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Il test di schiacciamento collaborativo

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La scultura di Curvahedra nel cortile di Geartart Hall. Credito: Relazioni con l’Università

In una torrida giornata di luglio, rappresentanti di diversi college dell’Università dell’Arkansas, nonché del Massachusetts Institute of Technology, si sono riuniti presso l’Harvell Civil Engineering Research and Education Center dell’Università dell’Arkansas per condurre uno stress test su una trave di cemento. In genere, un test di trave non attira una folla, ma questo test è stato una vetrina per un nuovo approccio collaborativo alla progettazione e ottimizzazione delle travi.

L’uomo più responsabile della progettazione della trave è stato Mohamed Ismail, uno studente di dottorato in tecnologia edile al MIT, una disciplina che risiede all’incrocio tra architettura e ingegneria. Ismail era arrivato in aereo per assistere al test di persona e sembrava vagamente nervoso per il fatto che il raggio potesse non funzionare come previsto, una sensazione forse accentuata dall’insolito grado di attenzione che lo stress test stava ricevendo. I frutti della ricerca non sono sempre immediatamente evidenti, ma la natura del test – pressa idraulica contro trave di cemento – ha fatto emergere lo staff dei social media dei vari college, che ha riconosciuto un forte contenuto visivo quando lo ha visto.

Forse una dozzina di persone si sono riunite per vedere come si comportava il raggio di Ismail.

Tra gli interessi di ricerca di Ismail c’è l’aumento dell’efficienza strutturale dei materiali da costruzione. Nel caso delle travi in ​​cemento, ciò significa ridurre al minimo la quantità di cemento e acciaio utilizzati, rimuovendo il cemento da dove non è necessario, trattenendolo dov’è. Ciò ha comportato che la sua trave avesse una parte superiore piatta ma una base che si curvava in modi imprevisti. Egli stima che la trave in questione contenesse il 40% in meno di carbonio incorporato, la quantità di carbonio bruciata per produrre il cemento e l’acciaio utilizzati nella trave, rispetto alle travi rettangolari standard.

Questo è importante per ragioni sia di sostenibilità che di economia. Ismail ha gli occhi puntati sul mondo in via di sviluppo, dove si prevede un’impennata della crescita urbana. “Stai guardando i luoghi in cui ci sarà bisogno di costruzioni ad alta densità”, ha spiegato. “Quindi questo significa salire, andare in verticale e farlo in sicurezza. E in realtà, l’unico materiale ampiamente disponibile e accessibile alla maggior parte di quelle regioni è il cemento, quindi il cemento dovrebbe essere il materiale numero uno che usiamo oggi. E dovrebbe farlo basta passare all’uso perché non abbiamo davvero trovato un materiale in grado di soddisfare le richieste ed essere comunque al sicuro”.

Bette Poblete, un’assistente ricercatrice laureata in ingegneria civile presso la U of A che stava conducendo lo stress test, ha notato che era una delle forme di raggio più interessanti che avesse mai incontrato. “Di solito, testiamo travi rettangolari”, ha detto. “Ci sono un paio di ragioni per cui lo facciamo: semplifica alcuni dei nostri calcoli e rende la costruzione più semplice. In termini di calcoli, ci affidiamo alle dimensioni geometriche per aiutare a prevedere la forza delle travi. Prima di testare qualsiasi membro, abbiamo calcoleremo il carico previsto al quale fallirà. Quindi, confronteremo i nostri carichi previsti con i carichi effettivi. Poiché di solito utilizziamo forme più semplici, semplifica l’intero processo”.

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La cassaforma progettata attraverso il sistema Zip-Form ha consentito di gettare una trave in calcestruzzo utilizzando meno calcestruzzo ma mantenendo la resistenza. Credito: Cameron Murray

In termini di test della trave di Ismail, ha osservato: “Questa trave era più lunga di quanto normalmente testiamo, quindi inserirla nel nostro telaio di carico ha rappresentato una sfida divertente. Abbiamo finito per utilizzare la nostra gru e il carrello elevatore contemporaneamente per posizionarla sui nostri supporti. Inoltre, dato che la trave era trapezoidale alle estremità, dovevamo stare particolarmente attenti a non scheggiare gli angoli”.

Ormai la maggior parte dei lettori probabilmente si starà chiedendo perché Ismail, che risiede a Boston ed è uno studente di dottorato presso probabilmente la migliore università di ricerca del mondo, sia volato a Fayetteville, in Arkansas, per schiacciare la sua trave. Sicuramente ci sono strutture di test più vicine a Boston?

In realtà ci sono due ragioni per cui è venuto a Fayetteville: Emily Baker e Edmund Harriss.

Baker è sia un’allieva che un attuale assistente professore alla Fay Jones School of Architecture and Design, mentre Harriss è un assistente professore clinico di matematica al Fulbright College of Arts and Sciences. Hanno lavorato insieme su qualcosa che hanno soprannominato il sistema Zip-Form. È nato da un progetto artistico creato da Harriss attraverso l’Honors College, che alla fine è diventato la scultura Curvahedra di 12 piedi all’esterno della Gearhart Hall di U di A, una struttura sferica composta da pochi fili di acciaio ricurvi che è in gran parte spazio vuoto.

Harriss, il cui lavoro principale è la geometria, ha anche un incarico alla School of Art. Il suo desiderio dichiarato è “mettere la matematica in uno spazio giocoso e guidato dalla scelta in cui le persone possano giocare o apprezzare la matematica attraverso l’arte e la scultura”.

Harriss aveva bisogno di qualcuno che potesse aiutare a fabbricare le forme che stava immaginando attraverso l’uso di geometrie complesse. Quindi ha contattato Baker per assistenza.

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Progettato per trasportare 8.500 libbre, il raggio alla fine si è rotto dopo che sono state aggiunte 12.000 libbre di carico. Credito: Shawnya Mayers

“Sono profondamente interessato a esplorare e innovare nuovi modi di creare oggetti ed edifici fisici”, ha spiegato Baker. In quanto tale, trasformare in realtà la scultura di Harriss ha rappresentato per lei una sfida divertente. Alla fine ha creato una maschera, o una configurazione di bloccaggio, per consentire alle sezioni piatte di essere fissate con successo o “compresse” in forme curve di acciaio. Questo metodo jig, abbinato alle formulazioni computazionali di Harriss, è diventato la base per il loro sistema di costruzione Zip-Form, in grado di produrre curve 3D estremamente accurate con tecniche di fabbricazione notevolmente semplificate. Questo software altamente efficiente ed economico e il processo di produzione si sono rivelati così innovativi che l’Università dell’Arkansas, tramite il suo ufficio Technology Ventures, ha successivamente depositato un brevetto provvisorio.

Sebbene il sistema Zip-Form fosse chiaramente innovativo e potesse produrre strutture piacevoli, Baker e Harriss sapevano che esistevano applicazioni più pratiche. Come ha detto Harriss, “Possiamo applicare questi principi a materiali che hanno già una planarità e produrre pezzi che sono più efficienti in termini di resistenza e tuttavia utilizzano meno risorse”.

L’opportunità di dimostrarlo è arrivata quando Baker si è imbattuto in Ismail a una conferenza, ha scoperto che avevano interessi di ricerca comuni e lo ha invitato a parlare alla sua classe. Mentre Ismail stava parlando alla sua classe dell’ottimizzazione del raggio, una lampadina si è accesa nella sua testa. Forse il sistema Zip-Form potrebbe essere utilizzato per aiutare Ismail a creare un raggio di curvatura complessa?

Iniziano così mesi di collaborazione. Inerente alla discussione era che i metodi di fabbricazione erano inestricabili dal progetto. Come ha spiegato Ismail, “Stiamo cercando di sviluppare metodi consapevoli della fabbricazione. Quando progettiamo e ottimizziamo effettivamente la struttura, sappiamo come verrà costruita e le regole su come verrà costruita tornano indietro il processo di progettazione quindi è più circolare e non lineare. Quindi, abbiamo parlato per mesi con Emily ed Edmund sui principi matematici reali dietro il loro sistema Zip-Form. Quali erano i limiti? Quali erano i vincoli? E poi abbiamo trovato un modo per inserirlo nel nostro modello strutturale”.

Alla fine, Ismail era pronto a vedere il suo progetto non ortodosso di travi diventare una realtà. I calcoli di Harriss e il sistema jig di Baker sono stati essenziali per modellare la cassaforma, che è stata creata presso il Build Lab della Fay Jones School in Government Avenue, dove Baker sovrintende al laboratorio di acciaio digitale. Il suo metodo ha permesso loro di realizzare casseforme in acciaio con curvature complesse come Ismail desiderava quasi con la stessa facilità con cui poteva realizzare casseforme per una trave piatta. “Questo è un grande miglioramento rispetto ad altri metodi che potrebbero essere utilizzati per realizzare casseforme curve”, ha affermato.

Cameron Murray, un assistente professore di ingegneria civile che consiglia Poblete, ha assistito con il getto di cemento nella cassaforma la settimana prima. Anche se ha detto che non c’era nulla di insolito nel calcestruzzo utilizzato, ha notato che “tutti i materiali sono stati realizzati in Arkansas. L’aggregato grosso è stato estratto a Hindsville. La sabbia proveniva dal fiume Arkansas a Van Buren. Il cemento è stato prodotto a Foreman, Arkansas. L’acqua proveniva da Beaver Lake. Il cemento è generalmente intrinsecamente un materiale locale”.

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Da sinistra, Mohamed Ismail, Emily Baker e Bette Poblete presso l’U of A Civil Engineering Research and Education Center. Credito: Università dell’Arkansas

Niente di insolito, eppure questo ha sottolineato l’obiettivo più grande di Ismail: è interessato a un design più efficiente e sostenibile, ma non necessariamente a nuovi materiali rivoluzionari. Anche se è entusiasta del potenziale per cose come le abitazioni stampate in 3D, mancano decenni. La gente ha bisogno di una casa adesso.

“Il nostro gruppo è interessato a ciò che è applicabile oggi”, ha spiegato, “ad esempio cosa possiamo realizzare e costruire in questo momento. Ed è per questo che stiamo guardando calcestruzzo a resistenza regolare, acciaio a resistenza regolare e metodi di fabbricazione che sono relativamente economici e conveniente, ecco perché questo progetto in Arkansas è stato così eccitante. Emily ed Edmund stavano lavorando a un metodo che può essere replicato abbastanza facilmente in qualsiasi parte del mondo”.

Il test vero e proprio si è rivelato privo di eventi nel modo in cui spesso accade con il successo. Il raggio è stato progettato per trasportare 8.500 libbre. Oltre a ciò, l’obiettivo era fallire in sicurezza, in quello che Ismail descrive come un “modo lento e duttile. Non vuoi che crolli all’improvviso e in modo spaventoso”. Il raggio di Ismail si è comportato come previsto, esibendo piccole crepe e piccoli incurvamenti, o ciò che Poblete ha descritto come “incrinature e deflessione flessionali”. Il test è proseguito attraverso una serie di aumenti di peso costanti seguiti da plateau temporanei, le crepe da ragno documentate da studenti laureati che brandiscono pennarelli neri che strisciano sotto e intorno alla trave. Infine, il carico è stato aumentato a 12.000 libbre, ben oltre la sua forza di progetto, a quel punto si è verificato un evidente guasto quando un grosso pezzo si è finalmente rotto.

Ismail era visibilmente sollevato: il suo raggio aveva fatto ciò per cui era stato progettato. E con molto meno concreto del solito.

Tutto sommato, era felice del processo. “Emily è stata una collaboratrice fantastica e incredibilmente generosa ed è stata in grado di tirare fuori molto che non sarei stata in grado di fare da sola”. Pensa anche che questo test sia stato solo la punta dell’iceberg: “C’è molto di più che possiamo fare. Ci sono strutture più complesse che possiamo progettare, e poi ci sono più test che possiamo fare che entrano in cose molto più rigorose come il caricamento dinamico , test per le vibrazioni e ogni genere di cose di cui è sicuramente capace il laboratorio delle strutture dell’Arkansas. Quindi, questa è stata, in molti modi, la prova che questa idea può funzionare e ora dobbiamo effettivamente svilupparla ulteriormente”.


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