Estructuras Membrenaceas

INTRODUCCION

Las membranas son estructuras que conforman una superficie en el espacio, con espesor mínimo. Dicho del modo más sencillo, las membranas son superficies materiales, los objetos que más se aproximan materialmente a una superficie geométrica.

Las membranas trabajan sólo mediante esfuerzos en las direcciones tangentes a su superficie media. Estos esfuerzos, de compresión o tracción, son los esfuerzos de membrana.

En sentido estricto, las membranas son las que trabajan a tracción, puesto que, dado su mínimo espesor, carecen de rigidez a flexión. La compresión es un esfuerzo que va asociado a dicha rigidez y así las estructuras que, en paralelo, admiten tal esfuerzo son las láminas. Las láminas son superficies materiales de espesor pequeño pero no mínimo, con cierta rigidez, donde normalmente aparecen flexiones junto con los esfuerzos de membrana.

OBJETIVOS

• Analizar las distintas estructuras membranáceas existentes y también sus funciones estructurales.

• Comprender la importancia arquitectónica de este tipo de estructuras.

• Considerar la geometría como parte importante para el diseño de estas estructuras.

• Aplicar a la Ingeniería Civil las estructuras membranáceas para conocer los esfuerzos que resisten.

• Conocer estructuras membranáceas tanto a nivel nacional como a nivel internacional.

ESTRUCTURAS MEMBRANÁCEAS

Estas estructuras se caracterizan por su gran ligereza y versatilidad de despliegue, con todo lo que ello lleva consigo. Hasta hoy se han empleado en aplicaciones de arquitectura (cubiertas, sobre todo) y en ingeniería civil (presas inflables de poca altura, por ejemplo). Normalmente se pretensan antes de entrar en servicio, para que adquieran cierta rigidez (como mínimo, se da un pretensado de montaje, tensándolas algo para desplegarlas sin arrugas).

Las membranas abiertas (con bordes) requieren elementos externos que equilibren sus esfuerzos, cerrando el conjunto, o que los transmitan al terreno. Las membranas cerradas aprovechan el efecto neumático, equilibrando los esfuerzos por la continuidad de la estructura y la presión interna de un fluido (por la cual se produce el pretensado).

En cierto modo, puede decirse que una membrana es pura geometría. En efecto, las implicaciones de la geometría alcanzan aquí su máximo grado, influyendo de modo especial en la respuesta de la estructura, pero también en ciertas acciones sobre la misma (cargas de viento); además de afectar a otros factores no estrictamente estructurales, pero no menos importantes, como su funcionalidad o su impacto visual. Así pues, en las membranas se da la interacción de muchos factores a través de la geometría.

Sometidas a cargas más allá de las asociadas a su propio despliegue (peso propio, pretensado, viento y, eventualmente, nieve), con miras a extender sus aplicaciones en el campo de la ingeniería civil, concretamente a las pasarelas de peatones.

El paso a estructuras portantes como las indicadas implica, con respecto a las no portantes, esfuerzos mayores. Ello no solo ocurre por los efectos de las cargas de uso de tales estructuras, sino porque requieren mayor pretensado para mantener la rigidez. Pero, aparte del salto cuantitativo en esfuerzos, ese paso significa dar al mismo tiempo un salto cualitativo.

• ASPECTOS GENERALES DE LAS MEMBRANAS

Es bien sabido que, para una cierta distribución de cargas, no toda superficie en el espacio corresponde a una membrana. Sólo son membranas aquella cuya forma permite equilibrar tales cargas con esfuerzos de membrana. Esto implica que el cálculo de membranas siempre lleva asociado de algún modo un problema de búsqueda de forma. Por otra parte, las membranas funcionan, frente a cargas normales a su superficie, gracias a su curvatura, la cual permite equilibrar dichas cargas con esfuerzos de membrana. Esto ya da idea de la importancia que tiene la existencia de curvatura, pero aún se aprecia mejor considerando el caso límite de una membrana plana.

Las cubiertas de membranas pretensadas están definidas por membranas translúcidas, tendidas entre puntos firmes. Algunos autores las llaman cáscaras blandas.

Es necesario conferirles rigidez, para evitar que salgan de servicio ante las variaciones de cargas, porque son soluciones estructurales livianas y flexibles, que se encuadran dentro de las que resisten por tracción, con posibilidad de adaptar su forma al funicular de las cargas externas. Es decir, las características físicas del material de membrana son las que, finalmente, deben guiar el proceso de definición formal de los elementos de superficie.

Antecesoras de las cubiertas de membranas pretensadas son las cubiertas de membranas tensadas, que son antiquísimas, tan antiguas como el primitivo hombre nómada. Es interesante hacer una breve revisión histórica, a los efectos de entender cómo evolucionó el diseño desde las tiendas hasta llegar a las actuales cubiertas de membranas pretensadas, es decir, de descubrir su evolución formal y simultáneamente, los aspectos técnicos particulares.

• HISTORIA SOBRE LOS INICIOS DE LAS ESTRUCTURAS MEMBRANÁCEAS

Las primeras pruebas convincentes de que el hombre empleó tiendas, según Frei Otto, nos las aportan las excavaciones de campamentos que datan de 30.000 años. En las culturas primitivas más elevadas encontramos amplias descripciones y sobre todo muchas representaciones precisas de su apariencia formal.

En Siberia, cerca de Irkutsk, se hicieron excavaciones con hallazgos que determinaron que los cazadores del Paleolítico, en las tundras, durante la época glacial, hace unos 20.000 años, utilizaban tiendas cónicas parecidas a las empleadas hasta épocas recientes por los tipis, indios norteamericanos, que son cónicas, con mástiles dispuestos circularmente, enterrados en el suelo y unidos por la punta con una cuerda con nudos especiales, Representaciones procedentes de los pueblos que habitaron la Mesopotamia indican que sus tiendas debieron ser formas de refinada perfección en sus dos modalidades:

• Tienda redonda con un solo mástil central

• Tienda alargada con dos mástiles

• En relieves que representan las campañas guerreras de Senaquerib (705-681 a.C.) se reconoce claramente el diseño de las tiendas, con apoyos de barras de madera y piel tensada sobre ellos. Representaciones egipcias de una tienda real las muestran como las describió Ptolomeo (275 a.C.), con mástiles de cedro y capiteles de palmera, sosteniendo géneros tejidos en telares, probablemente de fibras de lino. Estas tiendas, donde se realizaban fiestas, tenían cerca de 8200 m². Las tiendas militares romanas, representadas en un relieve de la columna de Marco (siglo II), de Roma, y campamentos de tiendas de legionarios romanos en la columna de Trajano (siglo I), de Roma, eran de lonas tensadas sostenidas por barras de madera. Las mas pequeñas, para la tropa, eran de piel y se conservan aun algunas partes de ellas. Los esquimales (S XVIII), durante el verano usaban tiendas cónicas de piel de foca, sostenidas por un armazón de barras y el borde sujeto por piedras. Se observa, entonces, que en un principio las membranas que cerraban los espacios fueron pieles apoyadas sobre leños, al tipo de las actuales tiendas de los indios norteamericanos y, más adelante, las telas sustituyeron a las pieles. El uso de las telas permitió llegar a superficies cubiertas relativamente grandes. La más antigua de las que se tienen noticias, de grandes dimensiones.

• TECNOLOGÍA DE PASARELAS CON ESTRUCTURA DE MEMBRANA

Esta tecnología traslada a las pasarelas las ventajas de las estructuras de membrana. En este sentido, ya se ha citado la ligereza, con todo lo que lleva consigo estructural, constructiva e incluso ambientalmente (bajo peso propio; facilidad de montaje y desmontaje; mínimo impacto; posible reutilización). Pero también merecen ser destacadas las enormes posibilidades estéticas y ambientales (gran aptitud de encaje visual en su entorno, jugando con los múltiples factores que permite una superficie en el espacio: formas, sombras, contornos, texturas, colores, etc.); y, en fin, el factor de su propia originalidad y novedad con respecto a lo existente.

En estas aplicaciones, por supuesto, la membrana se ajusta a las condiciones generales, ya citadas, de que la superficie que conforma posee doble curvatura y curvatura de Gauss negativa. Por otro lado, como se sabe, por su función la membrana debe tener pendientes limitadas en la zona de paso; lo que hace que sea rebajada.

En cuanto a los materiales de la membrana, ésta se confecciona con tejidos estructurales de fibras de alta resistencia (con revestimiento superficial) o con materiales compuestos en forma laminar

...