Superficies corrugadas. La geometría ondulada hace que una cúpula sea más fuerte que una estructura análoga de espesor idéntico con una forma más simple y sin pliegues. Esto crea una oportunidad para conservar los materiales de construcción y simultáneamente dar más rienda suelta a la imaginación del arquitecto. Crédito: Anastasiia Moskaleva/estructuras de ingeniería; Modificado por Nicolas Posunko/Skoltech PR.
Investigadores de Skoltech y la Universidad de Granada han encontrado una manera de acelerar el diseño arquitectónico de bóvedas y cúpulas con patrones ondulados, al tiempo que conservan materiales de construcción. Al extender la aplicabilidad de una técnica conocida como el método de densidad de fuerza a esta nueva clase de objetos curvilíneos, llamadas superficies corrugadas, el equipo ofrece a los arquitectos una forma de desatar la creatividad y, por la misma token, mantenga el presupuesto bajo control. El estudio salió en la revista Estructuras de ingeniería.
“En la arquitectura, ahorrar recursos y maximizar la estética a menudo se consideran dos posibilidades mutuamente excluyentes. Desde este punto de vista, se economiza al optar por formas más primitivas y expresa su creatividad al elegir soluciones más estructuralmente involucradas y costosas, que no están necesariamente justificadas en términos de integridad estructural general.
“Mostramos que el atractivo visual y la economía no necesitan estar en conflicto. Una estructura puede ser interesante de ver, estable y fácil de fabricar”, dijo el autor principal del estudio, Anastasiia moskaleva de Skoltech Materials, que posee un Ph.D. en matemáticas y mecánica de Skoltech.
Cuando cuatro paredes o cuatro columnas están cubiertas por una superficie curva, es decir, una bóveda o una cúpula, la forma en sí hace que la estructura sea más fuerte que una losa rectangular plana de concreto. Esa superficie se puede fortalecer aún más haciéndola más gruesa o ajustándola con costillas rígidas, barras adicionales de material que engrosan la superficie en puntos estratégicos. Anteriormente, las configuraciones de costillas optimizadas del equipo Skoltech-University of Granada para fortalecer las carcasas curvas que diseñó a través del método de densidad de fuerza.
En su nuevo estudio, los investigadores adaptan ese mismo método al diseño de superficies onduladas o corrugadas, cuya fuerza no proviene de las costillas de endurecimiento o el material adicional sino de la geometría curva de la carcasa misma.
“En este documento, estudiamos cómo las plantillas geométricas que llamamos Patrones Q pueden reforzar las conchas que sirven como bóvedas y cúpulas en la arquitectura”, dijo Moskaleva. “Proponemos un nuevo enfoque para hacer que las conchas sean más estables. Es decir, la cubierta se forma con un patrón de distribución de carga preestablecida, que fusiona las costillas, las ondas o se pliega en la estructura. La curvatura adicional fortalece la superficie, lo que lo hace menos propenso al pandeo y la deformación cuando se carga”.
Cinco geometrías de superficie ondulada aplicadas a cúpulas se colocan sobre un contorno de cuatro paredes rectas (fila superior) y un conjunto de cuatro columnas que sirven como soportes de punto (fila inferior). Las formas en circulación en verde y rojo demostraron ser particularmente estables e inestables, respectivamente. Crédito: Anastasiia Moskaleva/estructuras de ingeniería; Modificado por Nicolas Posunko/Skoltech PR.
Los investigadores calcularon la estabilidad de las cúpulas con cinco geometrías de pliegue diferentes, cada una para el caso de un contorno de cuatro paredes o un conjunto de cuatro columnas que sirven como soporte subyacente. Investigaciones anteriores habían identificado la pérdida de estabilidad como el modo de falla más común más común para tales estructuras.
Los cálculos administrados por el equipo destacaron las formas corrugadas del domo que eran la cubierta más estable para cuatro paredes y para cuatro columnas, con diferentes geometrías que salían mejor dependiendo del tipo de soporte utilizado. Uno de los cinco patrones investigados resultó inferior en términos de estabilidad, independientemente de los apoyos subyacentes.
“Nuestros hallazgos pueden ampliar la aplicabilidad de las superficies plegadas en la arquitectura. Damos más libertad al arquitecto y los recursos computacionales de repuesto y los materiales de construcción, en comparación con la adición de material en toda la superficie”, dijo Moskaleva.
“Además, la simplificación se aplica no solo al diseño de las estructuras, sino también a su fabricación. Es más fácil y más barato hacer una superficie intrínsecamente curvada a partir de metal, concreto o incluso plástico en el caso de estructuras en miniatura, en lugar de ajustar una estructura de plantilla básica con rígidas rígidas, que requieren un rigor mecánico, que se requerirán con la plantilla o otros manipulaciones adicionales. Fabricación de la plantilla en la plantilla de rigidez, que se requerirán con la plantilla de rastreo o la plantilla de la plantilla, que se rastrean, que rastrean, que se encuentran a la plantilla de la plantación, que se encuentran en la plantilla, de la plantilla, en el ritmo de la plantilla, en el ritmo de la plantilla, en el ritmo de la plantación, en el ritmo de la plantilla. reduce los costos y acelera la construcción “.
El estudio se basó en una versión modificada del método de densidad de fuerza, adaptada al diseño de superficies corrugadas utilizando los patrón Q, que reflejan la distribución de fuerza dentro de la estructura. El enfoque utilizado es particularmente adecuado para estructuras hechas de materiales isotrópicos, aquellas cuyas propiedades siguen siendo las mismas cuando se prueban en diferentes direcciones. Uno de esos materiales, Steel, se presumió en el modelado numérico y el análisis de elementos finales administrados por el equipo en este último estudio.
Dicho esto, el método no se limita al acero. Funcionaría con concreto, plástico y otros materiales isotrópicos. Las conchas de plástico son una opción para la arquitectura en miniatura: cenadores, toldos, pabellones. Las superficies curvas de acero son útiles para estructuras industriales, por ejemplo, para el almacenamiento de combustible u otros líquidos.
Los investigadores creen que su método podría incluso adaptarse a materiales compuestos, incluidos los plásticos reforzados con fibra, pero eso requeriría un modelo numérico más detallado para explicar la anisotropía de estos materiales.
Más información: Anastasiia Moskaleva et al, el impacto de la fuerza: patrones de relación de longitud en la resistencia al pandeo de las estructuras de la carcasa, las estructuras de ingeniería (2025). Doi: 10.1016/j.engstruct.2025.120037
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo
Cita: Curved Geometry ofrece a los arquitectos diseños llamativos y ahorros de materiales (2025, 26 de junio) Recuperado el 26 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-geometry-architects-material.html
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