Brochure: Tensegrity Prototype TG3 - ILEK Institute. University of Stuttgart

TENSEGRITY DOME Prototipo TG3 dianamaritzap@yahoo.com

CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO TENSEGRITY DOME Universidad de Stuttgart - ILEK Instituto diana pe単a - 2012

Agradecimiento

El presente proyecto se pudo realizar gracias al apoyo de Agaur ‐ Agencia de Gestiò de A’juts Universitaris i de Recerca.

ILEK ‐ Institute for Lightweight Structures and Conceptual Design ‐ University of Stuttgart in Germany.

A cargo del Prof. Dr. ‐Ing. E.h. Werner Sobek y Dr. ‐Ing. Walter Hasse.

De algunas empresas europeas. ...Y a Mr. Kenneth Snelson quien me compartió su conocimiento.

CABLES: Jakob - Pfeifer - Officium MEMBRANES: Koch Membranes - CenoTech GmbH - Hightex GmbH - Ferrari - HP Gasser AG - Seele Cover GmbH - Taiyo Europe GmbH Iaso S.A - TemmeObermeier GmbH - Verseidag Indutex GmbH - ETFE: Vector Foiltec GmbHNowofol - ROPES: Brugg Rope Structures ING: Schlaich Bergerman and Partner TITANIUM: Selfan Fine Metal - Manfred Reiner Rรถhen - Seeberger - GLASS TUBS: Schott - WOOD:Workshop Stuttgart University DETAILS FIXING: Halfen - Klรถpfer - Hebezone GmbH - Kenneth Snelson - FIBER GLASS SOFTWARE: technet GmbH.

KENNETH SNELSON Padre del Tensegrity

Tuve la oportunidad de comunicarme con Kenneth Snelson, el padre del Tensegrity para preguntarle acerca de su trabajo y estas fueron sus respuestas: “I interpret your question to mean ¿How do you bring the tension network in your sculptures to its optimum tightness?

I make the cables just the right length so that they are tight when the piece is finished and cables are doing what they're supposed to do in the structure. If some cables prove to be too loose during construction I shorten them. While assembling the sculpture the very last cable is connected by using a hand‐ winch to shorten the space between the two connecting points until the cable can be easily connected. Then the winch is released and the sculpture's network is complete and properly tightened”.

I hope this helps.

Best wishes, Kenneth Snelson Dear Diana, Thanks for sending the pictures of your tensegrity studies which look excellent. Congratulations. You are learning very quickly how these structures work.

I guess I'm the father of tensegrity, especially as today is a U.S. holiday known as "Father's Day".

Very best wishes again, Ken Snelson

“Congratulations on a most impressive Doctoral thesis. You must be very excited. You have done an enormous amount of work and research and I regret being unable to give the time to it that I might feel justified in offering any opinion ‐‐ useful or otherwise ‐‐ about the many examples you show in your illustrations and about your proposal as to its actual possible use in the structures you describe. I'm an inventor, and not trained as an architect or engineer. I don't know if you know of my three‐dimensional weaving patent. I've attached a copy which describes this invention as a sort of construcion game or toy. A Korean engineer and also engineers in Germany have begun to put the idea to use in what's now called. "Wire‐woven bulk Kagome Truss Cores" for making light weight and very sturdy structural panels.

Of course I am especially sensitive to the question of original authorship of tensegrity. In your "CONCLUSION'' the first thing that caught my eye is a misleading interpretation or comment on Karl Ioganson and the repeated myth claiming that "Snelson y Fuller buscaron aplicaciones más complejas pero sólo fue hasta los sesentas que tuvieron un uso arquitectónico en domos, como se explicó en el capítulo de los antecedentes."

The fact is that neither Fuller nor I nor Emmerich had ever heard of Karl Ioganson's "tensegrity" structure so we were not in any sense of the word "building" on his work as you imply. As an art student I knew about and admired the Construcivists of course but he was one of the lesser figures in that Russian club. Lots of Russians visited the original Moscow 1921 Constructivist exhibition I presume and no one, not even Ioganson himself, noted nor left any hint that anything revolutionary resided in his simple three‐strut‐and‐string structure. Sorry to nit‐pick on a trivial matter in your remarkably extensive and thorough paper. I believe it was Maria Gough who started the nonsense about Ioganson's launching a vast new structural revolution.

I'm attaching a pdf, a paper that's to appear in the International Journal of space structures next month. It's the story of my early days from 1959 when Fuller finally acknowledged that he had appropriated the tensegrity idea from Me.

Best wishes and again congratulations on your splendid work”.

Kenneth Snelson

LA IDEA

La idea principal es realizar un prototipo completamente en Tensegrity, formado por 12 barras que cierran el anillo, más 7 barras que conforman el domo central, el cual cubre el anillo en la parte superior y a su vez ambos cierran el espacio tensegrity dome.

El proyecto se puede resolver con diferentes materiales, la primera opción fue realizarlo en tubos de vidrio para ello se contacto a las empresas respectivas y al Institute IBK2 de la Universidad de Stuttgart, pero por los costos del proyecto se abortó esta idea. De igual forma sucedió con la idea de usar acero inoxidable.

También se tuvo la idea de realizar el prototipo en tubos de fibra de vidrio, y obtener el material de forma gratuita.

Hubo éxito pero el problema en este caso era el tiempo de entrega del material.

Finalmente optamos por la madera como material para las barras del prototipo; bajaron las especificaciones técnicas y el precio general del proyecto.

Los accesorios y cables usados son en acero.

MATERIALES Vidrio a.

Alemania. Scott Company

Acero inoxidable b.

Suiza. Jakob Company

Fibra de vidrio c.

Dinamarca. Fiberglass Company

Madera d.

Alemania. Taller de Madera ‐ Universidad de Stuttgart

a.

b.

c.

d.

DETALLES

Durante la primera parte del proceso se desarrollaron diferentes detalles constructivos teniendo encuenta los materiales que se iban a utilizar. Se diseñó el detalle constructivo para las barras en vidrio y acero inoxidable, teniendo en cuenta por supuesto el peso propio y las cargas externas. También la ubicación de las barras en la estructura, barra de apoyo, barra de conexión entre el anillo y el domo, etc.

acero

vidrio

TECHNET

En el proceso de contacto con las empresas me comuniqué con el Ing. Peter Singer quien hace parte importante del equipo de TechNet, empresa especializada en software para la obtención de la forma y cálculo de estructuras.

El ingeniero hizo la comprobación del análisis estático de los prototipos propuestos, con la ayuda del software Easy.

Y el resultado es que son estáticamente estables, reafirmando lo que habíamos comprobado con el software Wintess.

Como podemos observar las mayores tensiones se presentan en los cables que soportan las barras superiores del anillo y los cables que cierran la parte alta y baja del anillo tensegrity, en este respectivo orden.

Domo Tensegrity: 31 barras y 180 cables. Domo Tensegrity: 19 barras y 90 cables.

PRESUPUESTO TG1 – Tensegrity Geometría 1.

100.000€ Según ILEK Instituto: Anillo ‐ 20 barras 5m. en acero inoxidable Ø5cm Domo ‐ 11 barras 1.5m. en acero inoxidable Ø3cm Cables ‐ 180 en acero inoxidable Ø8mm Membrana 185 m2 ‐ Ferrari floutop T2 502 6 Detalles constructivos ‐ 4 Ingenierías.

TG2– Tensegritty Geometría 2.

10.000€ Según Günzler/Scott/ Jakob: Anillo ‐ 12 barras 3m. en vidrio Ø12cm 12 barras 3m. en acero inoxidable Ø1cm Cables ‐ 48 en acero inoxidable Ø8mm 2 Detalles constructivos ‐ 1 Ingeniería.

TG3 – Tensegrity Geometría 3.

2.000€ Según Klöepfer / Taller Univ. de Stuttgart: Anillo ‐ 12 barras 3m. en madera Ø4cm Domo – 1 barras 0.80 y 6 barras 0.60m. en madera Ø4cm Cables ‐ 90 en acero inoxidable Ø2mm 2 Detalles constructivos.

TG4– Tensegritty Geometría 4.

55.000€ Según CenoTech: Anillo ‐ 12 barras 3m. en acero inoxidable Ø5cm Cables ‐ 48 en acero inoxidable Ø4mm 4 Detalles constructivos ‐ 2 Ingenierías 6.000€ Cojín ETFE 200 ‐ 18m2 ‐ Según Taiyo / Batspain.

PRELIMINARES Túnel de viento Se contactó con el Instituto de Aerodinámica IAG de la Universidad de Stuttgart, para realizar de nuevo la prueba del túnel de viento y reforzar nuestros resultados. Por el costo tuvimos que desistir.

Prototipo a.

Se realizó un modelo a pequeña escala en aluminio e hilo.

Conformado por 12 barras de 30cm, 1 barra de 10cm y 6 barras de 5cm, para analizar los mayores esfuerzos que se generan al cerrar el anillo tensegrity y así pensar en el montaje del prototipo final.

Prototipo b.

Se realizó un segundo modelo de 12 barras en acrílico de 1.00m y alambre en plata recubierto de nylon de 0.38mm.

Para probar la resistencia de este cable tan delgado lo cargamos con 6 litros de agua, luego 7 y por último con 8 litros el cable se rompió, demostrando que tenía gran resistencia. Debido a que podríamos obtener de forma gratuita los tubos en fibra de vidrio, desarrollamos este prototipo para definir los detalles constructivos y el proceso de ensamble y montaje. Finalmente no usamos este material por los tiempos de entrega.

Prototipo c.

Se realizó un tercer modelo de 4 barras en madera de 2.40m y cables de acero inoxidable de 1mm. El objetivo era definir los detalles constructivos para realizar el modelo final.

Túnel de viento ‐ Universidad de Stuttgart ‐ Instituto IAG. Ejemplos de proyectos importantes analizados en este túnel de viento

Aluminio ‐ Prototipo a.

Acrílico ‐ Prototipo b.

Madera ‐ Prototipo c.

PROTOTIPO FINAL Características Después de las diferentes opciones que se contemplaron para desarrollar el prototipo final como se explicó en el apartado de los preliminares, el desarrollo del proyecto dependió directamente del presupuesto y financiación, de los materiales y ayudas que se recibieron de las empresas contactadas y del Instituto ILEK directamente.

El costo final fue de 2000€, es un buen precio contemplando que el primer presupuesto fue de 100.000€.

El peso final de la estructura es de 48 Kg. para cubrir una área aproximada de 8 m2 en el diámetro menor y 16 m2 en el diámetro mayor y un volumén interior de 21.5 m3 Detalles Para construir el prototipo se utilizaron 12 barras en madera tipo haya de 3 m de largo, 1 barra de 0.80 m y 6 barras de 0.60 m todas con un diámetro de 40 mm. También se aplicaron dos productos para su protección contra las bacterias , humedad y rayos solares (sellante y pintura).

La cantidad de cables fue un total de 84 unidades, de los cuales 48 de 1.68 m, 24 de 1.14 m, 12 de 0.74 m y 6 de 0.98 m todos de 2 mm de diámetro.

Para ensamblar los detalles de los cables se usaron 150 carabinas, 150 argollas pequeñas y 6 grandes, 180 pasadores para los cables y 90 conectores extensibles.

El proceso y resultado final lo podemos observar en las siguientes fotografías.

Tiempos El modelo está hecho totalmente a mano y la ejecución final de la estructura tensegrity la realizaron 2 personas y se llevó a cabo aproximádamente en una semana de trabajo.

Para la preparación de las barras fue necesario 2 días por el tiempo de secado de los líquidos de protección. Los cables se midieron, cortaron, ajustaron y completaron con los accesorios para poder conectarlos a las barras en 3 días.

Para el montaje del anillo tensegrity fue necesario organizar las barras en el suelo en su posición final, hacer la conexión numerada y organizada de los cables a las barras, esto llevo 4 horas de trabajo. Al estar todo listo y conectado se levantaron del suelo barras y cables con la ayuda de 4 personas (por la longitud de las barras). Para la conexión y cierre del anillo con las últimas barras, se tomó un tiempo de 30 minutos.

Para hacer el montaje del domo también se organizaron y conectaron las barras y cables siguiendo la numeración, el montaje final tomó 30 minutos. La revisión final y ajuste de medidas en los cables conectores llevó un tiempo de una 3 horas. Después de la revisión se observó que era importante rigidizar algunos nodos del domo y se adicionaron 6 cables diagonales que ayudaron a controlar los desplazamientos de los mástiles menores. Para hacer estos cables y conectarlos fue necesario 2 horas más de trabajo.

Se diseñaron 3 patrones básicos de la estructura, su corte y confección se llevó a cabo en tres días seguidos de trabajo.

Se contabilizó el desmontaje de la estructura, el cual tardó una hora de trabajo; primero el domo y por último el anillo.

La organización final de los elementos se hizó en 2 horas y podemos guardarlos en una caja de 3.10m x 0.20mx 0.20m.

Materiales y Detalles.

Conectores, pasadores, argollas, carabinas, cables y barras.

Montaje ‐ Anillo Tensegrity.

Montaje ‐ Domo Tensegrity.

Detalles – Prototipo final Tensegrity.

MALLA X‐TENT En el proceso de contacto con las empresas tuvimos la suerte de tener el soporte de las compañías Jakob y Officium, las cuales son proveedoras de cables en acero inoxidable.

También han desarrollado y patentado mallas que sirven de barreras de protección y/o para cerrar espacios sin perder la visual exterior o interior, etc. Un gran ejemplo de ello es su uso en los zoológicos.

Nos proporcionaron de manera gratuita aprox. 8m2 de malla cuyo valor por m2 es de 85€. El resultado final lo podemos observar en las fotografías. Y vimos como otro posible uso de la estructura, el de un aviario.

Jakob & Officium.

MEMBRANA

Debido al alto costo de diseño y manufactura de la membrana del proyecto se decidió solo hacer el esqueleto del prototipo sin membrana. Sin embargo gracias al apoyo de las empresas francesa Ferrari y de la empresa alemana Verseidag obtuvimos material de muestra de membrana en PVC (Soltis LowE 86‐2063 y Duraskin Tipo I) para realizar algunas pruebas de patronaje corte y soldadura.

Fotos de ILEK Instituto.

Papel & Membrana ‐ Patrones.

DETALLES DE LOS PATRONES

Se desarrollaron dos detalles constructivos para fijar los patrones en membrana a la estructura.

El primero es en velcro adhesivo fuerte y de bloqueo dual, de 25mm de ancho, como se puede observar la fotografía.

El segundo en ojales metálicos de 8mm de diámetro interior y 15mm de diámetro exterior, para fijar a la estructura por medio de cordones o bridas en nylon.

velcro velcro ojales

Velcro & Ojales ‐ Detalle de los Patrones.

FLEXIBILIDAD

Se hizo el estudio de flexibilidad del modelo con la ayuda del software Easy, se tomó en cuenta la pretensión de los cables y la tensión en los elementos de compresión. Como podemos ver en el esquema de elipses, los mayores movimientos se presentan en las barras del anillo tensegrity, en los nodos libres que no tienen contacto con el domo o con el suelo y son del orden de 35cm. En el domo los mayores movimientos se producen en los mástiles menores y son del orden de 20cm. planta, alzado, axonometría‐ Gráficos de TECHNET.

REDUNDANCIA

En las estructuras ligeras y en especial el tensegrity, el tema de la redundancia es crítico. En algunos proyectos los ingenieros optan por conectar la última línea de cables al anillo de la estructura por medio de varios cables y no sólo uno, en caso que alguno de los cables falle. (Para que la estructura no colapse). En nuestro caso se hizo la prueba de desconectar uno de los cables principales del anillo y la estructura por supuesto cambió de geometría. La barra suelta del anillo, adoptó una posición horizontal y tanto el anillo como el domo se deformaron un poco, pero no colapsaron.

Como lo podemos observar en los modelos, tanto en el modelo a escala 1:100, como el modelo escala 1:10.

planta

alzado

45 DÍAS DESPUÉS Patología La lluvia se mide en milímetros al año, menos de 200 son pocos, entre 200 y 500 son escasos, entre 500 y 1.000 son normales, entre 1.000 y 2.000 son abundantes y más de 2.000 son muchas. El promedio anual de lluvia en Stuttgart es de 675 mm. durante 167 días del año.

Debido a este hecho la estructura durante este tiempo ha recibido mucha agua. El detalle arquitectónico es sencillo y económico, por esta razón la barra no está protegida en el punto de unión con los cables y accesorios, por lo tanto 2 de las 12 barras del anillo se han deteriorado debido a la humedad. Para resolver el problema se limpió y protegió el área afectada con un pegante póxico de alta calidad.

COMENTARIOS FINALES Visitantes El trabajo final fue dado a conocer a importantes arquitectos e ingenieros en el área de las estructuras ligeras. Entre ellos Hubertus Poppinghaus, Peter Singer, Dieter Ströbel, Martin Synold, Alfred Rein, Switbert Greiner, Mike Schlaich, Thomas Ferwagner, Jonathan Schnepp, entre otros. Estos fueron algunos de sus comentarios: Ventajas y desventajas La conclusión general en cuanto a la geometría es interesante para los visitantes y se cumple el objetivo de ser completamente en tensegrity. Si comparamos el ejemplo del anillo tensegrity de 12 barras cuya geometría básica es un hexágono (área aproximada de 800 m2) con un decágono de 20 barras (A=1200 m2 aprox.) con un pentadecágono de 30 barras (A=1600 m2 aprox). Se observa que en el primer caso por el ángulo se desperdicia un espacio importante, pero como uso real en un proyecto puede ser el alero de la estructura para marcar la entrada y/o proteger a los peatones del sol y la lluvia.

En cuanto al comportamiento estructural, la estructura trabaja bien y se puede observar en el modelo. Para algunos ingenieros los desplazamientos hacen parte integral del comportamiento de flexibilidad de la estructura, que se toma como un punto de ventaja o desventaja dependiendo del punto de vista. Es comparable al comportamiento de las

estructuras neumáticas, donde la estructura ante fuerzas externas se desplaza pero luego vuelve a su posición inicial. Algunas estructuras necesitan de elementos externos para manejar la flexibilidad, en nuestro caso es inherente a la propia estructura. Cabe anotar que es necesario hacer el estudio dinámico de viento para analizar los efectos de vibración en la estructura, para este estudio es necesario un especialista en esta área.

Y en el aspecto de la redundancia se soltaron algunos cables, cambió su geometría y equilibrio pero la estructura no colapsó.

En cuanto a los costos de la estructura no tenemos la cifra real de la diferencia entre el anillo tensegrity y el anillo de compresión, que es un punto importante para definir su uso en proyectos reales. Como dato estandar el valor de m2 de estructura ligera en alta tecnología es de 1000€, medio es 700€ y bajo 300€. El costo total de nuestro prototipo fué de 2000€ como lo mencionamos anteriormente.

En el área de sostenibilidad al ser una estructura de fácil montaje y desmontaje, que se puede reciclar, movilizar y usar de diferentes maneras, se apunta como otro aspecto positivo que se refleja en los costos. Y como punto final cabe anotar que es imprescindible el apoyo de las grandes empresas para hacer realidad el uso y aprovechamiento de este tipo de estructuras tensegrity.

ENGLISH RESUME

The work was completed at the ILEK Institute of Lightweight Structures and Conceptual Design, University of Stuttgart. The main objective of the project was to develop and build a tensegrity prototype in the category of lightweight structures with applications in long‐span spaces, free of any interior supports ‐ emergency architecture, shelters, multipurpose spaces with educational and/or recreational applications, concert halls, sports arena, aviaries in zoos, etc.

After different options to develop the final prototype were considered, the finished product resulted directly from the budget and financing, materials and aids that were made available by the contacted companies, as well as from the ILEK Institute directly. In the investigational process, several prototypes were constructed to define materials, times, and assembly processes.

The final cost of the prototype, 2000 €, was relatively inexpensive considering that the initial project estimate was 100,000 €. The final weight of the structure is 48 Kg and covers an area of approximately 8 m2 in the internal diameter and 16 m2 in the external diameter and has an internal volume of 21.5 m3. The materials used in the final structure, were wood bars and stainless steel for the cables and accessories. These materials can be recycled and reused.

The model is made entirely by hand. The final assembly involved two people and occured over approximately one week. Also included is the estimate to dismantle the structure (approximately one hour). The final organization of the elements was done in two hours and can be saved in a box of 3.10m. x 0.20m. x 0.20m.

The aim to create a truly lightweight, sustainable, economical, easy assemblable and disassemblable tensegrity structure was achieved. It is estimated that there will be minimum waste when the structure is dismantled and / or reused.

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CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO

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