bionic research pavilion

source: vimeo

The Institute for Computational Design (ICD) and the Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE) of the University of Stuttgart have constructed another bionic research pavilion. The project is part of a successful series of research pavilions which showcase the potential of novel design, simulation and fabrication processes in architecture. The project was planned and constructed within one and a half years by students and researchers within a multi-disciplinary team of architects, engineers and biologists.
The focus of the project is a parallel bottom-up design strategy for the biomimetic investigation of natural fiber composite shells and the development of novel robotic fabrication methods for fiber reinforced polymer structures. The aim was the development of a winding technique for modular, double layered fiber composite structures, which reduces the required formwork to a minimum while maintaining a large degree of geometric freedom. Therefore, functional principles of natural lightweight structures were analyzed and abstracted in cooperation with the University of Tübingen and the Karlsruhe Institute of Technology. Through the development of a custom robotic fabrication method, these principles were transferred into a modular prototype pavilion.
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source: archdaily

O Instituto de Projeto Computacional (ICD) e o Instituto de Estruturas de Construção e Projeto Estrutural (ITKE), da Universidade de Stuttgart construíram outro pavilhão de pesquisa biônico. O projeto faz parte de uma bem sucedida série de pavilhões de pesquisas que mostram o potencial de novos processos de projeto, simulação e fabricação na arquitetura. O projeto foi planejado e construído dentro de um ano e meio, por estudantes e pesquisadores dentro de uma equipe multidisciplinar de biólogos, paleontólogos, arquitetos e engenheiros.

O foco do projeto é uma estratégia paralela de projeto de baixo para cima para a investigação biomimética de cascas compostas de fibras naturais e o desenvolvimento de novos métodos de fabricação robóticos para estruturas de polímeros reforçados com fibras. O objetivo foi o desenvolvimento de uma técnica de bobinagem para modular as estruturas compostas em camadas duplas de fibra, o que reduz os moldes necessários para um mínimo, enquanto mantém um elevado grau de liberdade geométrica.

Para isso, princípios de funcionamento das estruturas leves naturais foram analisados ​​e abstraídos em cooperação com o Instituto de Evolução e Ecologia e do Departamento de Paleobiologia da Universidade de Tübingen. Através do desenvolvimento de um método de fabricação robótico personalizado, estes princípios foram transferidos para um pavilhão protótipo modular.

PESQUISA BIOMIMÉTICA

Esta pesquisa de estruturas leves naturais foi realizada em uma cooperação interdisciplinar de arquitetos e engenheiros da Universidade de Stuttgart e biólogos da Universidade de Tubingen dentro do Módulo: Biônica de Construções Animais, liderada pelo prof. Oliver Betz (biologia) e Prof James. H. Nebelsick (geociências). Durante a investigação, o Elytron, um escudo protetor para as asas e abdômen dos besouros, provou ser um modelo adequado para a construção com material altamente eficiente. O desempenho destas estruturas leves baseia-se na morfologia geométrica de um sistema de camada dupla e as propriedades mecânicas do composto de fibra natural. A característica anisotrópica deste material, que consiste de fibras de quitina incorporadas numa matriz de proteína, permite propriedades materiais diferenciadas localmente.

Em cooperação com a laboratório ANKA de Radiação Sincrotrônica e do Instituto de Ciência de Fótons e Radiação Sincrotrônica do Instituto Karlsruhe de Tecnologia (KIT), modelos 3D de alta resolução de vários besouros elytra foram extraídos por meio da microtomografia computadorizada. Juntamente com scans de Microscopia Eletrônica da Universidade de Tübingen, isso permitiu uma análise das estruturas internas intrincadas da casca do besouro. A morfologia Elytra baseia-se numa estrutura de camada dupla que está ligada por elementos de apoio duplamente curvos semelhante a colunas, as trabéculas. O layout de fibra dentro de um trabécula mescla os segmentos superior e inferior da casca com fibras contínuas. A distribuição e articulação geométrica do trabécula é altamente diferenciado ao longo da casca do besouro. Através de estudos comparativos de várias espécies de besouros voadores, os princípios estruturais subjacentes puderam ser identificados e traduzidos em regras de concepção para morfologias estruturais.

Com base na morfologia diferenciada da espécie trabeculae e os seus arranjos de fibra individuais, um sistema modular de dupla camada foi gerado para a implementação de um protótipo de arquitetura. Através do desenvolvimento do projeto e simulação de ferramentas computacionais, tanto as características de fabricação robotizadas como os princípios biomiméticos abstraídos puderam ser simultaneamente integrados no processo de projeto.

Polímeros reforçados com fibras de vidro e de carbono foram escolhidos como os materiais de construção, devido às suas qualidades de desempenho elevado (elevada resistência com a relação de peso), e o potencial para gerar as propriedades dos materiais diferenciados por meio de variação da colocação da fibra. Juntamente com a sua moldabilidade desenfreada, polímeros reforçados com fibras são adequados para implementar as geometrias complexas e organizações materiais abstraídas dos princípios de construção naturais. Métodos de fabricação convencionais para elementos compostos de fibra exigem um molde para definir a forma. No entanto, este método mostra-se inadequado para transferir princípios de construção naturais em aplicações de arquitetura, uma vez que geralmente envolvem elementos únicos que exigem extensas cofragens e moldes proibitivamente complexos.

Para a fabricação dos módulos geometricamente únicos e duplamente curvos, um método robótico sem núcleo de bobinagem foi desenvolvido, que utiliza dois robôs industriais de 6 eixos colaborativos para enrolar fibras entre duas estruturas controladoras de aço sob medida, realizadas pelos robôs. Enquanto os controladores definem as extremidades de cada componente, a geometria final emerge através da interação das fibras posteriormente definidas. As fibras são, primeiramente, tensionadas linearmente entre as duas armações controladoras. As fibras subsequentemente enroladas repousam e tencionam entre si, o que resulta numa deformação recíproca. Esta interação fibra-fibra gera superfícies duplamente curvados a partir de conexões de fibras inicialmente depositadas direto. A ordem em que os feixes de fibras impregnados de resina (mechas) são enroladas nos controladores é decisivo para este processo e é descrito através da sintaxe de enrolamento. A seqüência específica de enrolamento de fibra permite controlar o layout de cada fibra individual, levando a um processo de design conduzido pelo material. Estas reciprocidades entre material, forma, estrutura e fabricação são definidas através da sintaxe de enrolamento que, por sua vez, torna-se uma parte integrante da ferramenta de concepção computacional.

Os controladores são ajustáveis ​​para diferentes geometrias de componentes, o que leva a uma única configuração de ferramenta reconfigurável para todos os 36 elementos. O filamento sem núcleo de enrolamento não só economiza recursos substanciais através do fato de não necessitar de moldes individuais, mas em si mesmo é um processo de fabricação de material muito eficiente, pois não há desperdício ou peças de corte.

O processo de fabricação específico robótico inclui o enrolamento de 6 camadas individuais de fibras de vidro e carbono. Uma primeira camada de fibra de vidro define a geometria de elementos e serve de molde para as camadas de fibras de carbono subsequentes. Estas camadas de fibra de carbono agem como reforço estrutural e são variadas individualmente através da disposição anisotrópica das fibras. A disposição individual das fibras de carbono é definida pelas forças que atuam sobre cada um dos componentes, que são derivadas da Análise FE da estrutura global. A sintaxe de enrolamento gerada é transferida para os robôs e permite o enrolamento automático das 6 camadas de fibra.

Num total, 36 elementos individuais foram fabricados, cujas geometrias são baseadas em princípios estruturais abstraídos do besouro elytra. Cada um deles tem uma disposição das fibras individual que resulta em um sistema de suporte de carga de material eficiente. O maior elemento tem um diâmetro de 2,6 m, com um peso de apenas 24,1 kg. O pavilhão de pesquisa cobre uma área total de 50 m² e tem um volume de 122 m³, com um peso de 593 kg.

A geometria geral reage a condições específicas do local do espaço público em torno do edifício da universidade, em estreita proximidade com o parque. Ao mesmo tempo demonstra a adaptabilidade morfológica do sistema, através da geração de arranjos espaciais mais complexos do que uma estrutura de camada simples. Ao todo, o pavilhão de pesquisa mostra como a síntese computacional de princípios estruturais biológicos e as reciprocidades complexas entre material, forma e fabricação robótica podem levar à geração de métodos de construção de fibra de compostos inovadores. Ao mesmo tempo, a abordagem de investigação multidisciplinar não só leva a construções leves eficientes performativas e materiais, mas também explora novas qualidades espaciais e amplia as possibilidades tectônicas da arquitetura.
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source: saloncomua

Зачем придумывать что-то новое, если самые совершенные изобретения уже созданы природой, остается их только воспроизвести. А вот задача науки и дизайнера – придумать, как именно это сделать. Прекрасный тому пример – павильон из углеродного волокна, сооруженный по принципу экзоскелета жука.

Группа ученых, архитекторов и инженеров из Института автоматизированного проектирования (ICD) и Института строительных технологий и структурного дизайна (ITKE) при Университете Штутгарта в конце июля открыла доступ широкой публике к своему мультидисциплинарному проекту. Исследовательский павильон ICD/ITKE 2013–2014 года – это легковесная конструкция, состоящая из 36 элементов, созданных по структурному принципу хитинового панциря жука – элитры.

Идея проекта состояла в параллельном биомиметическом исследовании структуры плетения хитиновых волокон и воссоздании этой системы в инновационном роботизированном производстве полимерных конструкций армированных стекловолокном. Инженеры использовали технику обмотки и моделирования, которая снижает потребность в опалубочных работах до минимума, что дает огромную свободу выбора геометрической формы архитектурного сооружения.

Элитра насекомого состоит из двух слоев, соединенных криволинейными трубочками-«трабекулами», которые по составу очень похожи на углеродное волокно, поясняют ученые. Поэтому они скооперировались с палеонтологами и биологами из Университета Тюбингена и Технологического института в Карлсруэ (KIT), чтобы получить максимально точную 3D-модель экзоскелета жука. После этого перенесли ее принцип в программу двух промышленных роботов, позаимствованных на текстильном производстве, которые намотали волокно на специальные стальные рамы. «Наматывание волокна на полый каркас экономична не только потому, что не требует предварительного отливания формы, она позволяет сохранить максимум материала, так как это практически безотходный процесс», – комментируют проектировщики.

Результатом исследований и стал павильон, напоминающий дом из паутины. Он занимает площадь в 50 кв. метров, а весит всего 593 кг, при этом самый крупный модуль имеет диаметр 2,6 метра и вес 24,1 кг.

Это уже не первый совместный проект ученых штутгартского университета, до этого они объединялись, чтобы возвести павильоны, структура которых была основана на экзоскелете лобстера и скелете морского ежа.