A propósito del 8º Concurso Alacero de Diseño en Acero para Estudiantes de Arquitectura 2015
Sin tener ninguna vinculación con la organización del 8º Concurso Alacero de Diseño en acero para estudiantes de Arquitectura, se nos ocurren algunas reflexiones en torno al tema que aborda en términos de soluciones estructurales y/o constructivas. Lo que se presenta a continuación no es sugerente y no tendrá relación alguna con el resultado del concurso, pero esperamos que contribuya a la investigación proyectual.
El programa sugiere un recinto de mayores dimensiones que fluctuará entre 700 y 900m2 de superficie y que debe cumplir con poder albergar una multicancha así como una cierta cantidad de público. El recinto deberá responder a las dimensiones mínimas para acoger estas actividades, es decir, un ancho y un largo mínimos y una altura mínima para la práctica de algunos deportes. Seguramente, aunque dependiendo de la solución que cada concursante elija, estas dimensiones superarán los 18m de ancho, los 34m de largo y una altura superior a 8m libres, sólo para albergar la cancha deportiva. Ello obliga a responder con una concepción de la estructura que apela a algunos de los atributos mayores del acero.
En efecto, el acero es de los materiales de mejor relación peso-resistencia de los utilizados en la construcción. Lo anterior, significa que con menores cuantías de material se logran mayores prestaciones estructurales. Esto llevado a la concepción del espacio construido, nos permite concebir y estructurar soluciones esbeltas que salven grandes luces. En su mejor condición, los elementos de acero que se disponen en una estructura trabajando a tracción, aprovechan de mejor manera esta característica.
La pregunta que posiblemente se deba abordar en la resolución del concurso precisamente deberá indagar en las soluciones y/o alternativas que existen -o que se pueden desarrollar -para salvar las luces que, previsiblemente se deban abordar en el espacio comentado.
Para partir habría que comentar que estas luces no son luces que deban ser consideradas grandes o especialmente demandantes para una estructura de acero. Se trata de luces más bien convencionales que se han salvado muy eficiente y económicamente desde hace mucho tiempo. Para ello, baste ver las soluciones a partir de marcos bi o tri articulados ampliamente empleados en las construcciones de edificios industriales y/o galpones. Por cierto, esta solución tipológica está en el extremo de la simplificación. Variantes formales y geométricas son posibles y hasta deseables a partir de ella.
Las luces mencionadas se pueden salvar sin grandes dificultades también a partir de vigas de alma llena o de alma abierta (o vigas de celosías) apoyadas en los extremos en sendas columnas. Estas vigas, que pueden tener las más diversas configuraciones, trabajan a flexión, por lo que sus alas o cordones superiores quedan sometidas a compresión y sus alas o cordones inferiores quedan sometidos a tracción. El esquema de cómo se descomponen estas fuerzas en una viga de celosía se observa en el siguiente esquema, extraído de los cursos del prof. S. Maino disponibles en este sitio.
Como los miembros de una viga se pueden especializar según las fuerzas que actúan sobre ellos, una viga de celosía puede derivar en un elemento que exprese con mayor sección los elementos sometidos a compresión y con menor sección los elementos sometidos a tracción.
La disposición de las vigas se puede hacer conformando marcos rígidos en el sentido de la luz menor y una sucesión de ellos a distanciamientos a optimizar para cubrir la luz mayor. En el sentido longitudinal, esta sucesión de marcos rígidos podrá (o no) contar con paños arriostrados para contrarrestar los esfuerzos horizontales. Las columnas podrán tener la sección y conformación deseada, pudiendo ser también de alma abierta o llena y aún ser de sección tubular, de sección cuadrada, rectangular o circular. Una mención a soluciones alternativas para resolver estas columnas se hace en el artículo de estructuras mixtas.
Las cerchas de cubierta son variantes de este mismo principio y sus diversas configuraciones se pueden revisar en los cursos mencionados o en el artículo de vigas de celosía que se presenta en este sitio.
En algunos ejemplos, la tensión es inducida en un determinado miembro de la estructura, por ejemplo en una viga, con lo que se logran esbelteces muy sugerentes y expresivas en las estructuras de cubierta. Es el caso del edificio de Sir. Norman Foster para la fábrica de Renault. Aunque conceptualmente el edificio es considerado una tipología de taburete, si se analiza el marco como una unidad aislada, se puede observar que los cables son elementos sometidos a tracción que reducen la luz de las vigas y mediante la tensión en la cuerda inferior contribuyen aún más la ligereza de las vigas y del conjunto.
Variantes de esta estrategia hay muchas, como se puede observar en los esquemas siguientes que corresponden a distintas vigas atirantadas.
Un ejemplo singular de estructuras esbeltas para edificios de dimensiones intermedias corresponde al sistema Patera, desarrollado por M. Hopkins.
Una opción intermedia se encuentra en los sistemas de Joist Steel que se utilizan desde hace décadas en varios países. Está conformado principalmente por dos elementos estructurales de alma abierta: las vigas maestras o girders y las costaneras o Steel Joist que se fijan sobre los apoyos desde su cuerda superior simplemente apoyadas en sus extremos. Ambas usualmente fabricados con perfiles laminados estándar. En el Steel Joist Institute (http://steeljoist.org/) hay mucha información disponible respecto de esta solución. También en algunos países el sistema del Steel Joist se ha introducido bajo nombres, desarrollados por distintas empresas, como el sistema Joistec de Gerdau, cuyo manual se puede descargar en http://www.gerdau.cl/files/catalogos_y_manuales/Manual_JOISTEC.pdf
Las estructuras estereométricas son eficientes en estos rangos de luces y ofrecen el beneficio adicional de requerir muy pocos apoyos. Las placas estereométricas son conjuntos de pirámides de base cuadrada o triangular unidas entre sí, que forman una triangulación en los tres ejes lo que les otorga una especial cualidad de resistencia a la flexión. Por lo mismo, son adecuadas para cubrir grandes espacios en que no se puede disponer de apoyos intermedios. Si estos apoyos no se sitúan en los vértices ni en los extremos de la placa, serán más eficientes y permitirán aportar voladizos cuyo aprovechamiento en el espacio construido o en los espacios intermedios pueden ser interesantes para la resolución del proyecto. Para estas columnas vale lo comentado arriba, pero también hay soluciones que han incursionado en estas estructuras que generando placas de doble curvatura apoyadas en sendos arcos de celosía en sus extremos, como la cubierta de la multicancha del estadio español proyectada hace algunos años por el arquitecto premio nacional de Chile 2015, Teodoro Fernández.
Multicancha del estadio español, Teodoro Fernández.
La complejidad de las estructuras estereométricas radica en la resolución de los nudos, puntos en los que convergen entre 6 y 8 elementos rectos, lo que dificulta y encarece su manufactura. La concentración de miembros en tan poco espacio demanda un cuidado diseño. Existen una variedad de sistemas de uniones prefabricadas y estandarizadas para placas estereométricas en base a bolas o sus derivados, como el sistema Mero, entre otros.
Las estructuras geodésicas, cuyo exponente y referente principal fue Buckminster Fuller son una excepción a la tendencia a hacer trabajar los elementos estructurales de acero preferentemente a tracción. En efecto, los domos geodésicos al tener uniones articuladas, eliminan los esfuerzos de flexión y de tracción sobre sus miembros asumiendo la responsabilidad de transmitir exclusivamente los esfuerzos de compresión hacia el suelo. La sección y cantidad de los elementos en que se descompone un domo geodésico permiten conformar una trama muy ligera.
La intersección de cúpulas de distinta sección permite conformar una estructura que se sustenta en la resolución de las uniones, como lo demuestra N. Grimshaw en su proyecto Eden.
Hay estructuras tipo cáscaras a partir de grillas de elementos (gridshell) que ofrecen soluciones un poco más complejas pero muy interesantes. Al igual que las cáscaras, esta tipología funda su resistencia estructural en la geometría del elemento, especialmente en su doble curvatura. Uno de los primeros en investigar las posibilidades de estas estructuras fue el ingeniero ruso Vladimir Szukhov. Hombres como B. Fuller, Frey Otto y K. Snelsson derivan sus investigaciones y aportaciones de los principios planteados por Szukhov. El tema también ha sido abordado por Maximiliano Fuksas en varios de sus proyectos, aunque posiblemente la obra más icónica sea la de la Feria de Milán. En ella, se combina una estructura tipo grilla de doble curvatura con apoyos en una estructura de columnas en forma de árbol que reciben este manto que, ocasionalmente baja hasta el piso.
En otros, la cubierta es tratada como un elemento en tensión resuelto en base a cables. En este caso, la esbeltez será máxima. El cable asumirá parte de la deformación por su propio peso y permitirá recibir el peso de la cubierta que se depositará o se suspenderá de él. Un ejemplo de lo anterior lo constituye el proyecto de Herzog y de Meuron para la Expo 2000 en Hannover. Los cables suspendidos entre las columnas de acero toman la forma de la catenaria que da forma a la cubierta. Las columnas están sometidas a compresión y la tracción del cable queda equilibrada por la diagonal que conforma la columna.
Estructuras que extreman la condición de un trabajo a tracción son las estructuras tensadas, tipología que vale la pena investigar. En este mismo sitio hemos publicado algunos proyectos que apelan a esta condición y hace menos de un mes, comentamos parte de la obra de Frey Otto que fue precursor en su aplicación. Sus estudios, investigaciones y sistematizaciones en torno a las estructuras tensadas de cables son una referencia obligada en las estructuras ligeras. http://arquitecturaenacero.org/arquitectos/714-frei-otto-pritzker-2015
La tensegridad es un sistema muy interesante de comentar. Básicamente consiste en un sistema equilibrado de elementos sometidos a compresión insertos en un sistema de cables sometidos a tracción. Los elementos en compresión no están conectados entre sí lo que otorga al conjunto una condición de compresión flotante que resulta estable, inquietante y sugerente. Uno de los precursores de este concepto es el escultor Kenneth Snelsson.
Quien ha incursionado en estas estructuras es el arquitecto chileno Smiljan Radic, cuya propuesta para el Concurso Antena Santiago indaga en las posibilidades formales y estructurales de una estructura vertical de gran altura fundada en los principios de la tensegridad.
Como una contribución al pre dimensionamiento de las estructuras de cubierta, queremos recordar un esquema que puede ser de utilidad de tener presente en la probable etapa inicial del desarrollo del proyecto. Se trata de un cuadro que describe las distintas alternativas de estructuras horizontales y relaciona su altura con la luz que salvan.
Como se puede apreciar, una de las preguntas posibles de plantearse a propósito del 8º CONCURSO ALACERO DE DISEÑO EN ACERO PARA ESTUDIANTES DE ARQUITECTURA 2015 abre una gran cantidad de respuestas posibles. Nuestro interés, ya está dicho, no es inducir soluciones sino invitar a investigar alternativas que mejor se ajusten a las condiciones de proyecto que cada caso requiera.
F. Pfenniger