Forme in calcestruzzo più robuste, leggere e sostenibili grazie al generative design
Nell’industria dell’edilizia, le innovazioni più importanti avvengono raramente. Le Piramidi di Giza, l’acquedotto francese Pont Du Gard, il design delle lastre “galleggianti” di Le Corbusier e la diga di Hoover sono solo alcuni esempi di costruzioni che hanno cambiato il mondo. Per secoli, il calcestruzzo è sempre stato considerato un materiale resistente, ma le vecchie formulazioni ed i vecchi metodi si stanno evolvendo. Nuove tecnologie, come la stampa 3D e l’intelligenza artificiale (AI), promettono di rendere il calcestruzzo più leggero, più durevole e, cosa forse più importante, più sostenibile.
L’ingegnere strutturale Marcos Silveira è l’amministratore delegato della start-up brasiliana BRAVO Engineering. Insieme al suo team è promotore di un progetto chiamato Hone Structures, che potrebbe rappresentare un passo avanti nelle tecniche di costruzione in calcestruzzo sostenibile. Hone Structures sta applicando il generative design alle strutture in cemento armato, a partire dalle travi tozze in calcestruzzo di prova, per capire quanto materiale si potrebbe risparmiare e verificare gli altri potenziali benefici del processo.
Nel bel mezzo del dottorato di ricerca presso l’Università di San Paolo e l’Università di Windsor, in Canada (sotto la supervisione del dott. Sreekanta Das all’università di Windsor e del dott. Luís Bitencourt all’università di San Paolo), Silveira e la sua compagna di squadra Gabriela Vivan hanno partecipato al Generative Design for AEC Intensive Residency presso l’Autodesk Technology Center di Toronto per sviluppare le proprie idee, e poi hanno lavorato con esperti di robotica a Boston per passare al cemento armato e approfondire la conoscenza della stampa 3D. Silveira afferma che il progetto, “un’applicazione vivente e dinamica” della sua tesi di dottorato, “mira a rimodellare il processo di progettazione e costruzione di strutture in cemento armato” usando il generative design, l’intelligenza artificiale e la robotica.
Per quanto riguarda la progettazione e costruzione del calcestruzzo tradizionale, Silveira sostiene che non si tratta di un vero e proprio problema. È più una limitazione, perché si basa sull’esperienza del progettista e sui limiti del processo di produzione tradizionale. Al contrario, l’approccio Hone Structures esamina il comportamento di una struttura in calcestruzzo mediante l’analisi ad elementi finiti (FEA), quindi utilizza il calcolo per rimodellarla e rinforzarla nei punti giusti. “Sostanzialmente, dividiamo il carico di progettazione in una serie di passaggi”, dichiara. “Invece di proporre e calcolare una capriata equivalente per rappresentare la forma complessa (un approccio con tirante e puntone) analizziamo ogni fase di carico, che aumentiamo per individuare i punti più deboli su cui è necessario un intervento di rafforzamento”.
Il team ha realizzato diverse forme in calcestruzzo nel laboratorio di strutture dell’Università di Windsor, le ha collegate a strutture idrauliche per esercitare la pressione e ha applicato un sistema di correlazione digitale di immagini (DIC), utilizzando telecamere per registrare i test. In tal modo ha potuto analizzare la deformazione e le sollecitazioni con l’applicazione di determinate forze. È quindi tornato all’algoritmo di generative design per elaborare nuove linee di codice per continuare a migliorare il rapporto tra il comportamento strutturale ed i materiali utilizzati.
Il processo ha avuto come conseguenza diretta un risparmio di materiali. “Ciò significa che il processo di progettazione si basa sulla sollecitazione”, dice Silveira. “La sollecitazione è data dalla forza divisa per l’area. Se aumentiamo la resistenza in termini di sollecitazione, possiamo ridurre l’area e se riduciamo l’area, possiamo ridurre la quantità interna di materiale”.
Ciò ha portato a una capriata caratteristica delle forme atipiche e irregolari per cui sono noti gli algoritmi di generative design: strani ma ottimali. Hone Structures ha prodotto 10 progetti principali per il pezzo, selezionati tra più di 1.000 modelli generati dall’algoritmo. Il team ha iniziato ad utilizzare l’ottimizzazione topologica come innesco dell’approccio di generative design. In altre parole, l’elemento è stato diviso in piccoli elementi (processi FEA); la comprensione del comportamento di un determinato elemento, e delle sollecitazioni su di esso, ha prodotto calcoli che, una volta combinati, hanno fornito informazioni sul comportamento dell’intero pezzo. Per ogni fase del carico, l’algoritmo ha analizzato quali piccoli elementi potevano essere esclusi senza compromettere il comportamento strutturale dell’intero insieme. Questo procedimento è stato ripetuto più volte fino a raggiungere l’obiettivo di progettazione.
Il risultato finale è stato una trave tozza costituita soltanto dal 55% del materiale che sarebbe stato utilizzato in un processo di progettazione umana tradizionale. Una volta dimostrate le possibilità di ridurre il materiale, il passo logico successivo è stato quello di considerare una migliore scienza dei materiali, incorporare la produzione additiva e rendere l’intero processo sempre più intelligente (e più ecologico).
Il calcestruzzo ad alte prestazioni, utilizzato dalla US Federal Highway Administration, è più duro e più costoso delle miscele tradizionali, ma richiede una quantità minore di materiale rispetto al normale calcestruzzo e, con i risparmi di materiale offerti dal generative design, diventa ancora più conveniente. Utilizza anche casseforme più sostenibili, permettendo un ulteriore risparmio di denaro e materiali.
Le tecnologie come la stampa 3D stanno trasformando il processo di produzione. Le casseforme tradizionali che vincolano il calcestruzzo alle linee rette potrebbero rimanere un ricordo del passato; la ricerca sulla stampa 3D del tondino d’acciaio che si trova all’interno delle strutture in calcestruzzo procede a ritmi sostenuti. Inoltre, Silveira afferma che gli studi condotti dalle aziende che stampano acciaio su piccola scala stanno aprendo la via ad armature in tondini per calcestruzzo sempre più complicate. Altri stanno sperimentando diverse tecniche per la realizzazione di tondini più leggeri e più forti, fabbricati con composti di fibre di carbonio.
A riprova di questo concetto, Hone Structures sta progettando una passerella in cemento armato utilizzando algoritmi di generative design e muratori robot. Lo sviluppo di questa struttura consentirà al team di lavorare con sagome, forme e dimensioni che vanno oltre i limiti della tecnologia attuale.
“Quando lavoriamo con casseforme regolari, dobbiamo limitarci a determinate sagome e queste limitazioni condizionano il processo di progettazione”, sostiene Silveira. “In futuro, la progettazione della gabbia di armatura in tondini potrebbe essere decisa dalle esigenze di prestazione e non limitata dalla tecnologia di assemblaggio attuale”.
Secondo Silveira, una passerella è l’applicazione ideale per tutto ciò su cui Hone Structures ha lavorato, perché il calcestruzzo precompresso che emerge dalla ricerca dell’azienda può essere formato in sagome molto diverse da quelle tradizionalmente utilizzate nel mondo delle costruzioni. “Questo progetto potrebbe rappresentare una buona opportunità per adeguare alcuni schemi della produzione additiva e del generative design al mondo del cemento armato”, dichiara.
L’obiettivo è di completare il progetto entro due o tre anni. La passerella non servirà solo a mostrare ciò che è possibile; sarà anche uno strumento didattico per presentare i limiti, le opportunità e le peculiarità del metodo.
Silveira sostiene che queste tecniche possono essere applicate ad un gran numero di strutture, in qualsiasi parte del mondo. “Puntiamo a produrre interi edifici, edifici alti, edifici in metallo”, dice. “Quando si utilizza l’intelligenza artificiale per progettare la posizione degli elementi strutturali, si può andare molto lontano”.
Queste innovazioni potrebbero portare ad un mondo dall’aspetto fisico completamente diverso, poiché l’architettura dipenderà in parte da algoritmi che offrono scelte che non sarebbero possibili con le pratiche di progettazione tradizionali.
“In futuro, potremo utilizzare questo approccio per decidere l’architettura e la posizione degli elementi, quindi la forma sarà molto diversa da quella attuale e le prestazioni saranno decisamente migliori”, afferma Silveira. “Una volta in grado di lavorare con migliaia di soluzioni, potremo identificare i punti che necessitano di un miglioramento delle prestazioni e ridurre la quantità di materiale”.
Mentre la stampa 3D e la robotica accelereranno la costruzione, il generative design ridurrà la quantità dei materiali e creerà nuovi paradigmi per migliorare i componenti degli edifici. I progetti come Hone Structures stanno vagliando tutte le possibilità per offrire all’edilizia una nuova prospettiva di vita sostenibile.