La primera canoa de Hormigón mediante técnicas de Impresión 3D. Skelethon.

Sirva el presente artículo como muestra de los extrahordinarios avances tecnológicos que acontecen en la actualidad y cuya repercusión en el sector de la arquitectura y la construcción ya son una realidad. En este caso os hablo del resultado de la tesis de un grupo de estudiantes de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Zurich (ETH), cuya invención sirvió en primer lugar para ganar la regata anual de canoas fabricadas con hormigón que se celebra en Alemania y en segundo lugar para desarrollar una tecnología de construcción que ya se está utilizando para fabricar estructuras de hormigón inverosímiles hasta la fecha.

Cómo surge la idea

La necesidad imperiosa de geometrías complejas en la arquitectura está impulsando la innovación hacia una libertad de fabricación de elementos constructivos sin limitaciones. Las restricciones de fabricación son un obstáculo crítico cuando se busca la eficiencia del material a través de topologías optimizadas y complejas. Para abordar esta condición, esta investigación explora el uso a gran escala del encofrado con plástico impreso en 3D para hormigón reforzado con fibra. Este nuevo método de construcción hace que las topologías complejas y los detalles precisos sean posibles para estructuras a escala real. Para demostrar sus posibles aplicaciones, SkeleThon – una canoa de hormigón funcional de cuatro metros de largo – fue diseñada, construida y compitió en una regata en el rio Rin.

¿Por qué una canoa de hormigón?

Bajo mi punto de vista, creo que sus creadores en un intento muy inteligente de dar a conocer las posiblidades de este tipo de tecnología, optarón por fabricar una canóa de hormigón, algo que puede resultar chocante y atraer la atención de multitud de públicos.

Por otro lado, encontramos una razón técnica muy interesante en la creación de una canoa de hormigón mediante técnicas de impresión 3D, y es llevar las aptitudes y características de este material al máximo. Ademas de una escala similar al de los elementos de construcción, una canoa tiene hipótesis de carga complejas, lo que la convierte en un caso de estudio representativo para edificios y estructuras. La canoa tiene que estar diseñada para soportar las cargas de dos personas tanto en el agua (estudiando de forma conveniente la flotabilidad) como en tierra para que pueda ser transportada.

Al diseñar una canoa se deben considerar dos aspectos: integridad estructural e impermeabilización. Inspiradas en las tradicionales canoas de madera y lona, estas dos funciones están separadas en dos capas de construcción diferentes: – Una piel externa de dos milímetros de espesor hecha de hormigón recubierto con refuerzo de algodón. – El armazón estructural proporcionado por un esqueleto interno fabricado utilizando un encofrado de plástico impreso en 3D y hormigón reforzado con fibra de acero.

Diseño de forma optimizado

Se pretendía diseñar una canoa tradicional de madera y lona. Como punto de partida la forma exterior deseada, si bien, mediante el empleo de un algoritmo de optimización topológica se modificón y adaptó la forma de su esqueleto para conseguir reducir la cantidad de material utilizado al máximo obteniendo las mínimas prestaciones necesarias para su correcto funcionamiento.

La optimizaicón topológica es un proceso computacional iterativo que se puede utilizar para encontrar la configuración espacial más eficiente en la que se distribuya el material para maximizar criterios de rendimiento.

Impresión 3d FDM. El encofrado

Para la ejecución del esqueleto, se utilizó primero la impresión 3d FDM para fabricar el encofrado. El modelado mediante deposición fundida es una tecnología de impresión 3D ampliamente extendida en la que el material fundido se extruye y se endurece inmediatamente después de su deposición. La deposición ocurre en capas horizontales consecutivas que se generan como láminas de un modelo digital de la pieza a fabricar.

Para adaptar la fabricación al volumen limitado de las impresoras 3D actuales, toda la geometría se dividió en 84 partes que encajan en el volumen de impresión de la impresora más grande: 30cmx30cmx60cm. Puesto que el barco tiene dos planos de simetría, solo hubo 21 partes únicas con sus respectivas piezas simétricas que debían imprimirse cuatro veces cada una.

El proceso de hormigonado

Para el proceso de hormigonado, se utilizó cemento de alto rendimiento reforzado con fibras de acero de diez milímetros de longitud. Esto cumplió con los requisitos reológicos necesarios para que el cemento fluyera a través de las estrechas formas tubulares del encofrado del barco.

Para compensar la futura presión hidrostática, el encofrado se sumerge gradualmente en un lecho de arena. La arena actúa con una contrapresión en el encofrado para compensar la presión hidrostática. Las discontinuidades también son neutralizadas por la arena que consolida la pieza localmente y previene más fugas de cemento. Las aperturas para el proceso de llenado de cemento se encuentran en la parte inferior del esqueleto, lo que significa que el nivel del cemento se eleva uniformemente. El enconfrado transparente permite una inspección visual del proceso de llenado para evitar que las burbujas de aire queden atrapadas en los puntos de los nudos.

Conforme el nivel de cemento alcanza puntos más altos, el lecho de arena en el exterior se llena gradualmente para proporcionar la contrapresión necesaria.

Conclusión

Este novedoso proceso se puede extrapolar y adaptar directamente para el diseño y la prefabricación de grandes componentes arquitectónicos de hormigón estrucural.

El tamaño de la canoa, aproximadamente 4x1x1m, es representativo de un componente de construcción, como un pilar, una viga o un elemento de fachada, y la infraestructura necesaria para la fabricación (es decir, contenedores con arena) está fácilmente disponible. Los logros clave demostrados con la canoa pueden marcar una gran diferencia en la forma en que se usa el hormigón en la arquitectura: libertad geométrica casi sin restricciones, reducción significativa de peso, encofrado liviano y alta precisión para el ensamblaje insitu.
La complejidad de los encofrados posibles, combinada con las excelentes propiedades reológicas de UHPFRC (hormigón reforzado de altas prestaciones), abre una familia completamente nueva de formas para elementos de construcción de hormigón:

Con la impresión 3D, cada pieza fabricada puede ser única, ya que el proceso de fabricación no implica el uso de moldes costosos que deben reutilizarse para que sean rentables. Por lo tanto, es posible imprimir en 3D piezas de encofrado únicas para elementos de hormigón personalizados específicamente diseñados para su propósito individual, sin costos ni penalizaciones de tiempo. Estos son los primeros pasos hacia la personalización de los edificios a través de componentes de hormigón prefabricados no estándar que integran soluciones estructurales, funcionales y estéticas, así como características adicionales como la reducción de peso y la lógica de montaje.

Fuente: Jipa, Andrei & Dillenburger, Benjamin & Bernhard, Mathias. (2017). skelETHon Formwork 3D Printed Plastic Formwork for Load-Bearing Concrete Structures. 345-352. 10.5151/sigradi2017-054

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