Marco espacial

En arquitectura e ingeniería estructural , un armazón espacial o estructura espacial ( armadura 3D ) es una estructura rígida, liviana y similar a una armadura construida a partir de puntales entrelazados en un patrón geométrico . Los armazones espaciales se pueden utilizar para abarcar áreas grandes con pocos apoyos interiores. Al igual que la armadura, un armazón espacial es fuerte debido a la rigidez inherente del triángulo; las cargas de flexión ( momentos de flexión ) se transmiten como cargas de tensión y compresión a lo largo de la longitud de cada puntal.

Las principales aplicaciones incluyen edificios y vehículos.

Las estructuras espaciales son edificios fuertes, adaptables y eficientes que pueden soportar distintos pesos. Para su implementación eficaz en la construcción, es importante comprender su comportamiento bajo distintas cargas, los modos probables de falla y las reglas para una disposición óptima. Para maximizar el rendimiento y la longevidad de las estructuras espaciales, son esenciales un diseño adecuado, la selección de materiales y la integridad de las juntas.

Alexander Graham Bell, entre 1898 y 1908, desarrolló estructuras espaciales basadas en la geometría tetraédrica. ^{[1] [2]} El interés de Bell era principalmente utilizarlas para fabricar estructuras rígidas para ingeniería náutica y aeronáutica, siendo la armadura tetraédrica una de sus invenciones.

Max Mengeringhausen desarrolló el sistema de rejilla espacial llamado MERO (acrónimo de ME ngeringhausen RO hrbauweise ) en 1943 en Alemania, iniciando así el uso de cerchas espaciales en arquitectura. ^[3] El método comúnmente utilizado, todavía en uso, tiene miembros tubulares individuales conectados en juntas de nodo (en forma de bola) y variaciones como el sistema de cubierta espacial, el sistema de cerchas de octetos y el sistema cúbico.

Stéphane de Chateau en Francia inventó el sistema SDC tridireccional (1957), el sistema Unibat (1959) y el Pyramitec (1960). ^{[4] [5]} Se desarrolló un método de soportes de árboles para reemplazar las columnas individuales. ^[6]

Buckminster Fuller patentó la armadura octeto ( patente estadounidense 2.986.241 ) en 1961 ^[7] mientras se centraba en las estructuras arquitectónicas .

La armadura tetraédrica de Gilman de 1980 fue desarrollada por John J. Gilman , un científico de materiales conocido por su trabajo sobre las matrices moleculares de los sólidos cristalinos. Gilman era un admirador de las armaduras arquitectónicas de Buckminster Fuller y desarrolló una matriz más fuerte, en parte mediante la rotación de una alineación de nodos tetraédricos en relación entre sí.

Las estructuras espaciales se diseñan generalmente utilizando una matriz de rigidez. La característica especial de la matriz de rigidez en una estructura espacial arquitectónica es la independencia de los factores angulares. Si las uniones son lo suficientemente rígidas, las deflexiones angulares se pueden ignorar, simplificando los cálculos.

La forma más simple de una estructura espacial es una losa horizontal de pirámides cuadradas entrelazadas y tetraedros construida con puntales de aluminio o acero tubular . En muchos sentidos, esto se parece al brazo horizontal de una grúa torre repetido muchas veces para hacerlo más ancho. Una forma más fuerte está compuesta por tetraedros entrelazados en los que todos los puntales tienen una longitud unitaria. Más técnicamente, esto se conoce como una matriz vectorial isotrópica o, en una unidad de ancho, una armadura de octeto. Las variaciones más complejas cambian las longitudes de los puntales para curvar la estructura general o pueden incorporar otras formas geométricas.

Dentro del significado de trama espacial, podemos encontrar tres sistemas claramente diferenciados entre sí: ^[8]

Clasificación de curvatura

• Coberturas del plano espacial: Estas estructuras espaciales están compuestas por subestructuras planas. Su comportamiento es similar al de una placa en la que las deflexiones en el plano se canalizan a través de las barras horizontales y las fuerzas cortantes son soportadas por las diagonales. ^[9]

• Bóvedas de cañón: Este tipo de bóveda tiene una sección transversal de un arco simple. Por lo general, este tipo de estructura espacial no necesita utilizar módulos tetraédricos o pirámides como parte de su respaldo. La sección de bóveda de cañón tipo sección está organizada de acuerdo con IS: 800-2007, y la evaluación se lleva a cabo principalmente utilizando STAAD. Este trabajo genera evaluaciones de modelos para rango, redirección extrema, peso propio y costo. ^[10]
• Las cúpulas esféricas y otras curvas compuestas generalmente requieren el uso de módulos tetraédricos o pirámides y soporte adicional de una capa.

Clasificación por la disposición de sus elementos

• Cuadrícula de una sola capa: todos los elementos se ubican sobre la superficie a aproximar.
• Malla de doble capa: Los elementos se organizan en dos capas paralelas entre sí y separadas por una cierta distancia. Cada una de las capas forma un entramado de triángulos, cuadrados o hexágonos en el que la proyección de los nodos de una capa puede superponerse o estar desplazada entre sí. Las barras diagonales conectan los nodos de ambas capas en diferentes direcciones en el espacio. En este tipo de mallas, los elementos se asocian en tres grupos: cordón superior, cordón diagonal inferior y cordón.
• Rejilla de tres capas: los elementos se colocan en tres capas paralelas, unidas por las diagonales. Casi siempre son planas.

Otros ejemplos clasificables como estructuras espaciales son los siguientes:

• Estructuras metálicas plegadas: Surgieron para intentar solucionar los problemas que tenían sus homólogos de encofrado y vertido de hormigón. Normalmente se ejecutan con junta soldada, aunque pueden plantearse juntas prefabricadas, hecho que las convierte en mallas espaciales.
• Cubiertas colgantes: Los diseños sobre el cable tensado, el lomo y el arco catenario ( funicular invertido) muestran su capacidad para canalizar esfuerzos teóricamente mejor que cualquier otra alternativa, tienen un abanico infinito de posibilidades de composición y adaptabilidad a cualquier tipo de cubierta vegetal o de vano. Sin embargo, las imprecisiones en la forma que presenta el cable cargado (lo ideal es que se adapte dinámicamente al estado de carga) y el riesgo de doblar el arco ante tensiones inesperadas son problemas que requieren elementos de precompresión y pretensado. Aunque en la mayoría de los casos suelen ser la solución técnica más económica y que mejor se adapta a la acústica y ventilación del recinto cubierto, son vulnerables a las vibraciones.
• Estructuras neumáticas: Dentro de este grupo se pueden considerar las membranas de cierre sometidas a un estado de presión.

Las principales aplicaciones de la estructura espacial incluyen:

Edificios

• Estructuras industriales:
  • Fábricas
  • Almacenes ,
• Instalaciones comerciales, de entretenimiento y de servicios:
  • Pabellones deportivos
  • Salas de conferencias, pabellones y centros de exposiciones
  • Estadios
  • Museos y casas feriales
  • Centros comerciales
  • Aeropuertos

Vehículos :

• • Aeronave
  • Automóviles
  • Motocicletas
  • Bicicletas
  • Astronave

Elementos de diseño arquitectónico

• • Atrios
  • Geodésicas

Los marcos espaciales son una característica común en la construcción de edificios modernos; a menudo se encuentran en grandes tramos de techo en edificios comerciales e industriales modernistas .

Algunos ejemplos de edificios basados ​​en estructuras espaciales son:

• Aeropuerto de Stansted , por Foster + Partners
• La Torre del Banco de China y la Pirámide del Louvre , por IM Pei
• Centro Rogers por Rod Robbie y Michael Allan
• McCormick Place East en Chicago
• Arena das Dunas en Natal, Brasil por Populous
• Proyecto Edén en Cornualles, Inglaterra
• Globen , Suecia - Cúpula con un diámetro de 110 m, (1989)
• Biosfera 2 de John P. Allen , Phil Hawes y Peter Jon Pearce en Oracle, Arizona
• Centro de convenciones Jacob K. Javits , Nueva York, Nueva York
• Palau Sant Jordi en Barcelona, ​​España por Arata Isozaki
• Aeropuerto Internacional de Sochi en Sochi , Rusia
• Entrada a Six Flags Magic Mountain
• Terminal 2 del aeropuerto internacional de Taiwán Taoyuan
• La Ópera de Harbin en China, obra de Ma Yansong
• Centro Hedyar Aliyev en Azerbaiyán, diseñado por Zaha Hadid

Los grandes escenarios portátiles y pórticos de iluminación también se construyen frecuentemente a partir de estructuras espaciales y cerchas de octetos.

Los aviones CAC CA-6 Wackett y Yeoman YA-1 Cropmaster 250R se construyeron utilizando aproximadamente el mismo marco de fuselaje de tubo de acero soldado.

Muchos de los primeros helicópteros tipo “whirlybird” con pluma expuesta tenían plumas con estructura espacial tubular, como la serie Bell 47 .

Los bastidores espaciales se utilizan a veces en los diseños de chasis de automóviles y motocicletas . Tanto en un chasis con bastidor espacial como en uno con bastidor tubular, la suspensión, el motor y los paneles de la carrocería están unidos a un armazón de tubos, y los paneles de la carrocería tienen poca o ninguna función estructural. Por el contrario, en un diseño monocasco o de carrocería unibody , la carrocería forma parte de la estructura.

Los chasis con estructura de tubos son anteriores a los chasis con estructura espacial y son un desarrollo de los chasis de escalera anteriores . La ventaja de utilizar tubos en lugar de las secciones de canal abierto anteriores es que resisten mejor las fuerzas de torsión . Algunos chasis de tubos eran poco más que un chasis de escalera hecho con dos tubos de gran diámetro, o incluso un solo tubo como chasis principal . Aunque muchos chasis tubulares desarrollaron tubos adicionales e incluso se describieron como "estructuras espaciales", su diseño rara vez se estresó correctamente como una estructura espacial y se comportaron mecánicamente como un chasis de escalera de tubos, con soportes adicionales para soportar los componentes adjuntos, la suspensión, el motor, etc. La distinción de la verdadera estructura espacial es que todas las fuerzas en cada puntal son de tracción o compresión, nunca de flexión. ^[11] Aunque estos tubos adicionales transportaron alguna carga adicional, rara vez se diagonalizaron en una estructura espacial rígida. ^[11]

Un contendiente anterior para el primer chasis con estructura espacial real es el "especial" de carrera Chamberlain 8 construido por los hermanos Bob y Bill Chamberlain en Melbourne, Australia en 1929. ^[12] Otros atribuyen vehículos producidos en la década de 1930 por diseñadores como Buckminster Fuller y William Bushnell Stout (el Dymaxion y el Stout Scarab ) que entendieron la teoría de la verdadera estructura espacial desde la arquitectura o el diseño de aeronaves. ^[13]

Un intento posterior a la Segunda Guerra Mundial de construir un chasis espacial para un coche de carreras fue el Cisitalia D46 de 1946. ^[13] Este utilizaba dos tubos de diámetro pequeño a lo largo de cada lado, pero estaban separados por tubos verticales más pequeños, por lo que no estaban diagonalizados en ningún plano. Un año después, Porsche diseñó su Type 360 ​​para Cisitalia . Como incluía tubos diagonales, puede considerarse un verdadero chasis espacial y posiblemente el primer diseño con motor central trasero. ^[13]

El Maserati Tipo 61 de 1959 (Birdcage) suele considerarse el primero, pero en 1949 Robert Eberan von Eberhorst diseñó el Jowett Jupiter , que se exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de ese año ; el Jowett ganó en su categoría en las 24 horas de Le Mans de 1950. Más tarde, TVR , el pequeño fabricante de automóviles británico, desarrolló el concepto y produjo un biplaza con carrocería de aleación sobre un chasis multitubular, que apareció en 1949.

Colin Chapman de Lotus presentó su primer automóvil de "producción", el Mark VI , en 1952. Este estaba influenciado por el chasis del Jaguar C-Type , otro con cuatro tubos de dos diámetros diferentes, separados por tubos más estrechos. Chapman redujo el diámetro del tubo principal para el Lotus más ligero, pero no redujo más los tubos menores, posiblemente porque consideró que esto parecería endeble para los compradores. ^[11] Aunque ampliamente descrito como un chasis de estructura espacial, Lotus no construyó un verdadero chasis de estructura espacial hasta el Mark VIII , con la influencia de otros diseñadores, con experiencia en la industria aeronáutica. ^[11]

Un gran número de coches en kit utilizan una construcción con estructura espacial, porque su fabricación en pequeñas cantidades requiere únicamente plantillas sencillas y económicas , y es relativamente fácil para un diseñador aficionado lograr una buena rigidez con una estructura espacial.

Una desventaja del chasis con estructura espacial es que encierra gran parte del volumen de trabajo del automóvil y puede dificultar el acceso tanto al conductor como al motor. El Mercedes-Benz 300 SL “Gullwing” recibió sus icónicas puertas que se abrían hacia arriba cuando su estructura espacial tubular hacía imposible el uso de puertas normales.

Algunas estructuras espaciales se han diseñado con secciones desmontables, unidas mediante juntas de pasador atornilladas. Una estructura de este tipo ya se había utilizado alrededor del motor del Lotus Mark III . ^[14] Aunque algo incómoda, una ventaja de la estructura espacial es que la misma falta de fuerzas de flexión en los tubos que permiten que se la modele como una estructura unida con pasadores también significa que la creación de una sección desmontable de este tipo no necesita reducir la resistencia de la estructura ensamblada.

El fabricante de motocicletas italiano Ducati utiliza ampliamente chasis con bastidor de tubo en sus modelos.

También se han utilizado cuadros espaciales en bicicletas , que favorecen fácilmente el seccionamiento triangular estresado.

• Chasis de columna vertebral
• Carrocería sobre bastidor
• Coche con exoesqueleto
• Enmarcado (construcción)
• Monocasco
• Sistema de construcción modular
• Sólido platónico
• Piel estresada
• Superligera
• Tensegridad
• Techo teselado
• Panal tetraédrico-octaédrico

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