láminas de celosía: innovación tecnológica y prefabricación

La unión entre diferentes elementos estructurales es una problemática común a todo tipo de estructuras metálicas, ya que si bien es posible producir las ba-rras que componen el entramado de forma industria-lizada y precisa, es a la hora de ensamblar éstas entre sí logrando que transmitan adecuadamente los es-fuerzos entre sí cuando surgen importantes aspectos a resolver.

En el caso específico de las láminas de celosía se afronta, además, la complejidad añadida de que dicha unión implica la acometida de múltiples elementos estructurales, habitualmente seis, en diferentes direc-ciones del espacio que, por la propia naturaleza de las superficies curvas, hacen prácticamente imposi-ble lograr la uniformidad de los parámetros geomé-tricos locales de los distintos nodos de la retícula.

La superación de esta problemática ha sido una lu-cha constante desde que ya a finales del siglo XIX los ingenieros alemanes A. Föppl y J. Schwelder formula-ran sus primeras teorías sobre el comportamiento y análisis de las superficies curvas formadas por entra-mados metálicos (Kurrer 2008). Con esta finalidad, las estrategias empleadas en el diseño y fabricación de los sistemas empleados en su construcción ha evoluciona-do notablemente a lo largo de la segunda mitad del si-glo XX, de forma paralela a la vertiginosa evolución tecnológica que tiene lugar en esta época, especial-mente en lo que se refiere a las tecnologías de automa-tización de los procesos de fabricación.

La intención de este texto es, mediante el análisis paralelo de, por una parte, la evolución de las men-

cionadas tecnologías de automatización y, por otra, de una serie de ejemplos paradigmáticos en la evolu-ción de las láminas de celosía a lo largo de la segun-da mitad del siglo XX, establecer la relación especí-fica existente entre la aparición e implantación de una serie de innovaciones tecnológicas y su impacto en la evolución formal y constructiva de las láminas metálicas de celosía.

LAS TECNOLOGÍAS DE MASS-PRODUCTION Y LA BÚSQUEDA DEL CONECTOR UNIVERSAL

La problemática del ensamblaje en un mismo punto del espacio de varios elementos estructurales fue ya afrontada por los pioneros de esta tipología estructu-ral, como el propio J. Schwelder en las cúpulas pro-yectadas para la cobertura de gasómetros (figura 1) (Kurrer 2008), o por el ruso V. Shukhov quien, para la construcción de varios hiperboloides mediante en-tramados metálicos triangulados, propuso un sistema basado en el solapamiento de barras rectas que poste-riormente se unían mediante roblonado (Azpilicueta 2011). Este concepto es similar al empleado poste-riormente por F. Lederer en la cúpula construida en 1958 en Brno, aunque empleando unas bridas metáli-cas para su sujeción provisional y una unión definiti-va mediante soldadura (Makowski 1968). No obstan-te, este tipo de uniones planteaba un importante inconveniente, que es la excentricidad de los esfuer-zos en la unión.

Láminas de celosía: innovación tecnológica y prefabricación

Raúl González Bravo

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En la superación de este inconveniente, probable-mente el primer sistema concebido para ensamblar los diferentes elementos en un mismo punto, median-te un elemento específico o conector es el diseñado para la construcción de la armadura de la cúpula del planetario Zeiss en Jena, obra de W. Bauersfeld. Aun-que esta estructura se construye en hormigón arma-do, su armadura emplea una serie de barras unidas por unos conectores idénticos que, mediante atorni-llado y presión, unen las distintas barras (Rühle y Müther 1988). No obstante, el hecho de requerir un importante número de barras diferentes penalizaba de forma importante su economía de fabricación (Kurrer 2008).

En todo caso es a partir de la década de 1950 cuando comienzan a surgir diversos sistemas, descri-tos a continuación, que tratan de lograr la prefabrica-ción de este tipo de estructuras mediante el empleo de componentes idénticos en su construcción.1

Tecnologías de fundición: el sistema SDC

En 1958 el ingeniero francés S. du Chateau diseña el sistema que lleva sus iniciales para la construcción de la cúpula de la sala de turbinas de la central eléc-trica de Grandval (Francia). Este sistema estaba basa-do en el empleo de un nudo que constaba de dos cas-quetes de acero (figura 2) que, unidos entre sí, conformaban un conector hueco con forma de estre-lla (du Chateau 1963).

El diseño del conector permite alojar las barras, de sección circular hueca, todas ellas de la misma longi-tud y sin tratamientos específicos en sus extremos, en su interior y, posteriormente, realizar la unión me-diante la soldadura perimetral entre las barras y el nudo. Todo ello hace posible la principal virtud de este sistema: la posibilidad de regular tanto la longi-tud de las barras como su ángulo de acometida en los distintos encuentros, mediante su deslizamiento y/o giro en el interior del nudo (figura 3) (du Chateau 1984), permitiendo por tanto que este sistema pudie-se emplearse para la construcción de un entramado cuyos nodos presentaban una gran dispersión en sus parámetros geométricos locales, como es el caso de Grandval, aunque también fue empleado en la cons-trucción de bóvedas cilíndricas.2

Figura 1Proyecto de J.W. Schwelder, en 1973, para la construcción de una cúpula de un gasómetro en Berlín. (Kurrer 2008)

Figura 2Imagen de los componentes del sistema SDC previos a su empleo en la estructura. (du Chateau 1984)

Figura 3Sección del nudo SDC, en la que se aprecia la posibilidad de deslizar y girar las barras en el interior del nudo. (du Chateau 1963)


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Extrusión y estampación: el sistema Triodetic

En la misma época, la empresa canadiense Fentiman&Sons, especializada en la fabricación de componentes de aluminio para diversos usos, desa-rrolla y patenta el sistema Triodetic, consistente en un conector cilíndrico de aluminio que disponía de una serie de ranuras dentadas en las que se desliza-ban los extremos de las barras del mismo material, con unos extremos adaptados a dicha forma (figura 4). La conexión se completaba mediante unas aran-delas del mismo diámetro del conector, fijadas me-diante un perno y dos tuercas para evitar el desliza-miento incontrolado de las barras (Fentiman 1963).

Los nudos se producían mediante un procedimiento de extrusión, de manera que con la sustitución de la coquilla era posible, para nudos del mismo diámetro, realizar variaciones en los ángulos de las ranuras de forma relativamente sencilla, aún con procedimientos no automatizados. Por otra parte, la conformación me-diante estampación de los extremos de las barras hacía posible la adaptación de los ángulos de conformación de forma manual sin penalizar excesivamente la eco-nomía del proceso de fabricación (Fentiman 1967).

La posibilidad del sistema para adaptar sus com-ponentes a diversos parámetros geométricos locales

para una misma estructura hizo posible su aplicación en la construcción no sólo de bóvedas, sino también de cúpulas de entramado triangular de rotación (figu-ra 5), pero también geodésicas, ya que ambas subdi-visiones de la esfera resultan en un número limitado de parámetros geométricos locales variables en los nodos (Makowski 1984).

LAS TECNOLOGÍAS DE CONTROL NUMÉRICO Y LA AUTOMATIZACIÓN FLEXIBLE

Mientras diversos diseñadores y empresas centraban sus esfuerzos en el desarrollo de sistemas constructi-vos basados en el empleo de componentes idénticos o con ligeras variaciones en los mismos, debido a la necesidad de su producción masiva y repetida en la búsqueda de la economía, tenía lugar, a partir de la década de 1950, el inicio de la denominada como Tercera Revolución Industrial.

A finales de los años 40 J.T. Parsons concibe un sistema para desplazar la mesa de trabajo de una fre-sadora mediante coordenadas numéricas, obteniendo en 1949 un contrato con la Fuerza Aérea de los Esta-dos Unidos [USAAF] para su desarrollo por parte de la empresa Parsons Corporation y el Massachusetts Insitute of Technology [MIT], en lo que puede consi-derarse como el origen del control numérico. El pri-mer prototipo de máquina dirigida por esta tecnolo-gía se construye en el MIT en el año 1952, consistente en una fresadora con tres ejes de movi-

Figura 4Perspectiva del sistema Triodetic. (Elliot 1984)

Figura 5Cúpula de 43m de luz para la cubierta del Jardín Botánico de Vancouver, construida en 1970 empleando el sistema Triodetic. (Elliot 1984)


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miento para la mecanización frontal de chapa de alu-minio (Kalpakjian y Schmid 2014; Groover 2014).

Como complemento a esta tecnología comienzan a surgir avances como el APT o automatic program-med tools, a partir de 1957 (Ross 1978), y, ya en la década de 1960, los procedimientos de control de las máquinas mediante ordenadores, siendo en una pri-mera etapa remotos y, cuando su abaratamiento lo hizo posible, ya dedicados específicamente al control de una determinada máquina, popularizando así la tecnología conocida como CNC o control numérico computerizado (Groover 2014).

De forma paralela al desarrollo de la tecnología de control numérico, en los años 60 la USAAF y el MIT comienzan a desarrollar la tecología del dibujo asisti-do por ordenador o CAD, sumándose a esa carrera las empresas más importantes del sector automovilís-tico y aeronáutico, propiciando la aparición de los primeros sistemas comerciales a finales de esta déca-da (Chang, Wysk y Wang 2006), permitiendo la defi-nición gráfica precisa de diversas formas geométri-cas, aspecto éste también esencial en la prefabricación de componentes estructurales (Tsuboi et al. 1984).

La automatización de conectores variables: el sistema Mero KK

Aprovechando estas nuevas posibilidades surgidas gracias al desarrollo tecnológico de la industria, y basándose en su conocido nudo poliédrico presenta-do en 1940, el ingeniero alemán Max Mengeringhau-sen diseña y patenta en el año 1974 el sistema deno-minado Mero KK [del alemán Kügelknoten o nudo esférico]. Este sistema, a diferencia de su predecesor, caracterizado por permitir la conexión de un gran nú-mero de barras pero en un número limitado de ángu-los, hacía posible la unión de una serie de barras en distintas direcciones del espacio. Para ello el sistema Mero KK empleaba un conector de forma esférica truncada, presentando una serie de caras planas y ta-ladros orientados en diversas direcciones del espacio (figura 6), adaptándose por tanto a los ángulos espe-cíficos de las diferentes barras a ensamblar.

Con la finalidad de hacer viable su fabricación, y además del propio conector, Mengerinhausen patenta una máquina dirigida mediante tres ejes de control numérico. Los dos primeros ejes, de rotación, permi-

tían orientar la esfera en cualquier dirección del es-pacio y un tercero, de traslación, estaba encargado de aproximar frontalmente sobre la esfera la herramien-ta de fresado, taladrado o roscado (figura 7), y pro-ducir así las diferentes caras y taladros roscados (Mengeringahusen 1974).

Figura 6Esquema del nudo empleado por el sistema Mero KK. (Mengeringhausen 1974)

Figura 7Máquina patentada para la fabricación automatizada, con parámetros geométricos variables, del nudo Mero KK. (Mengeringhausen 1974)



Esta posibilidad de producir de forma automatiza-da conectores adaptados a parámetros geométricos locales variables supone toda una revolución en la construcción de mallas espaciales, no sólo de lámi-nas de entramado, sino también de mallas espaciales curvas de doble capa. Este sistema se empleó, entre otras, en la construcción de numerosas cúpulas geo-désicas (figura 8) a finales de la década de 1970 y principios de 1980.

No obstante, respecto a sistemas anteriores basa-dos en la producción masiva y repetida de compo-nentes, la fabricación de los conectores empleados por el sistema Mero KK implicaban, debido a este proceso de retirada de material, fresado y taladrado, implica necesariamente un cierto desperdicio de ma-terial.

EXPANSIÓN DE LAS POSIBILIDADES DE LAS TECNOLOGÍAS DE CAD-CAM

Los primeros desarrollos de la tecnología CAD, des-crita en el apartado anterior, no pasaban de ser edito-res gráficos con posibilidades muy básicas de repre-sentación bi-dimensional, pero la invención del

modelado de sólidos en los años 70 marca una nueva era, en la que se desarrolla el vínculo entre el soft-ware de representación y el de control numérico, ha-ciendo así posible la transferencia directa de datos entre el proceso de diseño y de fabricación, tecnolo-gía conocida como CAD-CAM y que se extiende como práctica habitual en la industria a partir de fi-nales de esta década (Chang, Wysk y Wang 2006).

Otra innovación relevante surgida en la década de 1980 es la introducción de ejes de control adiciona-les a las máquinas dirigidas por control numérico, ya que las máquinas con 3 ejes de control plantea-ban unas posibilidades limitadas de aproximación de la herramienta a la pieza a mecanizar. Si bien esta nueva tipología de maquinaria, conocida como de 5 ejes o multi-eje, ya se había desarrollado de forma experimental desde los inicios del control nu-mérico, su funcionamiento implicaba una mayor di-ficultad de control y un coste económico notable-mente superior por lo que este tipo de maquinaria, capaz de producir casi cualquier geometría imagi-nable en una pieza, no comienza a estar disponible, de forma generalizada, ya hacia 1985, limitándose hasta entonces casi exclusivamente a la industria aeronáutica (Apro 2008; Herrin 1995; Kalpakjian y Schmid 2014).

De forma similar al manejo de maquinaria me-diante control numérico, la robótica industrial, que también comienza su andadura a partir de 1950, ex-perimenta en esta misma época una importante ex-pansión, gracias asimismo a la posibilidad de dotar a los robots de múltiples ejes de control y, por tanto, de la posibilidad de orientar las herramientas en casi cualquier dirección del espacio (Groover 2014).

Además, como evolución de los sistemas de CAD, en esta misma década tiene lugar el desarrollo de otra tecnología relevante en el desarrollo de las es-tructuras laminares metálicas: la representación grá-fica o modelación de superficies de curvaturas com-plejas. Este desarrollo nace del trabajo, iniciado en 1960, del matemático francés Pierre Bézier para la empresa automovilística Renault, adquirido a media-dos de los años 70 por la aeronáutica Dassault Avia-tion para emplearla como complemento de sus siste-mas de CAD-CAM. Comienza entonces el desarrollo de un modelador tridimensional para la creación de superficies que concluye, en 1981, con la comerciali-zación del programa informático CATIA (Weisberg 2008).

Figura 8Cúpula geodésica para un invernadero en el Jardín Botánico de la Universidad Heinrich Heine, Düsseldorf. (Eberlein 1984)


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La aplicación de la robótica a la fabricación de elementos estructurales: la cubierta del Gran Patio del Museo Británico

En 1994 el estudio de arquitectura Foster&Partners, junto con la ingeniería Buro Happold, comienzan a desarrollar el proyecto para la rehabilitación del Mu-seo Británico, que incluía, como una de sus principa-les estrategias y aportaciones, la cobertura de su pa-tio central o Gran Patio. En la búsqueda de la máxima ligereza y transparencia la cubierta de este espacio se materializa como una lámina de celosía, que no responde a una superficie cilíndrica o esféri-ca, sino a lo que se conoce como una superficie de forma libre, con una absoluta variabilidad en los pa-rámetros geométricos locales a lo largo de todos los nodos de la malla (figura 9).

Para superar esta limitación, la empresa austriaca Waagner-Biro, encargada de la construcción de la es-tructura, desarrolla un sistema específico que emplea unos conectores, en forma de estrella, que reciben los extremos de las barras en sus espacios cóncavos para su posterior unión mediante soldadura. Estos nudos, como novedad, se fabrican mediante el corte plano (figura 10), dirigido por control numérico, de chapa gruesa de acero, permitiendo así la producción indi-

vidualizada de nudos adaptados a los distintos ángu-los de orientación de las barras, que se unen al nudo mediante un cordón continuo de soldadura (Sischka et al. 2001).

Pero es en la conformación de los extremos de las barras donde este sistema plantea su principal inno-

Figura 9Imagen de la superficie de la cubierta de la cubierta del Gran Patio del Museo Británico (autor).

Figura 10Fabricación de los conectores mediante corte de chapa de acero. (Sischka et al. 2001)

Figura 11Conformación individualizada de los extremos de las barras mediante corte robotizado de los mismos. (Sischka et al. 2001)



vación: éstos se adaptan, individualmente, mediante el corte robotizado de sus extremos (figura 11). La posibilidad que ofrece el brazo del robot de orientar-se en cualquier dirección del espacio permite adaptar cada una de las barras tanto a diferentes ángulos de orientación, como de inclinación y alabeo (Sischka et al. 2001).

Al igual que sucede con el sistema Mero KK, este procedimiento de fabricación implica, necesariamen-te, un grado de desperdicio de material en su fabrica-ción más significativo que en el caso anterior, aun-que esta innovación en su diseño y fabricación hicieron posible no sólo la construcción una superfi-cie tremendamente compleja de forma prefabricada y precisa, sino además la materialización de una celo-sía casi homogénea, donde la presencia visual de los conectores es prácticamente imperceptible (figura 12), especialmente si se compara con los ejemplos anteriores construidos mediante los sistemas SDC, Triodetic o Mero KK.

La escultura como estructura y como componente: la cubierta del atrio de la sede del DZ Bank en Berlín

De forma casi simultánea al ejemplo anterior, el ar-quitecto Frank Gehry comienza a proyectar en 1996 la construcción de la nueva sede del DZ Bank en

Berlín, para cuyo atrio propone la construcción de una cubierta acristalada concebida no sólo como una mera envolvente, sino como un elemento de gran po-tencia formal y escultórica que proporcione identidad a dicho espacio (figura 13), en cuyo desarrollo cola-bora con la ingeniería alemana schlaich, bergermann und partner [SBP].

Esta cubierta, que como en el caso anterior res-ponde a una superficie de forma libre, se construye mediante un sistema diseñado específicamente por los ingenieros de SBP. Este sistema consta de unos elementos estructurales de sección rectangular maci-za, rematados en sus extremos mediante dos placas en sus caras superior e inferior, y de unos conectores también con forma de estrella pero, en este caso, que reciben los extremos de las barras en sus elementos salientes para su ensamblaje mediante el empleo de tornillos pretensados (figura 14).

Para poder fabricar cada uno de los nudos con los parámetros geométricos locales específicos requeri-dos en cada caso se empleó como componente inicial un disco de acero de 70mm de espesor, cortado me-diante una máquina dirigida por control numérico, que proporcionaba los distintos ángulos de orienta-ción de los salientes. Posteriormente esta estrella se

Figura 12Imagen del conector empleado en la construcción de la cu-bierta. (Stephan, Sánchez-Álvarez y Knebel 2004)

Figura 13Imagen interior del atrio del DZ Bank, en la que se puede apreciar la gran complejidad formal de la superficie de cu-bierta. (Schlaich, Schober y Helbig 2001)


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sometía a un proceso de fresado y taladrado median-te empleando una máquina dirigida por control nu-mérico con 5 ejes de movimiento (Schlaich, Schober

y Helbig 2001), lo que supone un importante salto cualitativo respecto a sistemas anteriores como el Mero KK.

Este procedimiento permitía esculpir a medida cada uno de los nudos (figura 15) que, si bien pre-sentan todos ellos una morfología similar, están adaptados individualmente a los diferentes ángulos de orientación, inclinación y alabeo que necesita cada conector para poder adaptar la retícula a una su-perficie tan compleja como la diseñada.

Este procedimiento, como sucede en el ejemplo anterior, implica de manera obvia un significativo desperdicio de material pero también supone el logro de una malla con una forma tremendamente comple-ja y con una continuidad visual casi absoluta que, además, permitía un proceso constructivo aún más eficiente al emplear uniones atornilladas.

CONCLUSIONES

La relación entre la evolución tecnológica y la inno-vación de las técnicas constructivas es un hecho in-negable, aplicable no sólo a la tipología estructural aquí abordada, sino a cualquier sistema o procedi-miento empleado en la construcción arquitectónica.

No obstante, del estudio de los casos aquí descri-tos y de su comparación con la evolución histórica de las tecnologías de automatización de los proce-sos de fabricación, puede establecerse que existe una clara e inequívoca relación entre una serie de hitos en el desarrollo de nuevas tecnologías, espe-cialmente las ligadas a los procedimientos de con-trol numérico para dirigir máquinas herramientas de fresado y taladrado, y la posibilidad de construir lá-minas de entramado con formas no limitadas a su-perficies desarrollables.

Más concretamente, posibilidad de controlar, nu-méricamente, máquinas de fresado de 3 ejes de con-trol habría hecho posible el empleo de conectores prefabricados y uniones atornilladas para la cons-trucción de cúpulas geodésicas de forma absoluta-mente precisa y adaptada a las ligeras variaciones que esta subdivisión geométrica implica en los nodos de la retícula.

Por otro lado, el desarrollo de programas informá-ticos de modelado de superficies complejas, unido a la disponibilidad comercial de máquinas y robots, di-rigidos por ordenador, con 5 o más ejes de control, al

Figura 14Imagen del nudo de la estructura. (Schlaich, Schober y Hel-big 2001)

Figura 15Proceso de fresado del nudo mediante maquinaria de 5 ejes de control. (Schlaich, Schober y Helbig 2001)



lograr la automatización de la fabricación de compo-nentes de idéntica morfología pero con parámetros geométricos diferenciados,3 habría permitido la cons-trucción de superficies sin ningún tipo de restricción en cuanto a su tipo de curvatura u homogeneidad de la misma.

Más aún, la posibilidad de esculpir a medida los conectores y los extremos de los elementos estructu-rales no sólo ha hecho viable la libertad de la forma de la superficie, sino que también ha hecho posible la materialización de entramados de una homogenei-dad visual casi absoluta, como expresión estética de la continuidad de la superficie.

NOTAS

1. La búsqueda de la eficiencia y la economía, en esta época, pasa necesariamente por el empleo de un núme-ro reducido de componentes diferentes en la construc-ción de la estructura (Tsuboi et al. 1984).

2. Se denominan parámetros geométricos locales los dis-tintos ángulos de orientación, inclinación y alabeo que forman las barras en su encuentro en los nodos de la malla, así como la longitud éstas (Stephan, Sánchez-Álvarez y Knebel 2004). Desde el punto de vista de la repetición de elementos idénticos, las bóvedas cilíndri-cas, al ser desarrollables, permiten la racionalización de las mismas y su subdivisión geométrica mediante elementos idénticos (Makowski 1968).

3. Debe tenerse en cuenta que sistemas como el Mero KK son susceptibles, en lo que se refiere a la posibilidad de conformación individualizada de sus componentes, de ser empleados en la construcción de superficies de for-ma libre, aunque la capacidad de la unión de transmitir esfuerzos de flexión es prácticamente nula, aspecto im-portante en este tipo de superficies (Martínez 2010). Conectores como los desarrollados por Waagner-Biro, SBP u otros posteriores, como los diseñados por la pro-pia empresa Mero o la española Lanik solventan este inconveniente de diversas formas.

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