COMUNICATO STAMPA
Utilizzo delle strutture della natura negli edifici in legno
Un nuovo approccio consente agli architetti di utilizzare le forche degli alberi scartate come giunti portanti nelle loro strutture.
La preoccupazione per il cambiamento climatico ha concentrato una notevole attenzione sul settore delle costruzioni, in particolare sull’estrazione e lavorazione dei materiali da costruzione. Le industrie del calcestruzzo e dell’acciaio insieme sono responsabili fino al 15% delle emissioni globali di anidride carbonica. Al contrario, il legno fornisce una forma naturale di sequestro del carbonio, quindi c’è una mossa per usare invece il legno. In effetti, alcuni paesi chiedono che gli edifici pubblici siano realizzati almeno in parte in legno e in tutto il mondo sono comparsi edifici in legno di grandi dimensioni.
Osservando queste tendenze, Caitlin Mueller ’07, SM ’14, PhD ’14, professore associato di architettura e ingegneria civile e ambientale nel Building Technology Program al MIT, vede un’opportunità per ulteriori guadagni di sostenibilità. Poiché l’industria del legno cerca di produrre sostituti in legno per elementi tradizionali in cemento e acciaio, l’attenzione si concentra sulla raccolta delle sezioni rettilinee degli alberi. Sezioni irregolari come nodi e forchette vengono trasformate in pellet e bruciate, oppure macinate per fare pacciame da giardino, che si decomporrà nel giro di pochi anni; entrambi gli approcci rilasciano nell’atmosfera il carbonio intrappolato nel legno.
Negli ultimi quattro anni, Mueller e il suo gruppo di ricerca Digital Structures hanno sviluppato una strategia per “riciclare” quei materiali di scarto utilizzandoli nella costruzione, non come rivestimento o finiture volte a migliorare l’aspetto, ma come componenti strutturali. “Il valore più grande che puoi dare a un materiale è dargli un ruolo portante in una struttura”, afferma. Ma quando i costruttori utilizzano materiali vergini, quei componenti strutturali sono le parti degli edifici ad alta intensità di emissioni a causa del loro grande volume di materiali ad alta resistenza. L’uso di materiali riciclati al posto di quei sistemi ad alto contenuto di carbonio è quindi particolarmente impattante nella riduzione delle emissioni.
Mueller e il suo team si concentrano sulle forche degli alberi, cioè i punti in cui il tronco o il ramo di un albero si divide in due, formando un pezzo a forma di Y. Nei disegni architettonici, ci sono molti nodi simili a forma di Y in cui gli elementi rettilinei si uniscono. In questi casi, tali unità devono essere sufficientemente robuste da supportare carichi critici.
“Le forche degli alberi sono connessioni strutturali progettate in modo naturale che funzionano come cantilever sugli alberi, il che significa che hanno il potenziale per trasferire la forza in modo molto efficiente grazie alla loro struttura interna in fibra”, afferma Mueller. “Se prendi una biforcazione di un albero e la tagli a metà, vedi un’incredibile rete di fibre che si intrecciano per creare questi punti di trasferimento del carico spesso tridimensionali in un albero. Stiamo iniziando a fare la stessa cosa usando la stampa 3D, ma non siamo affatto vicini a ciò che fa la natura in termini di orientamento e geometria delle fibre complesse”.
Lei e il suo team hanno sviluppato un “flusso di lavoro dalla progettazione alla fabbricazione” in cinque fasi che combina strutture naturali come le biforcazioni degli alberi con gli strumenti digitali e computazionali ora utilizzati nella progettazione architettonica. Sebbene esista da tempo un movimento “artigianale” per utilizzare il legno naturale nelle ringhiere e negli elementi decorativi, l’uso di strumenti computazionali consente di utilizzare il legno in ruoli strutturali, senza tagli eccessivi, che sono costosi e possono compromettere la geometria naturale e le venature interne struttura del legno.
Dato l’ampio uso di strumenti digitali da parte degli architetti di oggi, Mueller ritiene che il suo approccio sia “almeno potenzialmente scalabile e potenzialmente realizzabile all’interno dei nostri sistemi di lavorazione dei materiali industrializzati”. Inoltre, combinando le forcelle degli alberi con strumenti di progettazione digitale, il nuovo approccio può anche supportare la tendenza degli architetti a esplorare nuove forme. “Molti edifici iconici costruiti negli ultimi due decenni hanno forme inaspettate”, afferma Mueller. “I rami degli alberi hanno una geometria molto specifica che a volte si presta a una forma architettonica irregolare o non standard, guidata non da un algoritmo arbitrario ma dal materiale stesso”.
Passaggio 0: trova una fonte, stabilisci obiettivi
Prima di iniziare il loro processo dalla progettazione alla fabbricazione, i ricercatori avevano bisogno di individuare una fonte di biforcazioni degli alberi. Mueller ha trovato aiuto nella Urban Forestry Division della città di Somerville, Massachusetts, che mantiene un inventario digitale di oltre 2.000 alberi da strada, tra cui più di 20 specie, e registra informazioni sulla posizione, il diametro approssimativo del tronco e le condizioni di ogni albero .
Con il permesso della divisione forestale, la squadra era presente nel 2018 quando un folto gruppo di alberi è stato abbattuto vicino al sito della nuova Somerville High School. Tra le attrezzature pesanti in loco c’era una cippatrice, pronta a trasformare tutto il legno di scarto in pacciame. Invece, i lavoratori hanno gentilmente messo il legno di scarto nel camion dei ricercatori per essere portato al MIT.
Nel loro progetto, il team del MIT ha cercato non solo di riciclare quel materiale di scarto, ma anche di usarlo per creare una struttura che sarebbe stata apprezzata dal pubblico. “Dove vivo, la città ha dovuto abbattere molti alberi a causa dei danni causati da una specie invasiva di coleottero”, spiega Mueller. “Le persone si arrabbiano davvero, comprensibilmente. Gli alberi sono una parte importante del tessuto urbano, fornendo ombra e bellezza”. Lei e il suo team speravano di ridurre tale animosità “reinstallando gli alberi rimossi sotto forma di una nuova struttura funzionale che avrebbe ricreato l’atmosfera e l’esperienza spaziale precedentemente fornite dagli alberi abbattuti”.
Con la loro fonte e gli obiettivi identificati, i ricercatori erano pronti a dimostrare le cinque fasi del flusso di lavoro dalla progettazione alla fabbricazione per realizzare strutture spaziali utilizzando un inventario delle forcelle degli alberi.
Passaggio 1: crea una libreria di materiali digitali
Il primo compito è stato trasformare la loro collezione di fork in una biblioteca digitale. Hanno iniziato tagliando il materiale in eccesso per produrre forche di alberi isolate. Hanno quindi creato una scansione 3D di ogni fork. Mueller osserva che, come risultato dei recenti progressi nella fotogrammetria (misurazione di oggetti mediante fotografie) e nella scansione 3D, potrebbero creare rappresentazioni digitali ad alta risoluzione delle singole biforcazioni degli alberi con apparecchiature relativamente poco costose, anche utilizzando app che funzionano su un tipico smartphone.
Nella libreria digitale, ogni fork è rappresentato da una versione “scheletrata” che mostra tre barre dritte che si uniscono in un punto. La geometria relativa e l’orientamento dei rami sono di particolare interesse perché determinano l’orientamento della fibra interna che conferisce robustezza al componente.
Passaggio 2: trova la migliore corrispondenza tra il progetto iniziale e la libreria dei materiali
Come un albero, un tipico progetto architettonico è riempito di nodi a forma di Y in cui tre elementi rettilinei si incontrano per sostenere un carico critico. L’obiettivo era quindi quello di abbinare i fork dell’albero nella libreria dei materiali con i nodi in un progetto architettonico di esempio.
In primo luogo, i ricercatori hanno sviluppato una “metrica di disadattamento” per quantificare quanto bene le geometrie di una particolare forcella dell’albero siano allineate con un dato nodo di progettazione. “Stiamo cercando di allineare gli elementi rettilinei della struttura con il punto in cui originariamente si trovavano i rami dell’albero”, spiega Mueller. “Questo ci dà l’orientamento ottimale per il trasferimento del carico e massimizza l’uso della forza intrinseca della fibra di legno”. Più scadente è l’allineamento, maggiore è la metrica di mancata corrispondenza.
L’obiettivo era ottenere la migliore distribuzione complessiva di tutti i fork dell’albero tra i nodi nel progetto di destinazione. Pertanto, i ricercatori dovevano provare diverse distribuzioni da fork a nodo e, per ciascuna distribuzione, sommare i singoli errori di mancata corrispondenza da fork a nodo per generare un punteggio di corrispondenza globale o globale. La distribuzione con il miglior punteggio di corrispondenza produrrebbe l’uso più efficiente dal punto di vista strutturale dell’inventario totale delle forcelle degli alberi.
Poiché l’esecuzione manuale di tale processo richiedeva troppo tempo per essere praticabile, si sono rivolti all’“algoritmo ungherese”, una tecnica sviluppata nel 1955 per risolvere tali problemi. “La brillantezza dell’algoritmo sta risolvendo il problema [corrispondente] molto rapidamente”, afferma Mueller. Nota che è un algoritmo molto generico. “È usato per cose come il matrimonio tra matrimoni. Può essere utilizzato ogni volta che hai due raccolte di cose tra le quali stai cercando di trovare corrispondenze uniche. Quindi, sicuramente non abbiamo inventato l’algoritmo, ma siamo stati i primi a identificare che poteva essere utilizzato per questo problema”.
I ricercatori hanno eseguito test ripetuti per mostrare le possibili distribuzioni delle forcelle degli alberi nel loro inventario e hanno scoperto che il punteggio di corrispondenza è migliorato con l’aumento del numero di forcelle disponibili nella libreria dei materiali, fino a un certo punto. In generale, i ricercatori hanno concluso che il punteggio di mancata corrispondenza era il più basso, e quindi il migliore, quando c’erano circa tre volte più fork nella libreria dei materiali quanti erano i nodi nel progetto di destinazione.
Passaggio 3: bilanciare l’intenzione del progettista con le prestazioni strutturali
Il passo successivo nel processo è stato quello di incorporare l’intenzione o la preferenza del designer. Per consentire tale flessibilità, ogni progetto include un numero limitato di parametri critici, come la lunghezza della barra e la deformazione a flessione. Utilizzando questi parametri, il progettista può modificare manualmente la forma complessiva, o geometria, del progetto oppure può utilizzare un algoritmo che modifica automaticamente o “trasforma” la geometria. E ogni volta che la geometria del progetto cambia, l’algoritmo ungherese ricalcola la corrispondenza ottimale tra fork e nodo.
“Poiché l’algoritmo ungherese è estremamente veloce, tutto il morphing e l’aggiornamento del design possono essere davvero fluidi”, osserva Mueller. Inoltre, qualsiasi modifica a una nuova geometria è seguita da un’analisi strutturale che controlla le deformazioni, l’energia di deformazione e altre misure delle prestazioni della struttura. A volte, il design generato automaticamente che produce il miglior punteggio di corrispondenza può deviare molto dall’intenzione iniziale del designer. In questi casi, è possibile trovare una soluzione alternativa che bilancia in modo soddisfacente l’intenzione progettuale con un punteggio di corrispondenza basso.
Passaggio 4: genera automaticamente il codice macchina per il taglio veloce
Quando la geometria strutturale e la distribuzione delle biforcazioni degli alberi sono state finalizzate, è tempo di pensare alla costruzione concreta della struttura. Per semplificare l’assemblaggio e la manutenzione, i ricercatori preparano le forche degli alberi tagliando le loro facce terminali per abbinare meglio i legni diritti adiacenti e tagliando la corteccia rimanente per ridurre la suscettibilità alla putrefazione e al fuoco.
Per guidare questo processo, hanno sviluppato un algoritmo personalizzato che calcola automaticamente i tagli necessari per adattare una determinata biforcazione dell’albero al nodo assegnato e per rimuovere la corteccia. L’obiettivo è rimuovere il minor materiale possibile, ma anche evitare un processo di lavorazione complesso e dispendioso in termini di tempo. “Se eseguiamo troppo pochi tagli, taglieremo troppo il materiale strutturale critico. Ma non vogliamo fare un milione di piccoli tagli perché ci vorrà un’eternità”, spiega Mueller.
Il team utilizza le strutture dell’Autodesk Boston Technology Center Build Space, dove i robot sono molto più grandi di quelli del MIT e l’elaborazione è completamente automatizzata. Per preparare ogni forca per albero, lo montano su un braccio robotico che spinge l’articolazione attraverso una tradizionale sega a nastro in diversi orientamenti, guidati da istruzioni generate al computer. Il robot fresa anche tutti i fori per le connessioni strutturali. “Questo è utile perché assicura che tutto sia allineato nel modo in cui ti aspetti che sia”, afferma Mueller.
Passaggio 5: assemblare le forcelle e gli elementi lineari disponibili per costruire la struttura
L’ultimo passaggio consiste nell’assemblare la struttura. Le giunzioni a base di forche d’albero sono tutte irregolari e combinarle con gli elementi in legno pretagliati e diritti potrebbe essere difficile. Tuttavia, sono tutti etichettati. “Tutte le informazioni per la geometria sono incorporate nel giunto, quindi il processo di assemblaggio è davvero a bassa tecnologia”, afferma Mueller. “È come un set di giocattoli per bambini. Basta seguire le istruzioni sui giunti per mettere insieme tutti i pezzi.
Hanno installato temporaneamente la loro struttura finale nel campus del MIT, ma Mueller osserva che era solo una parte della struttura che avevano in programma di costruire alla fine. “Aveva 12 nodi che abbiamo progettato e fabbricato utilizzando il nostro processo”, afferma, aggiungendo che il lavoro del team è stato “un po’ interrotto dalla pandemia”. Con la ripresa delle attività nel campus, i ricercatori hanno in programma di completare la progettazione e la costruzione della struttura completa, che includerà circa 40 nodi e sarà installata come padiglione all’aperto sul sito degli alberi abbattuti a Somerville.
Inoltre, continueranno la loro ricerca. I piani includono il lavoro con librerie di materiali più grandi, alcune con forcelle multiramo, e la sostituzione della loro tecnica di scansione 3D con tecnologie di scansione tomografica computerizzata in grado di generare automaticamente una rappresentazione geometrica dettagliata di una forcella di un albero, compreso il suo preciso orientamento e densità della fibra. E in un progetto parallelo, hanno esplorato l’uso del loro processo con altre fonti di materiali, con un caso di studio incentrato sull’utilizzo del materiale di una casa demolita con struttura in legno per costruire più di una dozzina di cupole geodetiche.
Per Mueller, il lavoro fino ad oggi fornisce già nuove indicazioni per il processo di progettazione architettonica. Con gli strumenti digitali, è diventato facile per gli architetti analizzare il carbonio incorporato o l’uso futuro di energia di un’opzione di progettazione. “Ora abbiamo una nuova metrica delle prestazioni: quanto bene sto utilizzando le risorse disponibili?” lei dice. “Con l’algoritmo ungherese, possiamo calcolare quella metrica praticamente in tempo reale, così possiamo lavorare in modo rapido e creativo con quella come un altro input per il processo di progettazione”.
