Estructura espacial

Una estructura espacial ( o celosía 3D ) es una estructura rígida y ligera, similar a una celosía , construida a partir de puntales entrelazados en un patrón geométrico . Las estructuras espaciales se utilizan en arquitectura e ingeniería estructural para cubrir grandes superficies con pocos soportes internos. Al igual que la celosía, una estructura espacial es resistente debido a la rigidez inherente del triángulo; las cargas de flexión ( momentos flectores ) se transmiten como cargas de tensión y compresión a lo largo de cada puntal.

Entre sus principales aplicaciones se incluyen edificios y vehículos.

Entre 1898 y 1908, Alexander Graham Bell desarrolló estructuras espaciales basadas en la geometría tetraédrica, principalmente para la ingeniería naval y aeronáutica. Inventó la celosía tetraédrica . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Max Mengeringhausen desarrolló el sistema de celosía espacial llamado MERO (acrónimo de ME ngeringhausen RO hrbauweise ) en 1943 en Alemania, el primer uso de celosías espaciales en arquitectura. ^{[ 3 ]} El método comúnmente utilizado, que aún se utiliza , tiene elementos tubulares individuales conectados en juntas nodales (en forma de bola) y variaciones como el sistema de cubierta espacial, el sistema de celosía octogonal y el sistema cúbico.

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

Buckminster Fuller patentó la cercha octeto ( patente estadounidense 2,986,241 ) en 1961 ^{[ 7 ]} mientras se centraba en estructuras arquitectónicas .

La estructura tetraédrica de Gilman, desarrollada en 1980, fue creada por John J. Gilman , un científico de materiales conocido por su trabajo sobre las matrices moleculares de los sólidos cristalinos. Gilman admiraba las estructuras arquitectónicas de Buckminster Fuller y desarrolló una matriz más resistente, en parte mediante la rotación de una alineación de nodos tetraédricos entre sí.

Las estructuras espaciales se diseñan típicamente mediante 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 suficientemente rígidas, las deflexiones angulares pueden despreciarse, lo que simplifica los cálculos.

La forma más simple de estructura espacial consiste en una losa horizontal formada por pirámides cuadradas y tetraedros entrelazados, construidos con puntales de aluminio o acero tubular . Una forma más resistente se compone de tetraedros entrelazados en los que todos los puntales tienen longitud unitaria, lo que se conoce como matriz vectorial isotrópica o, en una sola unidad de ancho, como celosía octogonal. Variaciones más complejas modifican la longitud de los puntales para curvar la estructura general o pueden incorporar otras formas geométricas.

Las estructuras espaciales se pueden clasificar de varias maneras. ^{[ 8 ]}

Clasificación de la curvatura

• Cubiertas de 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 arco simple. Por lo general, este tipo de estructura espacial no necesita utilizar módulos tetraédricos ni pirámides como parte de su soporte.
• Las cúpulas esféricas y otras curvas compuestas suelen requerir el uso de módulos tetraédricos o pirámides y un soporte adicional mediante una capa exterior.

Clasificación según la disposición de sus elementos.

• Malla de una sola capa: Todos los elementos están ubicados sobre la superficie que se va a aproximar.
• Malla de doble capa: Los elementos se organizan en dos capas paralelas entre sí, separadas por una cierta distancia. Cada capa forma una red de triángulos, cuadrados o hexágonos, donde la proyección de los nodos puede superponerse o desplazarse entre sí. Barras diagonales conectan los nodos de ambas capas en direcciones diferentes en el espacio. En este tipo de malla, los elementos se agrupan en tres conjuntos: cordón superior, cordón y cordón diagonal inferior.
• Rejilla de triple capa: Los elementos se colocan en tres capas paralelas, unidas por las diagonales. Casi siempre son planos.

Otros ejemplos que pueden clasificarse como estructuras espaciales incluyen:

• Estructuras metálicas plisadas: Surgieron para intentar solucionar los problemas que presentaban los encofrados y el vertido de hormigón. Generalmente se realizan con juntas soldadas, pero pueden incorporar juntas prefabricadas, lo que las convierte en mallas espaciales.
• Cubiertas colgantes: Los diseños de cable tensado, columna vertebral y arco catenario ( funicular invertido ) demuestran su capacidad para canalizar fuerzas teóricamente mejor que cualquier alternativa, y ofrecen un abanico infinito de posibilidades de composición y adaptabilidad a cualquier tipo de cubierta vegetal. Sin embargo, las imprecisiones en la forma conllevan el riesgo de que el cable sometido a carga se doble ante esfuerzos inesperados; para mitigar este problema se requieren elementos de precompresión y pretensado. En la mayoría de los casos, suelen ser la solución más económica que mejor se ajusta a la acústica y la ventilación del recinto cubierto. Son vulnerables a las vibraciones.
• Estructuras neumáticas: Las membranas de cierre sometidas a presión pueden considerarse dentro de este grupo.

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 de feria
  • centros comerciales
  • Aeropuertos

Vehículos :

• Aeronave
• automóviles
• motocicletas
• bicicletas
• Astronave

Elementos de diseño arquitectónico

• Atrios
• Geodésicas

vehículos

Aeronave

Los aviones CAC CA-6 Wackett y Yeoman YA-1 Cropmaster 250R se construyeron utilizando prácticamente el mismo armazón de fuselaje de tubos de acero soldados.

Muchos de los primeros helicópteros de estilo "whirlybird" con fuselaje expuesto tenían fuselajes tubulares con estructura espacial, como la serie Bell 47 .

coches

En el diseño de chasis de automóviles y motocicletas , a veces se utilizan estructuras espaciales . Tanto en un chasis espacial como en uno tubular, la suspensión, el motor y los paneles de la carrocería se fijan a una estructura tubular, y los paneles de la carrocería tienen poca o ninguna función estructural. Por el contrario, en un diseño monocasco , la carrocería forma parte de la estructura.

Los chasis de estructura tubular son anteriores a los chasis de estructura espacial y constituyen una evolución de los chasis de escalera anteriores . La ventaja de utilizar tubos en lugar de las secciones de canal abierto anteriores radica en que resisten mejor las fuerzas de torsión . Algunos chasis tubulares eran poco más que un chasis de escalera fabricado con dos tubos de gran diámetro, o incluso un solo tubo como chasis principal . Si bien muchos chasis tubulares desarrollaron tubos adicionales e incluso se describieron como "estructuras espaciales", su diseño rara vez se compuso correctamente como tal, y su comportamiento mecánico era el de un chasis de escalera tubular, con soportes adicionales para sostener los componentes acoplados. La característica distintiva de una verdadera estructura espacial es que todas las fuerzas en cada puntal son de tracción o compresión, sin flexión alguna. ^{[ 10 ]} Aunque estos tubos adicionales soportaban cierta carga extra, rara vez se diagonalizaban en una estructura espacial rígida. ^{[ 10 ]}

Un candidato anterior al primer chasis de estructura espacial verdadero es el Chamberlain 8 de carreras "especial" único construido por los hermanos Bob y Bill Chamberlain en Melbourne , Australia, en 1929. ^{[ 11 ]} Otros atribuyen la creación de vehículos en la década de 1930 a diseñadores como Buckminster Fuller y William Bushnell Stout (el Dymaxion y el Stout Scarab ), quienes comprendieron la teoría de la verdadera estructura espacial a partir de la arquitectura o el diseño aeronáutico. ^{[ 12 ]}

Un intento posterior a la Segunda Guerra Mundial de construir un chasis espacial para un coche de carreras fue el Cisitalia D46 de 1946. ^{[ 12 ]} Este utilizaba 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 Tipo 360 para Cisitalia . Dado que este incluía tubos diagonales, puede considerarse un verdadero chasis espacial y posiblemente el primer diseño con motor central trasero. ^{[ 12 ]}

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 obtuvo una victoria en su categoría en las 24 Horas de Le Mans de 1950. Posteriormente, TVR , el pequeño fabricante británico de automóviles, desarrolló el concepto y produjo un biplaza con carrocería de aleación sobre un chasis multitubular, que apareció en 1949.

El Jaguar C-Type , un coche de carreras con chasis tubular , se presentó en 1951 y se fabricó hasta 1953. En 1954, Mercedes-Benz presentó el deportivo 300 SL "Gullwing", también con chasis tubular, el coche de producción más rápido de su época.

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

Una desventaja del chasis tubular es que reduce considerablemente el volumen útil del vehículo y puede dificultar el acceso tanto al conductor como al motor. El Mercedes-Benz 300 SL "Alas de Gaviota" recibió sus icónicas puertas de apertura vertical cuando su chasis tubular hizo imposible el uso de puertas convencionales.

Algunos bastidores espaciales se han diseñado con secciones desmontables, unidas mediante juntas atornilladas. Dicha estructura ya se había utilizado alrededor del motor del Lotus Mark III . ^{[ 13 ]} Aunque algo inconveniente, una ventaja del bastidor espacial es que la misma ausencia de fuerzas de flexión en los tubos que permite modelarlo como una estructura con juntas atornilladas también significa que la creación de una sección desmontable no tiene por qué reducir la resistencia del bastidor ensamblado.

Motocicletas y bicicletas

Los bastidores tubulares, que a menudo utilizan el motor como elemento estructural del chasis, son habituales en las motocicletas, habiéndose introducido en la década de 1970 en motos como la Honda CBX , que debutó en 1978. El fabricante italiano de motocicletas Ducati los utiliza ampliamente.

Las estructuras espaciales también se han utilizado en bicicletas , que se benefician fácilmente de las secciones triangulares sometidas a tensión.