Diseño en flexión activa con neumáticos recuperados : análisis de la morfología bio-inspirada en la estructura del cactus
Authors:   , Rossi Ludovica 
Published: October 2023

This thesis deals with the methodology and development of a case study of biomimicry applied to the architectural design process. The case study integrates aspects of plant biology with architectural design in a theoretical framework that is sensitive to environmental issues. The research focuses on the discovery of biological mechanisms as a source of inspiration in the creative exploration of new technology. Design in biomimicry follows a bottom-up process that starts from the study of a biological model to define the abstraction of the organic mechanism and its technical implementation.
The research maintains the function of the biological model in question and stays within the field of functional biomimetic and biomorphic products. The work process allows the natural dynamics of a specific application to be seen in a human context. The framework enables the discovery of bending- active morphology, an innovative design principle that integrates the structural behaviors of bending and buckling as an alternative to rigid-body configurations and predefined typologies.
The application of the case study assesses the structural support system of live cacti (Chapter 1). It analyzes specimens of the Cactaceae family of the genera Echinopsis and Opuntia, which have lost their mechanical and resistant tissue in favor of non-specialized cells for the storage of liquids. The thesis collects samples, performs field studies and bibliographic analysis to verify the potential of the biological model as a generator of concepts. The abstraction of the organic mechanisms of growth and adaptability enable the separation of the biological model and the discovered principles (Chapter 2). In constructing physical models on a small scale, tire tread is used as the main material and the strip as a basic morphological element. The characteristics of elasticity of the material allow to work in the field of the living fabric of the plant. Mechanical properties of the material are analyzed and the choice to use recovered tires is in keeping with the environmental motivation of the thesis
Three spatial configurations are defined and assessed: the sinusoidal mesh, the dome in pre-deformed strips in alternating petals and the dome in pre-deformed strips closed in rings. The morphologies generated are included in the bending-active structures (Chapter 3), which are analyzed according to the deformations of the fibers and the geometric resistance obtained by the aggregation system. The obtained systems are self-organized and/or self-supporting through the balance of internal forces. In parallel, the digital simulation of the three cases (Chapter 4) allows the verification and systematization of the factors that determine the variations of form through the generative design. Laws of transformation are thus established and enable us to differentiate between the implicit and explicit processes that generate the morphology.
Plants are a promising source of inspiration for structures in the field of elasticity. The research proposes the geometry of the strip as a morphological archetype that defines the topology of the system. The implemented strategy follows an algorithmic design that uses the search for repetitive patterns to explore the generative processes. The iteration and deformations applied to the strips identify two morphological groups and three spatial configurations. The interaction of the parts generates new phenomena as emergent properties of the system. And the bio-inspired design process generates bending-active morphology where deformation is an alternative modality to create architectural forms.

Esta tesis trata el estudio metodológico y el desarrollo de un caso práctico de biomímesis aplicada a procesos de diseño en arquitectura. El trabajo integra aspectos de la biología vegetal con el diseño arquitectónico en un marco teórico atento a las problemáticas medioambientales. La investigación se enfoca en el descubrimiento de mecanismos biológicos como fuente para indagar tecnología de forma creativa. El diseño en biomímesis sigue el proceso ascendente (Bottom-Up) que parte del estudio del modelo biológico para definir la abstracción del mecanismo orgánico y su implementación técnica. La investigación mantiene la misma función del modelo biológico de referencia permaneciendo en el campo de los productos biomiméticos funcionales y biomorficos. El proceso de trabajo libera la comprensión de las dinámicas naturales de una aplicación específica en el ámbito humano. Este marco permite descubrir las morfologías en flexión activa, un principio de diseño innovador que integra los comportamientos estructurales de flexión y pandeo en alternativa a configuraciones de cuerpos rígidos y tipológicas predefinidas. La aplicación del caso práctico estudia el sistema estructural portante de las cactáceas vivas (Capítulo 1). Se analizan ejemplares de la familia de las Cactáceas de los géneros Echinopsis y Opuntia que han perdido tejido mecánico y resistente a favor de células no especializadas para el almacenamiento de líquidos. La tesis recopila muestras, realiza estudios de campo y análisis bibliográfico para verificar las potencialidades del modelo como generador de conceptos. La abstracción de los mecanismos orgánicos de crecimiento y adaptabilidad permiten separar el modelo biológico y los principios descubiertos (Capítulo 2). Por medio de la construcción de modelos físicos a pequeña escala se definen la banda de rodadura de neumáticos como material principal y la geometría de la franja como elemento morfológico de base. La elección de emplear los neumáticos recuperados responde a la motivación medioambientales de la tesis y las características de elasticidad del material permiten trabajar en el campo del tejido vivo de la planta. Se definen y examinan tres configuraciones espaciales: la malla sinusoidal, la cúpula en franjas pre-deformadas en pétalos alternados y la cúpula en franjas pre-deformadas cerradas en anillos. Las morfologías generadas se incluyen en las estructuras en flexión activa (Capítulo 3), que se analizan según las propiedades mecánicas del material y la resistencia geométrica obtenida por deformación y agregación de las franjas. Se obtienen sistemas auto-organizados y/o auto-portantes por equilibrio de esfuerzos internos. Paralelamente la simulación digital de los tres casos (Capítulo 4) permite verificar y sistematizar los factores que determinan las variaciones de forma por medio del diseño generativo. Se establecen las leyes de transformación que permiten diferenciar los procesos implícitos y explícitos que generan la morfología. Las plantas son una fuente de inspiración prometedora para estructuras en campo elástico. La investigación propone la geometría de la franja como arquetipo morfológico que define la topología del sistema. La estrategia implementada sigue un diseño algorítmico que utiliza la búsqueda de patrones repetitivos para explorar procesos generativos. La iteración y deformaciones aplicadas a las franjas individúan dos grupos morfológicos y tres configuraciones espaciales. La interacción de las partes generan nuevos fenómenos como propiedades emergentes del sistema. Y el proceso de diseño bio-inspirado genera morfología en flexión activa donde la deformación es una modalidad alternativa para crear formas arquitectónicas

Questa tesi si occupa dello studio metodologico e dello sviluppo di un caso pratico di biomimesi applicato ai processi di progettazione architettonica. Il lavoro integra aspetti della biologia vegetale con la progettazione architettonica in un quadro teorico attento ai problemi ambientali. La ricerca si concentra sulla scoperta di meccanismi biologici come fonte per esplorare la tecnologia in modo creativo. Il design in biomimetica segue un processo ascendente (Bottom-Up) che parte dallo studio del modello biologico per definire l’astrazione del meccanismo organico e la sua implementazione tecnica.
La ricerca mantiene la stessa funzione del modello biologico di riferimento, rimanendo nel campo dei prodotti biomimetici funzionali e biomorfi. Il processo di lavoro libera la comprensione delle dinamiche naturali da una specifica applicazione nel campo umano. Questo quadro permette di scoprire le morfologie attive alla flessione, un principio di progettazione innovativo che integra i comportamenti strutturali a flessione e instabilità per carico di punta, in alternativa alle configurazioni di corpi rigidi e tipologie predefinite.
L’applicazione del caso pratico studia il sistema di supporto strutturale dei cactus vivi (Capitolo 1). Sono analizzati i campioni della famiglia delle Cactacee, dei generi Echinopsis e Opuntia, che hanno perso tessuto meccanico e resistente a favore di cellule non specializzate per l’accumulazione di liquidi. La tesi raccoglie campioni, esegue studi sul campo e analisi bibliografiche per verificare il potenziale del modello biologico come un generatore di concetti. L’astrazione dei meccanismi organici di crescita e adattabilità consente di separare il modello biologico e i principi scoperti (Capitolo 2). Mediante la costruzione di modelli fisici su piccola scala, il battistrada degli pneumatici fuori uso è definito come il materiale principale e la striscia come elemento morfologico di base. Le caratteristiche di elasticità del materiale permettono di lavorare nel campo del tessuto vivente della pianta. Le proprietà meccaniche del materiale vengono analizzate, dove la scelta di utilizzare pneumatici recuperati risponde alle motivazioni ambientali della tesi.
Tre configurazioni spaziali sono definite ed esaminate: la rete sinusoidale, la cupola in strisce predeformate in petali alternati e la cupola in strisce pre-deformate chiuse in anelli. Le morfologie generate sono comprese nelle strutture in flessione attiva (Capitolo 3), che sono analizzate in base alle deformazioni delle fibre e la resistenza geometrica ottenuta dal sistema di aggregazione. I sistemi ottenuti sono auto-organizzati e/o autoportanti attraverso il bilanciamento degli sforzi interni.
In parallelo, la simulazione digitale dei tre casi (Capitolo 4) consente di verificare e sistematizzare i fattori che determinano le variazioni di forma attraverso il disegno generativo. Vengono stabilite le leggi di trasformazione che consentono di differenziare i processi impliciti ed espliciti che generano la morfologia.
Le piante sono una promettente fonte d’ispirazione per le strutture in campo elastico. La ricerca propone la geometria della striscia come un archetipo morfologico che definisce la topologia del sistema. La strategia implementata segue un disegno algoritmico che utilizza la ricerca di schemi ripetitivi per esplorare i processi generativi. L’iterazione e le deformazioni applicate alle strisce identificano due gruppi morfologici e tre configurazioni spaziali. L’interazione delle parti genera nuovi fenomeni come proprietà emergenti del sistema. E il processo di progettazione bio-ispirato genera morfologia in flessione attiva, dove la deformazione è un modo alternativo per creare forme architettoniche.