Durante el siglo pasado, la industria de la construcción se ha convertido en una de las actividades humanas más intensivas en materiales y perjudiciales para el medio ambiente.
MATERIALES DE FIBRA NATURAL
Un requisito previo para un entorno construido sostenible implica el desarrollo de nuevos enfoques de diseño y construcción eficientes en el uso de los recursos, junto con la investigación continua sobre el uso de materiales naturalmente renovables.
Los compuestos de fibra muestran una excelente relación resistencia-peso y esta característica proporciona una base excelente para el desarrollo de estructuras ligeras innovadoras y eficientes en materiales. Los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio y carbono ya son habituales en áreas como la ingeniería aeroespacial, la ingeniería mecánica y la industria automotriz. La importancia de las fibras naturales como alternativa sostenible se ha vuelto cada vez más significativa en estos campos en los últimos años. En la industria de la construcción, sin embargo, apenas se reconsideran los materiales de construcción actualmente. Durante los últimos dos años, un equipo de arquitectos e ingenieros del Instituto de Diseño y Construcción Computacional (ICD) y el Instituto de Estructuras de Edificios y Diseño Estructural (ITKE) de la Universidad de Stuttgart investigó el potencial del uso de fibras naturales como material de construcción, ya que presentan una alternativa prometedora y sostenible a las fibras producidas sintéticamente.
Los componentes estructurales del pabellón livMatS están construidos con fibras de lino. Estas fibras se han utilizado para la producción de tejidos y prendas de lino durante milenios, hasta que el algodón comenzó a reemplazarlas a partir del siglo XVIII. Son comparables en sus propiedades mecánicas a las mechas de fibra de vidrio; proporcionan una rigidez similar por peso, pero con una energía incorporada mucho menor. A diferencia de las fibras de vidrio o carbono, así como de muchas otras fibras naturales, las fibras de lino están disponibles regionalmente en Europa Central y crecen en ciclos de cultivo anuales. Son completamente renovables, biodegradables y, por lo tanto, proporcionan una base excelente para el desarrollo de alternativas innovadoras de ahorro de recursos para la industria de la construcción. Ofrecen la posibilidad, especialmente en combinación con un diseño liviano eficiente, de reducir significativamente la huella ambiental de los edificios.
Pabellón livMatS. Fotografía por Rob Faulkner - ICD/ITKE/IntCDC Universidad de Stuttgart
INVESTIGACIÓN BIOMIMÉTICA
La biología sirve como modelo inspirador en varias disciplinas. Especialmente en arquitectura, inspira a través de su uso eficaz, eficiente, ahorrando recursos de energía y materiales. Por ejemplo, la mayoría de los sistemas de carga en la naturaleza se construyen a partir de sistemas de materiales reforzados con fibras y sus estructuras fibrosas suelen estar muy diferenciadas; la orientación, dirección y densidad de las fibras se adaptan con precisión a las fuerzas que ocurren localmente, y no se desperdicia ni se usa material donde no se requiere.
El pabellón livMatS continúa una investigación de largo recorrido en colaboración con las universidades de Friburgo y Stuttgart en este campo, que están investigando cómo estos principios se pueden transferir de la naturaleza a la arquitectura.
El pabellón livMatS se inspiró en el cactus saguaro (Carnegia gigantea) y el nopal (Opuntia sp.), que se caracterizan por su especial estructura de madera. El cactus saguaro tiene un núcleo de madera cilíndrico que es hueco por dentro y por lo tanto particularmente ligero. Consiste en una estructura de madera en forma de red, que le da al esqueleto una estabilidad adicional y se forma como resultado del crecimiento de sus elementos individuales de madera. El tejido de los brotes laterales aplanados del nopal también está entretejido con haces de fibras de madera en forma de red, que están dispuestos en capas e interconectados. Como resultado, el tejido del nopal se caracteriza por una capacidad de carga particularmente alta. Al abstraer estas estructuras de red, los científicos pudieron transferir las propiedades mecánicas de las estructuras de fibras reticuladas a los elementos estructurales ligeros del pabellón.
Pabellón livMatS. Fotografía por Rob Faulkner - ICD/ITKE/IntCDC Universidad de Stuttgart
DISEÑO Y FABRICACIÓN INTEGRADOS
El proyecto es un paso más en un proceso de más de 10 años de investigación en la construcción de fibras. La investigación anterior se centró en el uso de compuestos de fibra producidos sintéticamente en la construcción, como las fibras de vidrio y carbono, en combinación con métodos avanzados de diseño, simulación y fabricación computacionales. El pabellón livMatS amplía esta investigación hacia un método de construcción más sostenible con fibras de lino naturales e investiga el uso de estas fibras naturales en una aplicación a gran escala.
Los elementos de construcción portantes se producen con un proceso de bobinado de filamentos sin núcleo desarrollado por el equipo del proyecto. En este enfoque de fabricación aditiva, un robot coloca con mucha precisión haces de fibras en un bastidor de bobinado. Esto permite la calibración específica y la articulación arquitectónica de la orientación, alineación y densidad de las fibras para ajustarse exactamente a los requisitos estructurales del componente, como en su inspiración biológica. La forma predefinida del componente surge solo a través de la interacción de las fibras dentro del marco de enrollamiento, eliminando la necesidad de cualquier molde o núcleo adicional. Este método de fabricación no produce desperdicios ni recortes. Además, el mismo bastidor de enrollamiento modular se puede utilizar para todos los elementos que varían geométricamente, lo que conduce a una excelente eficiencia del material cuando se compara con materiales de construcción convencionales y da como resultado una alta capacidad de carga.
Las fibras naturales y su variabilidad biológica presentaron a los investigadores nuevos desafíos, particularmente en lo que respecta al diseño computacional y los flujos de trabajo de fabricación robótica, así como al control de la máquina. Estos flujos de trabajo de Co-Design se desarrollaron inicialmente para materiales sintéticos y, por lo tanto, homogéneos y ahora debían adaptarse a las propiedades de los materiales de las fibras de lino. Este ajuste del modelo de diseño computacional integrador permitió que las propiedades heterogéneas del material informaran el diseño y la planificación de los componentes individuales, así como la estructura general. Las propiedades mecánicas específicas de las fibras naturales también requirieron la reconfiguración del proceso de fabricación robótica.
El pabellón livMatS está cubierto con una piel de policarbonato impermeable, que no solo brinda protección contra la intemperie, sino que también protege las fibras de la radiación ultravioleta directa y la humedad de la lluvia o la nieve.
Pabellón livMatS. Fotografía por Rob Faulkner - ICD/ITKE/IntCDC Universidad de Stuttgart
PROTOTIPO INTEGRADO PARA LA CONSTRUCCIÓN SOSTENIBLE
La estructura de carga del pabellón livMatS consta de 15 componentes de fibra de lino, prefabricados robóticamente exclusivamente a partir de fibras naturales hiladas en continuo, así como un elemento de remate fibroso en la parte superior de la estructura. Los elementos varían en longitud total de 4,50 a 5,50 m y pesan solo 105 kg de promedio. Toda la estructura de fibra pesa aproximadamente 1,5 t y cubre un área de 46m². El diseño final cumple con el código de construcción alemán y los requisitos de permisos estructurales relacionados y el conjunto de combinaciones de carga, incluidas las cargas de viento y nieve.
Los desarrollos de investigación relacionados con el proceso programación, la fabricación robótica y el nuevo sistema de materiales fueron desarrollados por un equipo interdisciplinar de estudiantes de ITECH e investigadores de ICD / ITKE en la Universidad de Stuttgart y fueron validados por la fabricación de una primera serie de prototipos de los componentes de fibras naturales. Posteriormente, se generaron los datos de producción y se pasaron al socio industrial del proyecto, FibR GmbH Stuttgart, para la producción de los 15 componentes estructurales.
Combinandose de manera natural con el entorno del Jardín Botánico de Friburgo, el pabellón celebra las nuevas posibilidades de articulación espacial y estructural de los materiales naturales, que los visitantes del jardín y los usuarios del edificio experimentan como una expresión arquitectónica singular pero auténtica. Ofrece una visión de la construcción que es a la vez futurista y preparada para el futuro, y sirve como una sala de conferencias al aire libre para eventos ofrecidos por livMatS en la Universidad de Friburgo. Allí, los científicos presentarán su trabajo al público en visitas guiadas o talleres, transmitiendo así en directo la investigación del conjunto.
El proyecto continúa una serie de prototipos de edificios experimentales y altamente innovadores exitosos diseñados y realizados por el equipo interdisciplinar de investigadores y estudiantes de la Universidad ICD / ITKE de Stuttgart. Refuerza aún más la ya exitosa colaboración entre el Cluster of Excellence livMatS en la Universidad de Friburgo y el Cluster of Excellence IntCDC en la Universidad de Stuttgart. IntCDC tiene como objetivo repensar el diseño y la construcción a través de tecnologías digitales para abordar los desafíos ecológicos, económicos y socioculturales que enfrenta el entorno construido. La visión de livMatS es combinar la naturaleza y la tecnología para desarrollar tecnologías ambientales y energéticas de vanguardia. Por su propia naturaleza, el pabellón ofrece puntos de contacto para resaltar similitudes y diferencias entre materiales biológicos y técnicos y para mostrar las posibilidades que ofrece la bioinspiración, por ejemplo en arquitectura pero también en otras áreas de la tecnología.
