Structuring biomimicry, improving building's resiliency

Op dezelfde manier als Einstein de snelheid van het licht als een constante van referentie aanneemt voor zijn Relativiteitstheorie, neemt de filosofie van biomimicry de Natuur als een constante van referentie voor een op prestaties gebaseerde schoonheid in ontwerp.

Het imiteren van de natuur is een betekenisvolle benadering geworden voor hedendaagse architecten en ontwerpfuturisten ten aanzien van de gebouwde omgeving, vooral voor degenen die een toekomst bevorderen die niet concurreert met de natuur, maar ermee samenleeft. In het licht van recente natuurrampen wereldwijd, vooral die geologisch geassocieerd zijn zoals tsunami's en aardbevingen, die hun vernietigende kracht op de huidige gebouwde omgeving hebben bewezen; hebben architecten en constructie-ingenieurs in biomimicry een ecologische benadering gevonden om de rampbestendigheid van toekomstige gebouwen te verbeteren.

Bio-Structural Analogues in Architecture, door de Singaporese architect Joseph Lim (2009) benadrukt dat "centraal in het idee van een ontwerpstrategie bij het ontwikkelen van het architectonische concept, een vorm van technologisch denken staat dat inspiratie put uit andere vormen van kennis". Wetenschappelijk denken over architectuur heeft geleid tot een bottom-up benadering voor het ontwerp van veerkrachtige structuren. Zoals geschreven door de bioloog D'Arcy W. Thompson, is elke vorm in de Natuur in wezen het product van het diagram van krachten dat erop inwerkt of heeft ingewerkt. Dat technologische kenmerk van levende structuren blijkt een veerkrachtige parameter van zijn morfologie te zijn, voornamelijk omdat de tessellatie groeit in intrinsieke relatie met het ecosysteem en zijn natuurlijke stromen.

Huidige gebouwde structuren reageren niet op de dynamiek van de Aarde en zijn niet volledig aangepast aan de ecosysteemstromen van krachten. Dit feit leidt tot een belangrijke zorg van de wereldwijde bouwsector over haar veerkrachtcapaciteit voor de toekomst en de potentiële gevaren door natuurrampen. Geologisch geassocieerde gevaren hebben grote aandacht gekregen van de ontwerpcommunity op belangrijke fora wereldwijd. Recente grote aardbevingen wereldwijd hebben de inefficiëntie van het huidige bouwparadigma bewezen en hebben bouwprofessionals gewaarschuwd om structuren aan te passen om toekomstige seismische gebeurtenissen te weerstaan. Principes van een BioTectonische Cultuur masterthesis neemt Puerto Rico als laboratorium voor het ontwerp van door biomimicry gedreven structuren gemaakt van gewapend beton om de veerkracht te verbeteren.

Puerto Rico is een uitstekend casestudiemodel vanwege de actieve seismische breuklijnen rond het eiland, het overwicht van zware materialen voor de bouw zoals beton en metselwerk, enkele onduurzame benaderingen voor de constructie van structuren en de gevaarlijke kwetsbaarheid door het bestaan van een groot percentage structuren dat ontworpen en gebouwd is volgens slechte seismische regelgeving of zelfs zonder professionele begeleiding. Puerto Rico heeft een bijzondere omgeving, het ligt op de grens van twee tektonische platen (de Caribische plaat en de Noord-Amerikaanse plaat) met het potentieel om een grote aardbeving met een magnitude van 8.0 of hoger te produceren. Volgens de US Geological Service (USGS) hebben feitelijk minstens vier grote aardbevingen het eiland getroffen tot 1918. Bovendien combineert de kwetsbaarheid van Puerto Rico gevaarlijk met het feit dat gebouwen die ontworpen zijn vóór de invoering van de Bouwcode van Puerto Rico uit 1987 mogelijk als onvoldoende worden beschouwd om aardbevingsgebeurtenissen te weerstaan. Onder deze premisse zou ongeveer 70%~80% van de bestaande structuren risico kunnen lopen.

Hoewel de huidige bouw op het eiland alle vereiste seismische codes omvat, zijn er nog steeds enkele ontwerp- en bouwprincipes die geoptimaliseerd kunnen worden om de aanpassing van gebouwen aan een seismische gebeurtenis te verbeteren. Daarnaast moeten betonconstructies in Puerto Rico congruent aanpassen aan de huidige ecologische trends om de vervuiling geassocieerd met cementproductie te verminderen. Voor het thesisvoorstel werd zo'n soort veerkrachtstandaard bereikt door te focussen op een structureel ontwerpconcept geïnspireerd door de prestatie en materiaalefficiëntie van een "state of the art" statisch model van een biostructuur: het menselijk skelet.

Het onderzoeksvoorstel heeft tot doel een betonstructuur te produceren die wordt aangedreven door de natuurlijke stroming van de kracht die door een aardbeving binnen het materiaal wordt gegenereerd. Zo'n soort gewenste "krachtgedreven vorm" vertoont grote gelijkenis met organische botten. Het menselijk lichaam en zijn skelet passen zich aan volgens functie en belastingen die normaal worden ondervonden. Vanwege deze belastingen worden bijvoorbeeld dijbeenbotten in de benen dikker en groter dan andere botten omdat ze ongeveer 63 procent van het lichaamsgewicht moeten dragen. Als gevolg hiervan wordt het compacte weefsel in elk specifiek bot dikker waar het grotere belastingen ondervindt en neemt de dichtheid af naarmate de belastingen afnemen. Dat technologische kenmerk vertaalt het krachtdiagram van elk bot in zijn morfologie.

Het menselijk dijbeen, het langste en sterkste bot van het skelet, biedt optimale technologische parameters voor het ontwerp van structuren in seismische zones. Het holle schachtontwerp van het dijbeen biedt maximale sterkte met minimaal gewicht, ideale ontwerpkenmerken om de seismische intensiteit op een structuur te verminderen. Met behulp van biomimicry-principes bereikt het onderzoek de architectuur van een aangepast structureel systeem van gewapend beton dat niet alleen zwaartekrachtbelastingen, maar ook zijdelingse belastingen zoals aardbevingsbelastingen op een efficiëntere manier kan weerstaan dan een conventionele structuur.

In feite werd gewapend beton bedacht door de structurele eigenschappen van een bot na te bootsen, waarbij het collageen trekvastheid biedt zoals staalstaven, en het mineraal weerstand biedt tegen compressie zoals beton. De soorten belastingen die het dijbeen ondervindt, zijn zeer vergelijkbaar met die in typische balken en kolommen: trek, compressie en buiging. Vervolgens omvatten de biostructurele parameters geselecteerd uit het dijbeen de geometrische eigenschappen van de middenschacht (midden-dwarsdoorsnede) geassocieerd met de maximale spanningsweerstandswaarde (ongeveer 4.000 pond per vierkante inch); en de reactie op mechanische spanning, volgens de wet van Wolff, wat inhoudt dat de anatomie van een bot de gebruikelijke spanningen die het tegenkomt weerspiegelt. Het voorstel benut die biologische kenmerken van het dijbeenbot om morfogenetische parameters te extrapoleren naar de bouwstructuur om de contextuele integratie te verbeteren en een beter gebruik van beton aan te moedigen.

Gebaseerd op de biotectonische technologische kenmerken geëxtrapoleerd uit het dijbeen, was het bereikte product niet-prismatische lichtgewichtcomponenten die nauw verbonden zijn met het buigmomentdiagram van de typische frames die normaal worden gegenereerd door het effect van zijdelingse belastingen. Vandaar dat het typische effect van een aardbeving op het frame een sleutelparameter wordt voor het morfologisch ontwerp. Bovendien werd door dezelfde principes een lichter frame verkregen, wat ook een prestatie betekent omdat het de algemene intensiteit van de aardbeving op het gebouw vermindert. Het structuurvoorstel bereikt een krachtgedreven morfologie die een zekere mate van mechanische veerkracht en ecologische aanpassing impliceert.

Volgens computationele analyses wordt zo'n voorstel zeer efficiënt voor seismisch kwetsbare zones omdat de totale basisafschuiving (aardbevingskrachtintensiteit) werd verminderd door het effect van zijdelingse belastingen. Bovendien impliceert de voorgestelde architectuur een vermindering van het betongebruik voor structuren, wat ook een vermindering van CO2-uitstoot betekent. Dit feit wordt zeer belangrijk gezien het feit dat beton verantwoordelijk is voor 7 tot 10 procent van de wereldwijde kooldioxide-uitstoot, waardoor het de op twee na grootste bijdrager aan de opwarming van de aarde is na transport en energieopwekking. Huidige trends geven aan dat de toekomst van de bouwsector sterk verbonden zal zijn met de Natuur en de levende technologieën. Het structureren van biomimicry is een inspanning om bouwconstructies te voorzien van de capaciteit om in realtime op de omgeving te reageren zoals levende structuren dat doen. Bovendien is het de definitie van een nieuw paradigma dat huidige inerte bouwmaterialen aanpast aan hun ecosysteemomgeving om de veerkracht van de gebouwde omgeving te verbeteren.

Geschreven door Wilfredo Mendez, M.Arch, AIT voor IEET.org

Referenties:

Lim, Joseph (2009). Bio-Structural Analogues in Architecture. BIS Publishers.

Thompson, D'Arcy (1961). On Growth and Form. Cambridge University Press.