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Hone Structures

Formas de concreto ficam mais fortes, leves e sustentáveis com design generativo

O FUTURO DA CRIAÇÃO

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Cortesia grupo de pesquisas Dr. Sreekanta Das

Start-up brasileira torna os materiais de construção tradicionais mais sustentáveis com tecnologia de projeto

Qualquer esforço para tornar a construção mais sustentável é bem-vindo. Um caminho a seguir é tornar materiais de construção tradicionais mais sustentáveis. Hone Structures procura fazer exatamente isso aplicando uma combinação de projeto generativo, inteligência artificial e robótica para criar vigas de concreto. Agora, a equipe está colocando essas descobertas em prática por meio de uma passarela de prova de conceito.

A busca de uma start-up pela sustentabilidade

Grandes avanços nos métodos de construção não ocorrem com muita frequência. Alguns exemplos que mudaram o mundo incluem as Grandes Pirâmides de Gizé, o aqueduto de Pont Du Gard na França, o projeto de lajes flutuantes de Le Corbusier e a Represa Hoover. Ao longo de séculos de inovação em design, o concreto tem sido um material robusto para estruturas feitas pelo homem. Porém, as formulações e métodos antigos estão evoluindo, à medida que novas tecnologias, como impressão 3D e inteligência artificial (IA), prometem tornar o concreto mais leve, durável e – talvez o mais importante – mais sustentável.

O engenheiro estrutural Marcos Silveira é o líder da Hone Structures. Ele e sua equipe estão liderando um projeto chamado Hone Structures, que esperam que ajude a avançar técnicas sustentáveis de construção em concreto. Hone Structures está aplicando design generativo a estruturas de concreto armado – começando com amostras de vigas- parede – para pesquisar economia de materiais e outros benefícios potenciais do processo.

Marcos Silveira e Gabriela Vivan

Marcos Silveira e sua colega de equipe Gabriela Vivan imprimindo um protótipo de sua peça otimizada por design generativo no Autodesk Technology Centre em Toronto. Cortesia de Irene Kuan-Chung.

Durante o doutorado na Universidade de São Paulo e na Universidade de Windsor, Canadá (sob a orientação do Dr. Sreekanta Das na Universidade de Windsor e do Dr. Luís Bitencourt na Universidade de São Paulo), Marcos Silveira e sua colega de equipe Gabriela Vivan participaram da Residência Intensiva em Design Generativo de AEC no Autodesk Technology Centre em Toronto para desenvolver conceitos. Depois trabalharam com especialistas em robótica em Boston para construir concreto armado e aprender sobre impressão 3D. Marcos diz que o projeto – uma “aplicação concreta” de sua tese de doutorado – “visa remodelar o processo de design e construção de estruturas de concreto armado” usando design generativo, IA e robótica.

Com relação ao design e construção de concreto tradicionais, Marcos informa: “Isso não é exatamente um problema, mas uma limitação, porque se baseia na experiência do projetista e nas limitações do processo de fabricação tradicional”. Em vez disso, a abordagem do Hone Structures observa como uma estrutura de concreto se comporta pela análise de elementos finitos (FEA), depois usa a computação para remodelá-la e fortalecê-la nos pontos certos. “Basicamente, dividimos a carga de projeto em várias etapas”, diz ele. “Em vez de propor e calcular uma treliça equivalente para representar a forma complexa – uma via método das bielas – analisamos cada etapa de carga, aumentando-a para conhecer os pontos mais fracos em que é necessário reforço”.

Do conceito ao projeto no laboratório

A equipe construiu várias formas de concreto no laboratório estrutural da Universidade de Windsor, ensaindo-as em pórticos de reações acoplados a sistemas de aplicação de carga hidráulicos. Foram utilizados diversos mecanismos de instrumentação nos ensaios, dentre eles o sistema de correlação de imagem digital – do original digital image correlation (DIC). Sistema que tornou possível analisar posteriormente as deformações e tensões sob certas condições de carregamento. Em seguida, voltaram ao algoritmo de design generativo para criar novas linhas de código, a fim de melhorar ainda mais a relação entre o comportamento estrutural e o material usado para o próximo lote de elementos.

O processo resultou diretamente em economia de materiais. “Isso significa que o processo de design é baseado nas tensões”, afirma Marcos. “Tensão é a força dividida pela área. Se eu aumentar a força em termos de tensão, posso reduzir a área e, se reduzir a área, posso reduzir a quantidade interna de material”.

Hone Structures

Amostras de viga paredeem pequena escala, projetadas com constrições, mas usando o mesmo método. Cortesia da Hone Structures.

Isso levou a uma característica de formas atípicas e irregulares pelas quais os algoritmos de design generativo são conhecidos: estranha, mas ideal. O projeto Hone Structures produziu 10 designs principais para a peça, selecionados entre mais de mil modelos gerados pelo algoritmo. A equipe começou usando otimização topológica como solver pela abordagem de design generativo. Em outras palavras, o elemento foi dividido em pequenos elementos (processos EF); por meio do conhecimento do comportamento de cada elemento desse é possível determinar o comportamento da peça como um todo. Para cada etapa de carga, o algoritmo analisou quais dos pequenos elementos poderiam ser excluídos sem comprometer o comportamento estrutural do conjunto todo; depois disso, o algoritmo foi executado repetidamente até atingir o objetivo de design.

O resultado final foi uma viga parede que consistia em somente 55% do material que teria sido usado em um processo de design tradicional realizado por seres humanos. Depois de comprovar as possibilidades de redução de material, o próximo passo lógico é explorar uma melhor ciência dos materiais, incorporar a manufatura aditiva e tornar todo o processo cada vez mais inteligente (e mais sustentável).

O concreto de ultra altodesempenho, usado pela Administração Federal de Rodovias dos EUA, é mais resistente e mais caro do que as misturas tradicionais, mas é necessária reduzir a necessidade de uso de concreto comum – e com a economia de material que o design generativo oferece, ele se torna ainda mais acessível. Além disso, reduz o uso de formas naconstrução, economizando ainda mais dinheiro e materiais.

Tecnologias como a impressão 3D estão mudando o processo de fabricação. As formas tradicionais que restringem o concreto a linhas retas podem ser coisas do passado; a pesquisa continua em ritmo acelerado na impressão 3D do vergalhão de aço encontrado dentro de estruturas de concreto. Ao mesmo tempo, Marcos diz que pesquisas sobre impressão de aço, que estão acontecendo em empresas, estão abrindo portas para projetos de armaduras ainda mais complexos.Outros estão experimentando fabricar vergalhões de compostos de fibra de carbono mais leves e mais fortes.

Uma passarela para o futuro

Como prova de conceito, o Hone Structures está projetando uma passarela de concreto armado usando algoritmos de design generativo e robôs construtores. O desenvolvimento dessa estrutura permitirá que a equipe trabalhe com formatos, formas e tamanhos que estão além dos limites da tecnologia atual.

Marcos Silveira

Setup de teste: a caixa preta é o sistema DAQ (aquisição de dados). Cortesia do Grupo de Pesquisa do Dr. Sreekanta Das.

“Quando trabalhamos com o método tradicional de forma, estamos limitados a determinados formatos, portanto, precisamos usar essas limitações no processo de projeto”, afirma Marcos. “No futuro, o projeto de armação poderá ser decidido pelas demandas do desempenho, não limitado pela tecnologia de montagem atual”.

Ele diz que uma passarela é a aplicação ideal para tudo aquilo em que o Hone Structures tem trabalhado, porque o concreto armado e protendido resultante da pesquisa da empresa pode ser projetado em formatos muito diferentes dos tradicionalmente usados no mundo da construção. “Esta aplicação pode ser uma boa oportunidade para quebrar alguns paradigmas sobre manufatura aditiva e design generativo no mundo do concreto armado”, afirma ele.

O objetivo é concluir o projeto dentro de dois ou três anos. A passarela não será apenas uma vitrine para o que é possível; será também uma ferramenta de ensino para demonstrar as limitações, oportunidades e peculiaridades do método.

Marcos diz que essas técnicas podem ser aplicadas a uma variedade de estruturas, em qualquer lugar do mundo. “Nosso objetivo é produzir edifícios inteiros, edifícios altos, edifícios de metal”, afirma ele. “Quando você usa inteligência artificial para projetar a posição dos elementos estruturais, você pode ir muito longe”.

Esses tipos de inovações podem levar a um mundo com uma aparência fisicamente muito diferente, já que a arquitetura será impulsionada em parte por algoritmos que fornecem opções que não seriam possíveis pelas práticas tradicionais de design.

“No futuro, poderemos usar essa abordagem para decidir a arquitetura e a posição dos elementos. Logo, o formato será muito diferente do atual e o desempenho será muito melhor”, afirma Marcos. “Quando podemos trabalhar com milhares de soluções, podemos encontrar a intersecção entre o melhor desempenho e o menor uso de material”.

À medida que a impressão 3D e a robótica tornam a construção mais rápida, o design generativo reduz os materiais e cria novos paradigmas para melhorar os componentes da construção. Projetos como o Hone Structures estão satisfazendo todos os requisitos para dar à construção oportunidades novas e sustentáveis.

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