En arquitectura e ingeniería estructural , un marco espacial o estructura espacial ( truss 3D ) es una estructura rígida y liviana similar a una armadura construida a partir de puntales entrelazados en un patrón geométrico . 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.
Los marcos espaciales son edificios fuertes, adaptables y eficientes que pueden soportar una variedad de pesos. Para su implementación efectiva en la construcción, es importante comprender su comportamiento bajo diversas cargas, modos probables de falla y reglas para su disposición óptima. Para maximizar el rendimiento y la longevidad de los marcos espaciales, son esenciales el diseño, la selección de materiales y la integridad de las juntas adecuados.
Alexander Graham Bell desarrolló entre 1898 y 1908 estructuras espaciales basadas en la geometría tetraédrica. [1] [2] El interés de Bell era principalmente utilizarlos para fabricar marcos rígidos 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 ME ngeringhausen RO hrbauweise ) en 1943 en Alemania, iniciando así el uso de las cerchas espaciales en arquitectura. [3] 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 cubierta 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). [4] [5] Se desarrolló un método de soportes de árboles para reemplazar las columnas individuales. [6]
Buckminster Fuller patentó la armadura de octeto ( patente estadounidense 2.986.241 ) en 1961 [7] mientras se centraba en estructuras arquitectónicas .
La armadura tetraédrica de Gilman de 1980 fue desarrollada por John J. Gilman ; un científico de materiales conocido por su trabajo sobre las matrices moleculares de sólidos cristalinos. Gilman era un admirador de las armaduras arquitectónicas de Buckminster Fuller y desarrolló una matriz más fuerte, en parte rotando una alineación de nodos tetraédricos entre sí.
Los marcos 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.
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.
Dentro del significado de marco espacial, podemos encontrar tres sistemas claramente diferenciados entre sí: [8]
Clasificación de curvatura
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Clasificación por la disposición de sus elementos.
Otros ejemplos clasificables como marcos espaciales son estos:
Las principales aplicaciones de estructuras espaciales incluyen:
Edificios
Vehículos :
Elementos de diseño arquitectónico.
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:
Con frecuencia también se construyen grandes escenarios portátiles y pórticos de iluminación a partir de estructuras espaciales y vigas de octeto.
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 .
Los marcos 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 a los 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 fabricado con dos tubos de gran diámetro, o incluso un solo tubo a modo de 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 tubos, 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. [11] Aunque estos tubos adicionales llevaban algo de carga adicional, rara vez estaban diagonalizados en una estructura espacial rígida. [11]
Un contendiente anterior para el primer chasis espacial verdadero es el "especial" de carrera Chamberlain 8 construido por los hermanos Bob y Bill Chamberlain en Melbourne, Australia en 1929. [12] 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 de la verdadera estructura espacial a partir de la arquitectura o el diseño de aviones. [13]
Un intento posterior a la Segunda Guerra Mundial de construir un marco espacial para un auto de carreras fue el Cisitalia D46 de 1946. [13] Este utilizó dos tubos de pequeño diámetro a lo largo de cada lado, pero estaban espaciados 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. [13]
El Maserati Tipo 61 de 1959 (Birdcage) suele considerarse el primero, pero en 1949 Robert Eberan von Eberhorst diseñó el Jowett Jupiter expuesto 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 primer coche de 'producción', el Mark VI , en 1952. 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. [11] Aunque ampliamente descrito como una estructura espacial, Lotus no construyó un verdadero chasis de estructura espacial hasta el Mark VIII , con la influencia de otros diseñadores, con experiencia en la industria aeronáutica. [11]
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Un gran número de coches en kit utilizan la construcción con estructura espacial, porque la fabricación en pequeñas cantidades requiere sólo 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 estructura espacial tubular hacía imposible el uso de puertas normales.
Algunos marcos espaciales se han diseñado con secciones desmontables, unidas mediante uniones con pasadores atornillados. Esta estructura ya se había utilizado en el motor del Lotus Mark III . [14] 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 una sección removible de este tipo no tiene por qué reducir la resistencia de el marco ensamblado.
El fabricante italiano de motocicletas Ducati utiliza ampliamente chasis de tubo en sus modelos.
Los marcos espaciales también se han utilizado en bicicletas , que favorecen fácilmente la sección triangular tensionada.
