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Las aplicaciones de las estructuras de tensegridad se emplean principalmente en la ingeniería civil y arquitectónica, como estructuras de domos, torres, techos de estadios, estructuras temporales y carpas. La tensegridad, también conocida como integridad de tensión o compresión flotante, involucra principios estructurales para crear sistemas complejos compuestos de elementos solo en compresión o tensión. Específicamente, consiste en cuerdas tensas y barras comprimidas. Las cuerdas son plegables, ligeras y fuertes. Esto deja en claro que las estructuras de tensegridad tienen el potencial de ser livianas, pero fuertes y desplegables. Este término ha sido definido por muchos investigadores de la siguiente manera: “Los sistemas de tensegridad se establecen cuando una serie de componentes de compresión discontinuos interactúan con una serie de componentes de tracción continuos para definir un volumen estable en el espacio”.
Aunque existe una gran cantidad de literatura sobre la geometría y el atractivo arquitectónico de los sistemas estructurales de tensegridad, la dinámica y la mecánica de estas estructuras están menos investigadas. Las razones del concepto de tensegridad, como la estabilización de la tensión, el desarrollo eficiente de la estructura, las propiedades desplegables y fácilmente ajustables, requieren una atención renovada a este concepto.
Tabla de contenido
Ejemplos de estructuras de tensegridad utilizadas en ingeniería civil
Algunos ejemplos se muestran en la siguiente figura.
torre de agujas
El escultor estadounidense Kenneth Snelson diseñó la Torre de la Aguja en Estados Unidos. La escultura alta es una torre cónica hecha de aluminio y acero inoxidable. Por regla general, los tubos de aluminio se empujan y mantienen unidos mediante alambres de acero inoxidable que pasan por los extremos de los tubos.
Estadio Olímpico de Múnich
Estadio Ciudad de la Plata
El concepto de techo patentado Telstar Tensegrity se incorpora al perfil de doble pico y la configuración en planta. Se parece más a una estructura de cúpula de cable que a una estructura de techo tradicional. Snelson realizó los primeros trabajos sobre el diseño de cuadrículas de tensegridad, pero su uso fue limitado.
Aplicaciones de las estructuras de tensegridad
Las aplicaciones de las estructuras de tensegridad son adecuadas para diferentes áreas de la ingeniería civil, tales como:
Estructura de techo usando estructura de tensegridad.
Un ejemplo importante del uso de la tensegridad en la estructura de la cubierta es el estadio de La Plata (Argentina), basado en un concepto premiado desarrollado por el arquitecto Roberto Ferreira. El diseño utiliza el Telstar patentado. Concepto de techo Tensegrity para perfil de pico doble y configuración en planta. Como resultado, se parece más a una estructura de cúpula de cable que a una estructura de techo tradicional. Snelson realizó el primer trabajo sobre el diseño de redes de tensegridad, pero su uso fue limitado. En los últimos años, la atención se ha centrado en el desarrollo de rejillas de tensegridad de dos capas y sistemas de tensegridad plegables. Este tipo de rejilla tiene el potencial más factible en el campo de la construcción de paredes, techos y cubiertas.
Puentes que utilizan estructuras de tensegridad
El diseño de sistemas de doble rejilla ha generado interés en aplicar la tensegridad a la construcción de puentes. Un logro reciente en este sentido es el Puente Kurilpa en Brisbane, Australia. Es el puente de tensegridad más grande del mundo, que se inauguró el día 4.el octubre de 2009
Figura: Puente Kurilpa, Brisbane, Australia
Una construcción de tirantes basada en el principio de la tensegridad crea una sinergia entre los componentes equilibrados de tensión y compresión, lo que da como resultado una estructura ligera increíblemente fuerte. El puente tiene 470 m de largo con un tramo principal de 120 m y cuenta con dos grandes plataformas de observación y plataformas de relajación, dos áreas de descanso y un dosel para todo clima que corre a lo largo del puente. El dosel está soportado por una estructura de tensegridad secundaria. Se estima que se han incorporado al puente 550 toneladas de acero estructural, incluidos 6,8 km de cables en espiral.
estructura inteligente
Las estructuras de ingeniería civil son en su mayoría estáticas. Una de las funciones desafiantes de las estructuras de ingeniería civil es adaptarse activamente a las demandas cambiantes, como las fluctuaciones de carga, las fluctuaciones de temperatura, el anclaje de soporte y la ocurrencia de daños. El concepto de estructuras activas incluye estructuras que contienen elementos estructurales tanto estáticos como activos. Las estructuras adaptativas se definen como estructuras cuyo desempeño está controlado por un sistema compuesto por sensores, actuadores y computadoras que brindan la capacidad de aprender y mejorar su respuesta a entornos cambiantes. Los sistemas con estructuras de tensegridad adquieren el potencial de adaptarse a los cambios ambientales y, por lo tanto, pueden equiparse con sistemas de control activo.
Características básicas de las estructuras de tensegridad.
- Armazón de barra articulada: un grupo estructural de estructuras de tensegridad es una armadura tridimensional articulada.
- Elementos de compresión/tracción pura: Los elementos de compresión y tensión solo participan en estructuras de tensegridad. Un elemento de tensión es un cable que solo soporta tensión.
- Localización de la compresión: las estructuras de tensegridad convencionales tienen elementos de compresión discontinuos. Flotan en una red continua de elementos de tensión.
- Estructuras Pretensadas: La estabilidad estructural se debe a la estabilidad de los mecanismos internos que requieren un estado de pretensado o autotensado.
Estas estructuras se basan en una combinación de varios patrones de diseño. Estos patrones no introducen momentos de flexión en los elementos estructurales. Como producto final, obtiene una estructura muy rígida para la masa y la sección transversal de la pieza. Aquí están las combinaciones de diseño:
- Cargue los miembros con compresión pura o tensión pura únicamente. Esto significa que la estructura solo fallará si los cables ceden o las varillas se pandean.
- precarga o tensión de pretensado. Esto arreglará la tensión en el cable.
- estabilidad mecánica. Esto permite que el elemento permanezca en tensión/compresión a medida que aumenta la tensión en la estructura.
Ventajas de las estructuras de tensegridad
La tensegridad como sistema estructural tiene muchas ventajas sobre los sistemas estructurales tradicionales. Los beneficios ofrecidos se detallan a continuación:
- Estabilización estructural por tracción
- fácilmente ajustable
- Desplegable
- estructura eficiente
- Modelado en el que puede confiar
- realizar múltiples funciones
Estabilización estructural por tracción
Los miembros de tensión, a diferencia de los miembros de compresión, se vuelven más rígidos bajo carga. La rigidez se pierde en los miembros en compresión de dos maneras. A medida que el material se expande durante la carga, aumenta el diámetro de la sección central. Para los miembros de tensión, la sección transversal disminuye cuando se aplica una carga. Debido a la presencia de un momento de flexión, la barra se ablanda con el movimiento de flexión. Aquí la línea de aplicación de la fuerza está alejada del centro de gravedad. La mayoría de los materiales tienen miembros longitudinales cuya resistencia a la tracción es mayor que su resistencia al pandeo (la arena, la mampostería y el hormigón simple son excepciones a esta regla). Por lo tanto, se puede lograr una mayor relación rigidez-masa aumentando el uso de elementos de tracción.
fácilmente ajustable
La estructura de tensegridad es ampliable. Esta técnica permite el ajuste fino de estructuras bajo carga, es decir, pequeños ajustes para el ajuste de estructuras dañadas. Las estructuras diseñadas para permitir el ajuste serán una característica clave de las estructuras mecánicas de próxima generación, incluidas las estructuras de ingeniería civil.
Desplegable
Esta característica de las construcciones de tensegridad brinda beneficios operativos y de portabilidad. Los puentes portátiles o torres de transmisión construidos como estructuras de tensegridad se fabrican en fábricas, se almacenan en camiones o helicópteros en lotes pequeños, se transportan a los sitios de construcción y se despliegan usando solo cabrestantes para la construcción por tensión de cable. Estos ahorran en costos de transporte al reducir la masa requerida o al eliminar los requisitos de mano de obra para la instalación.
estructura eficiente
La eficiencia estructural se ve reforzada por el diseño de masa mínima para un conjunto específico de propiedades de rigidez. La disposición de los miembros longitudinales en un patrón muy inusual para lograr la máxima resistencia con poca masa acentúa la estructura de tensegridad.
Modelado en el que puede confiar
Los miembros estructurales de tensegridad están cargados axialmente. Una característica científica de las estructuras de tensegridad es que mientras la estructura se dobla bajo cargas estáticas externas, ninguno de los miembros individuales experimenta un momento de flexión. Un miembro que se deforma en 2D o 3D es más difícil de modelar que un miembro que se deforma en 1D. Por lo tanto, se espera que un mayor uso de elementos de tracción dé como resultado estructuras más eficientes.
realizar múltiples funciones
Las estructuras de tensegridad realizan múltiples funciones, como miembros estructurales de carga, sensores (medición de tensión o longitud), actuadores (como cables de níquel-titanio), aislamiento y conductores eléctricos. La selección adecuada de materiales y estructuras puede controlar las energías eléctricas, térmicas y mecánicas de los materiales o estructuras.