A otimização topológica é um método de projeto computacional que auxilia engenheiros no projeto de vigas utilizando quantidades reduzidas de concreto e aço. No entanto, as formas complexas geradas por essa ferramenta são frequentemente muito elaboradas ou caras para serem moldadas em fôrmas rígidas convencionais. As poucas vigas desse tipo construídas até o momento dependem, em sua maioria, de equipamentos especializados, como impressoras 3D de concreto ou fôrmas usinadas, equipamentos inacessíveis em regiões onde se prevê um crescimento na construção civil.  

Agora, engenheiros do MIT demonstraram que vigas altamente eficientes podem ser moldadas em um material mais acessível: tecido costurado. Em um artigo publicado no Journal of Building Engineering , a equipe projetou e construiu uma viga de teste de 3 metros (cerca de 10 pés) usando moldes de tecido criados por meio de um processo automatizado de modelagem. Comparada a uma viga convencional projetada para suportar o mesmo peso, a viga otimizada utilizou cerca de um terço da quantidade de concreto e metade da armadura de aço. Quando testada, sua resposta medida ficou dentro de uma margem de aproximadamente 2% da previsão do modelo computacional da equipe.

A técnica de fôrmas têxteis, na qual o concreto é despejado em um molde feito de tecido, vem sendo explorada há anos para criar vigas com profundidades variáveis, em vez dos formatos retangulares comuns na construção civil. No entanto, como o tecido se deforma sob o peso do concreto fresco, essa flexibilidade torna a forma final difícil de prever.

“A principal constatação foi que essa flexibilidade não é apenas uma limitação a ser gerenciada; com o projeto de padrão computacional correto, ela pode se tornar uma maneira de produzir formas estruturais otimizadas”, diz Josephine Carstensen, professora de Desenvolvimento de Carreira Gilbert W. Winslow (1937) em Engenharia Civil e autora sênior do estudo.

As fôrmas de tecido também podem ser baratas, leves e rápidas em comparação com as fôrmas de madeira ou aço. "Você poderia costurar uma fôrma fora do local da obra, embalá-la em uma caixa e levá-la para o canteiro de obras com muita facilidade", diz Jackson Jewett, PhD '25, coautor do estudo. "Brincamos que estamos desenvolvendo a H&M da indústria da construção." 

A produção de cimento é responsável por aproximadamente 8% das emissões de carbono causadas pela atividade humana. 

“Este trabalho aborda a pegada climática do concreto principalmente reduzindo a demanda por materiais”, diz Carstensen. “A produção de cimento é altamente intensiva em carbono, portanto, usar menos concreto é uma parte importante da descarbonização da construção.”

O local onde novas construções acontecem também importa. Prevê-se que o número de edifícios no mundo quase duplique até 2050, com cerca de 85% desse crescimento em países em desenvolvimento, onde o acesso a equipamentos de construção avançados é frequentemente limitado. É por isso, diz Carstensen, que a equipe se concentrou em uma abordagem de fabricação acessível e com custos controlados.

O concreto é resistente à compressão, mas frágil à tração, por isso é reforçado com aço capaz de suportar as forças de tração. Os pesquisadores primeiro mapearam o caminho para o reforço de aço usando um método chamado estática gráfica, que pode gerar projetos estruturais quase instantaneamente. Eles o utilizaram para moldar a barra de aço de forma que ela suporte uma parte igual do peso ao longo de todo o seu comprimento, simplificando o reforço para que os construtores possam executá-lo. A otimização topológica, que é mais lenta, mas permite o posicionamento livre do material, foi usada para determinar onde o concreto era necessário e onde o material poderia ser removido de áreas onde contribui pouco para o desempenho estrutural.

“Ambos os métodos são bons em coisas diferentes, então tentamos combinar os pontos fortes de ambos em uma única metodologia”, diz Jewett.

A viga resultante possui uma seção superior, pernas estreitas e angulares e uma seção inferior fina para o reforço de aço. O processo automatizado da equipe traduziu o projeto da viga em 3D em peças planas de tecido que podem ser cortadas e costuradas em um molde, levando em consideração como o tecido se deformará após a concretagem. Uma estrutura simples de madeira serviu de suporte para o molde de tecido finalizado.

Para Mark Hellrich SM '26, autor principal do estudo, o maior desafio prático foi acertar a mistura do concreto. O tecido de algodão permite a passagem de água, portanto, uma mistura muito líquida perde água através da fôrma. Além disso, exerce mais pressão sobre o tecido, deformando-o e distorcendo sua forma original.

A equipe utilizou uma mistura moderadamente úmida e rica em areia, com apenas pedras pequenas, para que o concreto pudesse fluir pelas pernas estreitas e angulares da viga e pela seção inferior fina sem ficar preso. Em seguida, compactaram o concreto manualmente, pressionando cada camada e batendo e amassando o tecido de fora para dentro.

“É aqui que a flexibilidade da fôrma se torna uma vantagem: você pode trabalhar o concreto através das passagens interconectadas sem um vibrador, o que seria necessário em uma fôrma rígida com esse formato”, diz Hellrich. Um vibrador de concreto é uma ferramenta normalmente usada para eliminar bolhas de ar do concreto recém-despejado em fôrmas rígidas. 

Assim que o concreto foi colocado, o tecido úmido revelou o formato final da viga. "Todas as três vigas estavam sem rugas ou vincos", diz Hellrich. A superfície superior manteve-se próxima ao projeto original, enquanto a principal diferença foi uma curvatura descendente na parte inferior, com as pernas angulares dobrando-se ligeiramente para dentro.

Para descobrir quanta precisão de costura a viga precisa, a equipe construiu três moldes para o mesmo projeto, feitos com 36, 56 e 76 peças de tecido. Comparando as digitalizações 3D das vigas moldadas com o projeto original, os pesquisadores descobriram que mais costuras proporcionavam um controle mais preciso sobre os detalhes, mas não necessariamente tornavam o formato geral da viga mais exato.

O molde de 56 peças demonstrou o melhor equilíbrio, capturando a geometria importante do projeto sem o tempo, esforço e possíveis erros adicionais associados ao padrão mais complexo.

Em seguida, os pesquisadores testaram a carga em uma das vigas, empilhando gradualmente 36 baldes cheios de água sobre ela, até cerca de 30% da sua carga de projeto, para simular as condições de uso diárias. Linhas com pesos foram suspensas da parte inferior da viga até medidores de precisão abaixo, registrando o quanto a viga se curvava à medida que a carga era adicionada e removida. No centro da viga, a deflexão medida — seu movimento descendente sob a carga — ficou dentro de aproximadamente 2% da previsão do modelo computacional.

A equipe também comparou o custo de uma viga moldada em tecido com uma viga convencional e descobriu que a localização faz toda a diferença. No Sul Global, onde os materiais tendem a ser mais caros em relação à mão de obra, todas as três versões em tecido foram mais baratas, com uma economia de cerca de 10 a 20%. No Norte Global, os custos mais altos de mão de obra para costura reverteram essa vantagem, tornando as versões em tecido cerca de 16 a 55% mais caras.

Os resultados sugerem que as fôrmas têxteis são mais promissoras para componentes de concreto com formatos personalizados, produzidos individualmente ou em pequenos lotes, como vigas aparentes, estruturas de cobertura ou de grandes vãos, estruturas para pedestres e elementos paisagísticos. Para as vigas retangulares repetitivas encontradas na maioria das construções, os moldes convencionais reutilizáveis continuam sendo a opção mais econômica em locais onde a mão de obra é cara.

“Para começar, um construtor precisaria do molde digital do componente desejado, uma máquina de costura e tecido adequado, além de uma estrutura de suporte simples de madeira”, diz Carstensen. “Isso representa um nível de exigência de equipamentos muito menor do que a fabricação robótica, a impressão 3D em concreto ou os moldes fresados por CNC.”

Os pesquisadores descrevem a viga de 3 metros como uma prova de conceito comparável a um vão curto de edifício. É também um grande avanço em relação à viga de 1,2 metro que a equipe construiu em um projeto anterior, observa Jewett.  

Construir em tamanho maior não é apenas uma questão de ampliar o projeto, observa Carstensen. À medida que uma viga fica mais comprida, seu próprio peso e a pressão sobre o molde de tecido mudam, portanto, uma viga maior exigiria um novo projeto. O próximo passo, diz Carstensen, é "testar várias vigas até a ruptura".  

“O interessante desses métodos de otimização é que eles geram estruturas com aparência orgânica”, diz Jewett. “Suas geometrias expressam claramente como as forças se movem pelo sistema estrutural. Há elegância nelas. Isso nos faz questionar por que não projetamos todas as nossas estruturas dessa maneira.”

Além de Carstensen, Jewett e Hellrich, os coautores Abhinit Sati, Edward Chien e Emily Whiting, do Departamento de Ciência da Computação da Universidade de Boston, também contribuíram para o artigo.

Este trabalho foi parcialmente financiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA.