore sperimentale, fisiologico nelle prime fasi di sviluppo di questa tecnologia, i risultati ottenuti indicano una buona capacità del materiale di “seguire” le deformazioni della trave e di restituire un segnale elettrico interpretabile in termini di stato tensionale.

Dal punto di vista dell’analisi, è stata inoltre proposta una correlazione tra il fattore di gauge in flessione, la variazione frazionaria di resistenza e la distribuzione degli sforzi in corrispondenza delle zone di inserimento degli elettrodi, aprendo la strada a futuri sviluppi modellistici per una interpretazione quantitativa più raffinata dei segnali elettrici.

Prospettive applicative per il monitoraggio strutturale del futuro

I risultati presentati da Israel Sousa ad ANIDIS 2025 mostrano come l’integrazione tra materiali cementizi autosensibili e stampa 3D possa rappresentare una direzione promettente per lo sviluppo di elementi strutturali “intelligenti”, in grado di fornire informazioni sul proprio stato di deformazione senza ricorrere a una fitta rete di sensori esterni. Le potenzialità applicative sono particolarmente rilevanti in un contesto in cui la stampa 3D in edilizia sta rapidamente evolvendo verso applicazioni su scala reale, con la realizzazione delle prime strutture di grandi dimensioni.

In prospettiva, l’adozione di elementi strutturali stampati in 3D e dotati di capacità di autosensing potrebbe contribuire a una gestione più efficiente e sicura delle infrastrutture, favorendo strategie di manutenzione basate sulle condizioni reali di esercizio piuttosto che su interventi programmati a scadenza fissa. La ricerca apre quindi scenari interessanti per l’ingegneria civile del prossimo futuro, in cui il materiale non è più un semplice “supporto” strutturale, ma diventa parte attiva del sistema di monitoraggio e gestione dell’opera.

IN SINTESI
-La ricerca integra stampa 3D del calcestruzzo e materiali autosensibili per il monitoraggio strutturale.
-L’uso di filler conduttivi (grafite e fibre di carbonio) rende il materiale capace di “percepire” le deformazioni.
-Le travi stampate in 3D mostrano una buona correlazione tra carico applicato e risposta elettrica.
-L’approccio riduce la dipendenza da sensori esterni, cablaggi e sistemi di acquisizione complessi.
-Le applicazioni future sono promettenti per infrastrutture e strutture stampate in 3D su scala reale.

DI SEGUITO LA REGISTRAZIONE INTEGRALE DELL'INTERVENTO DI ISRAEL SOUSA.

Il testo è stato elaborato mediante la videoregistrazione dell'intervento, con l'uso dell'IA.