¿Qué es una estructura portante? Guía completa

¿Qué es una estructura Space Frame?

Entendamos primero qué es exactamente una estructura espacial.

Una estructura espacial es un sistema estructural tridimensional. Suele estar formado por barras de acero, tubos u otros elementos conectados entre sí. Todos estos elementos están dispuestos en patrones geométricos como triángulos. Estas piezas conectadas trabajan juntas para soportar y repartir las cargas uniformemente por toda la estructura.

En palabras sencillas, un armazón espacial funciona como un fuerte esqueleto para un edificio. El diseño triangular es lo que permite estructuras de acero cubrir grandes superficies sin necesidad de muchas columnas. Además, en las estructuras tradicionales, toda la carga del edificio es soportada enteramente por columnas de acero y vigas. En este caso, todo el armazón comparte la carga por igual. Por eso estos armazones parecen ligeros, pero siguen siendo fuertes y duraderos.

Historia de la estructura espacial

Hace muchos años, los constructores utilizaban muros pesados, vigas y muchas columnas para sostener grandes edificios. Sin duda, este método funcionaba, pero también creaba problemas. Los grandes edificios se hacían muy pesados, y demasiadas columnas en el interior bloqueaban el espacio abierto. Los ingenieros querían una forma mejor de construir tejados anchos que fueran a la vez fuertes y ligeros.

Así que, a finales del siglo XIX, los ingenieros empezaron a crear estructuras a partir de muchas piezas metálicas pequeñas e interconectadas. Probaron diferentes formas y estructuras para crear la más duradera y resistente. Pero se dieron cuenta de que las formas triangulares eran muy resistentes y podían soportar un gran peso sin cambiar de forma.

 Con el tiempo, desarrollaron esta idea hasta convertirla en lo que hoy llamamos estructura espacial. A mediados del siglo XX, la mejora de la tecnología del acero hizo que las estructuras espaciales fueran prácticas y populares. Buckminster Fuller contribuyó a hacer famosas estas estructuras con sus diseños de cúpulas geodésicas ligeras. Su trabajo demostró que los grandes edificios podían ser ligeros y extremadamente resistentes.

¿Cómo funciona una estructura Space Frame?

El principio de funcionamiento de la estructura de armazón espacial es muy sencillo de entender. Generalmente funciona repartiendo el peso de un edificio y las fuerzas externas entre muchas partes conectadas. Como ya he dicho, una estructura espacial está formada por muchos elementos de acero pequeños. Estos elementos se unen siguiendo un patrón geométrico sólido, normalmente en triángulos.

Cuando se aplica una carga a la estructura (como el peso del tejado, el viento o la nieve), ésta no permanece en un solo lugar. Por el contrario, se desplaza por todos los elementos conectados y se reparte uniformemente. Ninguna pieza es responsable de soportar toda la carga. Este eficaz método de trabajo hace que toda la estructura espacial sea fuerte y equilibrada en todas las condiciones.

Componentes principales de una estructura espacial

Hay varias partes que trabajan juntas para formar una estructura fuerte y fiable. Así que vamos a discutir esas partes y sus funciones en la fabricación de una estructura de bastidor espacial.

• Miembros estructurales: Los elementos estructurales son básicamente barras rectas o tubos. Estos tubos constituyen la forma principal del armazón espacial. Los materiales elegidos para estos elementos son el acero o el aluminio. ¿Por qué? Porque estos materiales son resistentes pero no demasiado pesados, garantizan la durabilidad y ligereza de los armazones espaciales. Están dispuestos en un patrón geométrico, en su mayoría triángulos.

• Nodos o uniones: Las juntas son los puntos de conexión entre los elementos estructurales. En otras palabras, son los “nudos” de la estructura espacial. Estas juntas son las que mantienen todo unido y transfieren las fuerzas entre los miembros. Si las juntas son débiles, toda la estructura se volverá insegura y podría incluso derrumbarse. Por eso los nudos se fabrican cuidadosamente con acero. También permiten que los miembros se conecten en distintas direcciones.

• El sistema de apoyo: Son las partes de la estructura del armazón espacial que transfieren toda la carga del armazón espacial al suelo. Un sistema de soporte suele contener columnas, muros de hormigón o cimientos. Los soportes se colocan en puntos específicos donde descansa la estructura espacial. Cuando la estructura espacial soporta peso, transmite esa carga a los soportes. A continuación, los soportes la transfieren de forma segura al suelo para garantizar la seguridad.

• Cubiertas de tejado: Por último, se trata de la cubierta del tejado, que es la capa exterior colocada sobre el armazón del espacio. La cubierta es lo que protege al edificio de la lluvia, el sol, el viento y otras condiciones meteorológicas. Por lo general, los ingenieros utilizan láminas de metal, vidrio y policarbonato para los tejados. 

Tipos de estructuras espaciales basadas en capas

Recuerde que las estructuras espaciales no son todas iguales. En general, se clasifican en dos clases. Entre ellas, la primera es el tipo de estructuras espaciales con respecto al número de capas. Para entenderlo mejor, vamos a discutir algunas estructuras de tramas espaciales organizadas por capas.

1- Marco espacial monocapa

El primer tipo, el más sencillo, de estructura de armazón espacial es el armazón de una sola capa. Como su nombre indica, sólo tiene una capa de elementos interconectados. Estos miembros están dispuestos en un patrón geométrico y unidos en nodos (juntas). Todas las barras están colocadas en un único plano o superficie, pero forman una superficie plana o ligeramente curva, no compleja.

Cuando se aplica una carga a la estructura, ésta se propaga a través de los miembros conectados y se desplaza hacia los soportes. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el número de capas afecta mucho a la resistencia. En este tipo, sólo hay una capa, por lo que no es tan resistente como uno de varias capas. Por eso suele encontrarse en tejados pequeños, marquesinas y cobertizos.

2- Marco espacial de doble capa

Un armazón espacial de doble capa es un tipo de estructura espacial más resistente y avanzada. Tiene dos capas separadas de barras en lugar de una. Una capa está en la parte superior y la otra en la inferior. Estas dos capas no están separadas en función, sino que están conectadas por pequeños miembros diagonales entre ellas.

Ahora bien, cuando entra peso en el tejado (como personas, viento, lluvia o materiales de construcción), primero se propaga por la capa superior. A continuación, se desplaza a través de los elementos diagonales hasta la capa inferior. Por último, la carga se transfiere a los soportes. Esto significa que estas dos capas trabajan en paralelo, aumentando la resistencia del armazón. Debido a esta resistencia, los armazones espaciales de doble capa se utilizan en estadios, salas de exposiciones y grandes cubiertas industriales.

3- Marco espacial de triple capa

Por último, están los armazones espaciales de triple capa, que tienen el diseño más avanzado. Como su nombre indica, utilizan tres capas conectadas entre sí. Estas capas se colocan una encima de la otra y están conectadas por miembros diagonales. Cada una de estas capas soporta su propia carga. Por ejemplo, la capa superior soporta principalmente la carga del tejado. La segunda capa se encarga de equilibrar y repartir la carga. Sin embargo, la capa inferior transfiere la carga a los soportes.

Pero, ¿cómo funcionan todas estas capas juntas? En realidad, en un sistema de una o dos capas, la fuerza recorre menos caminos. Pero en un armazón espacial de tres capas, la carga tiene múltiples rutas para repartirse y ajustarse. Esto significa que no hay tensión en la capa única, sino que la presión se distribuye de muchas maneras. Todo esto hace que este tipo de armazón espacial sea el más resistente.

Tipos de estructuras espaciales basadas en la curvatura

En segundo lugar, las estructuras de armazón espacial también se clasifican por su curvatura. Recuerde que las estructuras de acero no siempre son planas. Su diseño puede variar en función de la forma del techo o de la superficie. Esta forma o curvatura se denomina curvatura. Así que vamos a discutir los tipos con respecto a esta curvatura.

1- Estructura espacial plana

Es el tipo más sencillo, común y básico de estructura de armazón espacial basada en la curvatura. La estructura espacial tiene una superficie completamente plana, como los tejados de muchos edificios. Sin embargo, bajo ese tejado de aspecto plano hay una red tridimensional de elementos interconectados. Estos elementos trabajan juntos y distribuyen la carga de forma más sistemática para aumentar la resistencia de los armazones espaciales. Su diseño es muy sencillo. Por eso se suelen utilizar en espacios que no requieren cubiertas curvas o decorativas.

Estructura de armazón espacial para bóveda de 2 cañones

Un armazón de bóveda de cañón es un tipo de armazón con un tejado curvado en una dirección. Tiene el aspecto de un medio cilindro o un túnel. El techo exterior es curvo y no liso. Esta curvatura transporta la carga de forma más eficiente en distancias largas. En realidad, cuando la fuerza golpea la estructura, no cae directamente hacia abajo en un solo lugar. En su lugar, la curva guía la fuerza para que fluya de forma natural a lo largo de la forma del arco. Después, se propaga uniformemente hacia los soportes de ambos lados. Además de soportar la carga, esta forma del armazón espacial también tiene un bonito aspecto.

3- Cúpula esférica Estructura de armazón espacial

Una estructura espacial en forma de cúpula esférica es una estructura espacial totalmente curvada y de forma redonda. Cuando se mira, parece una cúpula o la mitad de una pelota. Dentro de esta cúpula, hay una red de miembros conectados en 3D. Este diseño hace que la estructura espacial parezca más moderna y eficiente. Cuando una carga cae sobre la cúpula, no se queda en un punto. La fuerza se propaga en todas direcciones por la superficie de la cúpula. Este suave flujo de fuerza reduce la presión sobre un único punto. Esta distribución hace que la estructura espacial sea muy estable, resistente y duradera.

Ventajas de las estructuras de armazón espacial

Desde el siglo XX, las estructuras espaciales se han convertido en la opción preferida para los edificios modernos. La razón radica en su estabilidad, diseño ligero y aspecto atractivo. Pero eso no es todo. Hablemos de otras ventajas que distinguen a las estructuras espaciales.

1- Grandes espacios sin columnas

En un edificio normal, se ve que varias columnas y vigas sostienen el tejado. Sin embargo, a menudo bloquean el espacio, reducen la flexibilidad y dificultan el paso. Pero en los armazones espaciales, la carga se reparte entre toda la red tridimensional de miembros. No depende de unas pocas columnas. Esto significa que la zona interior permanece abierta y libre para que la gente camine libremente y aparque.

2- Estructura ligera

No cabe duda de que las estructuras espaciales son muy resistentes. Pero, curiosamente, también son ligeras. Esto se debe a que utilizan miembros pequeños e interconectados en lugar de vigas pesadas y paredes gruesas. Además, su diseño es muy eficiente. Estos armazones tienen una geometría especial (sobre todo triángulos) para conseguir estabilidad. Esta geometría reduce el peso total del edificio.

3- Alta resistencia

Otra ventaja de los bastidores espaciales es su excelente resistencia gracias a su disposición única en 3D. En este caso, cada pequeño miembro comparte la carga con los demás, por lo que ninguna pieza soporta demasiada presión. Además, la forma triangular también contribuye a la resistencia. Los triángulos no cambian de forma fácilmente bajo la fuerza, por lo que mantienen la estabilidad estructural.

4- Aspecto atractivo

Además de por su durabilidad, los bastidores espaciales también son conocidos por su aspecto único y atractivo. Sus patrones geométricos crean un diseño limpio y técnico. A los arquitectos modernos les encanta este diseño. Además, estas estructuras espaciales no se limitan a una sola forma. Puede elegir entre estructuras planas, curvas o en forma de cúpula para que su espacio resulte más llamativo.

5- Construcción rápida

La rapidez de construcción es otra de las grandes ventajas de las estructuras espaciales. En realidad, se construyen con piezas prefabricadas. Esto significa que la mayoría de los componentes se fabrican en fábricas y luego se llevan al emplazamiento para su montaje. En el montaje, sólo hay que unir las piezas para dar la forma final al armazón. Esta prefabricación ahorra mucho tiempo y dinero en comparación con la construcción tradicional.

6- Buena resistencia a terremotos y desastres naturales

Por último, las estructuras espaciales también son útiles para resistir terremotos y otras catástrofes. Durante un terremoto, los edificios tiemblan constantemente y pueden derrumbarse en condiciones graves. Pero en las estructuras espaciales, la fuerza no se concentra en una sola zona. El sistema flexible de las estructuras espaciales absorbe y distribuye la energía sísmica. Esto ayuda a mantener el edificio estable en regiones propensas a terremotos.

Algunas aplicaciones comunes de las estructuras de armazón espacial

Debido a su amplia gama de ventajas, las estructuras espaciales se han convertido en una necesidad en varios sectores. Analicemos las áreas más comunes en las que estas estructuras funcionan realmente.

1- Aeropuertos y estadios

Los principales usuarios de las estructuras espaciales son los aeropuertos y los estadios. Son lugares que necesitan grandes espacios abiertos para que la gente se mueva libremente sin obstáculos. Por eso, en los aeropuertos, los armazones espaciales se utilizan para los techos de las terminales donde los pasajeros esperan, pasean y facturan. La estructura permite una zona amplia y despejada sin muchas columnas que bloqueen el movimiento.

2- Centros comerciales

Los centros comerciales también utilizan estructuras espaciales porque requieren interiores amplios y abiertos. Estos edificios suelen tener amplios vestíbulos, pasillos y atrios centrales. Para satisfacer esta necesidad, las estructuras espaciales crean techos abiertos que dan a los centros comerciales una sensación de modernidad y amplitud.

3- Centros de exposiciones

Los recintos feriales necesitan grandes espacios en los que se puedan organizar fácilmente eventos, exposiciones y muestras comerciales. ¿Verdad? Las estructuras Space Frame son la elección perfecta para este fin. ¿Por qué? Porque proporcionan pabellones sin columnas. Cuando no hay columnas, los organizadores pueden diseñar libremente los diseños y colocar stands y escenarios.

4- Edificios industriales

La utilización de estructuras de armazón espacial también es habitual en fábricas, almacenes y naves industriales. Estos espacios suelen necesitar una gran superficie para las máquinas, el almacenamiento y el movimiento de mercancías. Las estructuras espaciales proporcionan esta cobertura sin columnas que puedan bloquear las operaciones.

5- Estaciones de ferrocarril

Por último, los ferrocarriles también utilizan armazones espaciales para los techos de los andenes y las zonas de espera. Como es sabido, estas zonas deben ser amplias y cómodas para los pasajeros. Se trata de estructuras espaciales que proporcionan una gran superficie donde los pasajeros están protegidos de la intemperie.

Conclusión

Hoy en día, en los edificios modernos se trata de crear solidez con apariencia. Atrás quedaron los días en que se utilizaban estructuras de hormigón y grandes pilares para construir grandes edificios. Ahora hay estructuras espaciales que son ligeras, bonitas y fuertes al mismo tiempo. Estos armazones tienen piezas pequeñas conectadas entre sí para repartir uniformemente la carga.

Así no hay riesgo de concentrar la fuerza en un solo punto de la estructura, lo que la debilitaría. Pero la carga se distribuye uniformemente y se organiza, ayudando al edificio a mantenerse estable. Pero recuerda que estos armazones espaciales no son siempre iguales. En cambio, varían según la capa y la forma del tejado. Así que puede elegir el que mejor se adapte a las necesidades de su proyecto.