Puente arqueado de mampostería de hormigón impreso en 3D «Striatus»

Exhibida en los Giardini della Marinaressa durante la Bienal de Arquitectura de Venecia hasta noviembre de 2021, la pasarela de 16×12 metros es la primera de su tipo y combina técnicas tradicionales de maestros constructores con tecnologías avanzadas de diseño computacional, ingeniería y fabricación robótica.

El nombre “Striatus” refleja su lógica estructural y su proceso de fabricación. El hormigón se imprime en capas ortogonales a las principales fuerzas estructurales para crear una estructura funicular «estriada» solo de compresión que no requiere refuerzo.

Un nuevo lenguaje para el hormigón

Striatus, que propone un nuevo lenguaje para el hormigón estructuralmente informado, consciente de la fabricación, ecológicamente responsable y colocado con precisión para construir más con menos, optimiza las propiedades interrelacionadas de las estructuras de mampostería, la impresión 3D de hormigón (3DCP) y el diseño contemporáneo; presentando una alternativa a la construcción tradicional de hormigón.

Fuerza a través de la geometría

Striatus es una estructura de hormigón no reforzado que adquiere fuerza a través de la geometría. El concreto puede considerarse una piedra artificial que se comporta mejor en compresión. En estructuras arqueadas y abovedadas, el material se puede colocar con precisión para que las fuerzas puedan viajar a los soportes en compresión pura. La fuerza se crea a través de la geometría, en lugar de una acumulación ineficiente de materiales como en las vigas de hormigón convencionales y losas de piso planas. Esto presenta oportunidades para reducir significativamente la cantidad de material necesario para abarcar el espacio, así como la posibilidad de construir con alternativas menos contaminantes y de menor resistencia.

La geometría de la plataforma bifurcada de Striatus responde a las condiciones del sitio. La forma funicular de sus arcos estructurales se ha definido mediante técnicas de análisis de límites y métodos de equilibrio, como el análisis de redes de empuje, desarrollado originalmente para la evaluación estructural de bóvedas de mampostería históricas; su perfil de media luna abarca las líneas de empuje que trazan las fuerzas de compresión a través de la estructura para todos los casos de carga.

Los tirantes de acero absorben el empuje horizontal de los arcos. Las almohadillas de neopreno colocadas entre los bloques ensamblados en seco evitan las concentraciones de tensión y controlan las propiedades de fricción de las interfaces, haciéndose eco del uso de láminas de plomo o mortero blando en la construcción histórica de mampostería.

En planta, los límites de la estructura forman arcos profundos que transfieren cargas horizontales (por ejemplo, de los visitantes apoyados en las balaustradas) a los soportes en compresión pura. Se utilizó el modelado de elementos discretos (DEM) avanzado para refinar y optimizar la estereotomía de los bloques y para comprobar la estabilidad de todo el conjunto en casos de carga extrema o asentamientos diferenciales de los soportes.

Las 53 dovelas 3DCP del puente se han producido utilizando capas de impresión no paralelas que son ortogonales al flujo de fuerzas dominante. Esto evita la delaminación entre las capas de impresión, ya que se mantienen juntas en compresión. El proceso de fabricación aditiva garantiza que se pueda lograr la profundidad estructural de los componentes sin producir bloques con una sección sólida, lo que reduce la cantidad de material necesario en comparación con los métodos de fabricación sustractivos o la fundición.

Striatus sigue la lógica estructural de la mampostería en dos niveles. En su conjunto, el puente se comporta como una serie de arcos de dovelas no reforzadas inclinadas, con discretizaciones ortogonales al flujo dominante de esfuerzos de compresión, siguiendo los mismos principios estructurales que los puentes romanos en arco de piedra. Localmente, en el nivel de la dovela, las capas de 3DCP se comportan como la mampostería de ladrillo tradicional evidente en las filas inclinadas de ladrillos dentro de la bóveda nubia o mexicana.

Hormigón digital sostenible

De diseño circular, Striatus coloca el material solo donde es necesario, lo que reduce significativamente su huella ambiental. Construido sin refuerzo y con montaje en seco sin aglutinantes, Striatus se puede instalar, desmontar, volver a montar y reutilizar repetidamente; demostrando cómo las tres R de la sostenibilidad (Reducir, Reutilizar, Reciclar) se pueden aplicar a las estructuras de hormigón.

Reducir: Reducir las emisiones incorporadas a través de la geometría estructural y la fabricación aditiva que minimiza el consumo de recursos y elimina los residuos de construcción.

Colocando concreto solo donde se necesita, 3DCP minimiza la cantidad de material requerido, mientras que la geometría funicular de baja tensión y solo compresión de Striatus propone un mayor desarrollo de 3DCP que permitirá el uso de materiales imprimibles de mucha menor resistencia y menos contaminantes. .

En comparación con el refuerzo incrustado en el hormigón, Striatus utiliza amarres externos para absorber el empuje de su forma arqueada y reducir drásticamente la cantidad de acero necesaria. Un material con alto contenido de carbono, el refuerzo de acero (100 % reciclado) por unidad de masa es más de diez veces mayor que el del hormigón estándar.

Reutilización: mejora de la circularidad y la longevidad. A diferencia de la estructura de hormigón armado convencional es, Striatus está diseñado para ensamblarse en seco sin aglutinantes ni pegamentos, lo que permite desmontar el puente y reutilizarlo en otros lugares. Su diseño funicular asegura que los bloques 3DCP experimenten tensiones bajas durante su uso, lo que resulta en una pérdida de integridad estructural. Striatus separa los componentes en compresión y tensión, asegurando que se pueda acceder y mantener fácilmente los lazos externos, lo que resulta en una vida útil más larga para toda la estructura.

Reciclar: al garantizar que los diferentes materiales estén separados y sean separables, cada componente de Striatus se puede reciclar fácilmente con una energía y un costo mínimos. La impresión 3D también evita el desperdicio y los costos asociados con los moldes de un solo uso. Además, los materiales componentes dentro de Striatus permanecen separados y separables con el uso de conexiones mecánicas tales como simples contactos secos entre las dovelas en lugar de pegamentos o aglutinantes químicos, lo que garantiza un proceso de reciclaje simple y de bajo consumo de energía al final de la vida útil de los elementos. potencialmente después de múltiples ciclos de reutilización.

Impresión robótica de hormigón en 3D

A diferencia de la impresión 3D de extrusión típica en capas horizontales simples, Striatus utiliza una tinta de hormigón de dos componentes (2K) con el cabezal de impresión correspondiente y la disposición de bombeo para imprimir con precisión capas no uniformes y no paralelas a través de un brazo robótico de 6 ejes con DOF múltiple. . Esta nueva generación de impresión 3D de hormigón en combinación con el diseño de mampostería arqueada permite que los componentes resultantes se utilicen estructuralmente sin refuerzo ni postesado.

Para evitar la desalineación entre la dirección de las fuerzas estructurales y la orientación de las capas de material que surge del típico corte independiente de la forma de la geometría modelada explícitamente, se formuló una canalización de diseño desarrollada a medida para Striatus para garantizar que sus capas impresas estén completamente alineadas con la dirección. de fuerzas de compresión en todo el puente y también localmente a través de cada bloque impreso en 3D. Para abordar los problemas y desafíos que podrían evitar la estabilidad intermedia durante la impresión, la coherencia y la viabilidad de las rutas de impresión en evolución gradual se han modelado mediante un proceso de Representación funcional (FRep).

Este proceso codifica y verifica continuamente las reglas de superposición mínima, voladizo máximo entre las capas de impresión y la longitud de impresión, la velocidad de impresión y el volumen de hormigón húmedo extruido. Estas medidas, que normalmente se usan en 3DCP en capas horizontales, se han avanzado y perfeccionado para trabajar en una configuración de plano inclinado:

● Las diferencias angulares entre los planos inicial y final de los 53 bloques impresos se han ajustado simultáneamente para cumplir con varios criterios, como un contacto estructural y un ángulo adecuados entre bloques adyacentes y la máxima inclinación de impresión.

● El diseño cuidadoso y el refinamiento iterativo de las secciones transversales huecas y la triangulación del relleno han asegurado que el material se coloque de acuerdo con el desempeño estructural local analizado con precisión de cada bloque. Este diseño y optimización se han aplicado a cada capa individual de cada bloque (con un promedio de 500 capas de impresión por bloque), asegurando que todos los bloques sean lo más huecos y livianos posible y, en consecuencia, utilicen la menor cantidad de material posible manteniendo la integridad estructural. bajo todas las condiciones de carga.

● El intrincado diseño de la sección transversal resultante se ha procesado en una sola ruta de impresión continua que cumple con varios criterios que incluyen la velocidad de impresión y los radios de giro adecuados, el ancho y el grosor del material requerido estructuralmente y la expresión controlada de los artefactos de impresión que ocurren naturalmente.

Un aspecto matizado de la mampostería robótica 3DCP es la reintroducción de inteligencia y mano de obra altamente calificada en la industria de la fabricación y la construcción. La digitalización de la fabricación y el aumento digital de técnicas especializadas de ensamblaje y construcción hace que el conocimiento acumulado históricamente sea accesible para las generaciones más jóvenes y permite su actualización sistemática hacia la construcción industrializada mediante el uso de tecnologías computacionales y robóticas. En marcado contraste con una economía de fuerza bruta y, a menudo, materialmente derrochadora sesgada hacia la automatización y la producción en línea de montaje, la mampostería 3DCP presenta posibilidades de una economía simbiótica hombre-máquina. Esto promete una alternativa ambiental, sociocultural y económicamente sostenible a su predecesor del siglo XX.

Integración computacional del diseño a la construcción

Al integrar diseño, ingeniería, fabricación y construcción, Striatus redefine las relaciones interdisciplinarias convencionales. La fabricación precisa de los bloques fue posible gracias al intercambio de datos bien definido entre las diversas cadenas de herramientas de software específicas del dominio involucradas en el proceso. Este enfoque de desarrollo conjunto se facilitó mediante el uso de COMPAS, un marco computacional de código abierto para la colaboración y la investigación en la industria AEC, que permitió la interacción fluida entre los actores clave del proyecto, trabajando juntos en cinco países diferentes, bajo un ve agenda y presupuesto muy ajustados, en un momento en el que viajar no era posible.

Perspectiva disruptiva

Striatus ofrece un modelo para construir más con menos. Creado con los mismos principios estructurales y un enfoque computacional completamente integrado desde el diseño hasta la fabricación que forma la base de los pisos de concreto abovedados, reforzados con nervaduras y no reforzados que está desarrollando Block Research Group en asociación con Holcim, Striatus propone una alternativa a las losas de piso ineficientes estándar dentro de cualquier edificio.

En comparación con las típicas losas planas de hormigón armado, este nuevo sistema de suelo utiliza solo el 30 % del volumen de hormigón y solo el 10 % de la cantidad de acero. Las tensiones muy bajas dentro de la estructura del funicular también permiten el uso de hormigón con bajo contenido de carbono que incorpora altos porcentajes de residuos de construcción reciclados. Prefabricado y ensamblado en seco y, por lo tanto, completamente desmontable y reutilizable, este sistema de piso es fácil y limpiamente reciclable al final de su vida útil.

Con una superficie construida estimada en 300 000 millones de metros cuadrados en todo el mundo durante los próximos 30 años, y pisos que representan más del 40 % del peso de la mayoría de los edificios de gran altura (más de 10 plantas), la introducción de los principios demostrados por Striatus realmente interrumpir la industria de la construcción, transformando la forma en que diseñamos y construimos nuestro entorno construido para abordar los desafíos que definen nuestra era.

Leé la nota original en inglés > https://arqa.com/en/architecture/striatus-arched-3d-concrete-printed-masonry-bridge.html