Architecture and Industry 5.0: analysis and development of innovative cold-formed steel-based systems

The construction sector is undergoing a pivotal transformation driven by the European Union's policies and strategies towards decarbonisation. However, the current pace remains insufficient. Over the last few years, research has shifted its focus from zero-energy to low-carbon buildings, highlighting the importance of embedded emissions associated with material use. This perspective, on the one hand, facilitated the adoption of new construction approaches, such as Off-site construction (OSC), and on the other hand, heightened awareness of the material's impact. Among other materials, steel - holding considerable promise for circularity and recyclability - has emerged as a critical material towards the decarbonisation objectives, allowing material optimisation with lightweight solutions. Cold-formed steel-based technologies are at the forefront, characterised by optimising shapes to favour lightness. This research focuses on two key cold-formed steel-based technologies: profiles used for structural purposes, also known as Light Steel Frames (LSF), and sandwich panels (SP) for thermal insulation purposes. Both technologies have recently experienced a broader adoption in the construction sector due to their range of architectural possibilities. Within the wider context of OSC and multi-layer dry construction frameworks, this study explores how LSF and SP can be conceived to foster an innovative and contemporary exchange between architecture and industry. Considering the above, the objective of the research is threefold: i) exploratory, by mapping current research trends and industry practices within the OSC framework; ii) formulative, through the development of a novel 10-point paradigm as an interpretative framework for cold-formed steel-based systems, aligned with EU priorities; iii) demonstrative, through the validation of the proposed paradigm in four case study buildings. Multiple methodologies have been applied to meet the objectives. A multi-source methodology has been used to outline the state of the art and practice of the two technologies, encompassing a systematic literature review, EU-funded projects, and market analysis. The multi-source methodology has been complemented by a case study methodology and a mixed-methodology approach to analyse the selected case studies. The case studies have been selected to represent diverse buildings' dimensions implementing cold-formed steel-based systems with varying levels of prefabrication and technological integration. The proposed paradigm was validated through qualitative and quantitative analyses of the case study buildings, interpreting its key points. The qualitative analysis provides practical insights into the lessons learned throughout the construction process, while the quantitative analysis is based on Key Performance Indicators (KPIs) to assess specific aspects of the paradigm. Ultimately, the research proposes a practical perspective for the future development of cold-formed steel-based systems that aligns with European objectives and the emerging vision of Industry 5.0, providing valuable insights for industry practitioners and researchers.

Il settore delle costruzioni sta attraversando una fase di profonda trasformazione, stimolata dalle politiche e strategie dell’Unione Europea orientate alla decarbonizzazione. Nonostante i progressi compiuti, il ritmo attuale di transizione risulta ancora insufficiente. Negli ultimi anni, l’attenzione della ricerca si è progressivamente spostata dagli edifici a energia zero verso quelli a basse emissioni di carbonio, evidenziando il ruolo cruciale delle emissioni incorporate nei materiali da costruzione. Questa nuova prospettiva ha da un lato favorito l’adozione di approcci costruttivi innovativi, come la costruzione off-site (Off-site Construction, OSC), e dall’altro ha accresciuto la consapevolezza circa l’impatto ambientale dei materiali impiegati. Tra i materiali prevalentemente usati nelle costruzioni, l’acciaio si distingue per il suo elevato potenziale in termini di circolarità e riciclabilità, configurandosi come un materiale strategico per il raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione. In particolare, le tecnologie basate sull’acciaio sagomato a freddo (Cold-Formed Steel, CFS) sono oggi al centro dell’attenzione, grazie all’ottimizzazione geometrica dei profili che consente di ottenere soluzioni leggere ed efficienti. La presente ricerca si concentra su due specifiche tecnologie in acciaio sagomato a freddo: i profili strutturali, comunemente noti come strutture Light Steel Frame (LSF), e i pannelli sandwich (SP), impiegati principalmente per l’isolamento termico dell’involucro edilizio. Tali soluzioni stanno sperimentando una crescente diffusione nel settore, in virtù della loro versatilità architettonica e delle elevate prestazioni tecniche. All’interno del più ampio quadro della costruzione off-site e dei sistemi a secco multistrato, lo studio esplora come LSF e SP possano essere integrati in un dialogo virtuoso tra architettura e industria, orientato all’innovazione e alla sostenibilità. Partendo da questo contesto, gli obiettivi della ricerca sono tre: i) esplorativo, mediante la mappatura dello stato dell’arte e delle pratiche industriali attuali nella costruzione off-site; ii) formulativo, attraverso l’elaborazione di un originale paradigma interpretativo costituito da 10 punti costruito per i sistemi basati su acciaio sagomato a freddo, coerente con le priorità europee; iii) dimostrativo, tramite la validazione sperimentale del paradigma proposto su quattro edifici caso studio. Per il raggiungimento di tali obiettivi è stata adottata una metodologia integrata, articolata in più fasi. Una metodologia multi-fonte ha permesso di delineare il panorama scientifico e pratico delle due tecnologie, attraverso una revisione sistematica della letteratura, l’analisi di progetti europei e uno studio del mercato. Tale approccio è stato affiancato dalla metodologia dei casi studio e da un’analisi integrata di tipo qualitativo-quantitativo, applicata agli edifici selezionati. I casi studio sono stati individuati in modo tale da rappresentare edifici di diverse dimensioni e configurazioni, accomunati dall’impiego di sistemi di involucro in acciaio sagomato a freddo, con differenti livelli di prefabbricazione e integrazione tecnologica. Il paradigma proposto è stato validato attraverso l’analisi critica dei casi studio, interpretando i punti del paradigma sia in termini qualitativi – mediante la rilevazione delle lesson learned lungo il processo costruttivo – sia in termini quantitativi, attraverso l’utilizzo di Key Performance Indicators (KPI) per la valutazione delle performance del sistema costruttivo. In conclusione, la ricerca propone una visione operativa per lo sviluppo futuro dei sistemi basati su acciaio sagomato a freddo, allineata agli obiettivi europei di neutralità climatica e alla visione emergente dell’Industria 5.0, offrendo contributi rilevanti per il mondo della ricerca e per i professionisti del settore.