Descripción enviada por el equipo del proyecto. El Instituto de Diseño Computacional (ICD) y el Instituto de Estructuras de la Edificación y Diseño Estructural (ITKE) de la Universidad de Stuttgart han completado un nuevo pabellón de investigación que demuestra las técnicas de fabricación textil robótica para láminas de madera segmentadas. El pabellón es el primero de su tipo en emplear la costura industrial de elementos de madera en una escala arquitectónica. Es parte de una exitosa serie de pabellones de investigación que muestran el potencial de los procesos de diseño computacional, simulación y fabricación en la arquitectura. El proyecto fue diseñado y realizado por estudiantes e investigadores dentro de un equipo multidisciplinar de arquitectos, ingenieros, biólogos y paleontólogos.
Investigación biomimética de estructuras de cáscara
El desarrollo del Pabellón de Investigación 2015-16 de ICD/ITKE se caracteriza por una estrategia de diseño doble de abajo hacia arriba basada en la investigación biomimética de estructuras de placa segmentadas naturales y nuevos métodos de fabricación robóticos 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, se desarrolló una técnica de fabricación que permite la producción de segmentos elásticamente doblados, de doble capa hechos de laminada de madera de haya customizada robóticamente cosida. La introducción de métodos de conexión textiles en la construcción en madera permite cáscaras de madera segmentada extremadamente ligeras y performativas.
Estudios previos sobre los erizos de mar por parte de los socios de investigación ya habían llevado a la transferencia de principios de construcción y el desarrollo de nuevos métodos de construcción para cáscaras de placa de madera. En este proyecto, estructuras de cáscara laminares segmentadas naturales fueron analizadas en una cooperación interdisciplinaria entre arquitectos e ingenieros de la Universidad de Stuttgart y biólogos de la Universidad de Tubingen con el fin de revelar aspectos adicionales pertinentes. Dentro del phylum taxonómico de Echinodermata se identificaron dos especies de la clase Echinoidea (erizo de mar) y el orden Clypeasteroida como particularmente prometedores para la transferencia de principios morfológicos, así como principios procesales de crecimiento para un proceso de diseño integrador.
Junto con la Universidad de Tubingen, imágenes y escaneos SEM (microscopía electrónica) se realizaron en varias especies con el fin de comprender las intrincadas estructuras internas de los erizos de mar. 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 morfología geométrica de un sistema de doble capa y la diferenciación dentro del material. Lo más importante sin embargo, es que las placas de calcita de algunas especies de erizo se conectan a través de elementos fibrosos, además de las articulaciones de los dedos, y se puede establecer la hipótesis que esta conexión de múltiples materiales juega un papel importante en mantener la integridad de la cáscara del erizo durante el crecimiento y la exposición a fuerzas externas.
Emplear el material y la lógica estructural de la madera
Basado en tanto los principios biológicos, así como las características del material, el sistema material fue desarrollado como una estructura de doble capa similar a la de crecimiento secundario en los erizos. Los elementos de construcción consisten en tiras de madera extremadamente finas. Para instrumentalizar la anisotropía de la madera, estas tiras están laminadas por encargo de modo que la dirección de la fibra y el espesor se corresponde 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 se definen en su forma por una costura robótica. De esta manera, 151 elementos geométricamente diferentes podrían ser producidos, lo que resulta en una estructura rígida de cáscara doblemente curvada cuando están montados.
Dado que debieran evitarse los momentos de flexión en las tiras de madera contrachapada debido a cargas externas, las juntas entre segmentos están diseñadas sólo para la transferencia de fuerzas normales y de corte en el mismo plano. Mientras que la fuerza de corte llevó a articulaciones de los dedos en los bordes del elemento, la fuerza normal dio lugar a la articulación distintiva de conexiones entrelazadas que transfieren las fuerzas de tracción entre segmentos, que desempeñan un papel similar al de las conexiones fibrosas entre las placas de los erizos de mar.
Costura robótica para cáscaras de madera segmentadas
La madera exhibe 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, múltiples conexiones continuas son generalmente preferibles a las singulares más grandes. Sin embargo, las conexiones pegadas generalmente requieren o prensas de gran tamaño o un encofrado complejo para mantener la presión necesaria para la laminación.
Este proyecto explora la costura robótica no sólo para unir las 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 uno los elementos, y luego para sostener el segmento montado previamente en forma, cosiéndolo con una máquina de coser industrial estacionaria. Durante la fabricación el robot primero mueve el segmento a través de la máquina de coser de modo que las tiras están conectadas. Luego 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 hay movimiento lateral durante la penetración de la aguja.
Un demostrador en la intersección de la arquitectura, la ingeniería y la biología
El pabellón consta de 151 segmentos que fueron prefabricados por costura robótica. Cada uno de ellos consta de tres tiras de contrachapado de haya laminada de forma individual. Oscila entre 0,5 y 1,5 m en diámetro, sus formas específicas y composición material están programados para adaptarse a los requisitos estructurales y geométricos locales. Las conexiones textiles desarrolladas para este proyecto permiten superar la necesidad de broches de metal. Toda la estructura pesa 780 kg, tiene una superficie de 85 m2 y abarca 9,3 metros. Con una relación de espesor / luz estructural 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. Se establece un espacio semi-exterior que integra la topografía del suelo como un paisaje 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 complejos que una estructura de cubierta simple. El pabellón de investigación muestra cómo la síntesis de cómputo de los principios biológicos y las reciprocidades complejas entre el material, la forma y la fabricación robótica pueden conducir a métodos innovadores de construcción en madera. Este enfoque multidisciplinario de investigación no sólo da lugar a una estructura ligera eficiente performativa y material, sino que también explora nuevas cualidades espaciales y amplía las posibilidades tectónicas de la arquitectura de madera.
