top of page

LA “CONCRETE CANOE” COMPETITION

INTRODUZIONE

La prima Concrete Canoe race è stata una competizione tra gli equipaggi della University of Illinois e quelli della Purdue University nel 1971. Da allora la competizione si è espansa tra le università americane, tanto da diventare una competizione annuale a carattere nazionale a partire dal 1988, con un regolamento ben preciso stabilito dall’associazione americana degli ingegneri (ASCE). L’obiettivo della competizione non è solo quello di una regata sul fiume o sul lago, ma di dare spazio a giovani ingegneri di crearsi esperienza e abilità professionali andando ad affrontare le sfide che un progetto del genere pone. Perché la Concrete Canoe Competition prevede che i team (formati esclusivamente da studenti universitari) progettino la barca ogni anno ex-novo, la realizzino e la facciano gareggiare. E se può sembrare semplice a primo acchito, occorre considerare che gli studenti devono procacciarsi i materiali adatti in base alla tecnologia ed al modus operandi che decidono di utilizzare, e per procurarseli devono anche procacciarsi i fondi, e devono anche portare avanti ognuno il suo percorso universitario, quindi lavorare nel tempo libero insomma.

Quattro sono i parametri di valutazione a cui i team partecipanti sono sottoposti, ognuno dei quali attribuisce il 25% del punteggio totale: pertanto l’equipaggio vincitore non è detto che sia proprio quello più veloce in gara. I team devono preparare una presentazione orale del loro progetto, superare il test di galleggiamento, e prima della gara la commissione esaminatrice giudica il prodotto finito dal punto di vista estetico, vale a dire quanto è liscia la superficie, se è priva di difetti, se la barca è conforme alle misure previste dal regolamento, e solo alla fine viene la gara vera e propria (per la quale l’imbarcazione deve coniugare leggerezza, manovrabilità e scorrevolezza sull’acqua). I giudici possono applicare penalità se riscontrano non conformità al regolamento, se l’imbarcazione non supera il test di galleggiamento al primo tentativo, se sono stati impiegati materiali non previsti dal regolamento. Ad oggi, competizioni simili vengono organizzate in tutto il mondo. Analizziamo un po’ nel dettaglio le varie fasi della competizione, soprattutto per quel che riguarda la costruzione della barca.


1. PROGETTAZIONE DEL TELAIO

Gli ingegneri devono progettare la loro canoa in ogni suo aspetto, tenendo conto delle dimensioni, degli sforzi a cui le diverse zone della barca sono sottoposti (e che variano s seconda del numero di canoisti che ci devono salire sopra, generalmente da 2 a 4). Gli ingegneri scelgono da sé quali programmi di progettazione computerizzata utilizzare, facendo una vera e propria analisi strutturale perché facilmente dovranno poi preparare miscele di calcestruzzo diverse a seconda delle varie zone dell’imbarcazione (lo vedremo bene più avanti…).


2. PREPARAZIONE DELLO STAMPO

Appena il telaio è stato progettato, si deve preparare lo stampo, che può essere o maschio o femmina e costruito con diversi materiali (polistirene, legno, fibra di vetro, etc...). Tendenzialmente i team preferiscono uno stampo tipo maschio perché permette loro di utilizzare meno materiale ed occorre meno tempo per la rifinitura finale dell’imbarcazione. Un esempio tipico di preparazione dello stampo è descritto da P. Leczovics e V. Sugár [1], che come materiale hanno utilizzato del polistirene estruso, sul quale poi spandere e lavorare il calcestruzzo un po’ alla volta, a mano.


3. SVILUPPO DEL MIX-DESIGN

In ogni edizione gli organizzatori possono variare il regolamento riguardo gli ingredienti della miscela del calcestruzzo: ad esempio possono prevedere un minimo quantitativo di cemento, un massimo rapporto a/c (generalmente 0.50), possono prescrivere una percentuale minima di materia prima seconda (ceneri, microsilice, metacaolino, loppa) da introdurre in sostituzione del cemento, un particolare tipo di aggregato da utilizzare (naturale o artificiale), o un particolare tipo di additivo da introdurre nella miscela del calcestruzzo. Queste regole servono anche per simulare le sfide e i problemi che i futuri ingegneri dovranno poi affrontare nel corso della loro vita professionale, ed ecco perché avere un metodo efficiente ed efficace per progettare la miscela del calcestruzzo è vitale per la buona riuscita del prodotto finito.

Il calcestruzzo dovrà essere leggero, resistente agli sforzi, idrorepellente, possibilmente senza fessure (perché oltre ad indebolirsi la struttura, l’acqua potrebbe entrare nell’imbarcazione). Esso dovrà sviluppare una buona resistenza a compressione (sarebbe desiderabile un valore di 30 Mpa a 28 giorni, ma generalmente se ne ottengono poco più di 10 MPa, che è più che accettabile per l’impiego, considerando che spesso si utilizzano mix-designs per calcestruzzi leggeri), a trazione (almeno di 4 MPa, essendo questo tipo di sforzo concentrato intorno alle posizioni dei canoisti – come esempio si veda il lavoro di M. Morency and F. Paradis [2], che hanno prodotto miscele di calcestruzzo che hanno sviluppato fino a 11.96 MPa di resistenza a trazione) ed una buona resistenza a flessione, nonché un modulo elastico di almeno 6000 MPa.

Leganti. In genere si usa un CEM I 42.5 R di tipo Portland, che può essere parzialmente sostituito da materiali cementizi secondari, a scelta degli studenti o previsti dal regolamento in vigore in quella specifica edizione, che vadano a diminuire il peso specifico del calcestruzzo senza intaccare in maniera eccessiva le prestazioni meccaniche. Il metacaolino, ad esempio, è un materiale molto utile per conferire al calcestruzzo caratteristiche di idrorepellenza, oltre che esercitare un’attività pozzolanica che va ad incrementare le proprietà meccaniche, meglio ancora se in abbinamento ad altre materie prime seconde. Al netto di specifiche prescrizioni regolamentari, la scelta dei materiali e delle loro proporzioni nella miscela del calcestruzzo è un aspetto su cui gli studenti hanno una grande libertà.

Aggregati leggeri. Un aspetto fondamentale del calcestruzzo per costruire la propria concrete canoe è la sua leggerezza: minore è la densità del calcestruzzo impiegato, più leggera sarà l’imbarcazione, più facile sarà da manovrare e più veloce dovrebbe essere in gara (il condizionale è d’obbligo perché in questa ultima fase interviene anche la variabile “atleti”). Tipici aggregati per ottenere un calcestruzzo leggero (con una densità in mucchio ideale di circa 1000 kg/m3) ma sufficientemente performante sono gli aggregati di vetro espanso (PORAVER), i cui granuli sono ricavati fondamentalmente da vetro di riciclo, dalle dimensioni massime di 4 mm (tenendo presente che lo spessore ideale di una concrete canoe è di circa 10 mm). Anche sfere di vetro cavo (3M™ Glass Bubbles, realizzate in vetro boro-silicato), aventi Dmax di 80-120 μm, sono aggregati molto comuni nelle miscele di calcestruzzo per le concrete canoe. P.J. Hinson and C. Nichols [3] hanno prodotto uno strato di calcestruzzo (contenente circa il 20% di granuli di polistirene) inserito tra due strati di calcestruzzo leggero confezionato senza polistirene (per evitare problemi in fase di rifinitura). Questo tipo di aggregato leggero non interferisce con l’utilizzo di fibre di carbonio come elemento di rinforzo, fattore molto importante come vedremo più avanti.

Per contrastare il calo prestazionale del calcestruzzo confezionato con queste tipologie di aggregati leggeri, alcuni studenti hanno sperimentato l’impiego di un 10% di una polvere di vetro come sostitutivo degli aggregati fini: essendo il vetro amorfo e contenendo molta silice e calcio, a dimensioni inferiori ai 75 μm esso si è rivelato possedere attività pozzolanica [4].

Dovendo mantenere lo spessore delle pareti delle imbarcazioni intorno ad 1 cm, l’aggregato più grossolano è spesso costituito da granuli di argilla espansa (LECA, con dimensioni inferiori a 5 mm). LECA è un particolare tipo di aggregato leggero ottenuto dalla cottura dell’argilla in un forno rotante. Grazie alla sua struttura cellulare racchiusa in una scorza clinkerizzata, ottimizza il rapporto tra peso e resistenza.

Rinforzo. Materiali di rinforzo devono risultare leggeri, avere elevata resistenza a trazione ed un elevato modulo elastico, nonché aderire in maniera ottimale al calcestruzzo per prevenire eventuali effetti di delaminazione e cali prestazionali dovuti a legami deboli tra calcestruzzo e materiale di rinforzo stesso. Spesso uno strato di calcestruzzo contenente queste tipologie di materiali viene inserito tra due strati di calcestruzzo senza materiali di rinforzo [1].

Fibre in polipropilene o fibre di vetro sono i materiali tipici consoni a questo utilizzo, permettendo al calcestruzzo di raggiungere le resistenze a trazione e flessione necessarie all’impiego nelle concrete canoe, nonostante lo spessore delle pareti inferiore ai 10 mm. Microfibre in carbonio (lunghezza < 5 mm), dosate all’1% sul volume, conferiscono al calcestruzzo le caratteristiche di duttilità e di resistenza alla fessurazione necessarie per sopportare gli sforzi a cui le concrete canoe sono sottoposte. Macrofibre in carbonio (lunghezza > 5 mm), pur essendo meno efficienti nel prevenire le fessurazioni, sono comunque in grado di limitarne le conseguenze dannose senza danneggiare né la funzionalità né l’estetica dell’imbarcazione: la scelta su quale impiegare sta agli studenti nella fase di progettazione del mix-design del calcestruzzo, tenendo conto delle tecniche costruttive impiegate e anche del budget a disposizione [5].

Additivi. L’impiego di superfluidificanti a base policarbossilica (PCE), oltre al benefico effetto sull’incremento delle prestazioni meccaniche, aiuta l’adesione tra aggregato e matrice cementizia, nonché quella tra i vari strati di calcestruzzo utilizzati, diversi a seconda delle varie zone dell’imbarcazione (il calcestruzzo non viene gettato tutto d’un colpo, ma a strati successivi). Un agente modificatore di viscosità (VMA) come la Gomma Welan è stata spesso impiegata per il mantenimento della lavorabilità e per prevenire la segregazione del calcestruzzo. M. Morency and F. Paradis [2] hanno sperimentato l’impiego di Gomma Welan solubilizzata in una soluzione di acqua e acetone (92.6% - 7.4%): l’impiego di un solvente come l’acetone aiuta a migliorare la fluidità della pasta cementizia permettendo un miglior mantenimento della lavorabilità, a fronte di un aumento del ritiro igrometrico del 20%.


4. TECNICHE COSTRUTTIVE

Il calcestruzzo proiettato (Shotcrete) è la principale tecnica costruttiva utilizzata per le concrete canoe. D. Burns and M. Hébert-Sabourin [6] dell’Université Laval hanno introdotto lo shotcrete per ovviare al problema dello scivolamento del calcestruzzo una volta posato sulla parte esterna dello stampo dell’imbarcazione. L’impiego della tecnica dello shotcrete permette anche di avere una migliore compattazione del calcestruzzo rispetto ad uno strato di calcestruzzo posato a mano, nonché di ridurre i tempi di lavorazione (proprio il team dell’Université Laval con questa tecnica lo ha ridotto da 12 a 2 ore): quest’ultimo aspetto è ottimo per migliorare l’adesione tra strati di calcestruzzo consecutivi (non c’è tempo sufficiente per la presa del calcestruzzo) e l’inglobamento di eventuali materiali di rinforzo (fogli di polietilene, fibre, reticolati di vario materiale). Questa tecnica costruttiva però non ha solo vantaggi, ma anche delle difficoltà da affrontare, la principale delle quali è l’eterogeneità dei vari materiali che costituiscono la miscela del calcestruzzo: ceneri, aggregati leggeri, loppe, hanno densità diverse ed ottenere una miscela omogenea non è affatto semplice. Anche il materiale di cui deve essere fatto lo stampo deve poter sopportare la velocità e la pressione esercitata dalla miscela di calcestruzzo letteralmente “sparata” sulla sua superficie: il polistirene da solo non è sufficiente, occorre rinforzarlo con altri materiali o produrre uno stampo di legno ad esempio.

Per lungo tempo è stata utilizzata la tecnica del pre-tensionamento di sottili cavi in Kevlar (materiale che ha un’elevata resistenza a trazione - 951 MPa) utilizzati come materiali di rinforzo, prima che venga eseguito il getto di calcestruzzo che li avvolge. Questa tecnica costruttiva è stata spesso impiegata nelle zone più critiche dell’imbarcazione senza riscontrare, da parte dei team, problemi a livello strutturale. A. Delgadillo e S. Williamson [7] invece hanno impiegato, con successo, la tecnica del post-tensionamento dei cavi in Kevlar nella zona della falchetta. La tesatura dei cavi è stata effettuata la prima volta dopo 7 giorni dal getto del calcestruzzo, e ripetuta dopo 14 giorni di maturazione.


5. RIFINITURA

La rifinitura finale è un processo importante tanto quanto le altre fasi della costruzione della concrete canoe, perché ottenere una superficie liscia, senza difetti, quasi “vetrosa” può far guadagnare molti punti nella valutazione estetica finale che fanno i giudici. L’operazione principe di rifinitura finale è la carteggiatura, generalmente fatta a mano, poiché l’utilizzo di strumenti elettrici che vibrano troppo può generare delle fessurazioni. Non è necessario aspettare i canonici 28 giorni di maturazione del calcestruzzo per iniziare le operazioni di levigatura, basta che cartavetrando la superficie non si danneggi la pasta cementizia.


BIBLIOGRAFIA

1. P. Leczovics and V. Sugár, Concrete Canoe: A Complex Concrete Technology, YBL JOURNAL OF BUILT ENVIRONMENT, Vol. 1 Issue 2 (2013), pp. 43-55.

2. M. Morency and F. Paradis, Design of a High Tensile Strength Lightweight Concrete, Concrete Canoe Magazine (2010), pp. 22-28.

3. P.J. Hinson and C. Nichols, Polystyrene beads as coarse aggregate in concrete canoe mixes, Concrete Canoe Magazine (2006), pp. 13-16.

4. S. Jayakumar, A. Kurian, F.T. Zachariah, N. Philip, Construction of Concrete Canoe using Light Weight Aggregates, International Journal of Engineering Research & Technology ISSN: 2278-0181, Vol. 9 Issue 04, (2020), pp. 452-458.

5. F. Paradis and M. Morency, Optimizing a Concrete Canoe – a review, Concrete Canoe Magazine (2006), pp. 34 – 39.

6. D. Burns and M. Hébert-Sabourin, Shotcrete fundamentals for concrete canoes, Concrete Canoe Magazine (2007), pp. 6-12.

7. A. Delgadillo and S. Williamson, Post-tensioning as a means of reinforcing a concrete canoe, Concrete Canoe Magazine (2010), pp. 10 – 13.



Falchetta di una concrete canoe per cui è stata utilizzata la tecnica del post-tensionamento


Fessurazioni nella zona della falchetta di una concrete canoe dovuta alle forze di trazione (Spring 2010 / Concrete Canoe Magazine


Spring 2008 / Concrete Canoe Magazine, pag. 20


Florida’s “Gladigator” (Spring 2008 / Concrete Canoe Magazine, pag. 7)


Un ringraziamento a "Concrete Canoe Magazine" per le immagini

32 visualizzazioni0 commenti

Post recenti

Mostra tutti
bottom of page