Recientemente, científicos del Instituto Tecnológico de Skolkovo y la Universidad de Granada han logrado un importante avance en investigación arquitectónica: han descubierto un método para ahorrar materiales de construcción y tiempo en el diseño de cúpulas con superficies corrugadas y onduladas. El estudio se publicó en la revista Engineering Structures.

En el campo de la arquitectura, la economía y la estética a menudo se consideran difíciles de conciliar. La gente suele sacrificar la forma original por el ahorro de costos, o perseguir la belleza mediante soluciones complejas y costosas que no son necesariamente estructuralmente razonables. La primera autora del estudio, Anastasia Moskalyeva, ingeniera del Centro de Tecnologías de Materiales del Instituto Tecnológico de Skolkovo y graduada del programa de posgrado en Matemáticas y Mecánica de la institución, declaró: “Hemos demostrado que la estética y la economía no son mutuamente excluyentes; una estructura puede ser expresiva, estable y fácil de fabricar”.

Si cuatro columnas o cuatro paredes están cubiertas por una carcasa curva (como una cúpula o bóveda), la rigidez inherente de esta estructura es mayor que la de una placa rectangular plana. Si la resistencia es insuficiente, usualmente se puede engrosar toda la zona de la cúpula o agregar costillas de refuerzo localmente. Previamente, un grupo de investigación de la Universidad Politécnica de Skolkovo y la Universidad de Granada optimizó la configuración de las costillas de refuerzo para mejorar las carcasas diseñadas con el método de densidad de fuerza.

En este nuevo estudio, los investigadores utilizaron el método de densidad de fuerza para diseñar la geometría de carcasas onduladas o plegadas. Su resistencia aumentada no proviene del grosor del material o las costillas de refuerzo, sino de la curvatura de la superficie misma. Moskalyeva explicó: “Exploramos cómo patrones geométricos especiales (que llamamos patrones q) pueden mejorar la resistencia de carcasas arquitectónicas como cúpulas y bóvedas. Para aumentar la elasticidad de la carcasa, proponemos un nuevo método: usar un patrón de distribución de carga predeterminado para dar forma a la carcasa, ‘cosiendo’ costillas, ondas o pliegues en la estructura; estos pliegues hacen que la carcasa sea más ‘rígida’, con menos flexión o deformación bajo carga”.

Los investigadores calcularon la estabilidad de cúpulas onduladas con cinco geometrías plegadas, cubriendo casos de soporte en cuatro puntos superpuestos o contornos de cuatro paredes rectas. Los resultados muestran que, cuando se soporta en contornos de pared, existe una forma de cúpula ondulada con la mayor estabilidad; cuando se soporta en columnas, también hay una forma óptima de estabilidad. Además, se identificó un caso excepcional de diseño que pierde estabilidad bajo la carga mínima, independientemente del tipo de soporte.

Moskalyeva afirmó: “Nuestro trabajo amplía el alcance de aplicación de las carcasas plegadas en la arquitectura. Comparado con el engrosamiento continuo de superficies, esto libera la creatividad de los arquitectos, ahorra recursos computacionales y materiales de construcción. Al mismo tiempo, simplifica el diseño y el proceso de fabricación de estructuras. Fabricar cúpulas onduladas en metal, hormigón armado o plástico es mucho más fácil que agregar costillas de refuerzo a la carcasa. Dependiendo del material, agregar costillas puede requerir soldadura, fijación mecánica u otras operaciones adicionales, aumentando la intensidad laboral y los costos de producción. En cambio, este método permite completar la carcasa en un paso, como mediante moldeo o vertido, ahorrando materiales, reduciendo costos de proyectos y acelerando el ritmo”.

El estudio utilizó una versión mejorada del método de densidad de fuerza, desarrollada específicamente para diseñar carcasas plegadas con patrones q, especialmente adecuada para calcular estructuras hechas de materiales isotrópicos. En el modelado numérico y análisis de elementos finitos, se usó acero como material con propiedades mecánicas estables. Sin embargo, el método no se limita al acero y es aplicable a hormigón armado, plásticos y otros materiales isotrópicos. Las carcasas de plástico pueden usarse en formas arquitectónicas pequeñas como pabellones, pérgolas y toldos, mientras que las estructuras de acero curvadas son adecuadas para estructuras técnicas que almacenan líquidos como combustible. Los científicos indican que el método también se aplica a materiales compuestos, incluyendo plásticos reforzados, pero requiere considerar propiedades anisotrópicas y construir modelos numéricos más detallados.