Stampa 3D e aerodinamica degli edifici, pareti ondulate riducono fino al 60% i picchi di pressione del vento

La geometria degli edifici diventa uno strumento per contrastare i carichi degli uragani

Modificare la forma esterna di un edificio può ridurre le sollecitazioni prodotte dal vento senza dover intervenire esclusivamente aumentando spessori e resistenza dei materiali. È il risultato di una ricerca condotta presso il FAMU-FSU College of Engineering, negli Stati Uniti, dove un gruppo di ingegneri ha utilizzato modelli architettonici stampati in 3D per studiare il comportamento aerodinamico di pareti e coperture caratterizzate da grandi ondulazioni. Gli esperimenti hanno mostrato che determinate geometrie possono ridurre del 40–60% i picchi locali di pressione del vento nelle aree maggiormente vulnerabili, soprattutto vicino agli spigoli delle pareti e ai bordi delle coperture, rispetto a modelli convenzionali con superfici piane. I risultati sono stati pubblicati il 26 agosto 2026 sulla rivista scientifica Engineering Structures, in uno studio intitolato Wind pressures on macro-corrugated low-rise building envelopes: Effect of corrugation depth.

La ricerca coinvolge Arezoo Bakhshizadeh, Peter Tsouroukdissian, Qian Zhang e Pedro L. Fernández-Cabán, appartenenti al FAMU-FSU College of Engineering, la scuola di ingegneria condivisa dalla Florida Agricultural and Mechanical University e dalla Florida State University. Fernández-Cabán, assistant professor di ingegneria civile, ha evidenziato come la geometria possa modificare l’intensità dei carichi aerodinamici che un edificio deve sopportare durante eventi meteorologici estremi.

È però necessario distinguere il risultato sperimentale dalle sue possibili applicazioni. I ricercatori non hanno costruito case stampate in 3D resistenti agli uragani. Hanno realizzato modelli fisici in scala mediante manifattura additiva e li hanno sottoposti a prove in galleria del vento. La riduzione del 60% riguarda determinati valori locali della pressione aerodinamica, non la probabilità di crollo dell’edificio, la sua resistenza strutturale complessiva o una prestazione certificata su una costruzione reale.

Il problema delle pressioni concentrate ai bordi delle coperture

Quando un vento intenso investe un edificio, il carico sulle superfici non è uniforme. La distribuzione della pressione dipende dalla velocità dell’aria, dall’orientamento dell’edificio, dalla geometria della copertura, dall’altezza della costruzione, dalla rugosità del terreno e dalle caratteristiche turbolente del flusso atmosferico.

Le zone più critiche sono spesso gli spigoli, gli angoli e i bordi del tetto. In queste regioni il flusso può separarsi dalla superficie, generando strutture vorticose e aree caratterizzate da forti pressioni negative, comunemente indicate come suzioni. Quando la pressione esterna diminuisce rispetto a quella interna, sulla copertura può svilupparsi una forza risultante diretta verso l’alto.

Questo fenomeno spiega perché, durante eventi di vento estremo, si possano verificare distacchi localizzati di elementi di copertura e rivestimento anche quando la struttura principale dell’edificio rimane in piedi. Il collasso di un elemento dell’involucro può inoltre modificare le pressioni interne, aggravando le sollecitazioni su altre parti della costruzione.

La progettazione contro il vento deve quindi considerare non soltanto la resistenza globale del telaio strutturale, ma anche il comportamento dei singoli componenti dell’involucro e dei relativi sistemi di fissaggio.

Le soluzioni tradizionali comprendono rinforzi strutturali, collegamenti più resistenti, modifiche alla geometria delle coperture e accorgimenti per limitare gli effetti delle pressioni concentrate. Il gruppo FAMU-FSU ha affrontato il problema concentrandosi sulla forma delle superfici esterne, anziché esclusivamente sulle loro caratteristiche meccaniche.

Le macro-ondulazioni modificano il modo in cui l’aria scorre intorno all’edificio

La proposta consiste nell’introdurre grandi ondulazioni sulle superfici di pareti o coperture. Non si tratta delle comuni nervature millimetriche presenti su numerosi pannelli metallici o rivestimenti industriali, ma di modificazioni geometriche macroscopiche, con dimensioni significative rispetto all’altezza dell’edificio.

Nelle geometrie convenzionali, un flusso che raggiunge uno spigolo netto può separarsi e generare una regione di ricircolo relativamente estesa. Questa configurazione può favorire la formazione di vortici coerenti e concentrazioni di pressione negativa in determinate zone.

Le superfici ondulate modificano invece il percorso del flusso. L’aria incontra una successione di curvature, creste e avvallamenti che possono produrre separazioni e ricircoli più distribuiti nello spazio.

I ricercatori descrivono un comportamento denominato skipping flow, nel quale il flusso interagisce con le creste successive senza seguire continuamente tutta la superficie degli avvallamenti.

Il possibile vantaggio consiste nel modificare le dimensioni, la posizione e l’intensità delle strutture vorticose responsabili dei maggiori picchi locali di suzione. La superficie non elimina la turbolenza e non impedisce la separazione del flusso; ne altera invece l’organizzazione.

Questa distinzione è importante perché una superficie più irregolare non produce necessariamente minori carichi aerodinamici in qualsiasi condizione. Il risultato dipende dalla geometria, dall’orientamento delle ondulazioni e dalla direzione del vento.

Otto modelli e 56 prove aerodinamiche

Lo studio scientifico descrive una campagna sperimentale comprendente 56 prove indipendenti in galleria del vento, realizzate utilizzando otto modelli di edifici bassi in scala 1:75.

I modelli sono stati prodotti mediante stampa 3D per riprodurre in modo controllato le geometrie da confrontare. L’utilizzo della manifattura additiva ha permesso di ottenere le superfici ondulate e di modificare sistematicamente i parametri geometrici senza dover realizzare attrezzature dedicate per ogni configurazione.

La scala 1:75 significa che una dimensione di 75 centimetri nell’edificio reale viene rappresentata da un centimetro nel modello. La scelta della scala consente di inserire l’oggetto nella sezione di prova mantenendo proporzioni e caratteristiche geometriche definite.

Il gruppo ha utilizzato la galleria del vento del FAMU-FSU College of Engineering, progettata per studiare il comportamento dei flussi atmosferici intorno alle costruzioni. Gli esperimenti sono stati condotti in condizioni destinate a rappresentare uno strato limite atmosferico turbolento.

Il principio è rilevante: il vento che raggiunge un edificio reale non possiede normalmente velocità uniforme su tutta l’altezza. La presenza del terreno e degli ostacoli modifica il profilo verticale delle velocità e genera turbolenza.

Riprodurre condizioni rappresentative dello strato limite atmosferico permette di studiare il comportamento dei modelli in uno scenario più pertinente alla progettazione civile rispetto a quello di un flusso perfettamente uniforme.

Non significa tuttavia riprodurre integralmente tutte le caratteristiche di un uragano reale, comprese le variazioni temporali della direzione, le raffiche estreme, gli effetti delle costruzioni circostanti e l’interazione con eventuali detriti trasportati dal vento.

Tre profondità di ondulazione e un modello di riferimento

I ricercatori hanno confrontato un edificio convenzionale con superfici piane con configurazioni caratterizzate da differenti ampiezze delle ondulazioni.

La profondità della geometria è stata espressa attraverso il rapporto adimensionale A/H, dove A rappresenta l’ampiezza dell’ondulazione e H l’altezza di riferimento dell’edificio.

Sono state considerate tre configurazioni principali:

La frequenza spaziale delle ondulazioni è stata mantenuta costante nelle configurazioni considerate, mentre è stata modificata l’ampiezza.

Questa impostazione permette di isolare meglio l’effetto della profondità delle onde rispetto a quello di altri parametri geometrici.

Per comprendere l’ordine di grandezza, in un edificio ipotetico alto sei metri un rapporto A/H pari a 0,10 corrisponderebbe a un’ampiezza geometrica di 60 centimetri. È soltanto un esempio di scala: non rappresenta un’indicazione progettuale per realizzare un edificio reale e non definisce necessariamente l’escursione totale tra cresta e avvallamento.

Il parametro A/H descrive dunque una modificazione macroscopica dell’involucro, non una semplice finitura superficiale.

Le ondulazioni più profonde hanno prodotto le riduzioni maggiori

Nei risultati comunicati dalla Florida State University, la configurazione con ampiezza maggiore ha mostrato il comportamento più favorevole rispetto ai picchi locali di pressione nelle zone critiche.

In particolare, i ricercatori hanno osservato riduzioni dell’ordine del 40–60% delle pressioni massime vicino agli angoli e ai bordi delle superfici, in diverse direzioni del vento.

Il valore non deve essere interpretato come una riduzione uniforme delle pressioni su tutta la costruzione. I carichi aerodinamici possono aumentare in alcune regioni e diminuire in altre, mentre il risultato complessivo dipende anche dall’integrazione delle pressioni sulle superfici.

La distinzione fra pressione locale e forza globale è fondamentale. La pressione agisce su un’unità di superficie, mentre la forza risultante dipende dalla distribuzione delle pressioni e dall’estensione delle aree coinvolte.

Una riduzione del 60% del picco locale in una regione del tetto non implica necessariamente una riduzione del 60% della forza totale esercitata sull’intera copertura.

Non significa nemmeno che la struttura possa essere dimensionata automaticamente con il 60% di materiale in meno. I requisiti costruttivi comprendono molte altre condizioni di carico, oltre al comportamento aerodinamico.

Il ruolo dei vortici e della separazione del flusso

Dal punto di vista fluidodinamico, il comportamento di una copertura sottoposta a vento intenso è influenzato dalla separazione del flusso e dalla formazione di regioni di ricircolo.

Quando l’aria incontra un bordo netto, può staccarsi dalla superficie e generare uno strato di taglio che interagisce con il flusso circostante. Questa interazione favorisce la formazione di strutture turbolente che producono fluttuazioni di pressione.

Nelle zone di separazione possono formarsi vortici relativamente organizzati, capaci di generare suzioni intense e localizzate.

Le macro-ondulazioni modificano la posizione dei punti di separazione e l’interazione tra le strutture vorticose. Il flusso non attraversa più una superficie continua e piana, ma incontra una successione di ostacoli geometrici che ne influenzano il movimento.

Il risultato può essere una distribuzione più articolata delle pressioni e una riduzione delle concentrazioni maggiori.

È però necessario evitare una semplificazione: la presenza di onde non rende automaticamente il flusso più laminare. Il vento atmosferico e il flusso intorno a edifici sottoposti a condizioni severe rimangono fenomeni fortemente turbolenti. Le ondulazioni non eliminano la turbolenza, ma possono alterare la formazione e l’evoluzione dei vortici.

Perché la direzione del vento rimane determinante

La ricerca ha considerato differenti orientamenti del flusso rispetto ai modelli.

Questo aspetto è importante perché la distribuzione delle pressioni su un edificio cambia sensibilmente al variare della direzione del vento. Una geometria che produce risultati favorevoli con flusso perpendicolare a una facciata può comportarsi diversamente quando il vento raggiunge la costruzione in diagonale.

Gli angoli e i bordi possono diventare particolarmente critici proprio per determinate direzioni oblique.

Il gruppo FAMU-FSU ha osservato riduzioni dei picchi in più direzioni, ma non ha dimostrato che una singola geometria offra lo stesso vantaggio per tutti gli orientamenti possibili.

Per applicazioni edilizie reali sarebbe quindi necessario valutare il comportamento tridimensionale dell’involucro in funzione dell’esposizione del sito, della forma complessiva dell’edificio e delle condizioni di vento previste.

Anche gli edifici vicini possono modificare il campo di flusso, producendo schermature o accelerazioni locali che non sono necessariamente presenti nei test su un edificio isolato.

La stampa 3D è stata utilizzata per la sperimentazione, non per costruire edifici

Uno degli aspetti più interessanti per il settore additive riguarda il ruolo della stampa 3D nello sviluppo del progetto.

I ricercatori hanno utilizzato la manifattura additiva per produrre modelli fisici destinati alla galleria del vento. È un’applicazione della stampa 3D come strumento di ricerca e validazione geometrica.

Il vantaggio consiste nella possibilità di tradurre rapidamente una configurazione CAD in un oggetto fisico e confrontare versioni caratterizzate da piccole differenze dimensionali.

Nel caso di geometrie ondulate, la costruzione di numerosi modelli mediante tecnologie convenzionali potrebbe richiedere lavorazioni complesse o stampi dedicati. La produzione additiva permette invece di mantenere un processo relativamente uniforme mentre varia la geometria.

Questo non significa che la stessa tecnologia utilizzata per i modelli sia necessariamente adatta alla costruzione di pareti o coperture a grandezza naturale.

La comunicazione universitaria non identifica il materiale né il processo additivo specifico utilizzato per tutti i modelli sperimentali. Non sarebbe quindi corretto attribuire automaticamente la costruzione alla tecnologia FDM, alla stereolitografia o ad altri processi senza una conferma documentale.

Quali possibilità esistono per la stampa 3D del calcestruzzo

L’applicazione edilizia delle superfici ondulate potrebbe essere compatibile con alcune tecnologie di 3D Concrete Printing, nelle quali una miscela cementizia viene depositata progressivamente da un sistema robotico.

La libertà geometrica dell’estrusione robotizzata consente di produrre pareti curve e configurazioni non rettilinee senza ricorrere necessariamente a casseri tradizionali per ogni variazione del profilo.

Tuttavia, una parete in calcestruzzo stampato in 3D presenta caratteristiche differenti da una parete monolitica gettata in opera. Orientamento dei cordoni, adesione tra strati, comportamento a taglio, presenza di armature e modalità di collegamento agli altri elementi strutturali devono essere considerati durante la progettazione.

Le grandi ondulazioni ipotizzate dalla ricerca FAMU-FSU potrebbero inoltre aumentare il volume complessivo dell’involucro o richiedere configurazioni particolari dei percorsi di deposizione.

La compatibilità geometrica non implica quindi automaticamente un vantaggio economico o una riduzione del materiale utilizzato.

Un’alternativa potrebbe essere rappresentata da pannelli prefabbricati, elementi modulari, casseforme stampate in 3D o componenti di rivestimento prodotti mediante altre tecnologie additive.

Queste possibilità costituiscono potenziali sviluppi industriali, non risultati già dimostrati dallo studio.

L’involucro ondulato deve funzionare anche dal punto di vista strutturale

La riduzione dei carichi aerodinamici rappresenta soltanto una parte del problema.

Una copertura ondulata deve essere progettata per sostenere il proprio peso, trasferire i carichi alla struttura principale, garantire impermeabilità e durabilità e resistere alle sollecitazioni previste durante il ciclo di vita.

Le variazioni geometriche possono introdurre difficoltà nella realizzazione dei collegamenti, nella posa di isolanti, nella gestione delle aperture e nella continuità dei sistemi di impermeabilizzazione.

Anche il drenaggio dell’acqua richiede attenzione. In una copertura, gli avvallamenti possono modificare i percorsi di deflusso e favorire accumuli locali se la geometria non viene progettata adeguatamente.

La conformazione ondulata deve inoltre essere valutata rispetto a manutenzione, accessibilità e compatibilità con eventuali impianti installati sul tetto.

In altre parole, una geometria favorevole in galleria del vento non rappresenta automaticamente una soluzione costruttiva completa.

Il contributo della ricerca consiste nell’identificare un comportamento aerodinamico che potrebbe essere sfruttato nella progettazione, non nel fornire un sistema edilizio già pronto per essere commercializzato.

La riduzione dei carichi non coincide con una certificazione contro gli uragani

La sperimentazione è stata condotta su modelli rigidi in scala, misurando principalmente le pressioni del vento sulle superfici.

Non sono state eseguite prove su edifici abitabili, né dimostrazioni di resistenza dell’intero sistema costruttivo durante un uragano reale.

La sicurezza di una costruzione durante eventi meteorologici estremi dipende da numerosi fattori: struttura portante, collegamenti fra copertura e pareti, sistemi di fissaggio, aperture, qualità costruttiva, resistenza all’impatto dei detriti e condizioni del terreno.

Un involucro che riduce determinate suzioni potrebbe migliorare alcuni aspetti della risposta aerodinamica, ma non sostituirebbe i requisiti relativi agli altri meccanismi di danneggiamento.

Per questo non è corretto affermare che lo studio abbia dimostrato la possibilità di realizzare edifici completamente protetti dagli uragani.

Il risultato verificato riguarda la diminuzione di specifici valori di pressione nei modelli esaminati.

Dalla galleria del vento alle future simulazioni CFD

Il gruppo ha annunciato ulteriori esperimenti per comprendere meglio il campo di moto dell’aria intorno alle superfici macro-ondulate.

La prima fase della ricerca si è concentrata prevalentemente sulla misura delle pressioni superficiali. Gli studi successivi dovrebbero approfondire la distribuzione delle velocità, la formazione dei vortici e i meccanismi che determinano le differenze osservate.

I ricercatori prevedono inoltre di utilizzare la Computational Fluid Dynamics (CFD) per esaminare ulteriori configurazioni geometriche e identificare combinazioni potenzialmente più favorevoli.

La CFD può permettere di esplorare numerose forme senza costruire fisicamente ogni variante. Tuttavia, i risultati numerici dipendono dalla discretizzazione del dominio, dalle condizioni al contorno, dal modello di turbolenza e dalle modalità di rappresentazione delle condizioni atmosferiche.

Le simulazioni devono quindi essere confrontate con dati sperimentali. In particolare, la previsione accurata dei picchi locali di pressione in presenza di separazione del flusso può richiedere metodologie numeriche e risoluzioni adeguate.

La combinazione di stampa 3D per prototipazione, prove in galleria del vento e simulazione CFD potrebbe diventare una metodologia di sviluppo utile per ottimizzare la forma degli involucri edilizi.

Cosa è stato realmente dimostrato

Un risultato che cambia soprattutto il modo di considerare la geometria

Nella progettazione degli edifici soggetti a vento intenso è naturale pensare innanzitutto alla resistenza dei materiali e alla capacità dei collegamenti strutturali.

La ricerca del FAMU-FSU College of Engineering mostra invece quanto possa essere importante intervenire sulla geometria prima ancora di affrontare il dimensionamento dei componenti.

Ridurre le pressioni concentrate nelle zone più vulnerabili significa agire su una delle cause delle sollecitazioni, anziché limitarsi ad aumentare la capacità resistente della struttura.

Il risultato non è nuovo come principio generale: l’aerodinamica architettonica studia da tempo gli effetti di angoli arrotondati, smussi, variazioni di forma e configurazioni delle coperture. L’elemento specifico dello studio è la valutazione sistematica delle macro-ondulazioni applicate agli involucri di edifici bassi, attraverso modelli stampati in 3D e prove sperimentali.

La manifattura additiva ha avuto un ruolo importante nel rendere possibile questo confronto geometrico. I modelli fisici hanno consentito di studiare varianti costruite con criteri dimensionali controllati, mentre le misure in galleria del vento hanno fornito dati sul comportamento aerodinamico.

Il passaggio successivo sarà stabilire se i benefici osservati possano essere mantenuti su edifici reali e se le superfici ondulate possano essere prodotte mediante sistemi costruttivi economicamente e tecnicamente sostenibili.

È una prospettiva interessante anche per l’edilizia additiva, perché suggerisce una possibile applicazione nella quale la libertà geometrica della stampa 3D non avrebbe soltanto una funzione estetica, ma potrebbe contribuire direttamente al comportamento dell’involucro sotto carichi ambientali.

Per ora, tuttavia, il dato più significativo rimane quello sperimentale: in determinate condizioni, modificare la geometria delle superfici ha ridotto in modo sostanziale le concentrazioni locali di pressione del vento. La trasformazione di questo principio in un sistema edilizio qualificato richiederà ulteriori prove, sviluppo costruttivo e verifiche su scala reale.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).