En arquitectura e ingeniería estructural , un marco espacial o estructura espacial (truss 3D) es una estructura rígida, liviana, similar a un truss construida a partir de puntales entrelazados en un patrón geométrico . Los marcos espaciales se pueden utilizar para abarcar grandes áreas con pocos soportes interiores. Como el truss , un marco 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 cada puntal.
Historia [ editar ]
Alexander Graham Bell de 1898 a 1908 desarrolló marcos espaciales basados en geometría tetraédrica. [1] [2] El interés de Bell estaba principalmente en usarlos para hacer marcos rígidos para ingeniería náutica y aeronáutica, siendo la armadura tetraédrica uno de sus inventos. Dr. Ing. 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 armaduras 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 celosía de octetos y el sistema cúbico. Stéphane de Chateau en Francia inventó el sistema SDC tridireccional (1957), el sistema Unibat (1959), Pyramitec (1960). [4] [5] Se desarrolló un método de soportes de árboles para reemplazar las columnas individuales. [6] Buckminster Fuller patentó el truss octeto en 1961 [7] mientras se enfocaba en estructuras arquitectónicas .
Métodos de diseño [ editar ]
Los marcos espaciales se diseñan típicamente utilizando una matriz de rigidez . La característica especial de la matriz de rigidez en un marco de espacio arquitectónico es la independencia de los factores angulares. Si las juntas son lo suficientemente rígidas, las deflexiones angulares pueden despreciarse, simplificando los cálculos.
Resumen [ editar ]
La forma más simple de estructura espacial es una losa horizontal de pirámides cuadradas entrelazadas y tetraedros construidos con puntales de aluminio o tubos de acero . En muchos sentidos, esto se parece al brazo horizontal de una grúa torre repetido muchas veces para hacerlo más ancho. Una forma más fuerte se compone de tetraedros entrelazados en los que todos los puntales tienen una unidad de longitud. Más técnicamente, esto se conoce como una matriz de vector isotrópico o en una sola unidad de ancho una armadura de octetos. Las variaciones más complejas cambian las longitudes de los puntales para curvar la estructura general o pueden incorporar otras formas geométricas.
Tipos [ editar ]
Dentro del significado de marco espacial, podemos encontrar tres sistemas claramente diferentes entre ellos: [8]
Clasificación de curvatura
- Cubiertas de planos espaciales: 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 los esfuerzos cortantes son soportados por las diagonales. [9]
- Bóvedas de cañón: este tipo de bóveda tiene una sección transversal de arco simple. Por lo general, este tipo de estructura espacial no necesita utilizar módulos tetraédricos o pirámides como parte de su respaldo.
- Las cúpulas esféricas y otras curvas compuestas generalmente requieren el uso de módulos tetraédricos o pirámides y soporte adicional de una piel.
Clasificación por la disposición de sus elementos.
- Rejilla de una sola capa: Todos los elementos se ubican en la superficie a aproximar.
- Cuadrícula de doble capa: los elementos se organizan en dos capas paralelas entre sí a una cierta distancia de separación. Cada una de las capas forma un entramado de triángulos, cuadrados o hexágonos en los que la proyección de los nodos en una capa puede superponerse o desplazarse 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 y cordón diagonal inferior.
- Cuadrícula de triple capa: los elementos se colocan en tres capas paralelas, unidas por las diagonales. Casi siempre son planos.
Otros ejemplos clasificables como marcos espaciales son estos:
- Estructuras metálicas plisadas: Surgen para intentar solucionar los problemas que el encofrado y el vertido de hormigón tenían sus contrapartes. Suelen correr con junta soldada, pero pueden levantar juntas prefabricadas, hecho que las convierte en mallas espaciales.
- Cubiertas colgantes: Los diseños sobre el cable tenso, el lomo y el arco de catenaria antifunicular muestran su capacidad para canalizar fuerzas teóricamente mejor que cualquier otra alternativa, tienen un abanico infinito de posibilidades de composición y adaptabilidad a cualquier tipo de cubierta vegetal o aseguran vanidad. Sin embargo, las imprecisiones en la forma que tiene el torón cargado (idealmente se adapta dinámicamente al estado de carga) y el riesgo de curvar el arco ante tensiones inesperadas son problemas que requieren elementos de precompresión y pretensado. Aunque en la mayoría de los casos suelen ser los más económicos y la solución técnica que mejor se adapta a la acústica y ventilación del cerramiento cubierto, son vulnerables a las vibraciones.
- Estructuras neumáticas: Dentro de este grupo se pueden considerar las membranas de cierre sometidas a un estado presurizado.
Aplicaciones [ editar ]
- Edificios industriales, fábricas
- Pabellones deportivos
- Almacenes
- Piscinas
- Salas de conferencias y centros de exposiciones
- Estadios con grandes distancias
- Museo y casas de feria
- Centros comerciales y malls
- Aeropuertos y canopy
- Atrio
Construcción [ editar ]
Los marcos espaciales son una característica común en la construcción de edificios modernos; a menudo se encuentran en grandes luces de techo en edificios comerciales e industriales modernistas .
Ejemplos de edificios basados en marcos espaciales incluyen:
- Aeropuerto de Stansted , por Foster + Partners
- Torre del Banco de China y la pirámide del Louvre , por IM Pei
- Rogers Center por Rod Robbie y Michael Allan
- McCormick Place East en Chicago
- Arena das Dunas en Natal, Brasil de Populous
- Eden Project en Cornwall, Inglaterra
- Globen , Suecia - Cúpula con un diámetro de 110 m, (1989)
- Biosfera 2 por John P. Allen , Phil Hawes , Peter Jon Pearce en Oracle, Arizona
- Centro de convenciones Jacob K. Javits , Nueva York, Nueva York
- Palau Sant Jordi en Barcelona, España de Arata Isozaki
- Aeropuerto Internacional de Sochi en Sochi , Rusia
- Entrada a Six Flags Magic Mountain
- Terminal 2 del aeropuerto del aeropuerto internacional de Taiwán Taoyuan
- Ópera de Harbin en China por Ma Yansong
- Centro Hedyar Aliyev en Azerbaiyán por Zaha Hadid
Los grandes escenarios portátiles y pórticos de iluminación también se construyen con frecuencia a partir de marcos espaciales y cerchas de octetos.
Vehículos [ editar ]
Aeronaves [ editar ]
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.
Coches [ editar ]
Los bastidores espaciales se utilizan a veces en los diseños de chasis de automóviles y motocicletas . Tanto en un chasis espacial como en un chasis tubular, la suspensión, el motor y los paneles de la carrocería están unidos a una estructura esquelética de tubos, y los paneles de la carrocería tienen poca o ninguna función estructural. Por el contrario, en un monocasco o monocasco diseño, el cuerpo sirve como parte de la estructura.
El chasis de estructura tubular es anterior al chasis de estructura espacial y es un desarrollo del chasis de escalera anterior . La ventaja de utilizar tubos en lugar de las anteriores secciones de canal abierto es que resisten mejor las fuerzas de torsión . Algunos chasis de tubo 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 "marcos espaciales", su diseño rara vez se enfatizó correctamente como un marco espacial y se comportaron mecánicamente como un chasis de escalera de tubo, con soportes adicionales para soportar los componentes adjuntos, la suspensión, el motor, etc. La distinción del verdadero marco espacial es que todas las fuerzas en cada puntal son de tracción o compresión, nunca se doblan. [10] Aunque estos tubos adicionales llevaban algo de carga adicional, rara vez estaban diagonalizados en un marco espacial rígido. [10]
El primer chasis de marco espacial verdadero fue producido en la década de 1930 por diseñadores como Buckminster Fuller y William Bushnell Stout (el Dymaxion y el Stout Scarab ) que entendieron la teoría del marco espacial verdadero a partir de la arquitectura o el diseño de aviones. [11]
El primer coche de carreras en intentar un marco espacial fue el Cisitalia D46 de 1946. [11] Este utilizó dos tubos de pequeño diámetro a 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 esto incluía tubos diagonales, se puede considerar el primer marco espacial verdadero. [11]
El Maserati Tipo 61 de 1959 (Birdcage) a menudo se considera el primero, pero en 1949 el Dr. Robert Eberan-Eberhorst diseñó el Jowett Jupiter exhibido en el Salón del Automóvil de Londres de ese año ; el Jowett consiguió una victoria en su categoría en las 24 horas de Le Mans de 1950. Más tarde, TVR , los pequeños fabricantes de automóviles británicos, desarrollaron el concepto y produjeron 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. Esto fue influenciado por el chasis 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 a los compradores. [10] Aunque se describe ampliamente como un marco espacial, Lotus no construyó un verdadero chasis de marco espacial hasta el Mark VIII , con la influencia de otros diseñadores, con experiencia en la industria aeronáutica. [10]
Otros ejemplos notables de autos con estructura espacial incluyen el Audi A8 , Audi R8 , Ferrari 360 , Lamborghini Gallardo , Mercedes-Benz SLS AMG , Pontiac Fiero y Saturn S-Series .
Una gran cantidad de autos en kit , posiblemente la mayoría fabricados en el Reino Unido, utilizan la construcción de marco espacial, porque la fabricación en pequeñas cantidades solo requiere plantillas simples y económicas , y es relativamente fácil para un diseñador aficionado lograr una buena rigidez con un marco espacial. Generalmente, los marcos espaciales están soldados con MIG , aunque los kits más caros suelen utilizar soldadura TIG , un proceso más lento y más especializado. Muchos de estos se parecen al Lotus Mark VII en su esquema general y diseño mecánico, sin embargo, otros son réplicas cercanas del AC Cobra o de los superdeportivos italianos., pero algunos son diseños originales que no se parecen a ningún otro vehículo. A menudo, los diseñadores han hecho un esfuerzo considerable para producir marcos espaciales verdaderos, con todos los puntos de carga significativa apuntalados en 3 dimensiones, lo que da como resultado una resistencia y rigidez comparables o mejores que las de los autos de producción típicos. Otros son marcos de tubos, pero no verdaderos marcos espaciales porque utilizan tubos de diámetro relativamente grande, a menudo curvados, que soportan cargas de flexión, pero debido al gran diámetro permanecen adecuadamente rígidos. Sin embargo, algunos diseños inferiores no son verdaderos marcos espaciales, porque los tubos soportan cargas de flexión considerables. Esto dará como resultado una flexión considerable debido a cargas dinámicas y, en última instancia, fatiga.fractura, un mecanismo de falla que es raro en un marco espacial verdadero correctamente diseñado. La rigidez reducida también perjudicará el manejo.
Un inconveniente del chasis del bastidor espacial es que encierra gran parte del volumen de trabajo del automóvil y puede dificultar el acceso tanto al conductor como al motor. Algunos marcos espaciales se han diseñado con secciones extraíbles, unidas por juntas de pasador atornilladas. Esa estructura ya se había utilizado alrededor del motor del Lotus Mark III . [12] Aunque algo incómodo, una ventaja del marco espacial es que la misma falta de fuerzas de flexión en los tubos que permiten modelarlo como una estructura articulada también significa que tal sección removible no necesita reducir la resistencia del marco ensamblado.
Motocicletas y bicicletas [ editar ]
El fabricante italiano de motocicletas Ducati utiliza ampliamente chasis de bastidor de tubo en sus modelos.
Los cuadros espaciales también se han utilizado en bicicletas , como las diseñadas por Alex Moulton .
Ver también [ editar ]
- Chasis de columna vertebral
- Cuerpo sobre bastidor
- Enmarcado (construcción)
- Monocasco
- Sistemas de construcción modular
- Sólidos platónicos
- Construcción de piel estresada
- Superleggera
- Tensegridad
- Techo teselado
- Nido de abeja tetraédrico-octaédrico
Referencias [ editar ]
- ^ "Alexander Graham Bell" .
- ^ Alexander Graham Bell (junio de 1903). "Principio tetraédrico en la estructura de la cometa" . Revista National Geographic . XIV (6).
- ^ "Cuadrículas espaciales modulares" . Archivado desde el original el 15 de septiembre de 2016.
- ^ "Sistema Unibat" .
- ^ Cláudia Estrela Porto (2014). "Obra de Stéphane de Chateau" (PDF) . Architectus . 4 (40): 51–64.
- ↑ Evolution of Space Frames Archivado el 19 de noviembre de 2015 en Wayback Machine Cities Now
- ^ Dorothy Harley Eber, por teléfono (29 de junio de 1978). "Fuller en Bell" .
- ^ Otero C. (1990). "Diseño geométrico de cúpulas no esféricas aproximadas por mallas triangulares, con un número mínimo de longitudes de barra". Tesis Doctoral. Universidad de Cantabria.
- ^ Cavia Sorret (1993).
- ↑ a b c d Ludvigsen y Colin Chapman , p. 153-154
- ↑ a b c Ludvigsen, Karl (2010). Colin Chapman: Dentro del innovador . Editorial Haynes. págs. 150-164. ISBN 1-84425-413-5.
- ^ Ludvigsen y Colin Chapman , p. 151
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