Tensoestructuras: Soluciones armónicas y económicas Una tensoestructura es una superficie delgada y flexible que soporta las cargas únicamente a través del desarrollo de esfuerzos de tracción. Las tensoestructuras abarcan diversas categorías que van desde las membranas textiles, las redes de cables pretensados, cables en forma de celosías o vigas, estructuras neumáticas soportadas por aire y algunas membranas de concreto armado.
E
stas han sido usadas de diversas formas como cerramientos y techos, estructuras suspendidas (puentes), en elementos decorativos y otros, mostrando una eficiencia estructural y formas artísticamente estéticas, según refiere el doctor arquitecto José Ignacio de Llorens Duran, de la Escuela de Arquitectura de Barcelona, España. La capacidad y facilidad a la hora de cubrir grandes espacios le da una característica adicional que contrasta inmediatamente con otros sistemas tradicionales. Esto permite desarrollar tensoestructuras de gigantes dimensiones que cubren grandes estadios y pabellones de exhibición, hasta pequeñas cubiertas y marquesinas cuya función no va más allá de proteger del sol y la lluvia. La regla fundamental para la estabilidad es que una estructura de tela tensionada adquiera dos curvas en direcciones opuestas, lo que da la copa a su estabilidad tridimensional. Esto se refiere a menudo como “doble curvatura” o una forma “anticlástica”, y matemáticamente se conoce como un paraboloide hiperbólico. Ellas se componen principalmente por elementos totalmente flexibles, entre éstos tenemos la membrana textil y los cables. Además de ellos existen elementos rígidos como lo son el mástil y los puntos de anclaje que soportan y mantienen la tensión de los otros elementos. De esta manera se forma un sistema basado en la flexibilidad y la tensión comenta José Ignacio de Llorens. COMPORTAMIENTO. La tensión o tracción es una fuerza usada para jalar las estructuras moleculares de un material. Es la forma más eficiente de usar cualquier material debido a que se utiliza el eje de sección del material en su totalidad, en vez de las fuerzas que solo se producen en materiales rígidos donde se producen fuerzas más complejas de flexión debido a la compresión que también se genera. Tomando como ejemplo una simple barra de cualquier material, éste se romperá bajo compresión o soportando fuerzas de corte y flexión mucho antes que la tracción la estire. La fuerza de tracción maximiza la capacidad de los materiales de soportar las cargas, o poniéndolo de otra manera, se requerirá menor uso del material.
Las estructuras textiles tensadas son, entonces, aquellas en donde en todas sus partes trabajen a tracción. La regla fundamental para la estabilidad es que estas estructuras adquieran curvaturas en direcciones opuestas brindándole a las cubier tas sustentabilidad dimensional. Frecuentemente esto está referido a una “doble curvatura” o forma “anticlástica” que matemáticamente se conoce como “parábola hiperbólica”. La forma tridimensional de estas membranas obliga a que, para introducir una estabilidad definitiva, se debe salir del plano bidimensional, debido a la complejidad de los modelos físico y formas no ortogonales. Mediante el análisis de las superficies anticlásticas, se estudia la distribución de las cargas producidas por tensiones cruzadas y de sentido opuesto. En cuanto al funcionamiento, las cuerdas y cables son los elementos más simples que resisten cargas a tracción, y ésta gobierna su diseño. Los cables están sujetos en sus extremos en forma puntual o distribuidos a lo largo de un borde, generalmente representados por brazos rígidos de apoyo. De igual forma, la membrana textil está compuesta por cables que representan las numerosas líneas de acción que soportan las fuerzas de tracción. Solo que se aprecia como una superficie y puede ser resuelta como tal. Los demás elementos como mástiles, arcos y riostras perimetrales que funcionan bajo fuerzas de compresión y flexión. Aunque en estos sistemas trabajan fuerzas de diversa naturaleza, la yuxtaposición de las fuerzas de tensión sobresaltan dramáticamente y caracterizan estas estructuras. ESTABILIDAD. La estructura convencional de piedra, concreto, acero y madera posee dos cualidades principales que son la gravedad y la rigidez. Estas propiedades hacen posible la distribución de cargas y la trasmisión de éstas al suelo. En las estructuras tensionadas esas características no representan un factor crítico en las propiedades del sistema. Sus componentes requieren una colocación definida (forma superficial) mientras que se sujetan a patrones de pretensado interno específicos. El comportamiento de un elemento a tracción estará asociado al propio peso del elemento y a las cargas que actúen sobre él (estén aplicadas
de forma puntual o distribuidas) que determinan un patrón geométrico según la disposición de tales cargas. Fácilmente el funcionamiento de estas estructuras se puede analizar estudiando el comportamiento de un tendedero, que es un simple cable que soporta el peso de la ropa que se coloca sobre él. En un principio, el cable asume una curva suave en respuesta a su propio peso. Esta curvatura posee el nombre de catenaria, ésta mantendrá su figura mientras no se le apliquen otras cargas. Posteriormente esta curva se incrementará a medida que se coloquen más objetos en forma de cargas puntuales. Bajo la acción del viento, la figura del cable cambiará drásticamente de su figura inicial. El viento provocará una deformación en todos los sentidos de la línea y se moverá de arriba abajo, incluso revirtiendo la forma de la curva por un momento. Tal comportamiento se vuelve inaceptable en una estructura, por lo que se deben agregar otros elementos que logren generar estabilidad a la línea de tensión. Una solución es agregar pesos a lo largo del cable, funcionando como contrapesos y por la fuerza de gravedad mantienen el cable estable. Otra solución es agregar un cable en forma reversa arriba y que empuje el cable inferior mediante brazos rígidos. Añadido a esto, deben ir también cables diagonales anclados al soporte que permitan estabilidad, de no haber estos cables, el sistema simplemente rotaria sobre su eje. Alternativo a una curva arriba, un cable en reversa, colocado por debajo y unidos por cables verticales figura una solución más simple y efectiva. Si se toma este último ejemplo, y el cable inferior se gira 90° con respecto al superior, y se unen solo en su intersección por la fuerza vertical que entre ellos actúa. Ese punto de intersección se convierte en un punto de estabilidad; añadiendo otros dos cables paralelos al inferior se crean dos nuevos puntos de estabilidad. Agregándole bordes y otros cables en sentido paralelo a los cables originales generando un sistema tridimensional en forma de red. En ese sentido, en cada nodo que se resulta de la intersección de los cables se genera una curva en direcciones opuestas (lo que anteriormente llamamos plano anticlástico), un cable haciendo presión hacia abajo y el otro en sentido opuesto. Una característica de estas superficies es que necesitan de cuatro soportes mínimos. La geometría de estas estructuras de cuatro puntos es muy flexible, ellas pueden tener muchas variaciones e incluso se pueden combinar unas con otras creando una variedad interesante de formas que comparten los puntos de soporte.
TENSOESTRUCTURAS 3