Para construir una mejor cúpula, mira las alas de libélula
Una nueva investigación indica que algunos de los diseños más antiguos y confiables de la arquitectura se pueden construir aún mejor gracias a la inspiración de los insectos. Según un equipo internacional, algunos de los techos abovedados más resistentes y fiables se pueden construir imitando más fielmente los patrones geométricos semiirregulares que se ven en las alas de las libélulas.
Las cúpulas y las bóvedas han sido elementos arquitectónicos básicos desde la antigua Roma, y por una buena razón: son algunas de las formas más económicas y eficientes de reforzar los edificios y, al mismo tiempo, liberar una gran cantidad de espacio. Sin embargo, durante siglos, la disposición de las nervaduras de refuerzo utilizadas en el refuerzo ha seguido siendo en gran medida la misma. Por lo general, se dividen en una de dos categorías: bóvedas de cañón con artesonados (un arco largo con refuerzos interiores de nervaduras de malla cuadrada) o bóvedas de crucería (nervios que se cruzan en ángulo recto). Sin embargo, recientemente, investigadores de la Universidad de Granada (España) y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo (Skoltech) en Rusia comenzaron a buscar alternativas que podrían ser incluso mejores. Sus resultados se detallan en un estudio publicado en la revista Estructuras de paredes delgadas
Construyendo sobre su trabajo anterior A partir de 2023, el equipo construyó por primera vez cinco diseños de nervaduras de bóveda: artesonados tradicionales y techos cruzados, sus iteraciones matemáticamente mejoradas, y uno biomimético basado en las células geométricas más reconocibles en alas de libélula y caparazones de tortuga. En matemáticas, la versión optimizada de esto es lo que se conoce como diagrama de voronói.
Luego probaron cada opción mediante experimentación física y simulaciones numéricas. Cuando se trataba de soportar una carga central, los diseños topológicamente optimizados ocupaban el primer lugar. Sin embargo, ante tensiones asimétricas, la bóveda de crucería se impuso, seguida de las opciones optimizadas. Sin embargo, lo más sorprendente fue el hecho de que tanto la iteración artesonada como la Voronoi manejaron mejor el cambio entre cargas centralizadas y asimétricas.
“Esto nos impulsó a combinar el patrón Voronoi con el diseño mejor optimizado del experimento de carga vertical con la esperanza de obtener lo mejor de ambos mundos”, dijo Anastasiia Moskaleva, autora principal del estudio y candidata a doctorado en el programa de Matemáticas y Mecánica de Skoltech. en un anuncio adjunto el 10 de octubre. Moskaleva y sus colegas analizaron las estructuras de las alas de las libélulas y descubrieron que sus nervaduras rígidas se pueden clasificar en dos grupos.
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“Está el tipo más rígido que contrarresta la torsión, y luego están las nervaduras más delgadas que aseguran la integridad estructural general del ala. Y pensamos que podríamos reproducir eso en bóvedas”, dijo.
A partir de ahí, los investigadores construyeron un sexto patrón que hibridó la optimización topológica con una mayor restricción en el gasto de material. En este diseño, el 70 por ciento del material se dedicó a las nervaduras primarias, mientras que el equipo utilizó el material restante para rellenar nervaduras secundarias más delgadas que correspondían al patrón Voronoi. En este caso, la bóveda híbrida tipo libélula superó a todos los ejemplos anteriores en todas las métricas.
Si bien esta forma optimizada aparece en proyectos de ingeniería mecánica, como componentes de automóviles y aviones, “rara vez se utiliza en ingeniería civil”, dijo Moskaleva. Esto, argumentó, es una oportunidad perdida para muchos diseños estructurales.
Moskaleva admitió que estas creaciones híbridas pueden ser “bastante complejas y, por lo tanto, difíciles de fabricar”, pero los beneficios a largo plazo superan las complejidades iniciales. Ofreció los estacionamientos como ejemplo de una estructura común del mundo real que podría usar refuerzos inspirados en libélulas.
Una vez estandarizados, dichos componentes “pueden reproducirse bajo demanda [which] a largo plazo dará sus frutos gracias al material conservado”, afirmó Moskaleva. No sólo eso, sino que adoptar estas alternativas no convencionales puede permitir una “mayor libertad creativa” para arquitectos y diseñadores.