HygroShell sfrutta le proprietà igroscopiche del legno per ottenere forma e struttura. (Un materiale igroscopico è in grado di assorbire e rilasciare umidità dall'ambiente). Descritto come un "sistema di costruzione in legno autocostruito", HygroShell si avvale di metodi computazionali avanzati per accedere alla natura intrinseca del legno che cambia forma. Questo sistema auto-modellante viene dimostrato attraverso la progettazione, la costruzione e la produzione di un guscio leggero ad ampia campata realizzato con singoli componenti in legno curvato.
Negli ultimi anni è cresciuto l'interesse per l'utilizzo del legno come materiale da costruzione, in sostituzione di materiali ad alto contenuto di carbonio come il cemento e l'acciaio. Il legno è particolarmente vantaggioso quando si tratta di immagazzinare il carbonio, e lo fa per tutta la durata di vita di una struttura (che può ammontare a centinaia di anni). HygroShell esplora quello che viene definito "un nuovo tipo di architettura biobased e bioispirata".
HygroShell è stato sviluppato come padiglione di ricerca da studenti e ricercatori del programma interdisciplinare ITECH MSc e del Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) dell'Università di Stoccarda. Il padiglione ha fatto il suo debutto alla Biennale di Architettura di Chicago (in programma dal 1° novembre 2023 all'11 febbraio 2024).
HygroShell all'interno del James R. Thompson Center di Chicago:
Le proprietà automodellanti di HygroShell
Quando viene raccolto per la prima volta, il legno contiene un elevato contenuto di umidità e inizia a ridursi naturalmente con l'essiccazione. Essendo un materiale igromorfo, il legno risponde alle variazioni di umidità ambientale. HygroShell sfrutta le proprietà igromorfiche del legno costruendo laminati bilayer a strati incrociati: uno strato "attivo" più spesso con un alto contenuto di umidità e uno strato "restrittivo" più sottile con un basso contenuto di umidità. I fogli bilayer si curvano quando il legno dello strato attivo inizia ad asciugarsi e a ritirarsi.
Il team del progetto HygroShell ha impiegato modelli meccanici derivati analiticamente per indirizzare le proprietà naturali del legno in modo mirato, ottenendo un metodo passivo e a basso consumo energetico per generare geometrie curve. Per il team, l'anisotropia, le caratteristiche strutturali del legno (dove è più forte lungo le venature) e l'abbondanza del materiale lo rendono perfetto per introdurre il concetto di auto-modellazione nelle costruzioni, sia dal punto di vista economico che su scala.
Progettazione computazionale basata sui materiali
HygroShell utilizza dati che rappresentano le variazioni naturali dei materiali presenti nel legno per guidare la forma, la struttura e il processo di produzione. Il team del progetto ha sviluppato un flusso di lavoro computazionale personalizzato per garantire la fornitura di informazioni precise sui materiali durante il processo di progettazione e fabbricazione. Questo approccio ha preso in considerazione una serie di fattori che influiscono sul processo di modellazione complessivo e sulla struttura finale, tra cui l'orientamento delle venature e il contenuto di umidità del legno.
Il processo di fabbricazione inizia con la segatura dei tronchi di abete rosso, assicurandosi che il contenuto di umidità sia mantenuto a un livello elevato. Vengono raccolte informazioni su ogni tavola, tra cui il contenuto di umidità e l'orientamento delle venature. I dettagli vengono aggiunti a un modello di dati digitali, che fornisce informazioni sulle proprietà fisiche e meccaniche di ogni tavola. Alle tavole viene quindi assegnato un "potenziale di curvatura" in base al loro contenuto di umidità.
Prefabbricazione di nuova generazione
L'aspetto distintivo di HygroShell è descritto come "la capacità di incorporare la sagomatura fisica, la struttura, i dettagli di connessione, la resistenza agli agenti atmosferici e il rivestimento nella prefabbricazione a strati piani". A differenza dei metodi di prefabbricazione tradizionali, non si limita a pannelli standardizzati.
Una descrizione precisa del processo di prefabbricazione di HygroShell:
10 x 3 metri (circa 33 x 10 piedi) di strati di legno bilayer sono progettati per essere prefabbricati in piano su un tavolo.
La curvatura viene programmata utilizzando un flusso di lavoro computazionale personalizzato. All'interno dello strato attivo vengono collocate tavole di abete rosso di 20 millimetri di spessore con un elevato contenuto di umidità, che vengono incollate a sottili strati di compensato di pino di 4 millimetri utilizzando un adesivo poliuretanico e una combinazione di pressatura a tacchetti francesi e laminazione sotto vuoto.
Nell'ambiente controllato dell'officina vengono aggiunti uno strato impermeabile e scandole di legno a forma di diamante (tradizionali nella Germania meridionale). Agendo come squame, si adattano alla curvatura della superficie mantenendo la protezione dagli agenti atmosferici.
L'uso della fabbricazione e dell'assemblaggio in piano facilita il processo di produzione senza limitare le prestazioni geometriche successive. La configurazione compatta dei pacchetti riduce inoltre al minimo i volumi di trasporto.
Automodellante e sostenibile
Una volta in loco, le confezioni vengono poste in posizione verticale. Essiccando all'aria in un ambiente non climatizzato, cambiano forma da piatta a curva. Per affrontare l'impatto dell'umidità naturale e dei cambiamenti stagionali, il team del progetto ha sviluppato un approccio cyber-fisico per monitorare la curvatura e il contenuto di umidità, utilizzando una combinazione di scansioni laser iterative e sensori IMU incorporati. Quando ogni componente raggiunge la forma finale, viene fissato con viti e uno strato di compensato di quattro millimetri viene laminato all'interno dei bilayer curvi, in modo da bloccare la forma e aumentarne la stabilità.
HygroShell è stato ideato e progettato come una struttura di copertura a lunga campata. Ha una luce di 9,5 metri con volte ad arco intersecate che poggiano su tre supporti articolati. La profondità strutturale è di soli 28 millimetri. Il team del progetto spiega che invece di usare la massa come rinforzo, il "sistema leggero di HygroShell genera la sua rigidità attraverso la curvatura della superficie e le intersezioni curve".
Grazie alla sua capacità di evitare le tecniche convenzionali di essiccazione del legno, HygroShell è un esempio di costruzione a basso impatto e sostenibile. Inoltre, il team del progetto sottolinea il fatto che l'autoformatura elimina la necessità di casseforme e può facilitare l'uso di complessi macchinari industriali nei cantieri.
Come prova di concetto, HygroShell dimostra le possibilità di un sistema di costruzione in legno leggero e automodellante che semplifica la costruzione di strutture a superficie curva di lunga estensione.
Questo articolo si basa su una relazione dettagliata su HygroShell dell'Università di Stoccarda.
