Aplicaciones de las propiedades auxéticas en la arquitectura

Resumen

Los materiales auxéticos son un tipo especial de materiales que tienen un coeficiente de Poisson negativo: ellos engordan cuando son estirados y adelgazan cuando son comprimidos. El comportamiento auxético es una propiedad independiente de la escala, la cual puede ser lograda a diferentes niveles estructurales, desde el nivel molecular al macroscópico. La estructura interna del material (geometría) juega un papel importante en la obtención del efecto auxético. Debido al coeficiente de Poisson negativo, los materiales auxéticos demuestran una serie de características particulares cuando se comparan con materiales convencionales. En los últimos años, gran variedad de materiales auxéticos han sido diseñados y fabricados para diversas aplicaciones, pero no en arquitectura ni al nivel escalar que esta necesita. Un gran número de referencias sobre las geometrías auxéticas y sus aplicaciones han sido encontradas durante el trabajo de investigación. Estas referencias se han agrupado por su generación geométrica en siete grupos (Yanping Liu & Hong Hu, 2010): estructuras reentrantes, quirales, unidades rotatorias, capas angulares laminadas, moléculas duras, polímeros microporosos y polímeros líquidos cristalinos. Estos materiales tienen interesante propiedades de cortante, comportamientos de indentación, tenacidad a la fractura, curvatura sinclástica, absorción de energía y permeabilidad variable. Además, se han presentado arquitecturas basadas en principios de la naturaleza en los últimos años. Parece que las geometrías de la naturaleza están presentes en algunas arquitecturas, lo que recuerda algunas de las citas de las primeras páginas. Robert Le Ricolais, Darcy Thomson, Ray Kurzweil, Yushang Zhang y otros, Neri Oxman, Kahn, Matsys... son sólo algunos de estos casos. Tomemos, por ejemplo, los estudios desarrollados por este último: utilizó los fundamentos estructurales de las geometrías de la naturaleza para lograr una mejora en sus diseños. Invocó el funcionalismo biológico para apoyar el concepto de que el peso ligero es una medida real de la eficacia estructural. Algunos arquitectos predijeron una nueva arquitectura con nuevas cualidades: revolucionaria, elástica, ligera, expansible, activa, móvil y dinámica. Es una arquitectura desplegable o transformable. Así, identificaron las características más importantes de las estructuras desplegables y transformables. Un paso importante se logró al encontrar varios ejemplos de prototipos y arquitecturas desplegables y transformables que se aplicaron a la arquitectura y la ingeniería. Algunos autores en este campo son Fuller, Piñero, Moore, Zeigler y algunos otros que recientemente han estado interesados en este tipo de estructuras. Pero la arquitectura desplegable o transformable tiene que ser estabilizada. Se ha estudiado un importante desarrollo en tensegrities en relación con la arquitectura desplegable y transformable. Las propuestas podrían servir como una ilustración de la viabilidad de la tensegridad como una estructura ligera para cubrir grandes luces, puentear distancias más cortas o apoyar infraestructuras ligeras. Por supuesto, una investigación estructural mucho más detallada sería necesaria, pero al menos la idea presupuesta de la tensegridad como un sistema inaplicable ha sido refutada. Todas estas estructuras necesitan un desarrollo constructivo. Las articulaciones son lo más importante para resolver el mecanismo empleado. Los nudos de las estructuras han sido objeto de patentes desde 1950. Se ha establecido una clasificación para entender su funcionamiento, en la que se han estudiado los nudos articulados y los nudos corredizos. Estos casos son para estructuras desplegables o transformables. Después comienza el trabajo de analizar geométricamente todas y cada una de las 22 estructuras auxéticas que se han diseñado teniendo en cuenta los patrones auxéticos estudiados previamente. Cuatro tipologías de sistemas auxéticos han sido desarrolladas atendiendo a su formación, que incluyen el patrón individual, estructuras 2D, estructuras 3D y estructuras tipo torre. Para todas las estructuras desarrolladas se ha analizado la relación entre la cantidad de material usado y la superficie o volumen conseguido, según estemos analizando estructuras en 2 o 3 dimensiones. Para ello se ha contabilizado la longitud total de barras usadas en la construcción de cada estructura, como analogía a la cantidad de material, ya que para conocer esas cantidades de dicho material en unidades de masa tendríamos que definir secciones concretas de barras y materiales concretos. En este estudio se ha buscado un comportamiento general, por lo que la longitud identifica perfectamente esos elementos lineales usados. La relación entre el área (A) o el volumen (V) con la longitud (L) ha dado una relación (K) entre dichas unidades, ayudándonos a comprender los valores de crecimiento de estas estructuras tan particulares. El área de cada figura corresponde al cuadrado, circunferencia o polígono (según corresponda) donde se inscribe la figura; y el volumen corresponde al cubo o cilindro que contiene la estructura. De la división y la resta de Kmáx y Kmín se obtienen unos factores de crecimiento FC (:) y FC (-) de cada estructura. Después del estudio desarrollado, para las estructuras estudiadas se ha hecho una nueva clasificación en función de sus articulaciones. De este modo tendríamos: 1. Articulaciones en un solo plano de varias barras. 2. Articulaciones en el espacio, con confluencia de tres o más barras. 3. Articulaciones en un solo plano uniendo el vértice de un polígono con el final de una barra. 4. Articulaciones en el espacio uniendo el vértice de un polígono con el final de una barra. 5. Articulaciones en un solo plano uniendo vértices de polígonos. 6. Articulaciones en el espacio uniendo vértices de polígonos. Además, se ha desarrollado un estudio estructural en el que se concluye que esta estructura trabaja correctamente para las tensiones y las cargas propuestas. Dentro de este estudio estructural se presentan varios casos de estudio en inglés (secciones 3.3.2.4. Estructura auxética con nudos articulados y tendón interno: cálculo manual, 3.3.3.2. Estructura auxética individual reentrante hexatruss de hormigón y 3.3.3.3. Estructura auxética conjunto reentrante hexatruss de hormigón), que junto con las conclusiones y el resumen también en inglés, avalan la tesis como internacional. La deformación es considerada como una característica útil e importante de estas estructuras auxéticas, que las diferencia del modo de trabajar de las estructuras tradicionales. Las deformaciones que se generan en estructuras auxéticas son mayores que en estructuras tradicionales, pero los valores aptos de esfuerzos constructivos están en el mismo orden para ambos tipos de estructuras. Por tanto, es una nueva posibilidad para explorar dentro del campo de la arquitectura. Ya que estamos hablando de arquitecturas dinámicas con capacidad de transformación, se pretende ampliar la configuración homotética de una estructura mediante la apertura de los nudos, por lo que es muy importante el diseño de la geometría de dichos nudos, ya que aunque la geometría de las fuerzas en la articulación sea igual a cero y esté controlada, no ocurre lo mismo con la deformación, y las excentricidades en el nudo colapsarían la estructura. De este modo, lo último que se ha hecho para finalizar el trabajo, ha sido definir con claridad la geometría de la estructura, para después poder buscar una solución de deformación angular, para conseguir transformaciones geométricas que sean estables al final, y donde la propia forma establezca el equilibrio. Como finalidad se persigue un cambio en el concepto estructural, debido a una mejor tracción (la sección aumenta), y unas nuevas propiedades en la compresión (mayor resistencia y cambios para las estructuras secundarias). Por tanto, las relaciones de equilibrio son diferentes a las habituales. Obtenemos un desarrollo específico en función del crecimiento de la forma, ya que son estructuras desplegables con una dimensión de orden: el límite puede ser desde una línea hasta una estructura 2D o desde un punto hasta una estructura 3D. Esto implica una relación de transparencia en función del crecimiento de la estructura, ya que es una forma variable. Además, debido a su plegabilidad podemos conseguir estructuras “prefabricadas”, que gracias a su buen transporte nos permitirán alcanzar estructuras mayores. Incluso podemos tener memoria de forma.