211service.com
Hoe zelf-assemblerende korrelige materialen de toekomst van architectuur veranderen
Architectuur is een conservatieve discipline, niet in de laatste plaats vanwege de veeleisende normen van stabiliteit en veiligheid waaraan alle door mensen gemaakte constructies moeten voldoen. De krachten die op en binnen een constructie inwerken, moeten zorgvuldig worden berekend en het ontwerp dienovereenkomstig worden aangepast. Er kan weinig aan het toeval worden overgelaten.
Tenminste, dat is de traditionele opvatting. Maar sommige ontwerpers spelen met een ander idee: dat er een andere manier is om te bouwen die willekeur uitbuit in plaats van te vermijden. Dit soort gebouwen is afhankelijk van nieuwe soorten korrelige materialen die, wanneer ze op hun plaats worden gekanteld, aan elkaar binden op manieren die structurele stabiliteit bieden. Op deze manier konden muren, kolommen en zelfs koepels op hun plaats worden gestort, waardoor complexe maar stabiele structuren werden gevormd.
Dat klinkt misschien als sciencefiction, maar vandaag leggen Sean Keller van het Illinois Institute of Technology in Chicago en Heinrich Jaeger van de University of Chicago uit hoe dit soort aleatorische architectuur eindelijk mogelijk wordt. Deze jongens zeggen dat de eerste aleatorische structuren al worden gebouwd en dat de aanpak nieuwe manieren introduceert om na te denken over architectuur en design in het algemeen.
Eerst wat achtergrond. Mensen gebruiken al duizenden jaren korrelige materialen zoals stenen, zand of aarde om constructies te bouwen. Zelfs vandaag de dag is de techniek gebruikelijk voor het bouwen van dammen, havengolfbrekers en grindbedden voor spoorwegen.
Deze structuren profiteren van de speciale eigenschappen van korrelige materialen: hun poreuze aard die snelle drainage mogelijk maakt en het feit dat ze snel en tegen lage kosten op hun plaats kunnen worden gegoten.
Interessanter is de manier waarop ze lasten dragen. Conventionele constructies vereisen speciaal ontworpen kolommen of bogen. Maar korrelige materialen zijn afhankelijk van krachtketens tussen aangrenzende deeltjes in de materialen die worden opgesteld wanneer het materiaal vastloopt. Tegelijkertijd kan het materiaal vloeien wanneer de jam wordt losgelaten.
Er is wel een nadeel. De vorm van deze structuren wordt ernstig beperkt door de natuurlijke rusthoek van het materiaal. En dat beperkt ook de toepassingen.
Veel van de eigenschappen van korrelige materialen worden bepaald door de vorm van de deeltjes waaruit ze zijn gemaakt. Dit is in veel gevallen ongeveer bolvormig.
Maar de afgelopen jaren zijn materiaalwetenschappers begonnen te experimenteren met deeltjes met meer exotische vormen, zoals 3D-stervormen, X-vormen, haakvormen en andere. Wanneer ze worden gegoten, lopen deze gemakkelijker vast en vormen ze stabiele structuren.
Dat heeft geleid tot een geheel nieuwe manier van denken over design. Traditioneel zijn architecten begonnen met de kleinste structurele componenten zoals kolommen, bogen, muren, enzovoort, en deze samengevoegd tot grotere structuren zoals bruggen, huizen en wolkenkrabbers.
Maar de eigenschappen van deze nieuwe korrelige materialen zetten deze benadering op zijn kop. Met dit spul kunnen architecten nadenken over de algehele vorm en vervolgens uitzoeken hoe dit kan worden bereikt door het korrelige materiaal op zijn plaats te gieten.
Eén benadering is om het materiaal in een luchtdichte stoffen container te gieten die vacuüm kan worden verpakt. Dit genereert de druk die ervoor zorgt dat het materiaal in min of meer elke gewenste vorm vastloopt. Een paar jaar geleden hebben ingenieurs van de Technische Universiteit Delft een brug gebouwd met behulp van dit leegloopbare idee (zie hieronder).
Een ambitieuzer doel is om de algehele structuur te bedenken en vervolgens achteruit te werken om de vorm te bepalen van de deeltjes die deze zouden produceren wanneer ze worden gegoten. Deze korrels kunnen vervolgens in 3D worden geprint en op hun plaats worden gegoten, waar ze zelf worden geassembleerd of worden geassembleerd met behulp van een robot.
Dat zal een diepgaand effect hebben op het ontwerpproces. Als gevolg hiervan wordt de preplanning bevrijd van het rekening houden met de lokale structurele details, zeggen Keller en Jaeger. In plaats daarvan wordt de belangrijkste taak nu het genereren van de juiste deeltjesvormen, evenals de algemene grens- en verwerkingsomstandigheden om te garanderen dat de gewenste doelstructuur mechanisch stabiel zal zijn wanneer deze wordt gerealiseerd.
De eerste voorzichtige stappen in de richting van dit soort constructie worden al gemaakt met fascinerende resultaten. Zou het kunnen dat het volgende huis waar je intrekt eerder is gestort dan gebouwd? Waarschijnlijk niet, maar sluit de volgende niet uit.
Referentie: arxiv.org/abs/1510.05721 : Aleatorische Architectuur