( 1) Autor: Arqto. Luis Alberto Marroquín Rivera arquitectura2001@gmail.com
TENSOESTRUCTURAS
Palabras clave: Tensoestructuras, membranas estructurales, coberturas ligeras. DOWNLOAD Versión 1.0: http://es.scribd.com/doc/68823104/tensoestructuras-sribs Al entrar al tercer milenio, los cambios acelerados en el escenario social y tecnológico han repercutido considerablemente en la forma como producimos nuestros artefactos y objetos, incluidos dentro de este proceso los edificios. El desarrollo de programas informáticos especializados y la disponibilidad de nuevos materiales sintéticos, han sido elementos importantes en la configuración estructural de la reciente arquitectura.
Hotel Burj Al Arab, Dubái
Pabellón Burham. Chicago - Zaha Zadid
(1) El presente texto es la traducción al español de una ponencia presentada en STRUCTURAL MEMBRANES 2007 – Barcelona, http://congress.cimne.upc.es/membranes07/frontal/default.asp ,se ha complementado el artículo con información de las cátedras universitarias del área académica de tecnología y estructuras (FAUA-UNI , EPA-USMP y el curso de postgrado de la FAU-UPAO) para poder brindar una información integral y didáctica del sistema constructivo. Guía básica de TENSOESTRUCTURAS Prof. Alberto Marroquín 2
El presente artículo pretende dar una visión panorámica del proceso de diseño y fabricación de un grupo de sistemas estructurales muy eficientes que aparecieron a mediados del siglo XX y que actualmente han sido reunidos bajo el término de “tensoestructuras”, los cuales están basados en la utilización de membranas estructurales tensadas, para lo cual los diseñadores aplican un enfoque particular de diseño y procesos de aproximación a la forma arquitectónica distintos a los usados en los sistemas constructivos convencionales. La evolución y perfeccionamiento de HERRAMIENTAS DIGITALES (2) para el diseño asistido de estructuras no convencionales, así como los avances en la producción de fibras de alta resistencia y materiales sintéticos de la industria aeroespacial a costos accesibles, han hecho posible su acelerada difusión en todo el mundo,
principalmente para cubrir
grandes espacios y para el revestimiento de edificios como : estadios, coliseos, terminales de pasajeros, centros comerciales, pabellones de exposición así como en la remodelación de diversas infraestructuras para espectáculos. Intentaremos a través de las siguientes páginas presentar al lector una visión integral (3) de este campo de la tecnología constructiva mediante
una exposición de los conceptos
elementales, criterios para generación de formas (FORMFINDING) que se aplican en los proyectos de tensoestructuras, materiales empleados, detalles constructivos y finalmente realizaremos un recorrido por los proyectos más emblemáticos.
( 2 ) En sección final se brinda un enlace para descargar el software “FORMFINDER” una herramienta digital que se complementa con los modelos a escala, útil para los que deseen iniciarse en el diseño de coberturas en base a MEMBRANAS. ( 3 ) Para los que deseen profundizar en algunos tópicos, el articulo aprovechará las ventajas que ofrece el HIPERTEXTO brindando enlaces de internet a documentos, videos y páginas donde se desarrollan temas específicos y que sería imposible incorporar a esta guía general que tiene como objetivo principal brindar una visión panorámica. Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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MARCO REFERENCIAL Arquitectura en la era de la información El “movimiento moderno” en la arquitectura del siglo XX reflejó el espíritu de una época, la sociedad industrial y la máquina como uno de los paradigmas de la construcción, que se condensó en la célebre frase de Le Corbusier, “La casa es una máquina para vivir” aludiendo a la precisión, producción en serie y sistematización de sus componentes, de ahí sus referentes y analogías de arquitectura con autos en “Vers une architecture” (1923).
Actualmente no solo nos desenvolvemos en una sociedad industrializada sino además hemos devenido en una sociedad mediática basada en el conocimiento, un flujo permanente de información a través de las redes en el ciberespacio y una economía globalizada con una creciente conciencia orientada hacia políticas medioambientales.
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En este escenario las tensoestructuras se han consolidado como una solución alternativa por su eficiencia energética y su adaptabilidad como instrumento mediático. Los códigos de las ciudades contemporáneas han creado la necesidad que los edificios públicos sean también emisores explícitos de mensajes dentro del contexto urbano, un ejemplo lo representa el Estadio Allianz Arena (Alemania) obra realizada por los arquitectos Herzog & de Meuron para el mundial de fútbol del 2006, el revestimiento externo del estadio está compuesto de 2.874 paneles romboidales metálicos y cojines neumáticos de ETFE (copolímero de etileno-tetrafluoretileno). Cada panel además de actuar como aislante térmico, puede iluminarse de manera independiente de color blanco, rojo o azul. La intención es alumbrar simbólicamente los paneles en cada partido con los colores de los respectivos equipos locales, el Equipo del Bayern de color rojo y TSV 1860 München de azul y finalmente de color blanco cuando juega de local la selección alemana como lo vemos en las tres imágenes adjuntas.
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Desarrollo sostenible (4) El objetivo es definir proyectos viables y reconciliar los aspectos económico, social, y ambiental de las actividades humanas; "tres pilares" que deben tenerse en cuenta por parte de las comunidades, tanto empresas como personas: Sostenibilidad económica: basada en actividades que se mueven hacia la
sostenibilidad ambiental y social, siendo financieramente posibles y rentables. Sostenibilidad social: basada en el mantenimiento de la cohesión social y de su
habilidad para trabajar en la persecución de objetivos comunes. Sostenibilidad ambiental: compatibilidad entre la actividad considerada y la
preservación los ecosistemas. Incluye un análisis de los impactos derivados de la actividad considerada en términos de flujos y consumo de recursos renovables, así como en términos de generación de residuos y emisiones. En tal dirección las tensoestructuras contienen los componentes que las hacen económica, social y ambientalmente viables en este escenario de mayores demandas para una arquitectura sostenible al poseer las siguientes características: • Coberturas eficientes y ligeras a partir de materiales de mínimo peso y masa. • Superficies con materiales translúcidos que favorecen una iluminación natural. • Materiales reciclables que no dañan el entorno natural. • Aislamiento acústico y ambiental que mejoran el confort del usuario sin necesidad de recurrir a equipos electromecánicos para refrigeración o calefacción. • Posibilidad de integración formal con los diversos patrones culturales, tipologías locales y códigos de la arquitectura regional en cada continente.
Patio de Mezquita en Arabia Saudita acondicionado con una cobertura retráctil para atenuar considerablemente los 40º C de temperatura. 4
()
Oñate, J. J., Pereira, D., Suárez, F., Rodríguez, J. J., & Cachón, J. (2002). Evaluación Ambiental Estratégica: la evaluación ambiental de Políticas, Planes y Programas. Madrid: Ediciones Mundi-Prensa
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Eficiencia estructural Las ventajas de optimizar y reducir al límite la cantidad de material constructivo, se traducen en mejores condiciones de resistencia frente a las fuerzas de la naturaleza, al reducir la masa del edificio es menos vulnerable al colapso en zonas sísmicas. Otro gran beneficio es el ahorro energético en la producción y combustibles por traslado de los componentes constructivos que se traduce en un menor costo e impacto sobre el medio ambiente. Estas ventajas sumadas al desarrollo industrial de nuevos materiales con gran resistencia a las deformaciones y poco peso específico, ponen
a nuestro alcance un
sistema constructivo con gran potencial para cubrir extensos espacios.
Estadio Unico de La Plata, Argentina- Birdair Company
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MARCO TEORICO Los especialistas consideraron apropiado en el contexto de habla castellana denominar a este grupo de sistemas constructivos como TENSOESTRUCTURAS a diferencia de los términos anglosajones “structural membranes” y “tensile structures” que son los más utilizados en el ámbito industrial, comercial y académico, que se reúnen permanentemente en congresos internacionales donde se aborda la misma temática. Las tensoestructuras agrupan a los siguientes sistemas: I.
Membranas tensionadas.
II.
Tensegritis.
III.
Estructuras neumáticas.
IV.
Tensairitis.
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El denominador común a estos cuatro grupos radica en el esfuerzo de tracción como estrategia principal para la configuración de la estructura, ya sea por geometría de doble curvatura de la superficie, sistemas de tracción de cables o por presión de gases en la membrana (coberturas neumáticas y tensairitis). Los sistemas estructurales donde predomina el esfuerzo de tracción se caracterizan por requerir un mínimo de masa logrando una mejor performance, a diferencia de los sistemas 5
constructivos de “masa activa” (Engel 1970)( ) como el hormigón armado, donde predomina una gran masa en vigas y columnas para asimilar los elevados esfuerzos que se generan por las cargas, sobre dimensionamiento por normativa sismoresistente y principalmente para resistir el propio peso de la estructura (sobrecarga muerta).
En la naturaleza, las telas de araña representan un excelente modelo de eficiencia estructural basado en el esfuerzo de tracción. Diseñadas para atrapar insectos en vuelo, la delgada fibra con la cual está construida
posee
propiedades mecánicas resistentes
superiores al acero y a la vez con mayor elasticidad que la obtenida en el nylon, ambas propiedades le permiten absorber y disipar gran cantidad energía.
(5) H. ENGEL
http://www.peruimage.com/001_carlos/001_Library/arquitectura/sistema_de_estructuras.pdf
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Reconstrucción de Puente colgante inca (sur de Perú, luz cubierta 70 metros) Este principio de eficiencia estructural de los sistemas constructivos que trabajan a tracción los observamos también en los ancestrales puentes colgantes construidos por los INCAS que fueron empleados para unir los caminos de su amplio imperio. Representan una muestra de la eficiente ingeniería lograda hace más de cinco siglos al cubrir luces entre 70 y 100 metros para cruzar abismos y ríos, los puentes se fabricaban o tejían utilizando fibras vegetales que conformaban sogas de distintos diámetros.
Puente colgante reconstruido con las técnicas tradicionales que usaron los incas - Cuzco Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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Las investigaciones científicas y desarrollo de tecnologías constructivas para el desarrollo de las actuales tensoestructuras , se inician en los años veinte de forma simultánea en los Estados Unidos, Francia, Alemania e Inglaterra; países donde arquitectos, ingenieros y diseñadores industriales se ocuparon primordialmente de las cuestiones relacionadas con la forma resistente y la eficiencia estructural de los sistemas estructurales ligeros. Si bien es cierto que las construcciones textiles y arquitectura ligera existieron en diferentes épocas de la historia de la arquitectura y en diversas latitudes, su teorización y desarrollo utilizando el método y rigor científico se remonta recién a inicios del siglo XX.
Antigua pintura China donde se representa una cobertura textil – Arquitectura sin Arquitectos
Tiendas nómadas - IRAN Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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Tipis de antiguos pobladores piel roja
El trabajo de Frei Otto y el Instituto de Estructuras Ligeras de la Universidad de Stuttgart
Las tensoestructuras lograron alcanzar un impulso y desarrollo hasta después de la Segunda Guerra Mundial. Hasta aquel entonces, nadie había resuelto totalmente los problemas de una forma estructuralmente eficiente y sus complejos cálculos de resistencia de materiales, sumados a las dificultades de fabricación de membranas con tejidos resistentes a los elevados esfuerzos de tracción. Fue labor de algunos pioneros aislados que hicieron valientes intentos, pero con poco éxito.
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Estudio sistematizado de las tensoestructuras por Frei Otto En la década de los 50’s Frei Otto fue la figura clave en el desarrollo de las tensoestructuras, fue el primero en llevar lejos las soluciones geométricas simples a formas más complejas (orgánicas) sin la limitación de los complicados de métodos de cálculo.
Estadio de Múnich- Alemania Guía básica de TENSOESTRUCTURAS Prof. Alberto Marroquín
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El secreto del éxito de Otto se encuentra en su estudio sistematizado de FORMAS DE LA NATURALEZA, partiendo desde los procesos de auto-formación de burbujas de jabón, configuración de cristales, plantas microscópicas y sistemas de ramificación en árboles. Él descubrió que en los diseños de la naturaleza se crean formas muy eficientes a partir del 6
uso de un mínimo de material como producto de la evolución de miles de años ( ).
En 1960, Otto fundó el Instituto de estructuras Ligeras (ILEK) como parte de la Universidad de Stuttgart en Alemania. En este instituto reunió a un grupo de expertos e innovadores en el desarrollo de sistemas constructivos y estructurales.
(6 )
Se recomienda al lector visualizar la producción realizada por la BBC: “El Diseño en la Naturaleza” , en el link adjunto se ofrece un extracto de la serie documental emitida por Discovery Channel http://youtu.be/Vl7DVmoImbU Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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En el ILEK se estudiaron y desarrollaron innumerables modelos experimentales y prototipos a escala para la compresión y análisis de los principios constructivos u operacionales de organismos naturales susceptibles de ser copiados o aplicados al mejoramiento de la tecnología constructiva existente.
Este estudio realizado por el ILEK en los años ‘60s generó la publicación de una importante cantidad de escritos, tratados y libros que comprendían geometrías
complejas
de
la
naturaleza
y
su
investigaciones sobre las
correlación
con
una
arquitectura
7
estructuralmente eficiente ( ).
(7 )
Para los que deseen profundizar en este tópico sobre LA SISTEMATIZACION DE LA FORMA RESISTENTE Y DISEÑOS DE LA NATURALEZA está disponible en lengua castellana una tesis doctoral de la Universidad Politécnica de Valencia – España realizada por el arquitecto Juan Songel G. donde se investiga y documenta todos los aportes de FREI OTTO en el campo de la construcción ligera. Link: http://riunet.upv.es/handle/10251/2346 Guía básica de TENSOESTRUCTURAS Prof. Alberto Marroquín 15
INFLUENCIA DE FREI OTTO ( ILEK ) A NIVEL INTERNACIONAL Por las aulas del ILEK se adiestró y especializó a una generación de arquitectos e ingenieros provenientes de todo el mundo que marcaron una línea de desarrollo en el campo de la tecnología constructiva ligera. Por el ILEK también pasaron
arquitectos reconocidos que
complementaron su formación entre ellos Renzo Piano, Richard Rogers y Santiago Calatrava.
Frei Otto’s family tree Map of Influence
Proyecto de cobertura tensionada 1990 Arq. Aurora Pérez
En la década de los ‘80s el Ing. Roberto Machicao Relis desarrolló en Perú una línea de investigación en el posgrado de la FAUA - UNI, para sistemas constructivos como: Tensegrities, estructuras laminares, membranas tensionadas y domos geodésicos, trasladando su amplia experiencia en universidades y empresas alemanas, también desarrolló un modelo pedagógico original para la sistematización de la forma resistente desde 1986 en su cátedra de Seminario de Estructuras en la FAU -URP. Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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LA CRISIS MUNDIAL ECONOMICA Y ENERGETICA ¿HEMOS PERDIDO LA BRUJULA? Ha transcurrido casi un siglo desde el cambio de paradigma que representó la Arquitectura moderna y el uso racional de materiales como el hormigón, acero y vidrio. Los aportes de visionarios como: Pier Luiggi Nervi, Buckminster Fuller y Frei Otto en la dirección de construir de modo eficiente y sostenible perdieron influencia en el sector constructivo. Fueron los inversionistas quienes lideraron y
apostaron por el derroche
ostentoso de una arquitectura como espectáculo banal y efímero. Edificios ineficientes y con una obsolescencia programada (8) en las instalaciones, tabiques y accesorios como estrategia comercial para mantener en movimiento el negocio inmobiliario.
Aumento del agujero de la capa de ozono que nos protege de los rayos UV Lamentablemente las consecuencias de este derroche energético y contaminación del planeta tendrán que asumirlas las futuras generaciones si no se toma conciencia del efecto negativo que resulta edificar, derrochar recursos y energía de forma irresponsable, cabe recordar un extracto de la célebre carta que escribió el Jefe Seattle en 1856:
“ …….Ustedes deben enseñar a sus niños que el suelo bajo sus pies es la ceniza de sus abuelos. Para que respeten la tierra, digan a sus hijos que ella fue enriquecida con las vidas de nuestro pueblo. Enseñen a sus niños lo que enseñamos a los nuestros, que la tierra es nuestra madre. Todo lo que le ocurra a la tierra, le ocurrirá a los hijos de la tierra. Si los hombres escupen en el suelo, están escupiendo en sí mismos. Esto es lo que sabemos: la tierra no pertenece al hombre; es el hombre el que pertenece a la tierra. Esto es lo que sabemos: todas las cosas están relacionadas como la sangre que une una familia. Hay una unión en todo. Lo que ocurra con la tierra recaerá sobre los hijos de la tierra. El hombre no tejió el tejido de la vida; él es simplemente uno de sus hilos. Todo lo que hiciere al tejido, lo hará a sí mismo…….” (8 )
Recomendamos el documental “COMPRAR, TIRAR, COMPRAR” de la TV de Cataluña, España donde se aborda el tema de la obsolescencia programada en la fabricación de electrodomésticos. Disponible en : http://www.megavideo.com/?s=seriesyonkis&v=AY4G6D2J&confirmed=1 Guía básica de TENSOESTRUCTURAS Prof. Alberto Marroquín 17
UNIVERSIDADES Y CENTROS DE INVESTIGACION La investigación y estudio de las tensoestructuras en las universidades latinoamericanas está en sus inicios, existe un notorio vacío en la educación superior ligado a las tecnologías constructivas de vanguardia en los países de nuestra región, producto de los escasos presupuestos destinados para INVESTIGACION & DESARROLLO. La formación universitaria en Latinoamérica está pasando por un proceso de transformación y revisión de sus modelos educativos, el viejo concepto de “universidad” como claustro para la transferencia de conocimientos y la ortodoxa visión de sus autoridades para la dedicación de sus docentes en ser limitados a tareas de capacitación como si se tratase de una escuela de oficios, ha quedado relegado en el tiempo. Se suma a este escenario la proliferación indiscriminada de Escuelas de Arquitectura, maestrías y doctorados, como política de rentabilidad a corto plazo y como maniobras de mercadeo en desmedro de la FORMACIÓN PROFESIONAL. El deterioro de la imagen y prestigio de las universidades en Latinoamérica, es consecuencia de la falta de regulación del Estado y la corrupción en los organismos destinados a tal fin. Esto nos plantea una reflexión, ante la pregunta, ¿Qué estrategias seguir para aproximarse a los estándares de educación superior logrados en las UNIVERSIDADES de los países más desarrollados? Ante este escenario y enmarcado dentro del ámbito académico consideramos necesario incorporar tres estrategias oportunas ya utilizadas en otras latitudes, que permitirían elevar el nivel y la calidad de la formación en tecnologías de punta para los futuros profesionales de nuestra región, en esta iniciativa son los propios estudiantes quienes deben asumir el rol de liderazgo en la mejora de calidad y nivel profesional de su formación: • LA ACREDITACION COMO MECANISMO DE CONTROL Y REGULACION Muchas Escuelas de arquitectura efectúan procesos de diagnóstico y auto evaluación de sus planes de estudios, como parte de una política de actualización y mejoramiento de sus servicios educativos, sin embargo estas prácticas tienen sus limitaciones en la objetividad de los resultados al ser juez y parte en el proceso de evaluación, es por esta razón que muchas universidades de prestigio recurren a una entidad externa para realizar un proceso OBJETIVO Y RIGUROSO de evaluación de sus planes de estudios y el nivel de competencia de sus estudiantes . Existen varias agencias de acreditación en el mundo cabe mencionar las siguientes: •
European University Association - EUA -
•
European Network For Quality Assurance in Higher Education – ENQA –
•
Information Network of Education in Europe – EURYDICE –
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•
The Royal Institute of British Architects: RIBA
El R.I.B.A.
(9)
es la Agencia de Acreditación Internacional de carreras de
Arquitectura más prestigiosa del mundo. Desde 1837 está dedicada a promover la calidad de la formación de arquitectos. Comenzó evaluando sólo a universidades inglesas, entre ellas a Oxford y Cambridge. Desde 1928 extendió su alcance a todo el mundo. A diferencia de otras agencias de acreditación, que se focalizan en garantizar la calidad de las carreras a partir del nivel de los profesores, el contenido del plan de estudios y los edificios, el RIBA considera que lo más importante es asegurar que los graduados sean competentes y superen sus estándares de nivel y calidad (10). • CREACION DE INSTITUTOS DE INVESTIGACION.- Una estrategia para desarrollar áreas específicas del conocimiento, desarrollo de tecnologías y generación de patentes, es la creación e inyección de fondos para institutos de investigación al interior de las universidades, donde los profesores pueden dictar su cátedra y realizar paralelamente
actividades
de
INVESTIGACION
que
incluyen
equipos
multidisciplinarios donde también participan los propios estudiantes. Esta modalidad ha dado resultados positivos y es una política de innovación muy extendida actualmente en las mejores universidades del globo. • FOMENTAR LA COLABORACION ENTRE UNIVERSIDADES Y EMPRESAS.- En Latinoamérica existe una enorme brecha entre la inversión económica realizada por parte del sector empresarial
para investigación en comparación a los irrisorios
presupuestos destinados por las universidades públicas y privadas. A diferencia de los países desarrollados, en Latinoamérica son las propias empresas privadas las que invierten recursos en tecnología de punta, programas informáticos , fondos para la capacitación y preparación técnica de su personal laboral, costeando todos los gastos que representa traer
profesionales calificados de universidades
extranjeras para este fin.
( 9)
ACREDITACION RIBA http://es.scribd.com/doc/56879490/Criterios-Generales-Para-Acreditacion-Riba
(10)
Beneficios de la acreditación http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/1251/125118205008.pdf Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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Tensoestructuras: I.
Membranas tensionadas.
II.
Estructuras neumáticas.
III.
Tensegritis.
IV.
Tensairitis.
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GEOMETRIA DE LAS TENSOESTRUCTURAS Al estar conformado por materiales flexibles y nada rígidos como membranas y cables las tensoestructuras adquieren su estabilidad estructural a partir de la configuración de la superficie y los esfuerzos actuantes en la cobertura. Podemos clasificarlas en dos grupos en función a su geometría: •
Superficies anticlásticas.
•
Superficies sinclásticas.
Las membranas tensionadas y tensegritis generan superficies anticlásticas a diferencia de las tensairitis y neumáticas que generan superficies sinclásticas como consecuencia de la mayor presión del aire al interior de la membrana.
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CARPAS, TOLDOS, TIENDAS Y VELARIAS El usuario común confunde las tradicionales construcciones de carpas y toldos con el sistema de tensoestructuras debido al aparente parecido formal y de uso compartido de algunos accesorios y materiales.
Si bien es cierto que las tensoestructuras devinieron y evolucionaron de las antiguas construcciones textiles, las diferencias principales radican en los siguientes puntos:
Las Tensoestructuras
Toldos y carpas
• La superficie de la tensoestructura asume un rol estructuralmente activo en la estabilidad de todo el conjunto.
• La superficie de la carpa necesita de elementos rígidos de apoyo, ya que la lona solo sirve de cubierta y no asume un rol estructural en el conjunto.
• La geometría de doble curvatura propuesta en las tensoestructuras está diseñada para lograr una mejor performance estructural en cubrir grandes áreas y distancias desde 20m. hasta 100m de luz libre. • Los materiales con que se fabrican las membranas tienen varias capas para lograr: mayor longevidad (aprox. 20 - 25 años), resistencia a la tracción, impedir el desgarro, protección ultravioleta, y lacas externas para evitar la mayor acumulación de suciedad y hongos.
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• La geometría de la superficie de la carpa o toldo es generalmente plana y cubre distancias muy cortas. • Los materiales con los que se fabrican las carpas y toldos son intencionalmente hechos con materiales efímeros debido a su uso en eventos temporales, por lo que no requieren mayores condiciones de durabilidad frente al deterioro de los rayos ultravioleta u otros agentes destructivos.
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I.- Membranas tensionadas: La propiedad esencial de este sistema es la estabilidad de la estructura a partir de la canalización de esfuerzos a través de la SUPERFICIE de la cobertura (membrana). Los elementos rígidos que trabajan a compresión (postes, arcos y puntales) se unifican con los elementos flexibles que trabajan a tracción (cables y membranas) constituyéndose de esta manera en una unidad estructural muy eficiente.
Membrana diseñada por Frei Otto – Alemania 1967
Debido a que la membrana asume el rol estructural predominante en el conjunto, esta debe estar fabricada con materiales certificados para resistir elevados esfuerzos de tracción, sobrecargas de nieve acumulada, propiedades anti flama, radiación ultravioleta, agentes agresivos como hongos y polución ambiental.
Estadio Internacional Rey Fahd – Arabia Saudita 1987
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Principio estructural de las membranas tensionadas. El principio resistente descansa esencialmente en la forma (superficie anticlástica) que adquiere la membrana al ser traccionada, en combinación con los elementos de apoyo (mástiles o postes) y las cargas actuantes (peso propio de la membrana, vientos, nieve, etc.), el resultado formal debe aproximarse o coincidir lo más posible con el flujo natural y equilibrado de las fuerzas que actúan en toda la superficie.
Imagen Nº 3 Análisis de un modelo digital con la membrana representada por una malla ortogonal con el espectro cromático del azul (-) al rojo (+) para visualizar la proporción de esfuerzos que actúan en toda la superficie. Las zonas en color rojo indican sobre carga de esfuerzos y deberán tener mayor atención para ser rediseñadas o reforzadas con doble capa de material y accesorios adecuados durante el proceso de fabricación.
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Posibilidades formales aplicadas al diseño de membranas tensionadas
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II. Estructuras neumáticas: Este sistema constructivo liviano está basado en la estabilidad de la estructura a partir de las diferencias de presión de aire generada entre el interior de una membrana y el entorno exterior, efecto que produce una tensión en la superficie de la delgada membrana (esfuerzo de tracción) que le otorga una rigidez y firmeza. Las primeras aplicaciones se remontan a los globos aerostáticos construidos en el siglo XVII, su importancia fue determinante en los inicios del dominio del vuelo controlado.
. Los primeros pasos en la aeronáutica se dieron en el siglo XVII con los globos construidos en Francia por los hermanos Montgolfier , actualmente este sistema estructural es utilizado en muchos campos de entretenimiento, así como en ingeniería naval y aeroespacial debido a su extrema ligereza y gran resistencia.
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APLICACIONES EN ARQUITECTURA Las primeras construcciones neumáticas aparecieron a inicios del siglo pasado, principalmente para su uso en tiendas de campaña militares. La primera patente sobre este tipo de estructuras está registrada en 1917, por el ingeniero inglés Frederick William Lanchester, no es sino años más tarde, después de su muerte, cuando hay aplicaciones formales de su idea. Lanchester padeció entonces de la incomprensión de los arquitectos e ingenieros de su época, acostumbrados a trabajar con los sistemas constructivos tradicionales, rígidos y macizos.
Las ventajas de las estructuras neumáticas radican en las siguientes propiedades: • Peso ligero • Posibilidad de cubrir grandes luces sin apoyos internos • Portabilidad y rápido traslado de componentes constructivos • Excelente iluminación por transparencia de materiales • Buen nivel de aislamiento térmico Geometría de las estructuras neumáticas La generación de formas en los proyectos de cobertura neumática producen Superficies sincláticas debido al efecto de la presión interna sobre la membrana, Frei Otto realizó un estudio sistematizado utilizando métodos sencillos pero eficaces, uno de ellos fue con películas de agua jabonosa para entender los principios naturales de autoformación y geometría óptima que generaban las pompas y sus distintas posibilidades de agrupar y generar modelos más complejos.
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Neumática propuesta por Rem Koolhaas: Serpentine Gallery Summer Pavilion 2006
El Water Cube en China, Piscina olímpica y deportes de nado sincronizado y salto diseñado por la firma australiana Arquitectos PTW Architects
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III. TENSEGRITIS: …” Las estructuras tensegrítis son realmente asombrosas: constan de barras que están flotando en el aire, tan sólo sujetas mediante cables a otras barras... ¡que también flotan en el aire! Quizás sea precisamente esto lo que a la gente le entusiasma de la Tensegridad, contemplar este fenómeno "mágico" que son incapaces de entender” ….. What’s tensegrity? “Food for thought.” Jörg Schlaich La Tensegridad es un principio estructural basado en el empleo de componentes aislados comprimidos que se encuentran dentro de una red tensada continua, de tal modo que los miembros comprimidos (generalmente barras) no se tocan entre sí y están unidos únicamente por medio de componentes traccionados (habitualmente cables) que son los que delimitan espacialmente dicho sistema. El término Tensegridad, proveniente del inglés “ Tensegrity” es un término arquitectónico acuñado por Buckminster Fuller como contracción de tensional integrity (integridad tensional). Las estructuras de tensegridad fueron exploradas por el artista Kenneth Snelson, produciendo esculturas como Needle Tower, de 18 metros de altura y construida en 1968.
Maqueta de Tensegriti
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Needle Tower (1968)
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INSTANT SKYSCRAPER fue un proyecto presentado en el Concurso de Rascacielos 2009 por Lotfi Farzin -Jam y Frumar Jerónimo de Australia. El proyecto está basado en el principio de tensegridad y está resuelto estructuralmente, incluyendo aspectos tales como la inspiración, los modelos físicos y la respuesta a la deformación en distintos casos de carga.
EASY LANDING (1977 – Baltimore, USA) Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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Cheju Stadium – Korea del Sur (2001)
Domo de Georgia – Estadio de fútbol americano – USA (1992) Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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El principio de tensegridad es actualmente muy utilizado en diseños para cubrir grandes espacios, en la imágenes vemos la cobertura diseñada y construida por la empresa japonesa BIRDAIR para el Estadio Único de la Plata en Argentina.
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IV TENSAIRITIES “ Tensairiti” es el nombre comercial
con el se hizo conocido un novedoso sistema
estructural desarrollado por la empresa suiza “Airlight”. El principio estructural está basado en la interacción sinérgica entre una viga tubular neumática y cables de acero enrollados de forma helicoidal a lo largo de la viga, lo que produce un componente estructural muy resisten y ligero a la vez.
Principio estructural de la viga tensairiti. El potencial de aplicación y desempeño estructural de las tensairitis está siendo canalizado principalmente hacia la construcción de vigas para puentes ultraligeros con gran capacidad de carga para usos militares y transporte de maquinaria pesada en minería.
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VIGAS TENSAIRITIS, el uso de esta tecnología en arquitectura esta en sus inicios, se está aplicando en el techado de espacios con grandes luces como este estacionamiento en Montreux, Suiza (2004).
FUENTE : http://www.tensinet.com/database/viewProject/4278
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METODOS DE DISEÑO DE TENSOESTRUCTURAS La modelización y diseño de las tensoestructuras se basa en un proceso de aproximación a la FORMA OPTIMA ( Formfinding ) que toma en consideración una variable principal que es flujo natural de las fuerzas en la superficie de la cobertura, el proyecto no puede regirse únicamente al libre albedrío de la forma.
Es indispensable utilizar una metodología apropiada para resolver el proyecto en cada tensoestructura, para este objetivo se diferencian siete componentes principales en el proceso integro:
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FORMFINDING.-
El proceso de búsqueda y creación de la superficie óptima para
una tensoestructura parte de la compresión de los principios de la “forma estructural” y el arte para traducirla en una espacialidad arquitectónica. De esta acertada interacción de las principales variables de diseño radica la eficiencia y el éxito de las tensoestructuras. En una época donde no existía el apoyo de procesadores informáticos, Frei Otto construyó maquetas y modelos a escala para analizar las propiedades de las superficies generadas por el agua jabonosa que definían formas eficientes y consumían un mínimo de materia. Esta fue la base para el desarrollo de sus coberturas.
DOWNLOAD: http://es.scribd.com/doc/42237266/Finding-Form
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MODELOS ANALOGICOS Y DIGITALES Definición de modelos analógicos (maquetas a escala) Ante la imposibilidad de trabajar directamente con la realidad, recurrimos a los modelos como un medio de representar de forma simplificada las características y rasgos más esenciales de un edificio, estructura, mecanismo o cualquier objeto tecnológico. En el campo de la arquitectura la maqueta aparece como un componente del proceso de diseño y definición de la forma (shape) que podemos manipular en diversas variables, como la composición tectónica del edificio, la escala, textura, color, contexto urbano y principalmente como un modo de pre visualizar la espacialidad del proyecto. Los modelos analógicos en el diseño de tensoestructuras son de extrema utilidad porque permiten pre visualizar geometrías complejas (superficies sinclásticas y anticlásticas) y consecuentemente tener un mejor control de los resultados finales. Una característica de los “modelos analógicos” para diseñar tensoestructuras es el equilibrio de fuerzas y dominio de esfuerzos que generan los materiales que la conforman, como cables y tejidos sintéticos (nylon tensado, licras) que demandan una estructura de soporte resistente para asimilar los pequeños pero considerables esfuerzos de tracción.
Renzo Piano – Maqueta del Proyecto para la renovación del Puerto de Génova Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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Maqueta para tensoestructura en Proyecto de cobertura: Losa polideportiva área: 3,000 m2 (1998) Arq. Marroquín Luz libre 35 metros Este modelo a escala 1/100 fue elaborado en un bastidor metálico y base de madera de 5 mm de espesor para insertar los postes metálicos que asimilarían los esfuerzos de tracción de la licra y cables de nylon bien tensados.
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Definición de modelos digitales (prototipos en computadora) Es la representación de un modelo matemático o de datos numéricos interpretada por un ordenador, la diferencia esencial entre los modelos analógicos y digitales radica en que estos últimos están codificados en cifras, lo que permite su acelerada manipulación informática. Los modelos analógicos son modelos físicos, mientras que los modelos digitales son modelos abstractos que son codificados para su representación visual o tridimensional a través de las tecnologías informáticas de monitores e impresoras 3D. Los modelos digitales presentan características inherentes a su naturaleza numérica que les otorga: precisión, exactitud, no ambigüedad, repetitividad, verificabilidad, etc.
Tensoestructura representada virtualmente
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DISEÑO DE MEMBRANA TENSIONADA CON HERRAMIENTAS DIGITALES
El uso de programas informáticos y modelos digitales acelera el proceso de aproximarse a la superficie óptima, las principales ventajas son:
Zonas en rojo indican superficies horizontales o de pendiente mínima que provocarían acumulación de bolsones de agua.
•
Lograr superficies estructuralmente apropiadas para distribuir los esfuerzos de manera uniforme.
•
Pre visualización de la cobertura para evaluar la espacialidad y rediseño de componentes.
•
Análisis de pendientes para lluvias, nieve o acumulación de polvo (ver grafico adjunto).
•
Generación de plantillas de corte para la confección de la membrana.
Sin embargo la experiencia señala que los mejores resultados se obtienen de la interacción de modelos analógicos como maquetas a escala en combinación con modelos digitales.
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Pre visualización renderizada de la membrana tensionada. Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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INTERACCION SINERGETICA ENTRE LOS MODELOS ANALOGICOS Y DIGITALES
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Fabricación de Tensoestructuras: • Materiales • Sistemas de unión y fijación • Maquinaria y tecnología de proceso • Proyectos de tensoestructuras • Enlaces recomendados
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PROPIEDADES QUIMICAS Y MECANICAS QUE DEBEN POSEER LOS MATERIALES QUE CONFORMAN LAS MEMBRANAS PARA FABRICAR UNA TENSOESTRUCTURA
En el mercado existen numerosos productos utilizados para la elaboración de coberturas, sin embargo para una tensoestructura se recomienda y exige por normativa algunas características de seguridad, principalmente las propiedades anti flama para evitar poner en riesgo la seguridad de los usuarios, también cabe mencionar las siguientes propiedades: • Longevidad y durabilidad en óptimas condiciones • Resistencia al rasgado • Ausencia de deformación y estabilidad dimensional • Resistencia a los rayos Ultravioleta • Seguridad contra incendios con materiales anti flama ( indispensable ) • Tratamiento de la superficie contra aparición de hongos • En el caso de membranas de PVC o fibra de vidrio, se recomienda recubrimiento con capas acrílicas, compuestos fluorados o teflón para mantenimiento simplificado de la suciedad y polvo.
Para obtener estas propiedades,
las actuales membranas están fabricadas
con varias
capas de distintos materiales para lograr los estándares de seguridad y requerimientos que la normativa internacional exige.
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Recubrimiento de PVC en tejidos estructurales de poliéster Este tipo de recubrimiento es el más utilizado por sus costos accesibles y buen desempeño en el tiempo, se usa sobre todo como recubrimiento en tejidos estructurales de poliéster. Numerosas empresas fabricante de membranas proporcionan el material en una gama distinta de colores y espesores de gran durabilidad certificada (superior a los 10 -15-25 años) La membrana de poliéster viene recubierta de PVC y adicionalmente
tiene tres opciones
de capas de revestimiento exterior (PVDF, PVF, acrílico).
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ETFE (Etileno Tetra Fluoro Etileno)
Se conoce como ETFE a un tipo de plástico de gran resistencia al calor, a la corrosión y a los rayos UV. El ETFE es un plástico transparente de extraordinaria durabilidad: posee una elevada resistencia química y mecánica, así como una gran estabilidad ante cambios de temperatura (soporta hasta 170ºC). Es además combustible pero no inflamable. La resina es procesable por extrusión, moldeo por inyección, por compresión, por transferencia y por presión de líquido. Sin embargo su cualidad más destacable es su elevada resistencia a los rayos ultravioleta, que permite que, a diferencia de otros plásticos, no s amarille por su exposición a los rayos solares. Esta característica convierte al ETFE en una alternativa al vidrio en la edificación. El ETFE pesa 100 veces menos que el vidrio, deja pasar más luz, y en configuración de doble lámina o "almohada" es más aislante. Además es fácil de limpiar y reciclable, en el siguiente gráfico vemos el complejo medioambiental “EDEN PROJECT”
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UNIONES Y ACCESORIOS DE FIJACION En la fabricación de una tensoestructuras intervienen diversos procedimientos y técnicas para unir de forma firme y segura la membrana con los postes, arcos y accesorios metálicos. Uniones de la membrana Para la confección de los diversos patrones de corte que dan forma a la cobertura se recurren a diversas técnicas de unión entre las que se distinguen las siguientes; 1. Uniones por ondas de alta frecuencia ( HF) 2. Uniones por calor ( termosellado ) 3. Costura con hilos sintéticos 4. Soldadura química en frio 5. Uniones a través de accesorios metálicos
Sellado de membrana por alta frecuencia
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Cable de acero para tensar los bordes.
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Soldadura o sellado de alta frecuencia en membranas de PVC Dentro de las técnicas desarrolladas para unir los patrones de corte en una membrana que conforma una extensa cobertura, la soldadura de alta frecuencia es la más utilizada y recomendada por la resistencia, durabilidad e impermeabilidad que se obtiene.
PROCEDIMIENTO DE SELLADO HF http://youtu.be/ONyNbS8dq58 La soldadura de alta frecuencia (HF) se basa en la generación de calor en un campo eléctrico alterno rápido a través de la presión de diodos metálicos sobre los materiales termoplásticos a soldar en de la cobertura (PVC, nylon,
poliuretano y otros polímeros
compatibles). El campo eléctrico dinámico hace oscilar a las moléculas en los termoplásticos generando calor y
una soldadura óptima (fusión de las membranas)
que permite obtener una
continuidad estructural muy resistente para la cobertura.
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Máquinas de sellado por r adio fr ecuencia http://youtu.be/_SjPkinddOA
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DETALLE DE ACCESORIOS METALICOS Despiece de un accesorio de unión entre la membrana y mástil de acero tubular
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RECOMENDAMOS EL SIGUIENTE ENLACE PARA INGRESAR A BASE DE DATOS DE DETALLES COSTRUCTIVOS DESARROLLADOS Y RECOPILADOS POR LA ESCUELA DE ARQUITECTURA / UNIVERSIDAD POLITECNICA DE CATALUÑA
http://sites.upc.es/~www-ca1/cat/recerca/tensilestruc/webdetalles/index.html
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Museo WOODPIA IWAKI – Japón (1989) Integrando tecnología y patrones culturales
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ELEA 1995 - PERU Carrera contra el tiempo El comité organizador del Encuentro Latinoamericano de Estudiantes de Arquitectura de la FAU-URP, encargó a los arquitectos Jesús Peña y Alberto Marroquín la construcción de un auditorio temporal para 800 personas para realizar las ceremonias de inauguración y conferencias magistrales de los arquitectos internacionales invitados. Se disponía de un presupuesto muy limitado y solo 28 días de plazo para edificar e inaugurar el evento estudiantil, la tensoestructura fue la elección más viable por su eficiencia en optimizar recursos, tiempo y mayor espacialidad.
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ELEA 1995, los estudiantes de la Facultad de Arquitectura participaron del proceso de confección y montaje de la cobertura.
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ELEA 1995, Auditorio temporal para 800 personas – URP - LIMA
En el año 2002 el espacio fue reciclado y adecuado para su uso como Taller de maquetas y elaboración de prototipos de los estudiantes. Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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Cobertura tensionada para Estadio de Quillota – Chile / Empresa: CIDELSA Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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ERRORES MÁS FRECUENTES QUE SE COMETEN AL PROPONER POR PRIMERA VEZ UNA TENSOESTRUCTURA:
• Superficies planas y sin pendiente adecuada para la evacuación de aguas de lluvias o por limpieza y mantenimiento de la cobertura. • Generación de formas sin considerar la geometría apropiada y variable estructural de las superficies. • Desconocimiento de los materiales y accesorios adecuados para construir la cobertura. • Ausencia de estudio de sombras y recorrido solar para dimensionar la cobertura. • Colores en la membrana que se deterioran y no favorecen una iluminación natural adecuada de las tribunas • Materiales de rápido deterioro por los rayos ultravioleta.
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EL DISEÑO DE UNA COBERTURA APROPIADA REUNE LAS SIGUIENTES CARACTERISTICAS:
Estudio de la geometría óptima en la membrana para una distribución equilibrada de los esfuerzos en la cobertura
Pendientes y superficies que canalizan aguas de lluvias y en otros casos acumulación de nieve
Estudio de asoleamiento para lograr mayor protección solar
Materiales apropiados a cada clima y características de la región.
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Estación de buses - Intermodal del Sol- Santiago de Chile / empresa constructora: CIDELSA
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COBERTURAS QUE VEREMOS EN EL MUNDIAL DE BRASIL 2014
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ESTADIO NELSON MANDELA – MUNDIAL SUDAFRICA 2010
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ESTADIO NELSON MANDELA – MUNDIAL SUDAFRICA 2010
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REMODELACION DEL ESTADIO NACIONAL DE LIMA. (2011) Arquitectos: José Bentín D. y Mario López Marsili. Para la remodelación del estadio se utilizó una membrana translucida de PVC en la cobertura en voladizo que permitía una protección solar e iluminación natural para las tribunas y palcos.
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Gracias a sus propiedades estructurales en cubrir grandes luces sin apoyos intermedios, la translucidez de materiales y sobre todo el poco peso de la cobertura sobre la edificación, las tensoestructuras son utilizadas cada vez más en la remodelación y acondicionamientos de espacios en azoteas y terrazas.
Remodelación: Cobertura para cafetería de SBS- San Isidro
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Cobertura para estación de Metro en Santiago de Chile / Empresa: Cidelsa
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BRITISH NATIONAL SPACE CENTER - (2001) INGLATERRA Nicholas Grimshaw
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TORRE DE INFORMACION – AEROPUERTO DE BERLIN (2010) Kusus + Kusus Architekten Guía básica de TENSOESTRUCTURAS
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ESCUELAS Y UNIVERSIDADES DONDE SE IMPARTEN CURSOS DE TENSOESTRUCTURAS
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ASOCIACIONES E INSTITUTOS DE INVESTIGACION
http://www.tensinet.com/index.php http://www.ims-institute.org/index.php?id=66&L=rebkmuspqfffdr http://www.grupoestran.com/ http://www.textile-roofs.de/ http://www.ifai.com/publications/fabarch http://fabricarchitecturemag.com/ http://www.membranes24.com/ http://www.editorialespazio.com/modules.php?name=Topics http://tecno.upc.es/profes/sastre/tensile.php http://www.texyloop.com/internet/fr/#/85/ EMPRESAS CONSTRUCTORAS DE TENSOESTRUCTURAS
http://www.birdair.com/ http://www.cidelsa.com http://www.sfpstructures.com/project/index.shtml http://www.sbp.de http://www.tensotech.com.br/ http://www.tensionstructures.co.za http://www.wagg.com.ar/ http://www.architen.com/products/kalahari http://www.onart.com.tr/index_en.html http://portfolio.populous.com/projects/monterreyclub.html
SEMINARIOS Y EXPERIENCIAS EN TALLERES DE DISEﾃ前
http://tecno.upc.edu/cotens/fotos/Guatemala/index.php?n=58 http://tecno.upc.edu/cotens/Primavera2005/ http://tecno.upc.edu/cotens/Primavera2004/index.html http://tecno.upc.es/ListImatges.php?dir=D:\web\ConsTes\fotos\UCR2006
http://tecno.upc.edu/cotens/Primavera%202002/index.html http://tecno.upc.es/ListImatges.php?dir=D:\web\ConsTes\fotos\Antwerp2006
Guﾃｭa bﾃ｡sica de TENSOESTRUCTURAS
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SOFTWARES PARA DISEﾃ前 DE TENSOESTRUCTURAS
Guﾃｭa bﾃ｡sica de TENSOESTRUCTURAS
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EMPRESAS QUE PROVEEN DE MEMBRANAS PRODUCTOS PARA TENSOESTRUCTURAS
Y
www.vsindutex.de
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DESCARGA DE SOFTWARE “FORMFINDER” SOFTWARE RECOMENDADO - VERSION DE EVALUACION
http://www.formfinder.at/additional-languages/spanisch/
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BIBLIOGRAFIA • D’Arcy Wentworth Thompson, 1961, On Growth and Form, Cambridge University Press, London. • Doczi Gorgy, 1981, Power of Limits, Shamballa Publications INC, Boston, Massachusetts. • Mandelbrot, Benoît B. 1982, The Fractal Geometry of Nature. New York: W. H. Freeman and Co. • Marks, Robert W, 1962, The dymaxion world of Buckminster Fuller, New York: Reinhold Pub. Corp. • Otto, Frei, 1973, Tensiles structures: design, structure, and calculation of buildings of cables, nets, and membranes Cambridge: The MIT Press. • Pallasmaa Juhani, 2001, Animales Arquitectos. El funcionalismo ecológico de las construcciones animales Colección Cuadernas, Fundación César Manrique, Madrid, Spain. • Steadman, Philip, 1979, The evolution of designs; biological analogy in architecture and applied arts, Cambridge: Cambridge University Press. • Kronenburg R., 1996. Portable Architecture, Architectural Press, • Aldo Capasso, Massimo Majowiecki, Vincenzo Pinto, 1993. La tensostrutture a membrana per l’architettura. Maggioli Editore. • Lyonnet, 1993 Les structures textiles tendues.
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