Cúpula geodésica

Antecedentes

Una esfera geodésica es una disposición de polígonos que se aproxima a una esfera verdadera. Una cúpula geodésica es una parte de una esfera geodésica. Los edificios o techos se han construido con cúpulas geodésicas que oscilan entre el 5 y el 100% de una esfera. Las cúpulas que se utilizan para las casas suelen ser conjuntos de triángulos que forman tres o cinco octavos de una esfera geodésica.

Las cúpulas geodésicas son estructuras eficientes de varias formas. El triángulo tiene una forma muy estable; por ejemplo, una fuerza aplicada a la esquina de un rectángulo puede deformarlo en un paralelogramo, pero la misma fuerza no deformará un triángulo. Esto hace que los edificios con domo geodésico sean altamente resistentes a fuerzas tales como capas de nieve, terremotos, viento e incluso tornados. El área de superficie de una cúpula geodésica es solo el 38% del área de superficie de un edificio en forma de caja que encierra el mismo espacio de piso. Hay menos superficie expuesta a las fluctuaciones de temperatura exterior, lo que hace que el edificio sea más barato de calentar y enfriar que una estructura rectilínea. Las cúpulas geodésicas se pueden construir rápidamente sin equipo pesado. Usando componentes prefabricados, solo se necesitan unas pocas personas para erigir la cúpula para una casa de 185 metros cuadrados (2,000 pies cuadrados) en 10 horas o menos.

Una cúpula geométrica se sostiene sin necesidad de columnas internas o muros de carga interiores. Esta propiedad hace que estas estructuras sean atractivas para su uso como iglesias, estadios deportivos y salas de exposiciones. El atractivo estético de los techos altos los hace atractivos como hogares, y los pisos del segundo piso, totales o parciales, se suspenden fácilmente a la mitad del cerramiento sin ningún otro soporte que no sea la fijación a la cúpula misma.

Historial

En 1919, buscando una forma de construir un planetario más grande, el ingeniero alemán Walter Bauersfeld decidió montar proyectores móviles dentro de una cúpula estacionaria. Hasta ese momento, las cúpulas de los planetarios giraban mientras la luz externa entraba a través de los orificios de la cúpula para simular estrellas y planetas. Esto limitó el tamaño práctico de la cúpula y la cantidad de personas que podía albergar. El concepto de proyección interior de Bauersfeld funcionaría en una cúpula mucho más grande. El primer modelo construido fue más de la mitad de una esfera; 52 pies (16 m) de diámetro. Bauersfeld resolvió el problema de cómo construir una esfera tan grande aproximándola con un icosaedro (sólido de 20 lados con caras triangulares iguales) y subdividiendo cada cara en triángulos más pequeños. Enmarcó los triángulos con casi 3500 varillas de hierro delgadas. Para construir un caparazón esférico sobre este marco, erigió una forma esférica de madera dentro del marco y roció una mezcla de concreto pastoso. La cáscara fue diseñada para tener el mismo grosor proporcional que la cáscara de un huevo en comparación con su diámetro, una proporción que luego se consideró apropiada para las cúpulas geodésicas.

Treinta años después, R. Buckminster Fuller, arquitecto, ingeniero, poeta y filósofo estadounidense, inventó de forma independiente un sistema estructural similar. Después de la Segunda Guerra Mundial, Fuller quería diseñar viviendas asequibles y eficientes que pudieran construirse rápidamente a partir de componentes producidos en masa. Dispuesto a mirar más allá de los enfoques convencionales, Fuller comenzó a trabajar con formas esféricas porque encierran un espacio dado con un área de superficie mínima. Primero enmarcó esferas con una red de franjas que se aproximan a grandes círculos (círculos en una esfera con centros que coinciden con el centro de la esfera); las tiras formaron triángulos al cruzarse entre sí. Llamó al producto una cúpula geodésica porque los grandes círculos se conocen como geodésicos (de una palabra griega que significa división de la tierra). Finalmente, Fuller comenzó a formar esferas a partir de hexágonos y pentágonos (como los paneles de un balón de fútbol) y a dividirlos en triángulos para mayor resistencia y facilidad de construcción.

En 1953, Fuller utilizó su nuevo sistema para cubrir el patio de 93 pies (28 m) de diámetro rodeado por el edificio de la sede de Ford Motor Company. El edificio no fue diseñado para soportar el gran peso de una cúpula tradicional, pero la creación de Fuller pesaba un 95% menos. Completó el diseño y la construcción en solo tres meses. Un mástil temporal erigido en el centro del patio sostuvo la cúpula durante la construcción, y la estructura se elevó y rotó gradualmente después de la finalización de cada nueva sección. El marco consistía en 12,000 puntales de aluminio que pesaban un total de 3,750 lb (1,700 kg) que se conectaron para formar triángulos y luego se levantaron a su posición y se remacharon al marco en crecimiento. Cuando se completó la cúpula, se bajó suavemente sobre los soportes que se habían instalado en el edificio existente. Se instaló un panel de fibra de vidrio transparente en cada triángulo para completar la cúpula.

En 1954, Fuller recibió una patente sobre domos geodésicos. Durante las décadas de 1960 y 1970, una era en la que se valoraba la no convencionalidad, las cúpulas geométricas se hicieron populares como una forma económica para que las personas conscientes del medio ambiente construyeran sus propios hogares. Las instrucciones estaban ampliamente disponibles, pero la calidad de los materiales (incluidas opciones tan extrañas como el papel maché y latas desechadas) y la habilidad de los constructores de bricolaje eran inconsistentes. Las cúpulas construidas por aficionados tendían a gotear cuando llovía, el uso insuficiente de aislamiento limitaba su eficiencia energética y la cantidad inadecuada de tragaluces dejaba los interiores lúgubres.

Fuller predijo que a mediados de la década de 1980 se construiría un millón de cúpulas geodésicas, pero a principios de la década de 1990, las estimaciones situaron el número mundial entre 50.000 y 300.000. Un pequeño pero persistente contingente de constructores de viviendas no convencionales continúa construyendo casas con domo geodésico, principalmente a partir de kits. Sin embargo, Newsday informó en 1992 que la mayoría de las estructuras de domos geodésicos se han construido para invernaderos, cobertizos de almacenamiento, refugios de defensa y atracciones turísticas. Uno de los más reconocibles es la esfera de 48 m (165 pies) de diámetro en el Centro Epcot de Walt Disney World. Construida con paneles compuestos de plástico de etileno y aluminio en 1982, la estructura alberga una atracción llamada Spaceship Earth, una denominada acuñada por el mismo Fuller.

Materias primas

Las cúpulas geodésicas varían en tamaño desde el campo deportivo Poliedro de Caracas de 460 pies (143 m) en Venezuela hasta refugios temporales de 15 pies (5 m) o menos de diámetro. En consecuencia, los materiales de construcción varían ampliamente. Se pueden construir estructuras móviles simples con tubería de cloruro de polivinilo (PVC) o marcos de conductos de acero galvanizado cubiertos con láminas de plástico o toldos de paracaídas. Se han construido estructuras grandes y permanentes, como estadios y fábricas, con materiales como soportes de marco de aluminio y acero cubiertos con paneles de aluminio, cobre, yeso estructural, acrílico o plexiglás.

La mayoría de los fabricantes de kits de domos residenciales utilizan componentes de madera, principalmente puntales de abeto Douglas secados al horno cubiertos con madera contrachapada de grado exterior o estructural de 0,5 pulgadas (1,3 cm). Dichos kits incluyen varios diseños de conectores para sujetar de forma segura los puntales de madera en la configuración adecuada; El aluminio de alta resistencia o el acero recubierto con zinc, epoxi o imprimación industrial se utilizan comúnmente para los conectores. Los pernos de acero galvanizados aseguran los conectores y los paneles están clavados.

Algunos fabricantes de kits utilizan materiales alternativos para hacer paneles prefabricados que combinan el marco y el revestimiento exterior. Uno, por ejemplo, fabrica paneles de fibra de vidrio moldeados. Otro suministra paneles de hormigón armado; La malla de acero que se extiende desde los bordes del panel se superpone con la malla del panel contiguo y la junta se sella con hormigón.

La mayoría de los kits de domos se construyen sobre losas de cimentación de hormigón. A menudo, estas losas se empotran en el suelo para proporcionar un nivel de sótano. Las paredes de cimentación y las paredes verticales (paredes verticales debajo de la cúpula que se pueden usar para elevar su altura total) generalmente están hechas de concreto o madera. Aislamiento interior en general Construcción de un domo geodésico. consiste en guata de fibra de vidrio o espuma plástica de uretano, celulosa o Icynene rociada.

Diseño

Aunque las casas domo se construyen a partir de kits fabricados, los diseños son flexibles. Hasta la mitad de los triángulos en la fila más baja de la cúpula se pueden quitar sin debilitar la estructura, por lo que las aberturas de puertas y ventanas pueden ser abundantes. Se pueden construir extensiones de paredes verticales a partir de tales aberturas para aumentar el espacio del piso. La cúpula puede asentarse directamente sobre zapatas a nivel del suelo (paredes cortas empotradas en el suelo para soportar el peso del edificio), o puede erigirse sobre una pared vertical de hasta 8 pies (2,5 m) de altura.

Se debe proporcionar espacio entre las paredes interiores y exteriores para acomodar el aislamiento. Algunos fabricantes crean este espacio haciendo los puntales de madera de 4 a 8 pulgadas (10 a 20 cm) de grosor. Otros hacen que este espacio tenga un grosor de 14,5 a 21 pulgadas (37 a 53 cm) mediante el uso de puntales compuestos que consisten en dos tiras de madera unidas con refuerzos de madera contrachapada.

El proceso de fabricación

La siguiente es una combinación de técnicas utilizadas por varias personas que utilizan kits de varios fabricantes.

La subestructura

• 1 Después de limpiar y nivelar el sitio de la casa, se cava una zanja para la base de los cimientos, siguiendo los dibujos detallados proporcionados por el fabricante del kit. La base de la cúpula no es circular; más bien, está delimitado por cinco muros cortos que se alternan con cinco muros largos (el doble de la longitud de los muros cortos). Se colocan formas para las zapatas; A muchos constructores les gusta usar formas permanentes de espuma de poliestireno que no necesitan ser removidas. A continuación, se vierte el hormigón en las formas de las zapatas.
• 2 Se puede usar una capa de arena para nivelar aún más la superficie y proporcionar una base para la losa de cimentación. Las barras de acero de refuerzo se unen en una rejilla y se vierte hormigón para formar la base.
• 3 Los muros de los cimientos se construyen sobre las zapatas, hasta aproximadamente el nivel del suelo. Si lo desea, las paredes verticales (que se proporcionan como parte del kit) se instalan encima de las paredes de los cimientos y se atornillan entre sí.
• 4 Las vigas del piso se instalan colocando tablas de madera de 2x12 (1.5x1.5 pulg. [3.8x29.2]) a 16 pulg. (40 cm) de distancia por encima de los cimientos. Las vigas están clavadas a un marco de madera perimetral y un travesaño de madera. Se colocan láminas de madera contrachapada de 1,9 cm (tres cuartos de pulgada) de espesor sobre las vigas y se clavan en su lugar.

La superestructura

La superestructura generalmente consta de 60 paneles triangulares. Dependiendo del tamaño deseado de la cúpula, los paneles suelen tener de 6 a 10 pies (1,8 a 3 m) de lado. Pueden ser prefabricados con los paneles exteriores instalados, o pueden construirse en el sitio a partir de madera precortada y conectores metálicos.

Si se suministraron paneles de domo con el kit, se colocan sobre los cimientos o las paredes verticales y se conectan entre sí en una secuencia prescrita por el fabricante. Hasta que se conecten suficientes paneles para sostenerse a sí mismos, deben estar reforzados con postes que irradien desde un bloque en el centro del piso. Los siguientes pasos describen el caso más común de montaje del marco seguido de la instalación del panel exterior:

• 5 Las placas base se instalan sobre los cimientos o las paredes verticales. Estas tiras de madera de 10 x 15 cm biseladas con precisión proporcionan una transición entre el borde superior horizontal de las paredes y los triángulos ligeramente inclinados de la tira de paneles inferior de la cúpula.
• 6 Haciendo juego con el código de colores en los puntales de madera y conectores de metal del kit, se forma un triángulo y se fija con pernos. El triángulo se eleva a su posición y se atornilla a la pared y / oa los triángulos adyacentes. Se colocan filas sucesivas de elementos triangulares hasta que la cúpula está completamente formada. Debido a su peso ligero, los triángulos no necesitan refuerzos suplementarios para mantenerlos en su lugar durante la construcción.
• 7 postes de madera están clavados dentro de cada triángulo. Corriendo perpendicularmente a un lado del triángulo, se colocan a unos 40 cm (16 pulgadas) de distancia. Si se usa un número impar de postes, el del centro se asegura contra un bloque perpendicular cerca del vértice del triángulo, en lugar de extenderse hasta el vértice.
• 8 Bordes codificados por colores a juego, los paneles de madera contrachapada se levantan en su posición en el exterior de cada triángulo y se clavan en su lugar. Al trabajar hacia abajo desde la parte superior de la cúpula, el trabajador puede pararse en el marco abierto debajo mientras coloca cada panel.
• 9 Las paredes verticales y los techos están enmarcados para cualquier extensión deseada que se proyecte hacia afuera desde la cúpula. Los paneles de madera contrachapada se clavan en las caras exteriores de las extensiones. Las extensiones de buhardillas también se pueden erigir para ventanas del segundo piso.

Finalizando

• 10 Se instalan ventanas, tragaluces y puertas exteriores.
• 11 El techo se cubre con láminas de goma y se aplica material de techo convencional (como tejas o tejas).
• 12 Se aplica material de revestimiento convencional (como estuco o revestimiento de vinilo) al exterior de las paredes verticales.
• 13 Se coloca aislamiento entre los puntales y los montantes dentro del domo y las paredes de extensión.
• 14 Las paredes están enmarcadas para dividir el interior en habitaciones. Las láminas de paneles de yeso convencionales se cortan de acuerdo con los patrones incluidos en el kit y se clavan en las paredes interiores y las superficies interiores de la cúpula y las paredes verticales. Debido a los muchos ángulos entre las secciones triangulares de la cúpula, los constructores aficionados a menudo contratan a un profesional para pegar con cinta adhesiva las juntas de los paneles de yeso.

Control de calidad

Una estructura de domo geodésico de calidad es hermética y estructuralmente sólida. Estos son los factores que reducen los costes energéticos, la principal consideración a la hora de construir una vivienda geodésica. Debido a que la estructura es básicamente hermética, la condensación a veces puede ser un problema. Normalmente está controlado por el sistema de calefacción y refrigeración, pero cuando la casa ha estado cerrada durante unos días, puede acumularse humedad. Esto se resuelve fácilmente encendiendo el sistema de aire o abriendo una puerta o ventana.

Richard Buckminster Fuller.

Richard Buckminster Fuller nació el 12 de julio de 1895 en Milton, Massachusetts. Entró en la Universidad de Harvard en 1913, pero fue expulsado años después. En 1917, se casó con Anne Hewlett y formó una empresa de construcción. En 1923, Fuller inventó el método de colocación de ladrillos de empalizada:ladrillos con orificios verticales reforzados con hormigón. En 1927 diseñó una casa Dymaxion ensamblada en fábrica, una unidad autónoma suspendida de un mástil central con un sistema de reciclaje completo. Dymaxion era un término que usaba para cualquier cosa que derivara la salida máxima de la entrada mínima. Fuller también diseñó un automóvil Dymaxion, un vehículo omnidireccional que ofrecía una resistencia mínima al viento, en 1928. Este vehículo podía acomodar a 12 personas, hacer giros de 180 °, correr fácilmente a 120 mph (193 kmph) y un promedio de 28 mi / gal (12 km / h). I) pero no era rentable porque los fabricantes de automóviles no lo producirían en masa.

La ruptura financiera de Fuller se produjo en 1940 con su Dymaxion Deployment Unit (DDUj, una unidad de vivienda circular con refrigeración automática con habitaciones de acero corrugado en forma de pastel. Los británicos usaron DDU en la Segunda Guerra Mundial. En 1949, Fuller comenzó a trabajar en geodésicos cúpulas. Solicitó una patente en 1951 y recibió un contrato en 1953 de Ford Motor Company para construir una cúpula sobre el patio de su sede en Detroit. El Departamento de Defensa de EE. UU. se convirtió en el cliente más grande de Fuller, utilizando cúpulas como unidades de vivienda temporal y para proteja el equipo de radar de entornos hostiles.

En el momento de su muerte en 1983, las cúpulas de Fuller se usaban en todo el mundo. En 1985, se descubrió el fullereno. Los fullerenos son átomos de carbono dispuestos en formas esféricas con caras pentagonales y hexagonales, similares a las cúpulas geodésicas. Estas "bolas de bucky" tienen hasta 980 átomos de carbono.

El futuro

Los refinamientos futuros en la construcción de domos geodésicos pueden provenir de materiales de construcción mejorados. Por ejemplo, en 1997, un fabricante de bloques de hormigón desarrolló un bloque triangular hueco, biselado, con bordes marcados que podían enclavarse con los bloques adyacentes. Con la forma adecuada, estos bloques podrían usarse para construir cúpulas.

Otra innovación consiste en diseñar domos basados ​​en una premisa matemática diferente. En una verdadera cúpula geodésica, los bordes de los elementos triangulares se alinean para formar grandes círculos. Aunque no es geodésico, un nuevo diseño patentado en 1989 utiliza hexágonos y pentágonos para formar cúpulas con una sección transversal elíptica. Debido a su derivación matemática, este diseño se llama geotangente.

Aunque las cúpulas geodésicas maximizan la resistencia y minimizan los materiales de construcción, las cúpulas de perfil elíptico ofrecen dos ventajas diferentes. Pueden cubrir un área circular sin elevarse tan alto como una cúpula esférica. Y pueden cubrir áreas alargadas o de forma irregular que varían en elevación. Ubicadas en el norte de México, las cúpulas industriales más grandes del mundo son un par de edificios industriales cubiertos con techos elípticos de 735 pies (224 m) de largo y 260 pies (80 m) de ancho.