Marco espacial

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

Las principales aplicaciones incluyen edificios y vehículos.

Historia

Alexander Graham Bell de 1898 a 1908 desarrolló marcos espaciales basados en la geometría tetraédrica. El interés de Bell era principalmente utilizarlos para fabricar estructuras rígidas para la ingeniería náutica y aeronáutica, siendo la armadura tetraédrica uno de sus inventos. Max Mengeringhausen desarrolló el sistema de rejilla espacial denominado MERO (acrónimo de MEngeringhausen ROhrbauweise) en 1943 en Alemania, iniciando así el uso de las armaduras espaciales. en arquitectura. El método comúnmente utilizado, todavía en uso, tiene miembros tubulares individuales conectados en juntas nodales (en forma de bola) y variaciones como el sistema de plataforma espacial, el sistema de armadura de octeto y el sistema cúbico. Stéphane de Chateau en Francia inventó el sistema tridireccional COSUDE (1957), el sistema Unibat (1959), Pyramitec (1960). Se desarrolló un método de soportes de árboles para reemplazar las columnas individuales. Buckminster Fuller patentó la armadura de octeto (Patente estadounidense 2.986.241) en 1961 mientras se centraba en estructuras arquitectónicas.

Métodos de diseño

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

Descripción general

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

Tipos

Dentro del significado de marco espacial, podemos encontrar tres sistemas claramente diferenciados entre sí:

Clasificación de curvatura

• El plano espacial cubre: Estas estructuras espaciales están compuestas por subestructuras planares. 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 de derrame son apoyadas por las diagonales.

• Bóvedas Barrel: Este tipo de bóveda tiene una sección transversal de un simple arco. Por lo general este tipo de marco espacial no necesita utilizar módulos o pirámides tetraedral como parte de su respaldo. La bóveda tipo sección de barril se organiza según IS: 800-2007, y la evaluación se lleva a cabo principalmente utilizando STAAD. Este trabajo llevó a cabo evaluaciones de modelos para rango, redirección extrema, auto-peso y costo.
• Las cúpulas esféricas y otras curvas compuestas generalmente requieren el uso de módulos o pirámides tetraedral y soporte adicional de una piel.

Clasificación por la disposición de sus elementos

• Rejilla de capa única: Todos los elementos están situados en la superficie para ser aproximados.
• Cuadrícula de doble capa: Los elementos se organizan en dos capas paralelas entre sí a cierta distancia. Cada una de las capas forman una celosía de triángulos, cuadrados o hexágonos en los que la proyección de los nodos en una capa puede superponerse o desplazarse en relación entre sí. Las barras diagonales conectan los nodos de ambas capas en diferentes direcciones en el espacio. En este tipo de mallas, los elementos se asocian en tres grupos: cordón superior, cordón y cordón inferior diagonal.
• Cuadrícula de capa triple: Los elementos se colocan en tres capas paralelas, vinculadas por las diagonales. Son casi siempre planos.

Otros ejemplos clasificables como marcos espaciales son estos:

• Estructuras metálicas plegadas: Emergidos para tratar de resolver los problemas que forman y verter hormigón tenían sus contrapartes. Típicamente corren con juntas soldadas, pero pueden levantar articulaciones prefabricadas, un hecho que los hace meshes espaciales.
• Cubiertas colgantes: Los diseños en la manta de cable, la columna vertebral y el arco catenario anti-funicular muestran su capacidad de canalizar fuerzas teóricamente mejores que cualquier otra alternativa, tienen una gama infinita de posibilidades de composición y adaptabilidad a cualquier tipo de cubierta vegetal o aseguran el vano. Sin embargo, las imprecisiones en forma de tener el cordón cargado (se adapta dinámicamente al estado de carga) y el riesgo de doblar el arco a tensiones inesperadas son problemas que requieren elementos pre-compresión y pre-estacionamiento. Aunque en la mayoría de los casos tienden a ser la solución más barata y técnica que mejor se adapte a la acústica y ventilación del recinto cubierto, son vulnerables a la vibración.
• Estructuras neumáticas: Las membranas de cierre sujetas a un estado presurizado pueden considerarse dentro de este grupo.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones de marcos espaciales incluyen:

Edificios

• Estructuras industriales:
  • Factores
  • Almacenes,
• Instalaciones comerciales, de entretenimiento y servicios:
  • Salas deportivas
  • Salas de conferencias, pabellones y centros de exposiciones
  • Estadios
  • Museos y casas de ferias
  • Centros comerciales
  • Aeropuertos

Vehículos:

• • Aviones
  • Automóviles
  • Motocicletas
  • Bicicletas
  • Spacecraft

Elementos de diseño arquitectónico

• • Atriums
  • Geodesia

Construcción

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

Ejemplos de edificios basados en estructuras espaciales incluyen:

• Stansted Airport, por Foster + Partners
• Banco de la Torre China y la Pirámide del Louvre, por I. M. Pei
• Rogers Centre por Rod Robbie y Michael Allan
• McCormick Place East en Chicago
• Arena das Dunas en Natal, Brasil por Populous
• Proyecto Eden en Cornwall, Inglaterra
• Globen, Suecia - Cúpula con diámetro de 110 m, (1989)
• Biosfera 2 de John P. Allen, Phil Hawes, Peter Jon Pearce en Oracle, Arizona
• Jacob K. Javits Convention Center, New York City, New York
• Palau Sant Jordi en Barcelona, España por Arata Isozaki
• Aeropuerto Internacional Sochi en Sochi, Rusia
• Entrada a Six Flags Magic Mountain
• Taiwan Taoyuan Aeropuerto Internacional terminal aeropuerto 2
• Harbin Opera House en China por Ma Yansong
• Hedyar Aliyev Centre in Azerbaijan by Zaha Hadid

Con frecuencia también se construyen grandes escenarios portátiles y pórticos de iluminación a partir de marcos espaciales y vigas de octeto.

Vehículos

Aeronave

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

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

Coches

Las estructuras espaciales se utilizan a veces en los diseños de chasis de automóviles y motocicletas. Tanto en un chasis espacial como en un chasis de estructura tubular, la suspensión, el motor y los paneles de la carrocería están unidos a una estructura esquelética de tubos, y los paneles de la carrocería tienen poca o ninguna función estructural. Por el contrario, en un diseño unibody o monocasco, la carrocería sirve como parte de la estructura.

Los chasis de estructura tubular son anteriores al chasis de estructura espacial y son un desarrollo del chasis de escalera anterior. La ventaja de utilizar tubos en lugar de las anteriores secciones de canal abierto es que resisten mejor las fuerzas de torsión. Algunos chasis de tubos eran poco más que un chasis de escalera hecho con dos tubos de gran diámetro, o incluso un solo tubo como chasis columnar. Aunque muchos chasis tubulares desarrollaron tubos adicionales e incluso fueron descritos como "marcos espaciales", su diseño rara vez se destacó correctamente como un marco espacial y se comportaron mecánicamente como un chasis de escalera de tubo, con soportes adicionales para soportar los componentes adjuntos., suspensión, motor, etc. La distinción del verdadero marco espacial es que todas las fuerzas en cada puntal son de tracción o de compresión, nunca de flexión. Aunque estos tubos adicionales soportaban algo de carga adicional, rara vez estaban diagonalizados en una estructura espacial rígida.

Un contendiente anterior para el primer chasis con estructura espacial real es el de la carrera "especial" construido por los hermanos Bob y Bill Chamberlain en Melbourne, Australia, en 1929. Otros atribuyen vehículos producidos en la década de 1930 por diseñadores como Buckminster Fuller y William Bushnell Stout (el Dymaxion y el Stout Scarab), quienes entendieron la teoría del verdadero marco espacial desde cualquiera de los dos arquitectura o diseño de aeronaves.

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

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

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

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

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

Algunos marcos espaciales se han diseñado con secciones extraíbles, unidas mediante uniones con pasadores atornillados. Esta estructura ya se había utilizado en el motor del Lotus Mark III. Aunque algo inconveniente, una ventaja del marco espacial es que la misma falta de fuerzas de flexión en los tubos que permiten modelarlo como una estructura articulada con pasadores también significa que la creación de dicha sección removible no tiene por qué reducir la resistencia del marco ensamblado..

Bicicleta Moulton en el Museo de Arte Moderno

2006 Ducati Monster S2R 1000

Motocicletas y bicicletas

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

También se han utilizado cuadros espaciales en bicicletas, que favorecen fácilmente el corte triangular tensionado.