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NATURA, DISSENY I INNOVACIÓ,
1994
Ligero y amplio. Aspectos sobre el diseño y construcción de amplias estructuras ligeras1. El principio de construcción ligera
La situación actual de la construcción se caracteriza por una gran especialización. La complejidad de los cometidos de la construcción obliga a la división del trabajo. A esto se opone la idea de que el arte de la construcción es mucho más que sólo la suma de trabajos individuales. Ove Arup, uno de los grandes ingenieros de nuestro tiempo, lo ha expresado así: «Todos los hechos y posibilidades que influyen sobre un proyecto deben haber sido entendidos y asimilados antes de que se defina el proyecto. El todo debe ser más importante que cualquiera de sus partes». Como consecuencia surge sólo una cosa: trabajo en equipo. Es decir, el grupo como maestro de obras en el sentido clásico es necesario para armonizar todos los aspectos de una obra de construcción: creación de la forma y construcción técnica, funcionalidad y rentabilidad práctica, el medio ambiente en la naturaleza y los criterios estéticos. Arte de construir como «armonía perfecta de los medios con el fin» (Henry van der Velde). Si es cierto que el hombre tiene una capacidad genéticamente
determinada de percepción y de sensación, y si es verdad que «el saber como
condición para la comprensión del mundo formal arquitectónico» (Curt Siegel) es
indispensable, entonces la estética en arquitectura ya no es un planteamiento
para estetas y artistas puros, sino que debe ser incluida en el ámbito racional
de las realidades técnicas. La máxima de «rendir más con menos», en la cual se
resumen las ideas últimas de una arquitectura con estructuras ligeras, cobra
así una dimensión totalmente nueva y muy extensa que la convierte en el
principio de la construcción ligera. Ligero es un objeto que pesa poco, que
tiene, por tanto, escasa masa. La masa de un objeto es equivalente a la
cantidad de material que se encierra en él.
Cada objeto existente materialmente está expuesto a fuerzas
internas o externas y tiene la capacidad de aceptar estas exigencias o de
transmitirlas. Así cada objeto es, en el sentido técnico más amplio, una
construcción.
Si se comparan objetos diferentes en situación de transmitir
fuerzas iguales sobre distancias iguales, el que cumple este trabajo con la
masa mínima es más ligero que los demás objetos. Los objetos que pueden
transmitir fuerzas con una masa más pequeña se denominan construcciones
ligeras.
1.1. Construcción ligera en la naturaleza Un ser viviente que con una masa menor o una energía menor soporta
cargas mayores o ejerce fuerzas mayores, tiene ventaja sobre otros.
Los objetos de la naturaleza viviente pueden tener tamaños y masas
muy distintos. Cumplen funciones distintas y poseen diferentes posibilidades de
movimiento. Versatilidad y movilidad con un alto rendimiento constructivo son
los criterios que caracterizan el principio de construcción ligera en la
naturaleza viviente (figs. 1-2).
  La construcción ligera en la naturaleza viviente tiene una forma básica prefijada constructivamente, altamente productiva: la célula. Desde la célula como individuo hasta los complejos sistemas de plantas y animales, es ésta el elemento constructivo de todos los seres vivientes. Las células pueden ser blandas, pueden permanecer blandas, pero pueden adoptar también todos los estadios del endurecimiento. Una célula blanda es una estructura neumática: un sistema
constructivo a partir de una cubierta (membrana) flexible sometida a tracción,
y de un relleno fluido interno (protoplasma) que ejerce una presión interna
sobre la cubierta (fig. 3). Todos los objetos de la naturaleza viviente son o
constan de estructuras neumáticas. Las estructuras neumáticas se acomodan a
otras estructuras neumáticas; se envuelven con estructuras neumáticas,
recibiendo presiones internas y provocando tensamientos variables, a través de
rellenos (gaseosos, líquidos, granulados) y membranas. La diversidad de formas
y construcciones de seres vivos descansa sobre este único sistema.
 Uno de los «inventos» más importantes de la naturaleza viviente, o
incluso de la naturaleza no viviente, es la fibra. Ésta es un elemento
alargado, capaz de someterse a solicitaciones de tracción. Instaladas en
membranas celulares o colocadas entre células, alineadas o dispuestas a modo de
red, son, junto a las sustancias que se pueden someter a solicitaciones de
presión, los elementos de construcción decisivos en la naturaleza viviente para
el modelado y el aumento de rendimiento en el sentido del principio de
construcción ligera.
Las montañas, surgidas por medio de plegamientos de la corteza
terrestre o como erupciones volcánicas, pueden alcanzar determinados tamaños y
tienen determinadas formas que no son arbitrarias. Las influencias externas
como la erosión por el agua y el viento o los seísmos originan cambios de
forma. Los astros forman sistemas de equilibrio gigantescos. Cuanto mayor se
haga un astro, más esférico se debe hacer. Si sobrepasa su tamaño límite y su
materia ya no resiste a la presión de gravitación, entonces estalla y aparece
un agujero negro. En los átomos actúan fuerzas internas muy potentes a las que
sólo en casos excepcionales o con violencia se les puede arrebatar el
equilibrio. Con su escasa masa, los átomos constituyen el límite inferior de la
ligereza.
También los animales tienen una técnica. Utilizan materiales de la
naturaleza no viviente y de la naturaleza muerta, como tierra y madera.
Producen materiales y elementos de construcción propios, como colas altamente
consistentes y fibras muy resistentes. Forman construcciones de captura (telas
de araña), embalses (diques de castor), casas (guaridas, nidos) y ciudades
(corales, termitas, avispas, abejas) cuya eficacia constructiva y funcional,
según el principio de construcción ligera, puede alcanzar valores muy altos y
competir totalmente con los productos del hombre.
1.2. Construcción ligera en la técnica Toda construcción optimizada tiene dos componentes: ligereza y
economía. Los criterios más importantes en los países industrializados son el
uso de material y energía para la producción y el transporte, así como los costes
salariales. La optimización en el campo técnico está orientada, preferentemente
y a corto plazo, hacia la reducción de los gastos. A menudo se aceptan masas
mayores si el transporte es más barato o los costes salariales más bajos.
Para los aviones, la construcción ligera es una necesidad por
motivos de función. En cuanto a los automóviles o vagones de tranvía, la
situación es similar. Aquí ya no son los motivos funcionales tan prioritarios
para una reducción del material, sino que dan un paso atrás frente al deseo de
una reducción de los costes de producción. Esto afecta también a la
construcción naval y de embarcaciones. En el esfuerzo por la construcción
ligera, se trata de mantener bajo en lo posible el peso de una construcción con
capacidad portante invariable o aumentada por medio de una utilización
extensiva de todas las posibilidades creativas, estáticas, constructivas y
dependientes del material.
La construcción ligera es un requisito para las grandes
extensiones y alturas. Sin embargo, en la construcción es todavía una virtud
relativamente poco cultivada el hecho de construir de forma realmente ligera,
quizás porque falten condiciones que obliguen funcional o constructivamente.
Aunque quizás el quid sólo está en la ausencia de un entendimiento sencillo:
sólo es «bueno» y de «consistencia» lo que está construido pesada y masivamente
(o lo que al menos así parece). La conciencia de tener siempre que construir
para siglos, o al menos para las próximas generaciones, está todavía demasiado
profundamente enraizado. Con la mirada enfocada fijamente hacia un período de
utilización lo más largo posible o —lo que casi siempre tiene todavía peores
consecuencias— hacia altas y rápidas rentabilidades, nuestro entorno sigue
construyéndose sin escrúpulos ni miramientos.
Tampoco la construcción ligera es una panacea, Pero podría ser un
medio de ayuda en el penoso camino hacia la mejora y el cambio. Con esto no se
implica a las tendencias como, por ejemplo, en el área de la construcción
convencional de acero o en la construcción con piezas prefabricadas. En éstas
el objetivo prioritario es la reducción del gasto en material por razones
económicas. Tampoco se implica aquí a la llamada arquitectura de usar y tirar.
A la vista de la reducción de reservas naturales en el mundo de forma
peligrosamente rápida, no podemos permitirnos en absoluto tal insensato
despilfarro económico.
Detrás de todo lo que se construye por hombres y para hombres,
está la demanda a la arquitectura de procurar un medio ambiente digno del
hombre y destruir tan poca naturaleza como sea posible. Con insistencia
constantemente creciente se formulan las siguientes exigencias: flexibilidad de
adaptación, movilidad, construcción a plazo fijo, versatilidad, reciclabilidad,
por nombrar sólo algunas de las más importantes. Ninguna de estas pretensiones
es nueva, pero las construcciones convencionales ofrecen pocos puntos de
partida para lograrlas. Con las construcciones ligeras, las posibilidades son
sustancialmente mejores. Un camino de entre muchos otros posibles. Una
auténtica alternativa a las construcciones convencionales con abundancia de
nuevas posibilidades constructivas y una variedad de formas infinitamente
amplia.
1.3. Forma-fuerza-masa Cada objeto es una construcción. Tiene una forma, puede recibir
fuerzas y consta de material. La forma está integrada por la figura externa y
la estructura interna; en muchos casos apenas es mensurable geométricamente. La
capacidad de recibir fuerzas se comprende con la experimentación o a través del
cálculo. El material tiene una masa que sobre la tierra es igual al peso
propio; ésta se puede determinar en la mayoría de los casos con balanza.
Con este sentido general del concepto de construcción, ya no
importa si un objeto pertenece a la naturaleza viviente o a la no viviente, o
si procede de la técnica humana y si tiene agregada una «misión» constructiva o
de soporte de peso.
Un objeto surge con todos sus componentes en un proceso:
autoformativo o por medio de la voluntad creadora humana, dependiente de leyes
físicas, químicas o —cuando es un ser vivo— genéticas. Por tanto, una
construcción no sólo es un objeto desnudo, sino que siempre muestra al mismo
tiempo un proceso y su resultado. Ambas cosas deben ser consideradas en
conjunto.
Esto es sobre todo válido cuando un objeto está compuesto de
elementos similares o diferentes, en una mezcla arbitraria y con proporciones
arbitrarias. En un objeto tal no es fácil la suma de sus partes. Cada obra de
construcción —y todavía mucho más cada ser vivo— es una compleja unidad. El
proceso de formación y el aspecto formal constituyen una unidad. En el análisis
científico, esta unidad se separa necesariamente para una simplificación y, a
veces, se descuidan ciertos aspectos, para encontrar al menos un camino de
acceso. Lo decisivo es el paso posterior: agregar al todo los conocimientos
adquiridos analíticamente en la síntesis.
Del mismo modo generalizante en que se entiende el concepto de
construcción, puede tener lugar también la división de los diversos tipos de
construcción. Inmediatamente después, la división de cómo percibimos los
objetos: duros o blandos; después cómo los vemos, es decir, según la forma:
unidimensionales, bidimensionales, tridimensionales, o bien lineales,
superficiales o corpóreos; seguidamente, y por último, en qué modo los objetos
son sometidos a fuerzas: arrastrados, presionados, curvados, desplazados o
retorcidos, o bien responsables de la tracción, la presión, la inflexión, el
empuje o la torsión (fig. 4).
 Las fuerzas pueden actuar sobre una construcción desde fuera
(personas, vehículos, nieve, viento) y desde dentro (peso propio, temperatura,
humedad) y pueden ser transmitidas por esta misma. Lo que ocurre en la
construcción a raíz de estas cargas es el desgaste de la misma, habitualmente
exteriorizado a través de las tensiones en el material. Los materiales pueden
ser cuerpos sólidos, líquidos o gaseosos en combinación y densidad diferentes.
Entre ellos hay a veces intermedios difícilmente definibles, como por ejemplo
las fuerzas magnéticas, las fuerzas centrífugas, la gravitación y la
irradiación de energía.
La cantidad de formas posibles es interminable, las fuerzas
operantes son normalmente conocidas; los materiales disponibles están limitados
en su cantidad. Si se quiere ahora elevar la capacidad portadora de una
construcción o reducir los gastos de material —para una misión constructiva
determinada y para fuerzas dadas—, es de significado decisivo el conocimiento
de las relaciones entre la forma y la masa de la construcción y su capacidad de
transmisión de fuerzas. Forma, fuerza y masa se hallan en interdependencia
directa y determinan conjuntamente la productividad o eficiencia de la
construcción.
2. Las grandes estructuras ligeras: formas y construcciones Las estructuras ligeras de gran amplitud se han convertido en las
dos últimas décadas en un importante componente de la arquitectura
contemporánea en todo el mundo.
Sin embargo, las construcciones ligeras han permanecido hasta
ahora como objetos exóticos en el paisaje de la construcción. Ni siquiera pertenecen
al repertorio de arquitectos e ingenieros. A veces se tiene incluso la
impresión de que sólo se las recuerda cuando se busca algo especial: una
atracción que eleve la imagen y genere prestigio; algo que llame la atención
con fines publicitarios y que incite a la compra; una debilidad de la
arquitectura.
Por otro lado, cada año se construyen en todo el mundo cientos de
construcciones ligeras, desde una pequeña cubierta de catálogo para jardín,
hasta una gran carpa para un estadio. Pero esto no debe ocultar el hecho de que
la mayoría de lo que se construye sólo es una copia más o menos deficiente de
modelos mucho mejores. Las obras de construcción verdaderamente originales y
conseguidas son pocas.
Los distintos tipos de construcción de estructuras ligeras ofrecen
una ilimitada variedad de formas. Se pueden construir en los tamaños más
diversos y para los fines y utilidades más variados. Hoy sólo se extraen
algunas de tas múltiples posibilidades de su utilización.
El estado actual de la técnica en el campo de las estructuras
ligeras se puede resumir en pocas palabras.
Los problemas básicos de la determinación de la forma, del corte,
del cálculo y del comportamiento de la estructura están resueltos. Las
preguntas esenciales del proceso constructivo, de las materias primas y los
materiales, de la producción y el montaje están contestadas. Sabemos cómo
debemos construirlas, pero también sabemos que todavía las podemos mejorar en
muchos aspectos. Conocemos sus propiedades formales y constructivas, sus ventajas
y sus debilidades.
En tal abanico de posibilidades se halla también el gran peligro
de considerar que «todo es construible». La arquitectura es más que un
potencial técnico. También la cabaña sencilla con ramas curvadas es una
construcción óptima porque ofrece a su inquilino aquello que es su necesidad
primitiva: protección contra el tiempo, seguridad, un lugar para dormir —el
hombre que la ha construido está en armonía con la naturaleza, antes que ser su
opositor. Si una arquitectura con estructuras ligeras pudiese contribuir en
algo a tal efecto, se habría alcanzado un gran objetivo.
2.1. Formas y construcciones Una estructura portante es una construcción que consta de una o
varias superficies y de sus respectivos apoyos.
Estas superficies pueden ser curvadas en forma de silla de montar
o bien en forma de cúpula, o también pueden ser planas. En relación con su
dimensión, tienen siempre una altura muy escasa. Pueden ser superficies
cerradas o construidas con una estructura abierta de malla.
Según el tipo de construcción, la superficie portante se mantiene
en su forma a través del tensado, de la rigidez del material o del peso. Al
cargarla de peso, sólo queda sometida a tracción o, principalmente, a presión y
a flexión.
Los sostenes pueden ser rectos o curvados, puntuales (por ejemplo,
un poste) o con forma de línea (por ejemplo, vigas, arcos, cables) y pueden
estar situados al borde o bien en el interior de la superficie portante. Al
cargarlos se les somete a tracción, presión o flexión.
Una estructura es ligera porque tiene escaso peso propio en
relación con su amplitud de extensión y con su capacidad portadora. Es decir,
es una construcción pobre en masa y requiere un escaso gasto en material.
Una estructura es ligera cuando, según la dependencia entre el
peso propio, como magnitud específica del gasto en material por unidad de
superficie, permite la siguiente relación: cuanto mayor es la amplitud de una
construcción, menor debe ser su peso propio.
Para una comprensión general, parece tener sentido explicar en
este punto, y en pocas palabras, los elementos y características de los
distintos tipos de construcción de las estructuras ligeras.
2.2. Tiendas y redes Las membranas presentadas son tiendas de campaña y
construcciones tipo tienda. Una membrana o película fina, la mayoría de veces
curvada en forma de silla de montar, se estabiliza a través del tensado
producido mecánicamente. La membrana sólo se somete a tracción —de entre todas
las cargas exteriores. Estas membranas tienen casi siempre la típica forma de
tienda puntiaguda (fig. 5). Pero también pueden estar apoyadas en de arcos
(fig. 6) o tener una forma curvada a modo de esfera. Además existen otros tipos
que consisten en membranas planas (carpas de circo, tiendas de campaña y
puestos ambulantes en los cuales el pretensado de la membrana juega un papel
menos importante).
Redes pretensadas de cable o cuerda. En general, las redes de malla homogénea son de punto cuadrado (fig. 7) y tienen normalmente, por razón de su montaje constructivo, un peso mayor que las membranas, y son apropiadas sobre todo para extensiones mayores o bien para obras de construcción mayores, como cubiertas de pabellones deportivos.  Las redes espaciales se estabilizan también a través del
tensado, aunque también son posibles como estructuras colgantes o estabilizadas
por el propio peso. Las cuerdas de la red configuran superficies planas o
curvadas parcialmente que describen distintos cuerpos como por ejemplo
pirámides, dados, prismas rectangulares y otros poliedros —dependiendo en cada
caso de la forma de la malla. Se han aplicado en parques infantiles.
Estructuras colgantes (figs, 8 y 9). Las estructuras colgantes son construcciones que
constan de cuerdas u otros elementos de tracción, como cadenas o varillas, y se
estabilizan gracias a su propio peso, a cargas o a elementos rígidos
complementarios.
2.3. Tiendas y redes de cuerda Las tiendas pertenecen a las construcciones más primitivas del
hombre. En todas las épocas de la historia, se utilizó la tienda como vivienda
en las más diversas formas y tamaños.
La tienda circular, apoyada sobre varas de madera, es uno de los
tipos de tienda más antiguos. Otras clases típicas son el toldo sencillo, la
tienda de giba y, como variación, el parasol y el paraguas. La cabana de indio
norteamericana, las tiendas circulares persas, turcas y centroeuropeas de los
siglos XII al XVII, las tiendas de los nómadas árabes, norteafricanos (fig. 10)
y asiáticos, son ejemplos de una optimización de formas y construcciones; de
sus elementos y del equipamiento de las tiendas, que ha durado muchos siglos.
La construcción moderna de tiendas ha partido de estas
tradiciones, y descansa sobre las mismas bases y detalles formales y
constructivos. Así, era consecuente y necesario activar el desarrollo de la
construcción de tiendas, mediante la investigación de los métodos tradicionales
y de los materiales históricos de la artesanía, para no dejar caer en el olvido
las prácticas antiguas y hacerlas útiles para la praxis actual de la
construcción. Las construcciones de redes de cuerda constan de dos elementos
básicos: la superficie portante, responsable de la tracción, y el poste
—sometido a solicitaciones de presión— como soporte. La tela tejida de modo
compacto se ha trasladado en dimensiones mayores a la red de malla poco tupida,
anudada con cuerdas.
Junto a los grandes techos de red de cuerda, hay en la técnica
numerosos ejemplos de redes conocidos por todo el mundo, desde todo tipo de
redes de pesca y de protección hasta la tela metálica y la raqueta de tenis.
Las telas y redes no pueden estar apoyadas directamente en un
punto debido a su estructura material y la distribución de la tensión en la
estructura portante.
Esos puntos de tensión se pueden solucionar con uno 0 varios lazos
de cuerda, con acanaladuras y aristas reforzadas con cuerda, con anillos de
acero, con abombamientos y soportes ramificados tipo árbol. También los bordes
de la superficie portante deben estar asidos con cuerdas, para recibir las
tensiones de la membrana y dividirlas entre el poste y la sujeción.
Las tiendas y redes de cuerda pueden tener diferentes
grados de transparencia. Los tejidos de fibras naturales y sintéticas pueden
ser de color o pueden pintarse. Las redes se pueden cubrir con éstos o con
vidrio, con materia sintética, con madera o con planchas, combinando también
con otras medidas y montajes para la contención del calor y del sonido.
Cada año se cubren de 200 a 300 millones de metros cuadrados de
superficie terrestre con tejidos o redes de los tipos más diversos:
estacionarios o temporales, duraderos o de corta vida, fijos, transportables o
transformables. Las funciones y utilidades abarcan desde salas de exposiciones,
naves industriales y de almacén pasando por invernaderos, colegios, institutos
universitarios, grandes almacenes, zonas comerciales y cubiertas para tiempo
libre y deporte, hasta colonias y ciudades completas, alojamiento para
protección contra catástrofes y casas unifamiliares autárquicas (figs. 11 a
14). Si el concepto de «tienda» ya no se ajusta tan a menudo a la idea
original, en todo caso estas construcciones descansan básicamente sobre los
principios de forma y construcción de las tiendas y redes de cuerda.
2.4. Membranas o estructuras neumáticas Una fina membrana curvada casi siempre en forma de cúpula se
estabiliza con la sobrepresión o la depresión de un medio a través del cual
surge la tensión en la membrana. La membrana sólo es solicitada a tracción
entre todas las cargas exteriores. Dicho medio es, en la mayoría de los casos,
el aire. Aunque también pueden serlo otros gases, o el agua y los líquidos de
todo tipo, incluso cualquier producto a granel. Las construcciones de membranas
neumáticas tienen generalmente la típica forma de burbuja (fig. 15) o forma
cilíndrica, las cuales se pueden variar y combinar de múltiples maneras.
Las construcciones de membranas neumáticas son, seguramente, las
construcciones más ligeras y toleran extensiones extremas. Especialmente en las
construcciones hidráulicas las estructuras neumáticas se aplican como
recipientes de contención y como diques.
Las estructuras neumáticas son construcciones antiquísimas del ser
humano. Odres confeccionados con cuero animal y salvavidas de natación, son
todavía hoy ejemplos comunes. El sueño de volar se realizó por primera vez con
un globo de papel. Sin la invención del neumático de goma lleno de aire, el
automóvil sería hoy impensable. Desde la pompa de chicle hasta el balón de
fútbol, desde el bote neumático hasta el globo aerostático publicitario, desde
la bolsa de agua de camping hasta el saco de arena para catástrofes, desde la
bolsa de plástico para peces dorados hasta la malla de la compra con naranjas:
las estructuras neumáticas son algo muy cotidiano. Se pueden comer y se puede
jugar con ellas, pueden nadar y volar —siempre hay una cubierta exterior
tensada para un llenado interior.
El desarrollo de las estructuras neumáticas como construcciones ha
estado condicionado por la capacidad técnica de hacer los tejidos textiles
herméticos con adhesivos de caucho y con materiales sintéticos.
En las estructuras neumáticas en construcción sobre tierra una
membrana recubre un espacio cerrado en el que a través de ventiladores domina
una sobre-presión tan insignificantemente superior a la presión de aire normal,
que prácticamente no es perceptible (fig. 16). El interior de la nave es
accesible a hombres y mercancías a través de esclusas.
Cuando se cubren grandes extensiones sin apoyo alguno, con cubiertas grandes que son al mismo tiempo protección contra los agentes atmosféricos y cubiertas climáticas, la membrana debe ser reforzada con redes de cuerda de malla holgada. Algunas formas especiales de construcciones neumáticas son cojines llenos de aire y tubos (fig. 17) que, bien aisladamente o bien como complementos, pueden servir como paredes o cubiertas para naves.
Debido a su escasa masa y a un sencillo anclaje constructivo, las
estructuras neumáticas son especialmente apropiadas para construcciones
transportables y móviles. Esto significa también que las estructuras neumáticas
como construcciones duraderas cuya demanda desaparece tras un cierto tiempo de
utilización, pueden volver a ser eliminadas comparativamente con pocos gastos y
sin grandes residuos. Incluso pueden ser recicladas eventualmente.
Las construcciones neumáticas no tienen que estar necesariamente
fijas, sino que pueden hacerse también transformables. El cambio de la forma de
construcción se realiza a través de la inyección o bien de la salida de aire. O
bien una membrana es colocada por encima de otra y se estabiliza a través de
presión interior.
Otra singularidad son las membranas que se estabilizan no por
medio de sobrepresión sino por depresión (fig. 18) y que se pueden apoyar a
través de postes interiores abombados 0 de arcos (también pueden ser tubos
neumáticos de alta presión).
Junto a estos tipos de estructuras neumáticas cerradas hay también
construcciones neumáticas abiertas. Ejemplos típicos son las velas de barco,
paracaídas y depósitos de líquidos abiertos por arriba, como las piscinas
desmontables.
Un campo de aplicación cada vez más importante son las
construcciones neumáticas en el agua como construcciones de ingeniería para la
protección de aguas y de costas, para su utilización en catástrofes y para
ahorrar energía (figs. 19 y 20). Esto abarca desde diques, esclusas y presas de
todo tipo, pasando por centrales eléctricas de olas, plantas depuradoras,
des-alinización de aguas marítimas e instalaciones solares, hasta la captura de
algas y peces.
Son un ejemplo los tubos de membrana llenos de agua con una o
varias estancias (anchura de hasta 5 m y longitud de más de 50 m) y capaces de
flotar, como cierres de emergencia en roturas de presas y diques (fig. 21);
escolleras de tubos de membrana llenos de agua (aproximadamente de unos 2,5 m
de ancho y unos 40 m. de largo) para la regulación del nivel de agua, de la
velocidad del flujo y la cantidad de desagüe en los ríos. Otros ejemplos serían
los cierres móviles de tubo flexible llenos de agua para el mantenimiento de
canales de navegación o bien para el bloqueo y evacuación de cualquier tramo;
los grandes contenedores para almacenamiento de cereales o grava colocados
sobre tierra o flotantes en agua.
Como construcciones se han demostrado muy económicas, sobre todo
en aplicaciones para plazos relativamente cortos, además de ser extraordinariamente
ventajosas para el gasto general en energía, tanto para su producción como para
su funcionamiento.
 2.5. Cubiertas de malla Las cubiertas de malla son construcciones de varilla
curvadas, inflexibles y continuas que forman una reja plana con dibujo
cuadrangular y una distancia constante entre los nudos. Se someten
principalmente a solicitaciones de presión y flexión (fig. 22).
Una ventaja sustancial de este cipo de construcciones es que el
espectro de las posibilidades tecnológicas para su realización es
extraordinariamente amplio (figs. 23 y 24). Son, por lo tanto, construcciones
realizables con medios primitivos, escaso know-how técnico y utensilios
fácilmente accesibles.
Las cubiertas ligeras son construcciones que, debido a una
consistencia de sus paredes extremadamente débil, y/o a la utilización de
materiales especiales (por ejemplo, hormigón armado o materia sintética),
muestran un peso propio considerablemente menor que otras construcciones
aconchadas (figs. 25 y 26).
Estructuras portantes transformables o bien techos transformables son construcciones que se dejan
abrir y cerrar, es decir, cuya forma se deja cambiar según las necesidades. La
mayoría están construidas con membranas pretensadas (fig. 27), aunque también
se han llevado a cabo ya con membranas neumáticas y también con todo tipo de
redes y mallas imaginables. La construcción consta, en líneas generales, de una
estructura portante superior a la que se le puede agregar o quitar el techado
propiamente dicho. El accionamiento tiene lugar a mano o con motor. Un tipo
especial de construcción de techos transformables son los paraguas. También
existen techos transformables realizados convencionalmente de madera, acero,
hormigón y cristal en los cuales piezas completas de la obra de construcción se
desplazan sobre rieles.
Las estructuras portantes transformables sirven para el techado de
obras de construcción de tamaño pequeño a mediano, a las que garantizan
independencia del tiempo atmosférico, como por ejemplo piscinas, instalaciones
deportivas, teatros o lugares públicos de todo tipo. Como toldos sobre teatros
o estadios, esta construcción ya se dio en tamaño muy considerable con los
romanos.
Las estructuras portantes mixtas o estructuras híbridas son
construcciones surgidas de la combinación constructiva de uno o varios de los
tipos de construcciones mencionados hasta ahora o de uno de ellos con elementos
de construcción convencionales. Aquí pertenecen, por ejemplo, las membranas
tensadas entre tubos neumáticos de alta presión (fig. 28); las cubiertas de
malla que como rígidos elementos constructivos contribuyen al soporte del peso
de un esqueleto de acero o de hormigón; los techos colgantes con escaso
pretensado, como una red de cuerda para determinadas cargas; los puentes colgantes en los que el
rígido soporte de la calzada contribuye al sostenimiento y a la solidez.
Estructuras reticulares de varilla
Constan de piezas de varilla rectas, sometidas a presión o a tracción, que, en disposición espacial variada y en diversas formas planas, se montan en un entramado plano o curvado espacialmente. La construcción final puede también adquirir forma esférica (fig. 29).  Sin embargo, por su particular generación
de formas y su comportamiento portante, son, en el fondo, una especialidad
completamente independiente y además muy extensa. En cuanto a su aplicación, se
vienen utilizando desde hace tiempo por arquitectos e ingenieros para las
funciones más diversas.
A las estructuras de varilla pertenecen
también las llamadas construcciones de Tensegridad, desarrolladas por
Buckminster Fuller. Consisten en cuerdas pretensadas continuas y sometidas a
tracción bajo cargas exteriores; y en varillas de presión que tensan a las
cuerdas según una sistemática determinada.
Cubiertas de malla Uno de los móviles básicos en la historia de la construcción es cubrir grandes espacios. Esto, unido al afán de construir de modo flexible y con el mínimo gasto, ha llevado desde los pesados tejidos de la antigüedad a las finas cubiertas aconchadas de hormigón. La rejilla como elemento constructivo no es nada nuevo. Las cabañas y casas de África y Asia, construidas con ramas simples, con varillas de madera trabajadas o bambú, son ejemplos milenarios, así como las paredes plegables de rejilla de los asiáticos. Los romanos construían pequeños cenadores con rejillas de madera arqueadas (fig. 30), las galeras turcas tenían rejillas curvadas en forma de boya como construcciones de popa.
En la construcción moderna, el alto
porcentaje de gastos para el armazón supone hasta más del 50% de los gastos
totales, por lo que es comprensible que se prefieran las superficies
convencionales como los cilindros, los conoides o los paraboloides
hiperbólicos.
Las cubiertas de malla han surgido como
búsqueda de una forma de construcción sencilla y económica para las cubiertas
aconchadas. Una cubierta de malla consta de pocos y sencillos elementos de
construcción. Las varillas de la reja son rectas y tienen la misma sección
transversal. Todos los nudos son iguales. El borde se forma con varias varillas
colocadas una junto a otra, o bien es una pieza especial de construcción. Todas
las piezas se pueden prefabricar y transportar empaquetadas o dobladas en
secciones o en su totalidad. El margen tecnológico va desde ramas grandes o
cañas de bambú como varillas, con nudos atados sencillamente sobre varillas de
madera aserradas, o perfiles de acero de uso corriente en el mercado con
tornillos para el ensamblaje, hasta piezas acabadas, con las cuales se componen
las varillas de la malla, con piezas de metal o plástico como nudos.
Las cubiertas de malla se pueden erigir
rápidamente y sin grandes gastos, ya que la reja se monta y los nudos son
rotatorios. Se eleva a mano o con un aparato elevador sencillo, con lo cual las
mallas, originalmente cuadradas, transforman sus ángulos en rejilla de tijera y
las varillas se arquean. No es necesaria una armadura o un aconchado especial.
Tras fijar el borde y estirar los nudos, el modelo está fijo y la concha de
rejilla ya tiene capacidad de carga.
Las conchas de rejilla se pueden utilizar
bajo todos los comportamientos climáticos, y ofrecen una gran flexibilidad. Son
apropiadas para cualquier finalidad en la que se tengan que cubrir o techar
pequeños o grandes espacios, desde el quiosco hasta la vivienda, desde la nave
de almacenaje sencilla hasta la gran cubierta multifuncional, desde el
alojamiento de emergencia temporal a la obra definitiva (figs. 31y 32). Las
cubiertas de malla no necesitan cimientos, se dejan erigir en casi cualquier
tipo de terreno de construcción y son insensibles a los corrimientos del sucio
y a los seísmos, porque tienen una masa pobre y son muy elásticas.
Los soportes ramificados son un
sistema estructural plano o espacial que consiste en ramas separadas, cada una
de las cuales se bifurca en un punto determinado (nudo) en, como mínimo, otras
dos ramas. Tales estructuras pueden ser sometidas a tensión, a compresión, a
flexión y a torsión. Normalmente las cargas exteriores actúan sólo en los
extremos de las varas. No existen las cargas sobre nudos. Las columnas
ramificadas normalmente se usan como soportes para cualquier tipo de estructura
envolvente o de techado (figs, 33 y 34).
  Las columnas ramificadas no son un nuevo desarrollo ni una invención moderna. Hay numerosos antecedentes históricos de igual o similar estilo. Hasta la fecha, sin embargo, sus bases geométricas y estructurales han sido poco investigadas. Parece que la mayoría simplemente han sido construidas por razones espirituales y ornamentales. El aspecto arquitectónico y la eficiencia
económica dependen decisivamente de la forma, según los parámetros geométricos
tales como el tipo de nudos, la longitud de las ramas, el ángulo de
ramificación, etc. Toda optimización de un diseño, orientada a un menor gasto
de material, debe empezar por la forma. Los detalles estructurales, los
materiales y el tipo de estructura primaria son importantes también, pero en
segundo lugar. El análisis estructural y la elaboración constructiva
normalmente no traen mayores dificultades, y pueden ser llevados a cabo, en la
mayoría de los casos, con métodos corrientes y convencionales. Aunque las
reglas básicas y las leyes de la forma y construcción óptimas de estructuras
ramificadas no estén investigadas globalmente, ya son conocidas en sus líneas esenciales
o al menos son reconocibles.
Parece, sin embargo, que se ha
redescubierto la calidad arquitectónica y la atracción estética de las
estructuras ramificadas por principio, sin observar primero más conocimientos
sobre las propiedades geométricas y estructurales de las ramificaciones
arbóreas y profundizar en un campo desconocido pero prometedor para la
arquitectura.
Dibujos de árboles técnicos: de la columna
simple a una estructura arbórea con nueve generaciones. Parámetros dados:
relación constante entre longitud y diámetro (área) de las varillas en cada
generación, y suma constante de los diámetros (áreas) de las varillas en
todas las generaciones (fig. 35).
Dibujos en ordenador de un soporte arbóreo bajo las mismas cargas verticales en cada punto de apoyo: desplazamientos, momentos de curvatura, fuerzas cruzadas (transversales), fuerzas normales (de arriba izquierda a abajo derecha). (Figs. 36 y 37.) Maqueta de una estructura membranosa
pretensa-da (rienda) apoyada sobre columnas arbóreas (fig. 38).
Maqueta de una cúpula hexagonal de varillas
«al revés», sustentada por varios soportes ramificados (fig. 39).
3. Diseño y determinación de la forma Las estructuras portantes ligeras y amplias
no se diseñan del modo y manera corrientes. Sus formas y construcciones tienen
un proceso de planificación que se distingue de la obra de construcción
convencional. Su parte esencial es la determinación de la forma. En este caso,
la elección subjetiva de una forma arquitectónica se sustituye por una
determinación objetiva de la forma.
La determinación de la forma es una
operación empírica que descansa sobre leyes físicas sencillas y —según el tipo
de construcción— está determinada por las leyes de generación de la forma. Esta
operación se puede llevar a cabo experimentalmente con maquetas o con programas
matemáticos en ordenador.
La «libertad de proyección» ya no se
encuentra en cualquier forma modelada, sino en la elección y transformación de
las ventajas y condiciones para la determinación de una forma óptima. A cada tipo
de construcción de una estructura ligera corresponde uno o varios métodos de
determinación de la forma que contienen todos los rasgos y propiedades
esenciales de este tipo de construcción. La decisión por un tipo de
construcción determinado significa por principio el establecimiento de un
método de determinación de la forma, y viceversa.
Forma y construcción se condicionan
recíprocamente y forman una unidad no separable. Cada cambio de la forma tiene
consecuencias inmediatas sobre la construcción y su comportamiento portante.
Toda exigencia en relación con la capacidad portante y con la estabilidad
influye directamente sobre la forma.
Cada decisión formal o constructiva implica
unas posibilidades de producción y de montaje.
La determinación de la forma es un proceso
integral de optimización progresiva. Los criterios son calidad arquitectónica y
estática de la forma y construcción, así como la función y utilidad de la obra
de construcción y su integración en un entorno construido y natural. En cada
fase de un proceso de determinación de la forma, todos los aspectos de la obra
de construcción a proyectar deben estar incluidos en perfecta armonía si es
posible. Para la proyección significa esto que arquitectos e ingenieros,
expertos y constructores deben cooperar en equipo «codo con codo» desde el
principio y en todas las fases.
3.1. Determinación de la forma con maquetas El significado de la maqueta en un proceso de determinación de la
forma supera con diferencia la importancia que le corresponde, por lo común, en
un proceso de proyección «normal».
En éste, la maqueta es un medio complementario para la
presentación de la arquitectura: es una reproducción de la obra de construcción
cuya forma y construcción fue determinada de otro modo. Aquí la maqueta
es el objeto de la planificación: es la obra misma en menor escala; por tanto,
simplificada necesariamente y reducida a lo esencial, aunque con todos sus
rasgos y propiedades fundamentales de forma y construcción. En la maqueta
determinante de la forma, el estado de la planificación de una estructura
ligera es visible y tangible en cada fase y en cada momento.
En el proceso de determinación de la forma, son necesarias
normalmente varias maquetas de diverso tipo y calidad. Esto depende tanto del
tipo de construcción elegido, del tamaño de la obra de construcción y de la
complejidad de su forma, como de la cantidad de información que se quiera
transmitir y la precisión deseada (por ejemplo, maqueta previa y maqueta de
medición) y de la finalidad de aplicación de la respectiva maqueta (por
ejemplo, determinación de la geometría, del corte, las fuerzas o las
deformaciones}. Los tipos de maqueta se distinguen sobre todo en el material y
en la técnica de construcción. Además, hay diferencias sustanciales en los
métodos de valoración y medida.
A menudo es posible hacer útil una maqueta para diversas
exigencias y finalidades, por ejemplo a través de la mejora bien
calculada de la forma, la variación de detalles, la solidificación de la
superficie, la incorporación de instrumentos de medición o la aplicación de
distintos métodos de medición; y con esta maqueta —modificada gradualmente—
recorrer varias fases del proceso de determinación de la forma.
Se pueden diferenciar tres tipos de maquetas: premaquetas,
maquetas de medición y maquetas especiales. El orden de sucesión corresponde,
en principio, al modo de proceder en el proceso de determinación de la forma.
Las pre-maquetas son maquetas sencillas, casi siempre
pequeñas y a veces todavía bastante genéricas, con las cuales se pueden
desarrollar y presentar, relativamente de prisa y sin grandes gastos, las
primeras ideas de formas y construcciones; por ejemplo, tejidos de medias
extendidos para tiendas y redes de cuerda (fig. 40), globos hinchados para
estructuras neumáticas, mallas metálicas curvadas para cubiertas de malla (fig.
41), películas y pompas de jabón para tiendas y estructuras neumáticas. Estas
maquetas sirven para el acercamiento a una forma buscada y a sus posibilidades
constructivas y proporcionan una amplia base inicial para la selección y el
desarrollo posterior de la forma y construcción definitiva.
Las auténticas maquetas de determinación de la forma son las maquetas
de medición, pues la determinación de la forma significa el registro y la
fijación de valores geométricos y —en tanto la maqueta sea apropiada para ello—
de valores estáticos. El conocimiento exacto de la forma en longitudes,
anchuras y alturas; en coordenadas, ángulos, curvaturas y curvas de nivel; en
desarrollos y cortes, es el fundamento para todos los siguientes pasos de
proyección hasta la realización de la obra de construcción, especialmente para
el cálculo estático y para la medición de los elementos de construcción.
Ejemplos de maquetas de medición son, entre otros, las películas de jabón y los
tejidos para tiendas y redes de cuerda; las pompas de jabón y películas de goma
formadas con yeso para estructuras neumáticas, y redes de cadena colgantes para
cubiertas de malla.
La comprobación a partir de una maqueta de valores estáticos como
las cargas, el pretensado, las fuerzas y tensiones, las deformaciones y
dilataciones, sólo es posible cuando ésta es similar en lo geométrico y en lo
estático-elástico a la obra proyectada (por ejemplo, una maqueta de red
metálica pretensada para una construcción de red de cuerda). Sobre la base de
las leyes de la estática de maquetas, estos valores pueden transferirse
directamente de la maqueta a la obra de construcción. Así tenemos a disposición
todos los datos necesarios para el cálculo, la medida y la realización de una
estructura portante de superficie ligera y extensible.
Las maquetas especiales son, por ejemplo, maquetas de
sección de determinadas partes de una forma examinadas con mayor minuciosidad a
una escala mayor (puntos altos o profundos, cortes de superficies, entre
otros); maquetas de movimiento de estructuras portantes transformables en las
que se estudian los procedimientos de conducción, el replegamiento, el
doblamiento y la mecánica motora en distintos estadios; maquetas de
demostración que sirven para el estudio de planteamientos de problemas
especiales: integración en el entorno, interacción entre el espacio interior y el exterior, caída
de la luz o proyección de la sombra en distinta posición del sol, posibilidades
de desmontaje o de futuras ampliaciones (fig. 42); maquetas de túnel
aerodinámico (fig. 43).
3.2. Películas y pompas de jabón Las maquetas de películas de jabón son el
método fundamental de determinación de la forma para tiendas y redes de cable.
Las maquetas de pompas de jabón tienen el mismo significado elemental para la
determinación de la forma de estructuras neumáticas.
La forma de la película de un líquido, que
se extiende entre dos bordes cualesquiera cerrados espacial-mente, es una
superficie mínima. Resulta de la tensión superficial del líquido debido a
fuerzas intermoleculares, y es tan finamente delgada que una variación de su
forma por medio del peso propio es imperceptiblemente pequeña. Para conseguir
grandes tensiones de superficie, y con ello largos períodos estáticos y extensión
suficiente, se utilizan para la producción de las películas soluciones de jabón
o detergentes principalmente.
La superficie mínima de una película de
jabón es una forma autoformativa. Una maqueta cuyos bordes consisten en finos
hilos es sumergida en la solución. Al sacarla emerge la película jabonosa por
sí sola y sin influencia exterior. Una pompa de jabón es también autoformativa,
sólo dependiente del contorno prefijado y de la presión interna. Si
estos experimentos se realizan en una cámara climatizada, sin polvo, con un
alto grado de humedad y baja temperatura, las maquetas se mantienen hasta una
hora y media. La medición geométrica de la forma tiene lugar a través de tomas
fotográficas de la maqueta sobre un cristal mate reticulado (fig. 44).
La superficie mínima de una película de
jabón cumple dos condiciones. En primer lugar, las curvaturas están igualmente
contrapuestas en cada punto de la superficie. En segundo lugar, la tensión de
superficie en cada punto es igual en todas direcciones, y sólo entran tensiones
de tracción.
La segunda condición también se cumple en
una pompa de jabón llena de aire, esto es, una pompa formada neumáticamente y
estabilizada. En sentido estricto, sin embargo, ésta no es una superficie
mínima porque presenta una curvatura en forma de cúpula. No obstante, a la
pompa de jabón se le da el nombre de «superficie mínima» porque
—independientemente de la magnitud de la presión interior— cubre siempre el
volumen más grande posible en la superficie más pequeña (fig. 45).
La forma de la película mínima es la forma
más ventajosa, constructivamente para el estado de tensión de una tienda o de
una red de cuerda pretensada, o bien de una estructura neumática bajo constante
presión interna, y requiere gastos mínimos en material. Esto no es aplicable
necesariamente a otros casos de carga bajo exigencias exteriores, como por
ejemplo el viento o la nieve, que normalmente se distribuyen desigualmente y
aparecen en direcciones y tamaños variables.
La determinación de forma con una película de
jabón o con una pompa, por tanto, puede ser con frecuencia sólo un primer paso:
la superficie mínima proporciona una forma inicial que debe seguir
desarrollándose hacia la forma de construcción definitiva con otros medios de
determinación de la forma. Ello significa, concretamente, que en muchos casos
será necesario, por razones de la carga y del comportamiento portante, variar
la forma de la superficie mínima para la ejecución de una construcción; por
ejemplo, a través de cambios bien calculados de las curvaturas de superficie, o
a través de una incorporación de reforzamiento de membrana y cuerdas
complementarias, con lo cual no sólo cambia la geometría de la forma, sino que
también queda condicionada la distribución de tensiones en la forma.
3.3. Tejidos y láminas
Las maquetas de tejidos y láminas son los
dos métodos de determinación de la forma más importantes para la elaboración y
el desarrollo de forma y construcción en tiendas y redes de cuerda, así como en
estructuras neumáticas.
Un tejido debe ser elástico (igual en las
dos direcciones de la malla, si es posible) o bien permitir el corrimiento de
los ángulos entre ambas direcciones de los hilos para posibilitar las formas
espaciales. O debe tener ya un corte aproximativo que se optimice en la maqueta.
En general, la forma de una tienda o de una red de cuerda determinada con una
maqueta de tejido siempre diferirá, más o menos, de la superficie mínima.
Se utilizan tejidos ligeros producidos
industrial-mente y tejidos de rejilla de todas clases de lana, seda, poliéster,
poliamida y otros (fig. 46). Para las redes de cuerda también se utilizan las
redes de hilo o de alambre elaboradas a mano.
Una lámina sólo se puede transformar, a
raíz de su elasticidad, en una forma independiente y curvada sin arrugas. Cuando
se forma para una tienda o para una red de cuerda por medio de pretensados
exteriores, se comporta similarmente a la superficie mínima.
Este tipo de maquetas se puede utilizar
para el cálculo de tensiones y fuerzas que actúan sobre las estructuras.
 3.4. Redes colgantes Son el método fundamental de determinación
de la forma para cubiertas de malla, la cual se puede caracterizar con tres
palabras clave: colgante, inversión y forma de concha.
La forma colgante es una figura
autoformativa en la que sólo intervienen fuerzas de tracción. A partir de la
inversión de ésta, resulta la superficie de apoyo de la concha de malla
resistente a la flexión, en la que bajo el peso propio sólo intervienen fuerzas
de presión y no se presenta ni un momento de flexión.
Una forma colgante no es una superficie
mínima. Las curvaturas tienen forma de cúpula. Las fuerzas en cada nudo de la
red son de tamaño diverso y no se distribuyen regularmente —a excepción de las
formas simétricas.
La producción de una red colgante de cadenas
o de ganchos y anillas es relativamente costosa.
Una maqueta de red colgante es una maqueta
de medición. Proporciona todos los valores geométricos exigibles sobre la forma
de una concha de rejilla y el corre de fa rejilla y de los
bordes.
La determinación de la forma con una red
colgante da como resultado la forma de construcción definitiva, con lo cual se
descuidan diferencias geométricas de poca consideración entre las líneas
poligonales de la red y las varillas curvadas de la rejilla.
Básicamente, el método de determinación de
la forma con redes colgantes es apropiado para todo tipo de cubiertas con
superficie cerrada, así como para cubiertas de varilla con retículas de módulos
de cuatro o más lados.
3.5. Hilos en agua Este método sirve para la determinación de
la forma de soportes y estructuras ramificadas. Se introduce en agua una
maqueta de hilos de lana o de seda con una longitud dada. Cuando la maqueta se
extrae del agua, los hilos se unen unos junto a otros a consecuencia de la
tensión de superficie del agua y construyen un sistema ramificado (figs. 47 y
48).
Sin embargo, sí se ha desarrollado un know how propio para el cálculo sobre maquetas y su traslado al diseño por ordenador que permitiría ser desarrollado en otra ocasión más específica.
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Sobre l'autor
W. HENNICKE JÜRGEN
Enginyer. Professor d'Estructures
Lleugeres de la
Universitat de Stuttgart.
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