En la arquitectura y la ingeniería estructural , un marco de espacio o estructura espacial o estructura reticular es una celosía , ligero y rígido, construido a partir de puntales interconectados en una geométrico patrón .
Las estructuras espaciales se pueden utilizar para cubrir grandes áreas con poco apoyo interior. Como la viga , la estructura espacial es fuerte debido a la rigidez inherente del triángulo; Las fuerzas de flexión (momentos de flexión) se transmiten como fuerzas de tracción y compresión a lo largo de cada pata.
Alexander Graham Bell desarrolló entre 1898 y 1908 estructuras espaciales basadas en geometría tetraédrica. Buscó utilizarlos para construir marcos rígidos para ingeniería náutica y aeronáutica, siendo la viga tetraédrica uno de sus inventos. El D Dr. Ing. Max Mengeringhausen desarrolló el sistema de rejilla espacial llamado MERO (acrónimo de ME ngeringhausen RO hrbauweise ) en 1943 en Alemania, iniciando así el uso de haces espaciales en arquitectura. El método comúnmente utilizado une miembros tubulares individuales a los nodos (en forma de bola). Stéphane du Château en Francia inventó el sistema SDC tridireccional (1957), el sistema Unibat (1959) y Pyramitec (1960). Se ha desarrollado un método de soporte de árbol para reemplazar las columnas individuales. Buckminster Fuller patentó el haz de octetos en 1961, centrándose en estructuras arquitectónicas .
Las estructuras espaciales generalmente se diseñan utilizando una matriz de rigidez. Su principal característica en una estructura arquitectónica es ser independiente de los ángulos. Si las juntas son lo suficientemente rígidas, se pueden despreciar las desviaciones angulares, lo que simplifica los cálculos.
La forma más simple de la estructura espacial es una losa horizontal de pirámides cuadradas y tetraedros construidos con tubos de aluminio o puntales de acero . Parece el brazo horizontal de una grúa torre repetido muchas veces para hacerlo más ancho. Una forma más fuerte se compone de un conjunto de tetraedros en el que todos los puntales tienen una sola longitud. Es una matriz de vector isotrópico, o un haz de celosía de bytes de ancho de una sola unidad. Las variaciones más complejas cambian la longitud de las patas para doblar toda la estructura o incorporar otras formas geométricas.
Podemos encontrar tres sistemas de estructura espacial claramente diferentes:
Clasificación por curvatura
Clasificación por disposición de elementos
Otros ejemplos de estructura espacial:
Estructuras neumáticas
En las que la membrana de cierre está bajo presión, la estructura se puede considerar en este grupo.
Las estructuras espaciales son comunes en la construcción de edificios modernos; a menudo se encuentran en edificios comerciales e industriales modernistas con grandes techos.
Ejemplos de edificios basados en estructuras espaciales:
Los grandes escenarios portátiles y pórticos de luz también se construyen a menudo a partir de estructuras espaciales y haces de bytes.
Los aviones CAC CA-6 Wackett y Yeoman YA-1 Cropmaster 250R se construyeron utilizando aproximadamente el mismo fuselaje de tubo de acero soldado.
CochesLas estructuras espaciales se utilizan a veces en el chasis de automóviles y motocicletas . En el chasis de estructura espacial y el chasis de estructura de tubo, la suspensión, el motor y los paneles de la carrocería están unidos al esqueleto del tubo y los paneles de la carrocería tienen poca o ninguna función estructural. Por el contrario, en un diseño unibody , el cuerpo es una parte integral de la estructura.
Los marcos de marco tubular son anteriores a los marcos de marco espacial y son un desarrollo de los primeros marcos de escalera. La ventaja de utilizar tubos en lugar de secciones cuadradas o rectangulares es que son más resistentes a las fuerzas de torsión . Algunos marcos de tubo eran poco más que un marco de escalera hecho con dos tubos de gran diámetro, o incluso un solo tubo como marco central . Aunque muchos marcos tubulares fueron reforzados con otros tubos e incluso fueron descritos como "marcos espaciales", su diseño rara vez se hizo como un marco de marco espacial y se comportan mecánicamente como un marco de escalera, con soportes adicionales para conectar la suspensión, el motor, etc. Lo que distingue al verdadero chasis de estructura espacial es que todas las fuerzas en cada pierna están en tensión o en compresión , pero nunca en flexión. Aunque algunos de estos tubos soportan cargas adicionales, rara vez se han diagonalizado en un marco con una estructura espacial rígida.
El primer chasis de verdadera estructura espacial fue producido en la década de 1930 por diseñadores como Buckminster Fuller y William Bushnell Stout (el Dymaxion y el Stout Scarab ) que entendieron la teoría del verdadero chasis de estructura espacial, a partir de la arquitectura o del dibujo de un avión.
El primer coche de carreras que intentó un chasis de bastidor espacial fue el Cisitalia D46 de 1946. Utilizaba dos tubos de pequeño diámetro a cada lado, espaciados verticalmente por pequeños tubos y, por lo tanto, no eran diagonales en ningún plano. Un año después, Porsche creó el Type 360 para Cisitalia . Debido a que incluía tubos diagonales, se puede considerar el primer chasis de bastidor espacial verdadero en un automóvil.
El Maserati Tipo 61, 1959 (BirdCage) a menudo se considera el primer marco del coche de la estructura espacial, pero en 1949, el D r Robert Eberan-Eberhorst diseñó el Jowett Júpiter, presentado en la feria de Londres en 1949 y ganador de una clase de victoria en el 24 Horas de Le Mans en 1950. Más tarde, pequeños fabricantes de automóviles británicos desarrollaron el concepto TVR produciendo una carrocería de aleación de dos plazas sobre un chasis multitubular, que apareció en 1949.
Colin Chapman de Lotus presentó su primer automóvil de "producción", el Mark VI, en 1952. Fue influenciado por el chasis Jaguar C-Type , con cuatro tubos de dos diámetros diferentes, separados por tubos más estrechos. Chapman redujo el diámetro del tubo para los Lotos más ligeros, pero no redujo los tubos más pequeños, quizás porque lo consideró frágil para los compradores. Aunque se describe ampliamente como un chasis con estructura espacial, Lotus no construyó un verdadero chasis con estructura espacial hasta el Mark VIII, con la influencia de otros diseñadores con experiencia en la industria de la aviación.
Otros ejemplos notables de automóviles que tienen un chasis de estructura espacial incluyen el Audi R8 , Ferrari 360 , Lamborghini Gallardo , Mercedes-Benz SLS AMG , Pontiac Fiero y Saturn S-Series .
Una gran cantidad de carros en kit utilizan la construcción de estructura espacial porque la fabricación en pequeñas cantidades solo requiere plantillas simples y económicas , y es relativamente fácil para un diseñador aficionado lograr una buena rigidez con una estructura espacial. Estos marcos suelen estar soldados con MIG , aunque los más caros suelen utilizar soldaduras TIG , un proceso más lento y más especializado. Muchos se parecen al Lotus Mark VII, otros se parecen a las réplicas de AC Cobra o los superdeportivos italianos, y algunos son creaciones originales a diferencia de cualquier otro vehículo. A menudo, los diseñadores hicieron un esfuerzo considerable para producir un verdadero chasis estructurado espacialmente con todos los puntos de carga principales establecidos en 3 dimensiones, lo que resultó en resistencias y rigidez comparables o superiores a las de los automóviles de producción. Los otros son marcos de tubos y no verdaderas estructuras espaciales, ya que utilizan tubos de diámetro relativamente grande, a menudo curvados, que soportan cargas variables, pero permanecen suficientemente rígidos debido a su gran diámetro. Sin embargo, algunos diseños de menor calidad no son verdaderas estructuras espaciales porque los tubos soportan cargas de flexión considerables. Esto resultará en una gran flexión debido a las fuerzas dinámicas y, en última instancia , en la fractura por fatiga , un mecanismo de falla que es poco común en una estructura espacial real correctamente diseñada. La reducción de la rigidez también afectará negativamente al manejo.
Una desventaja del chasis estructurado en espacio es que encierra gran parte del volumen del automóvil y dificulta el acceso al conductor y al motor. Algunos marcos espaciales se han diseñado con secciones extraíbles, unidas por juntas atornilladas. Esa estructura ya se había utilizado alrededor del motor del Lotus Mark III. Si bien es un pequeño inconveniente, una ventaja del chasis estructurado en espacio es que la misma falta de fuerzas de flexión en los tubos que permiten modelarlo como un truss también significa que esta parte extraíble no reducirá la resistencia del chasis ensamblado.
Motos y bicicletasLa motocicleta italiana Ducati hace un uso extensivo del chasis tubular en sus modelos.
También se utilizaron estructuras espaciales para bicicletas , como las diseñadas por Alex Moulton .