Nuovi modi di curvare il legno: è tutta una questione di scienza

Per curvare il legno, servono generalmente una grande quantità di energia e macchinari pesanti. Ma ora gli scienziati hanno scoperto una soluzione molto più sostenibile per creare queste curve, usando strumenti digitali che definiscono in anticipo la forma nei dettagli. Per gli architetti si aprono così prospettive per il futuro completamente nuove.

La Torre Urbach è situata su una collinetta circondata da campi e vigneti nel sud-ovest della Germania. La sua forma caratteristica non è solo un elemento distintivo nel paesaggio – rappresenta anche un manifesto per il futuro dell’architettura. La sua facciata curva in legno rappresenta infatti un cambiamento radicale nell’industria delle costruzioni.

Invece di usare i soliti processi elaborati per curvare il legno, i progettisti della torre hanno puntato sulle forze naturali per attivare il legno e modellarlo in modo più sostenibile grazie a quello che chiamano la programmazione del materiale.

Le prove di carico hanno dimostrato che gli elementi auto-modellanti possono sopportare gli stessi carichi del legno modellato in modo convenzionale. Per gentile concessione di ICD/ITKE, Università di Stoccarda.

I visitatori della Torre Urbach possono sostare al suo interno. La torre offre calore e riparo sulla collina sferzata dal vento. Per gentile concessione di ICD/ITKE, Università di Stoccarda.

Il tetto della torre è coperto da uno strato trasparente che consente di guardare il cielo. Per gentile concessione di ICD/ITKE, Università di Stoccarda.

La torre è la creazione di due esperti del settore: Dylan Wood, che dirige la squadra di ricerca sulla programmazione dei materiali dell’Istituto per la progettazione computazionale e le costruzioni (ICD) presso l’Università di Stoccarda, e Markus Rüggeberg, del Laboratorio sulla cellulosa e i materiali legnosi presso l’istituto di ricerca svizzero EMPA.

“Il legno è un materiale molto sostenibile”, spiega Wood, “ed è ancora più efficace quando è curvato invece che piano.” Grazie alla programmazione del materiale, i ricercatori hanno reso il legno molto più attraente come soluzione sostenibile.

Le simulazioni al computer forniscono risposte precise

Per comprendere come funziona la programmazione del materiale, è importante partire dal concetto che, proprio come le macchine possono essere programmate per muoversi in certi modi, anche il legno può essere “programmato” per deformarsi in determinate direzioni durante il processo di essiccazione. Le simulazioni al computer consentono agli architetti di prevedere le deformazioni del legno e di conoscere con esattezza la quantità di materiale e l’umidità necessarie per ottenere una determinata forma.

Il processo di modellazione può iniziare non appena i dati (come lo spessore desiderato) vengono calcolati per un progetto. Per prima cosa, uno strato sottile di legno secco viene incollato sulla superficie di uno strato spesso e umido, con le venature disposte perpendicolarmente. Questo processo stabilizza il componente, così che con la perdita di umidità durante l’essiccazione, il legno si auto-modella nella geometria precisa che era stata determinata in precedenza dal processo informatico. Una volta completato il processo di essiccazione, il legno rimane curvato.

Le parti prefabbricate in legno della Torre Urbach sono state assemblate sul posto in un solo giorno. Per gentile concessione di ICD/ITKE, Università di Stoccarda.

L’essiccazione è un’operazione standard per produrre legno sia curvato sia piano nell’industria del legno da costruzione. Per gentile concessione di ICD/ITKE, Università di Stoccarda.

Più sottile è lo strato umido, maggiore sarà la curvatura del legno una volta completato il processo di essiccazione. Per gentile concessione di ICD/ITKE, Università di Stoccarda.

A complicare le cose c’è il fatto che il legno piegato si deforma non appena ritorna umido, ad esempio sotto la pioggia. Per impedire che il legno si deformi, al termine del processo di essiccazione numerosi strati di legno auto-modellati vengono incollati uno sopra l’altro.

La Torre Urbach, che è stata creata grazie a una collaborazione con gli ingegneri strutturali dell’Istituto per le strutture edilizie e la progettazione strutturale (ITKE) dell’Università di Stoccarda, è la prima struttura di grandi dimensioni al mondo a utilizzare questo nuovo processo di piegatura del legno.

La torre comprende 12 parti di legno lamellare di abete rosso a strati incrociati, è alta circa 14 metri ed ha una struttura spessa circa 90 cm. “La geometria della torre è così complessa che è stato necessario un modello BIM completo come punto di riferimento per tutte le parti coinvolte nel processo”, racconta Wood. Si riferisce al modello come a un “communication model” (cioè un “modello di comunicazione”) e spiega che si è dimostrato particolarmente utile per il coordinamento tra livelli diversi di appaltatori e imprese di costruzione in cantiere, consentendo di assemblare le parti di legno prefabbricate in un solo giorno.

Per imparare come il legno piegato reagisce alle variazioni di umidità e del clima sul posto, i ricercatori hanno collaborato anche con l’azienda svizzera ioLabs per monitorare i dati di misurazione a lungo termine usando la piattaforma Forge di Autodesk. Queste scoperte saranno sicuramente utilizzate dal gruppo dell’Università di Stoccarda, con il progredire dell’esportazione della tecnologia di modellazione.

Nessun montaggio richiesto: si va verso i mobili auto-modellanti e oltre

Il gruppo sta già sviluppando nuovi metodi per auto-modellare direttamente in cantiere componenti costruttivi più grandi: recentemente ha anche rivelato un concept per mobili con confezioni piatte che si auto-modellano a casa, senza bisogno di montaggio, utensili o istruzioni.

“La bellezza di questo tipo di processo è che gli strumenti digitali ci consentono di incorporare la forma direttamente nei materiali di un componente in fabbrica”, continua Wood. “Questo potrebbe ridurre notevolmente la necessità di macchinari in cantiere e, di conseguenza, l’impatto ecologico delle costruzioni. Si tratta di un metodo costruttivo più pulito e silenzioso, che può essere ampiamente esteso a quei progetti per i quali inviare squadre di operai o apparecchiature/macchinari sarebbe troppo costoso. Al contrario, insegniamo ai materiali a compiere il lavoro pesante.

“Il bello è che possiamo ottenere tutto ciò semplicemente conoscendo e istruendo un materiale naturale. I ricercatori considerano il concetto come esempio ideale di Industria 4.0: un processo produttivo adattabile e altamente flessibile basato sulla digitalizzazione, la classificazione e la disposizione di materiali naturali per modellare geometrie e prodotti diversi”.