Pesquisadores do MIT imprimiram em 3D e testaram a carga de uma ponte de concreto de 2,3 metros usando uma estrutura computacional que incorpora as limitações físicas de uma impressora diretamente no processo de design, e os resultados revelaram uma surpresa: o {hardware} de impressão atual, e não a resistência do concreto, determina o quão eficiente uma estrutura pode ser.
A equipe, do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, desenvolveu a estrutura para preencher uma lacuna persistente na área. Os engenheiros usam a otimização topológica para encontrar a estrutura mais forte que utiliza menos materials, mas esses projetos matematicamente ideais não levam em conta o que as impressoras de concreto em grande escala podem realmente fazer: seus bicos grossos, raio de giro limitado e necessidade de imprimir em um único movimento contínuo. A nova abordagem incorpora todas as três restrições diretamente na matemática, gerando designs totalmente imprimíveis em cerca de dois minutos em um laptop computer. Quando a equipe precisou reduzir um pouco o tamanho da ponte no dia da impressão, eles executaram novamente a otimização e tiveram um design atualizado cinco a ten minutos depois.
A ponte em si levou cerca de 30 minutos para ser impressa usando argamassa disponível no mercado. Durante os testes, a estrutura de aproximadamente 900 libras continha mais de 2.000 libras de blocos de concreto espalhados em seu topo sem dobrar de forma mensurável, correspondendo de perto às simulações da equipe. Mas o teste expôs o quão exagerado foi o resultado. “De zero a 200.000 libras, seu projeto é inteiramente orientado por essas restrições ‘posso construir ou não’. E então, depois de 200.000 libras, você pode começar a pensar sobre a física, “disse o co-autor Hajin Kim-Tackowiak, um pós-doutorado no departamento CEE do MIT.
A estrutura usa otimização de números inteiros mistos, uma abordagem matemática há muito considerada cara demais do ponto de vista computacional para ser prática. “Voltando há cinco, 10 anos, o solucionador que utilizávamos, mesmo há três anos, não conseguia resolver estes problemas”, disse o co-autor Zane Schemmer, um estudante de doutoramento na CEE. Como o método encontra um ótimo international em vez de apenas uma boa solução, os pesquisadores também puderam quantificar com precisão quanto cada restrição de {hardware} custa em materials. O maior fator foi a largura do cordão. A ponte usava uma conta de 4 centímetros; uma máquina capaz de colocar um cordão de 1 centímetro poderia reduzir o uso de materials em até 76 por cento, de acordo com a autora sênior Josephine Carstensen, Professora de Desenvolvimento de Carreira Gilbert W. Winslow (1937) em Engenharia Civil. “Achei que o problema seria o caminho contínuo, aquele que teria o maior efeito”, disse Carstensen. “Mas não foi. Foi a largura do cordão.”
A ponte é construída inteiramente em compressão, que é a resistência do concreto. Cada elemento está sendo empurrado em vez de puxado. Esse princípio de design revelou-se dramaticamente após os testes: a estrutura suportava mais de 2.000 libras sem se mover, mas quando um trabalhador levantou um canto alguns centímetros para passar por baixo dela, quebrou imediatamente. “É supreme em um aspecto, mas definitivamente não é supreme em todos os sentidos”, disse Kim-Tackowiak.
O próximo passo da equipe é o concreto armado. “Sabemos que uma estrutura de concreto puro não será necessariamente a melhor opção, por isso estamos transferindo-a mais para o mundo em que vivemos hoje, que é o concreto armado”, disse Kim-Tackowiak, embora tenha acrescentado que descobrir como inserir vergalhões em uma estrutura de concreto impresso “está provando ser seu próprio desafio”. O trabalho foi financiado pela Nationwide Science Basis e apoiado pelo MIT Heart for Superior Manufacturing Applied sciences, com os co-autores Pittipat Wongsittikan, um estudante de doutorado no programa Constructing Know-how Structure do MIT, e Jackson Jewett MEng ’18, PhD ’25.
Fonte: notícias.mit.edu