L'ultimo progetto del Padiglione di Ricerca ITECH si pone la domanda: “Come può la tecnologia guidare un'integrazione equilibrata delle risorse naturali per far progredire i sistemi architettonici rigenerativi?”. La forma unica del padiglione dimostra un approccio innovativo all'architettura ibrida biobased: combinando materiali da costruzione tradizionali con materiali biobased, l'ITECH Research Pavilion 2024 presenta l'amalgama di legno e fibre naturali in una forma fantasiosa.ITECH Research Pavilion 2024 dimostra un approccio innovativo all'architettura ibrida biobased
Il progetto considera le possibilità architettoniche che derivano dalle caratteristiche complementari del legno e della fibra naturale: la resistenza alla compressione e la flessibilità del legno sono integrate con le qualità di trazione e la versatilità della fibra naturale, consentendo un approccio originale alla progettazione e alla fabbricazione di strutture ibride leggere e performanti.
Il Padiglione di Ricerca ITECH 2024 è stato realizzato attraverso la co-progettazione di nuovi metodi di progettazione computazionale e processi di fabbricazione multi-robot. L'approccio ibrido legno-fibra spinge i confini dell'innovazione dei materiali e fornisce un percorso rigenerativo in termini di tecniche di costruzione positive per il clima.
Quest'ultima ricerca si basa su una serie di padiglioni innovativi (ad esempio, il Padiglione del Lino Ibrido) sviluppati presso l'Istituto di Progettazione e Costruzione Computazionale (ICD) e l'Istituto di Strutture Edilizie e Progettazione Strutturale (ITKE) dell'Università di Stoccarda.
Il padiglione di ricerca ITECH 2024 è stato progettato e sviluppato da studenti e ricercatori del programma interdisciplinare ITECH MSc (Integrative Technologies & Architectural Design Research) presso il Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) dell'Università di Stoccarda.
Il padiglione di ricerca ITECH si trova nel campus di Stadtgarten dell'università.
Ibrido rigenerativo in legno e fibra
“Nel contesto della crisi ambientale e dell'esaurimento delle risorse, gli architetti non devono solo sforzarsi di mitigare l'impatto dei loro progetti, ma anche puntare ad approcci più olistici che aiutino a ripristinare e migliorare l'ambiente naturale”, afferma ITECH/ICD/ITKE. “È essenziale passare dai materiali sintetici e dalla produzione ad alta intensità energetica alle risorse rinnovabili e a metodi di fabbricazione più efficienti”.
Il legno ha svolto un ruolo fondamentale nell'edilizia per millenni. Oggi questo materiale naturale è sempre più riconosciuto per la sua capacità di sequestrare il carbonio e ridurre l'impronta di carbonio del settore edile. Il legno è una risorsa rinnovabile, ma fattori chiave come il tasso di crescita e la qualità sono influenzati dal cambiamento climatico, il che sottolinea la necessità di una gamma di biomateriali nel settore delle costruzioni.
“Mentre il tipico legno di conifera richiede 30-60 anni per raggiungere una sezione trasversale adatta all'uso industriale, le colture di fibre possono essere coltivate in quantità significative in circa 120 giorni”, afferma ITECH/ICD/ITKE.
La ricerca dimostra che i compositi di fibre naturali e polimeri (NFPC) possono essere utilizzati per strutture portanti. Le fibre di lino (provenienti dall'Europa) hanno diverse proprietà degne di nota rispetto ad altre fibre naturali, tra cui: elevata resistenza alla trazione, leggerezza, capacità di assorbire l'umidità e buona conducibilità termica.
L'uso di un composito di fibre di lino e polimeri, combinato con il legno, dimostra i vantaggi di questi due materiali in un sistema ibrido. Il progetto utilizza anche una resina parzialmente a base biologica come alternativa ecologica ai polimeri convenzionali a base di petrolio: “È stata scelta una resina epossidica contenente il 56% di materiale biobased. Questo passo rappresenta un progresso verso la costruzione su scala architettonica con un NFPC completamente biobased”, afferma ITECH/ICD/ITKE.
Co-progettazione di un sistema ibrido performativo
Il sistema ibrido del padiglione dimostra il potenziale morfologico che deriva dalla combinazione di legno e NFPC. La natura volumetrica del legno viene esplorata sotto forma di lastre di copertura; la fresatura dei bordi di ciascuna lastra fornisce un'interfaccia con le fibre. Utilizzando un processo di avvolgimento di filamenti senza nucleo, le fibre sono posizionate attorno ad ancoraggi meccanici fissati su una struttura in legno. Questo progetto ha impiegato una collaborazione a due robot per affrontare la sfida dell'utilizzo del legno come telaio incorporato. Nelle colonne, i sottili puntoni di legno che forniscono un'intelaiatura per le fibre potrebbero rompersi a causa di una tensione eccessiva: un sistema di avvolgimento a doppio robot risolve questo problema, in cui entrambi i robot si avvolgono simultaneamente su lati opposti dello stesso puntone di legno.
“Durante il processo di fabbricazione, il legno sostiene le fibre”, spiega ITECH/ICD/ITKE. “Una volta induriti, i due materiali lavorano insieme, diventando reciprocamente solidali ed essenziali per mantenere l'integrità spaziale della struttura”. L'approccio estende la funzionalità del legno al di là della sua capacità strutturale consolidata, migliora l'efficienza della fabbricazione in sedi esterne e riduce gli scarti di produzione.
Il sistema sviluppato si presenta sotto forma di colonne e piastre di copertura, consentendo alla struttura di espandersi verticalmente e orizzontalmente. “Le colonne sono formate da gruppi di puntoni in legno disposti radialmente, dove il legno agisce come barre di compressione e le fibre [agiscono] come cavi di tensione e controventature esterne, garantendo ridondanza e stabilità strutturale”, spiega ITECH/ICD/ITKE. “Le lastre del tetto sono composte da una serie di puntoni in legno fissati sotto una lastra in legno, un cavo in fibra e una rete in fibra”. La semplice geometria delle lastre del tetto ha richiesto l'uso di un robot per la fabbricazione di tutte e cinque le lastre.
Le varie connessioni del padiglione sono state progettate per facilitare lo smontaggio grazie a giunti staccabili e alla riduzione delle connessioni meccaniche attraverso giunti incassati.
Le piastre di legno sono collegate tramite giunti di sovrapposizione avvitati a croce; le cuciture in fibra consentono connessioni in loco tra i bordi in fibra utilizzando giunti bullonati.
Le connessioni incorporate all'estremità dei puntoni e sui giunti a pettine facilitano l'interfaccia tra fibra e legno.
Il processo di co-design integrato del progetto combina i concetti sviluppati in un flusso di lavoro digitale iterativo. Questo flusso di lavoro genera file di fabbricazione da un processo semplificato di progettazione-assemblaggio - come risultato, il potenziale strutturale di ogni materiale viene sfruttato, creando così una morfologia complessa e ad alte prestazioni.
Dettagli tecnici
La copertura a tre gambe del padiglione è progettata per resistere a 1,5 volte il suo stesso peso e a 1,5 volte il carico del vento (tenendo conto del sollevamento e delle forze orizzontali). “La geometria finale è stata discretizzata, considerando le direzioni ottimali delle venature del legno e le campate desiderate”, spiega ITECH/ICD/ITKE. “Il risultato è stato tre componenti di colonna, due a due vie e tre a una via”. I componenti convergono con un angolo massimo di dieci gradi, facilitando così il drenaggio dell'acqua piovana.
Il padiglione copre una superficie di 45 metri quadrati e pesa 966 chilogrammi. Le campate principali si estendono per 5 metri (16 piedi) e 7,5 metri (25 piedi).
La composizione materiale della struttura è costituita da: 41,5 chilometri (25,8 miglia) di corde in fibra di lino; 1,75 metri cubi (62 piedi cubi) di piastre a tre strati in legno di conifere dello spessore di 42 millimetri; 0,096 metri cubi (3,4 piedi cubi) di puntoni in legno duro.
La struttura principale è stata assemblata in due giorni; la membrana del tetto e le fondamenta sono state completate nel corso di un'altra settimana.
Sintesi
Il padiglione di ricerca ITECH 2024 dimostra il potenziale dei sistemi ibridi a base biologica in architettura.
“Come dimostratore di ricerca, il padiglione rappresenta un passo avanti verso una nuova cultura dei biomateriali che integra la forza del legno con le fibre naturali in un sistema strutturale coeso”, afferma ITECH/ICD/ITKE. “Sfruttando le proprietà complementari di questi due materiali, la ricerca mira ad affrontare soluzioni costruttive sostenibili e ad ampliare le possibilità di progettazione degli ibridi a base biologica in architettura.”
Project partners
Institute for Computational Design and Construction – ICD
Rebeca Duque Estrada, Fabian Kannenberg, Prof. Achim Menges
Institute of Building Structures and Structural Design – ITKE
Tzu-Ying Chen, Yanan Guo, Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers
Concept & System Development – ITECH Class of 2024
Kalaivanan Amudhan, Hamed Behmanesh, Clara Blum, Yagmur Bulut, Cornelius Carl, Paula Castel, Minghui Chen, Luisa Claus, Matthias Hornung, Che Chen Hu, Mohammad Mahdi Jafari, Simon Joller, Donghwi Kang, Arindam Katoch, Niki Kentroti, Rabih Koussa, Otto Lindstam, Luiza Longo, Samuel Losi, Laura Marsillo, Gonzalo Muñoz Guerrero, Kumaraguru Rangaraj Venkatachalam, Markus Renner, Seyedehgelareh Sanei, Jonathan Schill, Zahra Shakeri, Shirin Shevidi, Ceren Tüfek, Aysima Yavuz, Ali Zolfaghari.
Robotic Fabrication – ITECH Class of 2024
Kalaivanan Amudhan, Hamed Behmanesh, Clara Blum, Yagmur Bulut, Cornelius Carl, Paula Castel, Luisa Claus, Che Chen Hu, Mohammad Mahdi Jafari, Simon Joller, Donghwi Kang, Niki Kentroti, Otto Lindstam, Luiza Longo, Samuel Losi, Laura Marsillo, Gonzalo Muñoz Guerrero, Kumaraguru Rangaraj Venkatachalam, Zahra Shakeri, Shirin Shevidi, Ceren Tüfek, Aysima Yavuz, Ali Zolfaghari.
With support of:
Philip Duncan, Sven Hänzka, Harrison Hildebrandt, Renan Prandini, Michael Preisack, Michael Schneider, Katja Rinderspacher & Christoph Zechmeister
Student assistance: YuLun Chiu, Kai-Jie Kwang & Nicolas Pousa
Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture – IntCDC
