Il cambiamento climatico impone un cambio di paradigma anche nel settore delle costruzioni. Di fronte a questa emergenza, gli involucri degli edifici devono evolvere, diventando dinamici e adattabili alle mutevoli condizioni ambientali modificando le proprie caratteristiche e proprietà [1] oltre a garantire comfort indoor, riducendo i consumi energetici e l’impatto ambientale.
In questo scenario, le facciate reattive rappresentano un approccio all’avanguardia in grado di rispondere alle varie esigenze ambientali.
La loro capacita di gestire le risorse naturali come sole, vento e temperatura le configura come alleati per la progettazione innovativa e sostenibile.
Nell’ambito del progetto Flectuation [2], inerente allo sviluppo di componenti di facciata reattivi avanzati, il team del centro Itke e Itft dell’Università di Stoccarda, ha sviluppato FlectoLine [3]: un sistema di ombreggiatura adattiva senza cerniera realizzato in termoplastica fibrorinforzata, installato ad una parete vetrata nel Giardino Botanico dell’Università di Friburgo.
Materiali, geometria e movimenti
Il sistema e composto da 101 moduli, ciascuno con dimensioni variabili tra 0,81×0,86 m e 1,50x,31 m rispettivamente sugli assi x e y, supportati da una sottostruttura in acciaio, coprendo una superficie totale di 83,5 m2.
Ogni modulo e costituito da piastre composite fibrorinforzate all’interno delle quali sono integrati cuscini pneumatici come attuatori. Questa soluzione elimina la necessita di connessioni meccaniche tra gli elementi di piegatura e il sistema di attuazione.
La pressurizzazione dei cuscini provoca la deformazione delle piastre, permettendo loro di piegarsi in diverse posizioni, da 0° (perpendicolare alla facciata) a 90° (parallelo alla facciata), con una bassa pressione compresa tra 0,3 e 1,5 bar.
L’energia elastica viene immagazzinata nelle cerniere flessibili, consentendo il ritorno automatico dei moduli alla posizione iniziale.
Celle fotovoltaiche organiche a film sottile, integrate sulla superficie dei moduli, raccolgono l’energia solare, rendendo il sistema autosufficiente dal punto di vista energetico. In aggiunta, uno strato protettivo esterno assicura la resistenza agli agenti atmosferici.
Funzionalità bio-ispirate
Il sistema FlectoLine e il risultato di una ricerca biomimetica condotta in collaborazione con le università di Stoccarda, Friburgo e Tubinga.
Questo progetto si ispira al modello biologico della trappola d’acqua Aldrovanda vesiculosa, che presenta zone motrici alimentate dalla pressione di turgore disposte parallelamente alla nervatura centrale lineare (spina dorsale) della trappola.
Tale concetto e stato integrato nel design dei moduli FlectoLine, dove la zona dell’attuatore lineare riproduce le funzioni delle zone motrici osservate nel sistema biologico.
Parallelamente, le vene delle ali degli insetti, come quelle del Graphosoma italicum, hanno fornito un secondo modello biologico, concentrandosi sul trasferimento delle proprietà dei materiali.
In queste vene, responsabili del movimento di piegatura, si osserva un’interazione tra materiali rigidi e flessibili (sclerotina e resilina).
L’analisi ha dimostrato che l’inserimento di aree flessibili nella zona di attuazione riduce le sollecitazioni strutturali causate dall’aumento della pressione interna.
Inoltre, e emerso che la direzione del movimento e determinata dalla distribuzione asimmetrica dei materiali rigidi e flessibili attorno alla vena: la piegatura avviene maggiormente sul lato meno rigido, definendo cosi la direzione del movimento.
Di conseguenza, l’orientamento del movimento e intrinsecamente integrato nella struttura del materiale.
Ispirazione biomimetica
L’ispirazione biomimetica rappresenta un elemento chiave nel design delle facciate cinetiche adattive, offrendo soluzioni innovative ispirate a meccanismi funzionali degli organismi naturali [4].
Nel sistema FlectoLine, modelli biologici come la trappola d’acqua Aldrovanda vesiculosa e le ali degli insetti (Graphosoma italicum) hanno influenzato la progettazione, permettendo movimenti efficienti grazie all’interazione tra materiali rigidi e flessibili.
Questa applicazione garantisce vantaggi significativi, tra cui una maggiore efficienza energetica, con una gestione ottimizzata delle risorse naturali come luce e ventilazione, e una riduzione dello stress strutturale grazie all’uso di materiali flessibili [5].
Inoltre, migliora la sostenibilità, riducendo l’impatto ambientale, e l’adattabilità, permettendo alle facciate di rispondere dinamicamente alle condizioni climatiche.
La semplicità meccanica, ottenuta eliminando componenti tradizionali come le cerniere, riduce i costi di manutenzione e aumenta l’affidabilità.
Gemello digitale e sistema di controllo
Per ottimizzare le prestazioni della facciata reattiva, è stato sviluppato un gemello digitale che ne rappresenta fedelmente il comportamento. Questo modello virtuale, costantemente alimentato da un flusso continuo di dati provenienti da sensori integrati e previsioni meteorologiche, simula in tempo reale le condizioni ambientali ed energetiche dell’edificio.
Un sofisticato algoritmo di controllo, basato su un albero decisionale, analizza i dati raccolti e ottimizza in modo dinamico l’orientamento dei pannelli fotovoltaici, garantendo il massimo sfruttamento dell’energia solare e un comfort interno ottimale.
L’integrazione seamless tra il mondo fisico e quello digitale consente di adattare in tempo reale la facciata alle mutevoli condizioni esterne, migliorando l’efficienza energetica dell’edificio e riducendo l’impatto ambientale.
Innovazione tecnologica e adattività
Il sistema FlectoLine rappresenta un passo significativo nell’evoluzione delle facciate architettoniche verso soluzioni dinamiche e adattive, rispondendo alle sfide del cambiamento climatico.
La sua capacità di modificare configurazioni in base a condizioni ambientali variabili, senza l’uso di componenti meccanici tradizionali, evidenzia un approccio innovativo nel settore delle costruzioni.
L’integrazione di cuscini pneumatici come attuatori e l’utilizzo di materiali compositi fibrorinforzati garantiscono un’elevata efficienza strutturale e prestazioni adattive.
Inoltre, l’autosufficienza energetica, ottenuta grazie alle celle fotovoltaiche organiche, dimostra come la tecnologia possa coniugare sostenibilità e funzionalità avanzate.
di Francesco Sommese
Università degli Studi di Napoli Federico II
La scheda
Anno:2024
Località: Friburgo, Germania
Superficie di facciata coperta: 83,5 m2
Numero di elementi FlectoLine: 101
Dimensione di un element FlectoLine: 0,86×1,46
Peso di un elemento FlectoLine: 3 kg
Materiali: Laminati in plastica fibrorinforzata + attuatori pneumatici integrati + celle fotovoltaiche integrate
Foto: ©Itke/Itft University of Stuttgart
Riferimenti
[1] Loonen et al. (2013) Climate adaptive building shells: state-of-the-art and future challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.04.016.
[2] https://www.itft.uni-stuttgart.de/research/OngoingResearchProjects/Flectuation/
[3] https://www.itft.uni-stuttgart.de/research/BuiltDemontrators/FlectoLine/
[4] Sommese (2024) Re-thinking the building envelope. Lessons from nature in the era of climate change. Synthesis Lectures on Engineering, Science, and Technology. Springer Nature. https://doi.org/10.1007/978-3-031-69479-0
[5] Sommese et al. (2024) A critical review of biomimetic building envelopes: towards a bio-adaptive model from nature to architecture. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112850
Project team
• Itke Institute of Building Structures and Structural Design, University of Stuttgart Edith A. Gonzalez San Martin, Dr.-Ing. Axel Körner, Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers,
• Itft Institute for Textile and Fiber Technologies, University of Stuttgart Matthias Ridder, Dr.-Ing. Larissa Born, Prof. Dr.-
Ing. Götz T. Gresser
• Hella Sonnen- und Wetterschutztechnik GmbH Stephan Moser, Robert Weitlaner, Gerald Lukasser
• Jehle Technik GmbH Sai Konduri, Uwe Boerboom, Alexander Jehle • Formfinder Software GmbH Robert Roithmayr