Soluciones compuestas aceleran fabricación de fachadas de hormigón: caso Domino Park, Brooklyn

Todo edificio de varias plantas construido hoy requiere una fachada. Derivado del francés façade, que a su vez vino del italiano facciata, significa “cara”. En resumen, la fachada es la estructura exterior, de cara al público, que da al edificio su carácter, color y forma. Para arquitectos, la fachada marca el tono del resto del edificio y dice mucho sobre la intención arquitectónica del diseñador.

Una fachada también es funcional. Proporciona la estructura que rodea ventanas y puertas, protege el edificio de clima e impactos, y afecta la eficiencia energética. Una fachada puede construirse de variedad de materiales, incluyendo compuestos, piedra, acero, vidrio u hormigón. El hormigón en una fachada, por su moldeabilidad, puede dar a un edificio apariencia altamente dimensional y visualmente impactante, particularmente si las formas de hormigón son variadas.

El azúcar es el rey

Este fue el caso en Domino Park, proyecto de reurbanización de 11 acres junto al agua de Williamsburg en Brooklyn, NY, EE. UU. En el corazón de Domino Park está la refinería Domino Sugar de 138 años, cerrada en 2004 y ahora en renovación como oficinas y comercio. Parte de Domino Park incluye varios edificios nuevos, incluyendo el One South First de 45 plantas y el conjoined 10 Grand. Para estos edificios, el arquitecto COOKFOX (Nueva York, NY) decidió usar fachada de hormigón con múltiples ángulos de superficie, múltiples formas de marcos de ventana y múltiples anchos de marcos para, desde la distancia, transmitir libremente una sensación de cristalinidad del azúcar, acorde con la historia del sitio.

Gate Precast Co. (Jacksonville, Florida, EE. UU.) ganó el contrato para construir la fachada de hormigón —básicamente, una serie de marcos de ventana— para el proyecto One South First. La empresa fabricaría los marcos en su propia instalación y luego enviaría marcos terminados a la obra donde se izarían para instalación vía grúa. Si Gate hubiera seguido la tradición, habría construido moldes de madera para dar forma a todos los marcos de hormigón. Gate, sin embargo, decidió no seguir la tradición.

Moldes compuestos por fabricación aditiva de gran formato

Para entender, volvamos a 2017, cuando Gate se asoció con el Precast/Prestressed Concrete Institute (PCI, Chicago, Illinois, EE. UU.) y Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, EE. UU.) para evaluar preliminarmente el uso de fabricación aditiva de gran formato para construir moldes compuestos para formado de hormigón prefabricado in-planta. Esta evaluación usó una máquina BAAM (Big Area Additive Manufacturing) en ORNL. BAAM es máquina de fabricación aditiva de gran formato con envoltorio de construcción 25 m², co-desarrollada por ORNL y Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, EE. UU.). Gate se comprometió a construir moldes compuestos para la fachada One South First. El proyecto requería 80 moldes totales, 37 de los cuales se imprimirían. Los 43 restantes se harían de madera. Para cuando se tomó esta decisión, los plazos de entrega de moldes eran ajustados.

En 2016, Additive Engineering Solutions (AES, Akron, OH) había adquirido su primera máquina BAAM de Cincinnati Inc. Por eso, ORNL y Gate Precast recurrieron a AES para ayuda. Andrew Bader, VP y cofundador de AES, dice que su empresa y ORNL dividieron el paquete de trabajo, con AES produciendo 18 de los 37 moldes. Bader dice que cada molde de marco de ventana mide aprox. 1,5-1,8 m ancho, 2,7-3 m alto y 40 cm profundo, pesando unas 227 kg (500 lb).

Bader dice que el interior de la geometría de los moldes, al ser para marcos que rodean ventanas rectangulares, era relativamente simple. Sin embargo, el diseño de las superficies exteriores de los marcos era más complejo, con profundidades y ángulos variados integrados en cada molde. Una forma impresa reemplazaba un molde de madera compuesto de muchas piezas cortadas individualmente clavadas juntas. “La geometría era simple, pero complicada”, dice Bader. “El proyecto requería varios diseños únicos de marco, según ubicación del marco.”

Para parte de su producción, AES eligió compuesto LNP THERMOCOMP AM, material de alto módulo, baja deformación basado en ABS con 20% refuerzo de fibra de carbono picada suministrado por SABIC (Houston, Texas, EE. UU.). Bader dice que la máquina BAAM tardaba 8-10 horas en construir cada molde monolítico, seguido de 4-8 horas de mecanizado y acabado en máquina CNC Quintax (Stow, Ohio, EE. UU.). Reporta que los moldes se lijaron a dimensiones requeridas, pero no se sellaron.

Fabricación de marcos de ventana

Los moldes se entregaron a la instalación de Gate en Winchester, Kentucky, EE. UU., donde se usaron junto a los 43 moldes de madera tradicionales que Gate construyó para el proyecto. Los moldes de madera se ensamblaron a mano por empleados de Gate, luego se aplicó estera de fibra de vidrio y capa de resina, con aceite de desmoldeo rociado para facilitar desmoldeo de marco de hormigón formado. Aceite de desmoldeo también se roció en moldes compuestos.

Para realizar colada de hormigón, múltiples moldes se colocaban en mesa de colada de madera de 12-15 m. Moldes se agrupan para producir marco simple, doble o triple. Armadura de acero se posicionaba dentro de cada molde y hormigón se vertía alrededor. La mesa de colada se vibraba para consolidar el hormigón. Tras 14-20 horas de curado, los marcos de ventana se desmoldaban, lavados con ácido y pulidos. Luego, las ventanas se instalaban y todo el paquete se enviaba por camión al sitio de construcción en Brooklyn.

Bader dice que los moldes compuestos de AES, trabajando junto a moldes de madera tradicionales, revelaron rápidamente sus ventajas. Primero, un molde de madera solo permite 15-20 coladas de hormigón antes de retirarse de servicio y refurbirse o reemplazarse. Los moldes AES, en cambio, permitieron 200 coladas con refurbishment mínimo o tiempo fuera de servicio. Y las 200 coladas, dice Bader, representaron el fin del proyecto, no el fin de la vida útil del molde. “Ahí es donde pararon”, dice. “Si nuestros moldes se cuidan bien, creemos que pueden usarse cientos y cientos de veces.”

Además, para uso de 150 coladas o más, Gate calcula que habría necesitado hasta 10 moldes de madera para igualar rendimiento de un molde AES. También, dado que Gate tarda 40 horas-hombre en producir un molde de madera, sin los 37 moldes compuestos la empresa no habría cumplido plazos del proyecto One South First.

Bader concede que un molde compuesto AES cuesta cuatro veces un molde de madera, pero es al menos 10 veces más duradero. “La forma de construir moldes prefabricados ha permanecido relativamente inalterada décadas”, afirma Bader. “De repente, un día, estamos haciendo formas 3D de 227 kg y todos estaban en shock.” Eso dicho, reconoce que fabricación aditiva de tales moldes es más rentable en aplicaciones donde formas de hormigón tienen geometría compleja o alta repetición —mismo molde muchas veces.

AES, reporta Bader, ahora posee y opera cuatro máquinas BAAM y puede producir piezas hasta 2,4 m de alto. Piezas mucho mayores se han construido uniendo múltiples piezas.