Latam
09 /08 / 2020
Formas de hormigón más resistentes, livianas y sostenibles gracias al diseño generativo
Los adelantos importantes en los métodos de construcción no se dan muy a menudo. Algunos ejemplos de estos revolucionarios avances incluyen las Pirámides de Guiza, el acueducto romano Pont Du Gard en Francia, el diseño de los forjados sobre esbeltos pilares de hormigón armado de Le Corbusier y la Represa de Itaipú . Durante siglos de innovación en diseño, el hormigón ha sido un material de uso constante en las estructuras construidas por el hombre. Pero las formulaciones y métodos antiguos están evolucionando con la introducción de tecnologías nuevas tales como la impresión 3D y la inteligencia artificial (IA), que prometen un hormigón más liviano, más duradero y, principalmente, más sostenible.
Una viga de gran canto de hormigón creada mediante diseño generativo. Gentileza del equipo de investigación del Dr. Sreekanta Das.
Por Drew Turney para Redshift de Autodesk.
El ingeniero estructural Marcos Silveira y su equipo están liderando un proyecto denominado Hone Structures, con la expectativa de que contribuya al avance de las técnicas de construcción de hormigón sostenible. Hone Structures está aplicando diseño generativo a las estructuras de hormigón armado —poniendo a prueba el concepto de las vigas de gran canto de hormigón, para comenzar— con el fin de investigar los ahorros de material y demás beneficios potenciales de este proceso.
Marcos Silveira y su compañera de equipo Gabriela Vivan imprimen un prototipo de su pieza optimizada mediante diseño generativo en el Centro Tecnológico de Autodesk en Toronto. Gentileza de Irene Kuan-Chung.
Durante el curso de su doctorado en la Universidad de San Pablo y la Universidad de Windsor, Canadá (bajo la supervisión del Dr. Sreekanta Das en la Universidad de Windsor y del Dr. Luís Bitencourt en la Universidad de San Pablo), Silveira y su compañera de equipo, Gabriela Vivan, completaron la Generative Design for AEC Intensive Residency (residencia intensiva de diseño generativo para arquitectura, ingeniería y construcción) en el Centro Tecnológico de Autodesk de Toronto para desarrollar conceptos, y luego trabajaron con expertos en robótica en Boston para producir hormigón armado y adquirir conocimientos sobre la impresión 3D. Silveira afirma que el proyecto es una “aplicación real” de su tesis doctoral “dirigida a remodelar el proceso de diseño y construcción de estructuras de hormigón armado” mediante el uso de diseño generativo, IA y robótica.
Silveira opina que el diseño y construcción tradicional del hormigón “no es exactamente un problema, sino una limitación, porque se basa en la experiencia del diseñador y en las restricciones del proceso de fabricación tradicional”. Por el contrario, el enfoque de Hone Structures estudia el comportamiento de una estructura de hormigón mediante el análisis de elementos finitos (CEF), y luego utiliza cálculos para su remodelación y refuerzo en los lugares que lo necesiten. Silveira explica: “Básicamente, dividimos la carga de diseño en una serie de pasos. En lugar de proponer y calcular una estructura triangulada equivalente que represente la forma compleja (un enfoque de puntal-tensor o bielas y tirantes), analizamos cada paso de carga, incrementándola para comprender los puntos más débiles que precisan refuerzo”.
El equipo construyó varios elementos de hormigón en el laboratorio estructural de la Universidad de Windsor, los sujetó a un dispositivo hidráulico para aplicar presión y luego empleó un sistema de correlación de imágenes digitales (DIC) equipado con cámaras para registrar las pruebas, lo que permitió analizar las deformaciones y las tensiones bajo ciertas condiciones de carga. A continuación volvieron a usar el algoritmo de diseño generativo para crear nuevas líneas de código que pudieran mejorar la relación entre el comportamiento estructural y el material empleado, y que se aplicaron al siguiente grupo de elementos.
Muestras a pequeña escala de vigas de gran canto diseñadas con limitaciones diferentes pero utilizando siempre el mismo método. Gentileza de Hone Structures.
El proceso se tradujo directamente en ahorros de material. “Esto significa que el proceso de diseño se basa en las tensiones”, comenta Silveira. “Tensión es fuerza dividida por superficie. Si aumento la resistencia a la tensión, puedo reducir la superficie, y si reduzco la superficie, puedo reducir la cantidad de material interno”.
Esto llevó a una estructura triangulada característica de los formatos atípicos e irregulares comúnmente vistos en los algoritmos del diseño generativo: extraños de aspecto pero óptimos en la práctica. Hone Structures produjo 10 diseños principales para la pieza, seleccionados a partir de más de 1 000 modelos generados por el algoritmo. Para comenzar, el equipo utilizó optimización topológica como puntapié inicial del enfoque de diseño generativo. En otras palabras, el elemento se dividió en subcomponentes (proceso CEF), y el análisis de la tensión y la repuesta de cada elemento por separado fue esencial para proceder a los cálculos que permitieron comprender el funcionamiento de la pieza en su conjunto. Para cada incremento de carga, el algoritmo analizó cuáles de los subcomponentes podían excluirse sin afectar el comportamiento estructural de toda la pieza, y luego se repitió este proceso una y otra vez hasta obtener el diseño definitivo.
El resultado final fue una viga de gran canto con tan solo 55% del material que se habría utilizado en un proceso de diseño tradicional producido a mano de hombre. Demostradas las posibilidades de reducción de material, el paso lógico siguiente es investigar la ciencia de materiales mejores, incorporar fabricación aditiva y lograr que todo el proceso sea más inteligente (y más ecológico).
El hormigón de ultra alto rendimiento, usado por la Federal Highway Administration (agencia de vialidad federal) de los EE.UU., es más resistente y más caro que las mezclas tradicionales, pero se necesita en menores cantidades que el hormigón común, y con los ahorros de material ofrecidos por el diseño generativo, resulta aún más asequible. El encofrado que necesita es también más sostenible, lo que permite ahorros adicionales de dinero y materiales.
Tecnologías tales como la impresión 3D están introduciendo cambios en el proceso de fabricación. El encofrado tradicional y las líneas rectas que impone al hormigón podrían pertenecer al pasado: la investigación sobre la impresión 3D de las barras de acero de refuerzo interno de las estructuras de hormigón está avanzando a pasos agigantados. A la vez, según Silveira, la investigación por parte de las empresas que imprimen acero a pequeña escala está facilitando la producción de estructuras de barras de refuerzo del hormigón cada vez complejas. Otros están intentando producir barras de refuerzo más livianas y fuertes de compuestos de fibra de carbono.
Un equipo de ensayos: La caja negra es el sistema de captura de datos (DAQ). Gentileza del equipo de investigación del Dr. Sreekanta Das.
Como prueba del concepto, Hone Structures está diseñando una pasarela de hormigón armado mediante el uso de algoritmos de diseño generativo y robots de construcción. El desarrollo de esta estructura permitirá al equipo trabajar con formas, formatos y tamaños que superan los límites de la tecnología actual.
Silveira declara: “Cuando trabajamos con encofrados normales, estamos restringidos a ciertas formas y, por lo tanto, tenemos que atenernos a esas limitaciones para el proceso de diseño. En el futuro, el diseño de la armadura de refuerzo podría estar dictado por las exigencias de rendimiento, no por la tecnología de construcción actual”.
Para Silveira, una pasarela es una aplicación ideal para reflejar todo el trabajo de Hone Structures, porque el hormigón pretensado que es producto de la investigación de la empresa puede moldearse con formas muy diferentes de las que se usan tradicionalmente en el mundo de la construcción. Y continúa: “Esta aplicación podría brindar una buena oportunidad de romper con algunos de los paradigmas sobre la fabricación aditiva y el diseño generativo en el sector del hormigón armado”.
La meta es completar el proyecto en dos o tres años. La pasarela no solo mostrará lo que es posible, sino que también podrá usarse como herramienta de enseñanza para identificar limitaciones, oportunidades y peculiaridades del método.
Silveira asegura que estas técnicas pueden aplicarse a una gran variedad de estructuras en cualquier lugar del mundo. “Nuestra meta es producir edificios enteros, rascacielos y construcciones metálicas”, añade. “Cuando se usa inteligencia artificial para diseñar la posición de los elementos estructurales, se puede llegar muy lejos”.
Estos tipos de innovaciones podrían llevar a un mundo con un aspecto físico muy diferente, ya que la arquitectura estaría dictada en parte por algoritmos que ofrecerían opciones que serían imposibles con los métodos de diseño tradicionales.
En su opinión: “En el futuro podremos usar este enfoque para decidir la arquitectura y la posición de los elementos y, por tanto, su forma será muy distinta de la actual y su rendimiento será muy superior. Cuando podamos trabajar con miles de soluciones, podremos hallar los puntos cuyo rendimiento queremos mejorar y así reducir la cantidad de material”.
La impresión 3D y la robótica agilizarán la construcción, y a la vez, el diseño generativo reducirá los materiales y creará paradigmas nuevos para mejorar sus componentes. Con proyectos como Hone Structures se están cumpliendo las condiciones que llevarán a un resurgimiento nuevo y sostenible de la construcción.