Josep Ignasi de Llorens Duran, Dr. Arquitecto
1. Introducción
Las estructuras de membrana son las más ligeras y que requieren menos material de todas las estructuras disponibles. Las membranas tienen muy poco espesor y solamente resisten a la tracción, lo que condiciona considerablemente su diseño. Requieren estructuras de soporte que pueden ser mástiles, arcos o pórticos sometidos a compresión/cortante/flexión. Puede ilustrarse con los ejemplos de las figuras 1 y 2. La figura 1 representa la cubierta textil de una calle que recurre solamente a los mástiles comprimidos de soporte, es decir, prescinde de la flexión (pesa 10 kp/m2). En cambio, la figura 2 representa la cubierta textil de un estadio apoyada sobre una estructura metálica en celosía que requiere mucho más material y deja la membrana en segundo plano. El resultado final no es una estructura de membrana sino una estructura metálica cubierta que ¡pesa más de 100 kp/m2!
La diferencia afecta, no solamente al aspecto, sino que también afecta al aprovechamiento de los materiales, el consumo y la eficiencia estructural. Otros ejemplos históricos son los de la yurta (figura 3), que es una estructura de madera forrada y la jaima (figura 4), que es una membrana estructural a tracción.
2. El proceso de diseño
Algunos aspectos del diseño de las estructuras de membrana no se pueden abordar con los métodos de las estructuras rígidas. Se trata de la obtención de la forma, que ha de ser funicular y ha de estar en equilibrio, el análisis estructural, que ha de integrar todos los elementos de la estructura conjuntamente incluyendo el efecto de las deformaciones, y el patronaje que es la descomposición de las superficies alabeadas en facetas planas.
La obtención de la forma
Las formas de las estructuras de membrana no son flexibles ni «libres» en absoluto porque tienen que satisfacer en cada punto de la superficie las condiciones de equilibrio recurriendo solamente ala tracción, el pretensado y la curvatura. Es destacable la paradoja que supone el que las estructuras ligeras flexibles tengan sus formas tan condicionadas (figura 5) en contraposición a las estructuras rígidas pesadas (figura 6), que admiten formas cualesquiera tipo F.Gehry o Z.Hadid.
Para materializar una forma arbitraria o «libre» que no satisfaga las condiciones de equilibrio ni la funicularidad, hay que materializarla mediante un entramado rígido resistente a la flexión y colmatarlo finalmente con una membrana para darle el aspecto deseado. Son los casos del pabellón de la BMW en Frankfurt (figuras 7 y 8) o de la «Nuvola» en Roma (figura 9).
El análisis estructural
En el cálculo influye mucho la acción del viento, que es la más relevante. Sin embargo la normativa vigente no contempla las estructuras de membrana y su aplicación resulta desfavorable, por lo que conviene acudir al análisis CFD o al ensayo en el túnel de viento.
Otro aspecto influyente del análisis estructural es la consideración conjunta de la membrana y de los elementos de soporte. Es frecuente que se consideren por separado, es decir, que se calcule por una parte la membrana y, por otra la estructura de soporte aplicándole como cargas las reacciones obtenidas en el cálculo anterior. Es un método que sale muy caro porque prescinde de la interacción, que es muy favorable.
La estructura de soporte
Lo que verdaderamente mejora la eficiencia de la estructura, es su planteamiento conceptual. Se trata en el caso de las estructuras de membrana, de satisfacer sus principios básicos (sólo
tracción, funicularidad, curvatura y pretensado) y evitar la flexión (que sale muy cara) de la estructura de soporte substituyendo los arcos, vigas o pórticos por mástiles flotantes, de manera que los arcos y los pilares interiores desaparezcan a cambio de los mástiles flotantes interiores y de los tirantes exteriores. La figura 10 representa la cubierta del acuario de Almuñécar donde tres pórticos sometidos a flexión (aliviada por el efecto arco y los pilares ramificados) soportan a la membrana atirantada. En cambio, la figura 11 representa la solución radical, que consiste en eliminar totalmente la flexión substituyendo los pórticos por mástiles flotantes y atirantando los pilares con tirantes exteriores para que queden sometidos a la compresión simple.
El patronaje
Parece que el patronaje debiera realizarse minimizando la merma. Sin embargo, como todos los aspectos del diseño, no se puede considerar aisladamente. Hay que tener en cuenta cómo repercute en el comportamiento estructural de la cubierta, su aspecto, transporte y montaje. Las deformaciones de la cubierta varían en función de las direcciones del patronaje de tal modo que la cubierta patroneada en diagonal se deforma menos porque orienta las fibras en las direcciones principales te tensión. Sin embargo, el patroneado paralelo facilita el montaje porque admite más deformación con menos tensión, es decir se adapta más fácilmente a la forma sin arrugarse.
Por otra parte, hay que tener en cuenta que la membrana es translúcida, por lo que las costuras se marcan al trasluz contribuyendo a la percepción de la superficie, que debe coordinarse con la configuración espacial. La figura 12 ilustra un patronaje lineal que mantiene la directriz de la calle que cubre. En la figura 13 el patronaje radial individualiza cada tramo de la cubierta y en la figura 14 los refuerzos puntuales enfatizan los puntos de sujeción.
De la confección en taller también se deriva el tamaño de los lienzos a transportar y colocar. Actualmente se tiende a confeccionar toda la cubierta de una sola pieza, aunque se complique el transporte, porque se facilita mucho la colocación (figura 15). Además, las piezas grandes no necesitan tantos apoyos intermedios, con lo que se equilibran muchas tensiones que no hay que transmitir a la estructura sustentante. Es otra forma de aligerarla.
3. Conclusiones
El aligeramiento de las estructuras y la sostenibilidad no dependen solamente del tipo. Recurrir a una estructura de membrana para una cubierta puede ser resultar poco efectivo si no se proyecta adecuadamente. A veces se opta por la membrana por la supuesta libertad formal que proporciona, que es engañosa ya que su aspecto es diferente, pero no libre. Este malentendido conduce a tramoyas arquitectónicas que requieren una gran cantidad de material. Los procedimientos de cálculo también tienen que ajustarse. Por una parte, está el valor de las cargas de viento (y nieve) sobre superficies curvas, que no son tan fáciles de simplificar como pretende la normativa y por otra, hay que calcular las membranas conjuntamente con las estructuras de soporte para contemplar la interacción. En cuanto las estructuras de soporte, conviene prescindir de elementos a flexión que incrementan mucho el peso propio. Para familiarizarse con las estructuras que prescinden de la flexión, pueden consultarse algunas de las obras realizadas que lo han conseguido (figuras 16 a 21).
