Pavilhão de Fibra de Linho Biomimético LivMatS Abre ao Público – Marco Arquitetônico Sustentável

Concluído e aberto ao público, o Pavilhão livMatS, uma estrutura biomimética localizada no Jardim Botânico da Universidade de Freiburg (Alemanha), oferece supostamente uma alternativa viável e eficiente em recursos aos métodos de construção convencionais e, portanto, representa um passo importante rumo à sustentabilidade na arquitetura. Além disso, constitui o que sua equipe de projeto afirma ser o primeiro edifício com estrutura de suporte de carga inteiramente feita de fibra de linho enrolada roboticamente, um material naturalmente renovável, biodegradável e regionalmente disponível na Europa Central.

Habilitado por uma combinação inovadora de materiais naturais e tecnologias digitais avançadas, este pavilhão decorre da colaboração bem-sucedida de uma equipe interdisciplinar de arquitetos e engenheiros do programa de mestrado ITECH no Cluster de Excelência "Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)" na Universidade de Stuttgart (Alemanha) e biólogos do Cluster de Excelência "Living, Adaptive and Energy-autonomous Material Systems (livMatS)" na Universidade de Freiburg (Alemanha).

Segundo a equipe, o pavilhão bio-inspirado mostra como processos de co-design inovadores que consideram simultaneamente requisitos geométricos, materiais, estruturais, de produção, ambientais e estéticos, junto com técnicas avançadas de fabricação robótica aplicadas a materiais naturais, são capazes de gerar uma arquitetura que é, ao mesmo tempo, ecológica e expressiva. A aparência superficial distinta e intrincada dos elementos estruturais de linho é evocativa tanto de exemplos vernaculares de treliça quanto de sistemas biológicos.

Nos próximos cinco anos, o Pavilhão livMatS servirá como sala de aula ao ar livre na Universidade de Freiburg, especialmente para aqueles na Universidade de Freiburg, que usam o Jardim Botânico dentro do conceito de "aprender com a natureza na natureza" como local de pesquisa e ensino. Cientistas também apresentarão seu trabalho lá ao público em visitas guiadas ou workshops.

Materiais de fibra natural, biomimética

Nos últimos dois anos, uma equipe de arquitetos e engenheiros no Institute for Computational Design and Construction (ICD) e no Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE), Universidade de Stuttgart, investigaram o potencial de usar fibras naturais como material de construção, acreditando que apresentam uma alternativa promissora e sustentável a fibras produzidas sinteticamente. Eles descobriram com o pavilhão livMatS que, além de oferecer potencial para reduzir a pegada ambiental do edifício e fornecer um material renovável para a indústria da construção, as fibras de linho são comparáveis em suas propriedades mecânicas a roving de fibra de vidro, fornecendo rigidez semelhante por peso, mas com energia incorporada muito menor.

Além disso, a estrutura continua a colaboração de pesquisa de longa data para determinar como os princípios da biologia — como sistemas de suporte de carga — podem ser transferidos da natureza para a arquitetura. O pavilhão livMatS foi inspirado no cacto saguaro (Carnegiea gigantea) e no cacto figo-da-índia (Opuntia sp.), que são caracterizados por sua estrutura de madeira. O cacto saguaro tem um núcleo de madeira cilíndrico que é oco por dentro e, portanto, particularmente leve. Consiste em uma estrutura de madeira em rede, que dá ao esqueleto estabilidade adicional e é formada como resultado do entrelaçamento de seus elementos de madeira individuais. O tecido dos brotos laterais achatados do cacto figo-da-índia também é entrelaçado com feixes de fibra de madeira em rede, que são dispostos em camadas e interconectados. Como resultado, o tecido do cacto figo-da-índia é caracterizado por uma capacidade de suporte de carga particularmente alta. Ao abstrair essas estruturas de rede, os cientistas conseguiram transferir as propriedades mecânicas das estruturas de fibra cruzadas para os elementos estruturais leves do pavilhão.

Design e fabricação integrativos

O projeto expande mais de 10 anos de pesquisa em construção com fibra. Pesquisas anteriores focaram no uso de compósitos de fibra sintética na construção, como fibras de vidro e carbono, em combinação com design computacional avançado, simulação e métodos de fabricação. O pavilhão livMatS estende esta pesquisa para um método mais sustentável de construção com fibras naturais de linho e investiga o uso dessas fibras naturais em aplicação de grande escala.

Os elementos de construção de suporte de carga são produzidos com um processo de filamento enrolado sem núcleo desenvolvido pela equipe do projeto. Nesta abordagem de manufatura aditiva (AM), um robô coloca precisamente feixes de fibra em um quadro de enrolamento. Isso supostamente permite a calibração direcionada e articulação arquitetônica da orientação, alinhamento e densidade das fibras para se ajustar exatamente aos requisitos estruturais no componente, como em sua inspiração biológica. Segundo pesquisadores, a forma do componente pré-definida só emerge através da interação das fibras dentro do quadro de enrolamento, eliminando a necessidade de um molde ou núcleo adicional. Além disso, este método de fabricação não produz desperdício ou recortes. Além disso, o mesmo quadro de enrolamento modular pode ser usado para todos os elementos geometricamente variados. Isso leva a uma excelente eficiência de material quando medido contra materiais de construção convencionais e resulta em alta capacidade de suporte de carga.

Fibras naturais e sua variabilidade biológica também apresentaram aos pesquisadores novos desafios, particularmente no que diz respeito aos fluxos de trabalho de design computacional e fabricação robótica, bem como ao controle da máquina. Esses fluxos de trabalho de co-design foram inicialmente desenvolvidos para materiais sintéticos e, portanto, homogêneos e agora precisaram ser adaptados às propriedades do material de fibras de linho. Este ajuste do modelo de design computacional integrativo permitiu que as propriedades heterogêneas do material informassem o design e planejamento dos componentes individuais, bem como da estrutura geral. As propriedades mecânicas específicas das fibras naturais também exigiram a reconfiguração do processo de fabricação robótica.

O pavilhão livMatS é coberto com uma pele de policarbonato à prova d'água, que não apenas fornece abrigo contra intempéries, mas também protege as fibras da radiação UV direta e da umidade da chuva ou neve.

Demonstrador integrado para construção sustentável

A estrutura de suporte de carga do pavilhão livMatS consiste em 15 componentes de fibra de linho, pré-fabricados roboticamente exclusivamente a partir de fibras naturais fiadas contínuas, bem como um elemento de capa fibroso no topo da estrutura. Os elementos variam em comprimento total de 4,50 a 5,50 metros e pesam apenas 105 quilogramas em média. A estrutura de fibra inteira pesa aproximadamente 1,5 toneladas enquanto cobre uma área de 46 metros quadrados. O design final está em conformidade com o código de construção alemão e requisitos de permissão estrutural relacionados e conjunto de combinações de carga incluindo cargas de vento e neve.

Os desenvolvimentos de pesquisa relacionados ao processo computacional, fabricação robótica e novo sistema de material foram desenvolvidos por uma equipe interdisciplinar de estudantes ITECH e pesquisadores ICD/ITKE na Universidade de Stuttgart e validados pela fabricação de uma primeira série de protótipos dos componentes de fibra natural. Os dados de produção foram então gerados e passados para o parceiro industrial do projeto FibR GmbH (Stuttgart, Alemanha) para a produção dos 15 componentes estruturais.

O projeto continua uma série de demonstradores de construção experimentais e altamente inovadores projetados e realizados pela equipe interdisciplinar de pesquisadores e estudantes no ICD/ITKE Universidade de Stuttgart. Também fortalece ainda mais a já bem-sucedida colaboração entre o Cluster de Excelência livMatS na Universidade de Freiburg e o Cluster de Excelência IntCDC na Universidade de Stuttgart. IntCDC visa repensar design e construção através de tecnologias digitais para enfrentar os desafios ecológicos, econômicos e socioculturais que o ambiente construído enfrenta. A visão de livMatS é combinar natureza e tecnologia para desenvolver tecnologias ambientais e energéticas de ponta. Por sua própria natureza, o pavilhão oferece pontos de contato para destacar semelhanças e diferenças entre materiais biológicos e técnicos e mostrar as possibilidades que a bioinspiração oferece, por exemplo, na arquitetura, mas também em outras áreas de tecnologia.

Desenvolvimento científico:

• Marta Gil Pérez, Serban Bodea, Niccolò Dambrosio, Bas Rongen, Christoph Zechmeister
• Gerenciamento de Projeto: Katja Rinderspacher, Marta Gil Pérez, Monika Göbel

Desenvolvimento de conceito, desenvolvimento de sistema, prototipagem:

• 2018-2020: Talal Ammouri, Vanessa Costalonga Martins, Sacha Joseph Cutajar, Edith Anahi Gonzalez San Martin, Yanan Guo, James Hayward, Silvana Herrera, Jeongwoo Jang, Nicolas Kubail Kalousdian, Simon Jacob Lut, Eda Özdemir, Gabriel Rihaczek, Anke Kristina Schramm, Lasath Ryan Siriwardena, Vaia Tsiokou, Christo van der Hoven, Shu Chuan Yao
• 2018-2019: Karen Andrea Antorveza Paez, Okan Basnak, Guillaume Caussarieu, Zhetao Dong, Kurt Drachenberg, Roxana Firorella Guillen Hurtado, Ridvan Kahraman, Dilara Karademir, Laura Kiesewetter, Grzegorz Łochnicki, Francesco Milano, Yue Qi, Hooman Salyani, Nasim Sehat, Tim Stark, Zi Jie, Jake Tan, Irina Voineag

Desenvolvimento de fachada:

• Tim Stark
• Com apoio de: Okan Basnak, Yanan Guo, Axel Körner
• Assistência estudantil: Matthew Johnson, Daniel Locatelli, Francesca Maisto, Mahdieh Hadian Rasanani, Lorin Samija, Anand Shah, Lena Strobel, Max Zorn