El Institute for Computational Design (ICD) y el Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE) de la Universidad de Stuttgart han finalizado este nuevo pabellón de investigación que demuestra las técnicas de fabricación textil robótizadas para láminas de madera segmentadas. El proyecto fue diseñado y realizado por estudiantes e investigadores dentro de un equipo multidisciplinar de arquitectos, ingenieros, biólogos y paleontólogos.
Investigación biomimética en estructuras laminares
El desarrollo del Pabellón de Investigación 2015-16 de CIE / ITKE se caracteriza por una estrategia de diseño doble de abajo hacia arriba basado en la investigación biomimética de estructuras de placas naturales segmentadas y nuevos métodos de fabricación robótizados para coser capas delgadas de madera contrachapada. El proyecto se inició con el análisis de la morfología de la construcción de erizos de arena. Al mismo tiempo, la técnica de fabricación que se ha desarrollado permite la producción de segmentos elásticamente plegados, de laminas de doble capa hechos por encargo, madera de haya robóticamente cosida. La introducción de métodos de conexión textiles en la construcción en madera permite conchas de madera segmentadas extremadamente ligeras y performativas.
Estudios previos sobre los erizos de mar por parte de otros colaboradores de la investigación ya se habían transferido a los principios de construcción y el desarrollo de nuevos métodos de construcción para los depósitos de placas de madera. En este proyecto, las estructuras laminares segmentadas naturales fueron analizadas en una cooperación interdisciplinar entre arquitectos e ingenieros de la Universidad de Stuttgart y biólogos de la Universidad de Tubinga con el fin de descubrir aspectos adicionales complementarios. Dentro del phylum taxonómico del Echinodermata se identificaron dos especies de la clase Echinoidea (erizo de mar) y la Leodia sexiesperforata (locha o galleta de mar) como particularmente prometedores para la transferencia de principios morfológicos, así como los principios procesales de crecimiento para un proceso de diseño integrador.
Conjuntamente con la Universidad de Tubinga, imágenes y escaneos SEM (siglas en inglés de barrido eletrónico microscopíco) se realizaron en varias especies con el fin de comprender las intrincadas estructuras internas de los erizos de mar y de las lochas. Se concluyó que el rendimiento de estas estructuras ligeras segmentadas se basa no sólo en la disposición de sus placas de calcita individuales, sino también en la geométrica morfología de un sistema de doble capa y la diferenciación interior del material. Lo más importante sin embargo, las placas de calcita de algunas especies de erizo de mar se conectan a través de elementos fibrosos, además de las articulaciones de los dedos, y puede ser la hipótesis que esta conexión de múltiples materiales juega un papel importante en el mantenimiento de la integridad de la cáscara del erizo de mar durante el crecimiento y la exposición a fuerzas externas.
Empleando el material y la lógica estructural de la madera
Basado en los principios biológicos, así como en las características del material, el sistema de material fue desarrollado como una estructura de doble capa similar a las de crecimiento secundario en las lochas. Los elementos de construcción consisten en tiras de madera extremadamente finas. Instrumentalización la anisotropía de la madera, estas tiras son laminadas de modo que la dirección de la fibra y el espesor se corresponda con la rigidez diferenciada necesaria para formar piezas con radios variables. Por lo tanto, las tiras inicialmente planas pueden ser elásticamente dobladas para encontrar la forma específica pre-programada en su laminado. En este estado deformado, los elementos están enlazados por costuras robotizadas. De esta manera, se pudieron realizar 151 elementos geométricamente diferentes, lo que generó una estructura de cubierta doblemente curvada rígida cuando están montados.
Puesto que deben evitarse momentos de flexión en las tiras de madera contrachapada debido a cargas externas, las juntas entre segmentos están diseñados para la transferencia en el plano normal y sólo fuerzas de cizallamiento. Mientras que este último llevó a articulaciones dentadas en los bordes del elemento, la anterior dio lugar a la articulación distintiva de conexiones entrelazadas que transfieren las fuerzas de tracción entre segmentos, desempeñando un papel similar al de las conexiones fibrosas entre las placas de erizos de mar.
Costura robótica para las piezas de madera segmentadas
La madera muestra un excelente comportamiento mecánico y un alto potencial para la industria textil y de articulaciones de múltiples materiales fuera del alcance de las conexiones de madera convencionales. Especialmente para las capas delgadas de madera contrachapada, son generalmente preferibles múltiples conexiones continuas, a las singulares más grandes. Sin embargo, las conexiones pegadas generalmente requieren prensas de gran tamaño o encofrado complejo para mantener la presión necesaria en la laminación.
Este proyecto explora la costura robótica no sólo para unir tiras de madera contrachapada de forma individual que forman un segmento, sino también para evitar la deslaminación potencial. Un robot industrial se emplea tanto para la asistencia durante el montaje y la flexión de las tiras que conforman los elementos, y luego bloquean el segmento de pre-ensamblado cosiendolo con una máquina de coser industrial estacionaria. Durante la fabricación del robot primero se mueve el segmento a través de la máquina de coser de modo que las tiras estén conectadas. Luego se guía el canal de segmento a lo largo de su borde para asegurar el laminado y para fijar la membrana de fibras de poliéster cubiertas de PVC que forman la conexión de encaje entre los segmentos. El robot y la máquina de coser están integrados y controlados a través de un software personalizado. Esto asegura que no haya movimientos laterales durante la penetración de la aguja.
Una prueba mezclando Arquitectura, Ingeniería y Biología
El pabellón consta de 151 segmentos que fueron prefabricadas por costura robótizada. Cada uno de ellos consta de tres tiras de contrachapado de haya laminada de forma individual, que oscila entre 0,5 y 1,5 m de diámetro, sus formas específicas y material de montaje están programados para adaptarse a los requisitos estructurales y geométricas locales. Las conexiones textiles desarrollados para este proyecto permiten la superación de la necesidad de usar conexiones metálicas. Toda la estructura pesa 780 kg, con una superficie de 85 m² y que abarca 9,3 metros. Con una relación de espesor / espacio resultante del material de 1/1000 en promedio, el edificio tiene un peso estructural de tan sólo 7,85 Kg / m².
El diseño general responde a condiciones específicas del lugar en el campus universitario. Establece un espacio semi-exterior que integra la topografía del suelo como zona de estar y se abre hacia la plaza pública adyacente. Al mismo tiempo demuestra la capacidad de adaptación morfológica del sistema desarrollado por la generación de disposiciones espaciales más complejas que una estructura de cubierta simple. El pabellón de investigación muestra cómo la síntesis de cálculo de los principios biológicos y los complejos reciprocidades entre el material, la forma y la fabricación robótica puede conducir a métodos innovadores de construcción en madera. Este enfoque multidisciplinar de investigación no sólo da lugar a un material con una estructura ligera eficiente y performativa, sino que también explora nuevas cualidades espaciales y amplía las posibilidades tectónicas de la arquitectura de madera.
