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La Heurística de las Estructuras de Bambú: Principios y Criterios de Diseño

Horacio Saleme: Arquitecto, Profesor Titular, Director del Proyecto Bambú – Soledad Aráoz: Arquitecta, Auxiliar Docente Graduada, Integrante del Proyecto Bambú

Facultad de Arquitectura y Urbanismo - Universidad Nacional de Tucumán Correo electrónico: hsaleme@herrera.unt.edu.ar ; hsaleme@arnet.com.ar

Teléfonos: 54 381 4251784 – 54 381 4107544

Poca observación y muchas teorías llevan al error. Mucha observación y pocas teorías llevan a la verdad.

Alexis Carrell (1873-1944- Premio Nobel de Medicina 1912)

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Introducción

Nunca fue fácil enseñar a diseñar, menos aún enseñar a diseñar estructuras. Esto se debe a que la Enseñanza de Estructuras se basa, las más de las veces, en el estudio de modelos matemáticos para el cálculo estructural. Es decir se enseña a verificar proyectos, no a proyectar. Se debe partir de la realidad, aprehenderla y mostrar caminos idóneos para modificarla o crear nuevas realidades. La Universidad da métodos, el estudiante pone actitudes y capacidades. El buen diseño será el resultado del aporte de una y de otro.

Así se enseña el Diseño estructural en la FAU1 de la UNT2. Todos los fenómenos que lo condicionan son estudiados a partir de modelos físicos de los que se deducen los elementos y fundamentos que determinan la estructura. Se trata de interrogar a la naturaleza y ante su respuesta deducir los caminos más apropiados para resolver cada problema. Sólo entonces y si cabe, se utilizan modelos matemáticos. El análisis de las formas apropiadas para cada material forma parte de este proceso de “preguntar” a la naturaleza. Esto supone su generación previa desde lo observado en ella.

En todas las artes la obra es el resultado de una “alianza” entre el material y la inteligencia del artista. Diseñar con cualquier material supone un profundo conocimiento del mismo para aprovechar al máximo sus potencialidades y minimizar sus limitaciones.

En esa línea, el bambú resulta particularmente útil para enseñar estructuras a partir de la observación de sus características biológicas, físicas y tecnológicas. Reconocidas las potencialidades y limitaciones del mismo, comienza el proceso de diseño, iterativo en tanto que cada respuesta de la naturaleza, sugiere alternativas formales y técnicas. El buen diseñador será entonces el que potencia las capacidades del material y neutraliza sus limitaciones, con diseño.

Por este camino se fueron descubriendo los principios y criterios que hacen al “arte de inventar” las estructuras de bambú. Ordenados éstos, resulta menos doloroso el proceso de diseño estructural. En este trabajo se presentan los mismos, descubiertos por los “aprendices” del diseño como consecuencia de su contacto con la realidad. Se trata de un conjunto de pautas y reflexiones surgidas a la hora de enfrentarse con cada nuevo proyecto, referidas a lo espacial, lo resistente, lo constructivo, lo estético y hasta a lo ético y ambiental.Ω

PRINCIPIOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL CON BAMBÚ

Planteo General del Problema

El espacio es el protagonista de la Arquitectura. Por ello, el gran problema técnico de la Arquitectura es cubrir.

Cubrir significa “soportar cargas salvando luces”, es decir que los lugares geométricos de las resultantes de las cargas actuantes no son los mismos que los de las equilibrantes, que aseguran la estaticidad del sistema.

Por ello, cubrir implica generar momentos, que también deben ser equilibrados. La forma en que se resuelve este equilibrio, determina el tipo estructural y las solicitaciones a que sus elementos constituyentes se ven sometidos. Éstas a su vez, condicionan los materiales que permiten realizar la estructura.

Queda claro entonces que la necesidad de cubrir hace a la esencia de la arquitectura, por lo que el Diseño Estructural es parte ineludible del Proyecto Arquitectónico. La estructura entonces debe concebirse desde las primeras ideas del Proyecto, es decir desde los croquis preliminares.

Los materiales estructurales, como todo en la naturaleza, tienen ventajas y desventajas relativas para cada fin específico. El buen diseño es el que aprovecha al máximo las ventajas o potencialidades, minimizando las desventajas o limitaciones.

El Bambú como material estructural

El Bambú es utilizado por el hombre desde hace milenios. Hay pruebas de su antigüedad por hallazgos arqueológicos que se remontan a los orígenes de la civilización. En Argentina, por ejemplo, se han encontrado en la provincia de Catamarca mangos de hachas, azadas y otras herramientas

1 Facultad de Arquitectura y Urbanismo 2 Universidad Nacional de Tucumán

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realizados en bambú, que habían sido utilizados en el Holoceno Temprano, hace aproximadamente 8.650 años.3

En Ibero América en general, su uso en las construcciones se remonta a varias culturas precolombinas, particularmente en Ecuador y Colombia, que inspiraron a la quincha peruana en el siglo XVII y al Bahareque colombiano en la segunda mitad del siglo XIX.

Con el movimiento moderno las tradiciones constructivas del bambú fueron olvidadas y se reemplazaron muchos valiosos edificios de quincha y bahareque por edificios de hormigón armado, pero hacia mediados del siglo pasado surgieron nuevas generaciones de arquitectos que retomaron las viejas tradiciones, adecuándolas a los usos y formas modernas con un éxito notable.

Entre las características estructurales más destacables del bambú están su resistencia y liviandad que lo hacen particularmente apropiado para construcciones sismorresistentes. La producción del mismo además es amable con el medio ambiente ya que defiende el suelo, retiene humedad, absorbe dióxido de carbono, favorece la biodiversidad y constituye el material más rápidamente renovable de la naturaleza.

El bambú está constituido por el rizoma, que es subterráneo, rugoso y grueso donde acumula sustancias de reserva, y el tallo o culmo que es cilíndrico con entrenudos separados por tabiques transversales. Es una gramínea leñosa arborescente y su madera es muy resistente a tracción y compresión.

Es el tallo el que se usa como material estructural. En la mayoría de los casos se utiliza secciones del mismo y en otros se aprovecha su encuentro con el rizoma para resolver uniones muy comprometidas, por la gran rigidez de ese punto, ya que la unión de piezas es el problema tecnológico más importante de las estructuras de bambú.

Por ser un material natural, no se puede precisar taxativamente su resistencia, por lo que se impone verificar la misma para cada partida que se vaya a utilizar, cuando la importancia de la estructura así lo requiera. La misma varía para cada especie y según las condiciones microclimáticas y edafológicas donde crece, aun dentro de la misma especie.

Es característica del bambú su gran eficiencia resistente por la muy adecuada disposición del material. El Momento de Inercia es constante, para cualquier eje de su sección, pues ésta es anular. Su gran flexibilidad presenta ventajas y desventajas, según el uso, condiciones y parte de la construcción en que se lo utilice.

Dado que en el culmo de Bambú predomina una dimensión sobre las otras dos, toda estructura que se haga con él parte de un elemento lineal generador, sea para diseñar estructuras convencionalmente llamadas planas en las que acciones reacciones, cargas y deformaciones se analizan en el mismo plano, superficiales (con dos dimensiones dominantes) o espaciales en las que el comportamiento estructural sólo se explica en el espacio. Como tal admite también la constitución de secciones compuestas, ya sea para aumentar su resistencia o para disminuir su deformabilidad.

Fig. 1. Envigado Simple

3 Datos brindados por la Arqueobótanica Fernanda Rodríguez del Instituto Darwinion de Buenos Aires

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Fig. 2. Viga de sección Compuesta Estructuras Planas

La forma más elemental de utilizar el bambú es como se lo encuentra en la mata. Como viga, es decir trabajando a flexión, tiene una resistencia adecuada pero su gran deformabilidad (flecha) debe ser evitada sea con secciones compuestas o con elementos estructurales auxiliares como tornapuntas o pies de amigo, para disminuir la luz efectiva, aprovechando las ventajas de la continuidad. Es también muy apropiado para constituir reticulados planos, aunque cabe destacar que en el plano perpendicular al de la estructura, se pueden dar grandes deformaciones en el proceso de montaje.

Para columnas o pies derechos el peligro es el pandeo, lo que supone también el uso de secciones compuestas o de sistemas compuestos que eviten el mismo.

Fig. 3. Vigas compuestas

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Fig. 4. Vigas reticuladas y compuestas

Estructuras espaciales

Son en principio muy apropiadas para el bambú, pues al ser generadas por un módulo espacial, es mucho más sencillo legrar su estabilidad en todos los planos, lo que facilita siempre el proceso de montaje en obra. En ella incluimos los estereorreticulados y los sistemas de doble curvatura, generados a partir de rectas como paraboloides hiperbólicos, conoides, cúpulas geodésicas, hiperboloides de revolución, etc.

Un principio general: aprovechar el culmo en toda su longitud, siempre que sea posible

Desde que el principal problema constructivo de toda estructura de bambú es la unión, nudo o el encuentro de elementos, aprovechar al máximo la continuidad del material es una condición siempre deseable. Toda vez que se pueda constituir la estructura sin fraccionar sus elementos constituyentes se evitará un detalle de empalme de piezas punto más lábil de estas estructuras.

Tipos estructurales experimentados

Entramados de vigas simples o compuestas

Ya vimos que en su estado natural, el culmo resiste bien a flexión, pero su deformación es inadmisible. Aumentar el momento de inercia de la viga, es uno de los caminos más inmediatos para resolver este problema. Se lo puede hacer con secciones compuestas o atensorando las vigas. De esta manera se incrementa el momento resistente ya que se aleja el material del eje neutro aumentando el brazo de momento interno.

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Fig 5. Viga Atensorada

Fig. 6. Vivienda de Bambú. Vigas Compuestas

Triangulaciones

La triangulación es una disposición que puede mirarse como un elemento estructural más y se aplica a la formación de casi todos los tipos estructurales, sean columnas, vigas, arcos, pórticos y hasta estructuras laminares. Ante la linealidad y la flexibilidad del bambú, es especialmente apta para trabajar con sus culmos pues permite el arriostramiento que evita la flexión parcial o total de los elementos longitudinales y del conjunto, particularmente en los sectores comprimidos.

Reticulados planos

En esencia definimos a las estructuras reticuladas como las formadas por elementos o barras vinculadas entre sí en forma triangular y con las cargas actuando sobre los vínculos o nudos. Para el bambú, conviene que los cordones sean continuos, para evitar la multiplicación de nudos. Si además se hacen dobles o triples las uniones resultan más fáciles de realizar, evitando cortes en la sección de la caña, que siempre son puntos lábiles o vulnerables en este tipo de estructuras.

La flexibilidad del bambú permite también generar reticulados de perfiles curvos.

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Fig. 7. Vigas reticuladas curvas y concéntricas

Fig. 8. Vigas reticuladas de perfil triangular

Reticulados espaciales o estereorreticulados

Los reticulados planos que vimos son el resultado de configurar y armar la estructura en un plano, y al montar la misma, arriostrarla en el espacio para asegurar la estabilidad del conjunto. En ellos la flexibilidad del bambú complica el montaje, por la gran deformabilidad de cada cabriada en el sentido perpendicular a su plano, particularmente para luces importantes. Por ello más apropiadas y fáciles de ejecutar en bambú son las vigas espaciales o los reticulados espaciales completos ya que nacen “arriostradas” por lo que montar las mismas resulta siempre más sencillo.

Así por ejemplo los estereorreticulados que en acero o madera se suelen hacer, fraccionando las piezas en módulos pequeños. En bambú hay que aprovechar siempre la continuidad del culmo por lo que es preferible trabajar en superficie, haciendo una malla continua que aproveche toda la longitud de la pieza. Esto implica que las barras perpendiculares no están en el mismo plano, pero simplifica enormemente el armado de la estructura Se puede dar el mayor momento de inercia en función de la distribución de las solicitaciones del sistema. Las parrillas superior e inferior, desplazadas en planta se vinculan con diagonales también dispuestas espacialmente.

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Fig. 9. Modelo de reticulado espacial.

Fig. 10. Reticulado espacial en etapa de montaje

Pórticos

Para la realización de pórticos de Bambú se aplica también la triangulación, es decir las uniones vigas-columnas se hacen triangulando las esquinas. Como en los reticulados, si cada pórtico se resuelve espacialmente, el sistema resulta más fácil de montar.

Fig. 11. Pórtico biarticulado

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Fig. 12. Pórtico biarticulado reticulado

Variantes en el uso de la triangulación: los tornapuntas

Veremos a continuación, diversas alternativas de formas estructurales donde la triangulación es la protagonista, sea en el plano o en el espacio. Es necesario volver a insistir que los planteos en el espacio, son mucho más apropiados para el bambú, pues neutralizan su flexibilidad en todos los planos, tanto en el proceso de armado como en el montaje y su trabajo en régimen de servicio. Diseñar y realizar en el espacio es menos artificioso que resolver la estaticidad en el plano para luego analizar la estabilidad en el espacio.

Fig. 13. Sistema de vigas en voladizo con tornapuntas

Fig. 14. Sistema aporticado con tornapuntas

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Sistemas de vigas de eje curvo compuestas

Aprovechando la flexibilidad del bambú, se puede fácilmente realizar vigas de eje curvo de sección compuesta a partir de la viga atensorada con columnas flotantes. Dicho módulo está configurado por una sección compuesta formada por un cordón superior curvo de bambú y el cordón inferior de tensores de alambres o barras de acero, vinculados con columnas flotantes también de bambú.

La alteración del módulo básico permite configurar vigas de eje curvo con múltiples combinaciones posibles. Si se lo hace en el espacio, como lo señalamos anteriormente el sistema es más seguro para montar y su comportamiento final es más eficiente.

Fig. 15. Configuración espacial de vigas atensoradas

Fig.16. Sistema espacial de vigas atensoradas

Cúpula geodésica

El icosaedro es un poliedro de veinte caras. Si las veinte caras del icosaedro son triángulos equiláteros, forzosamente iguales entre sí el icosaedro es convexo y se denomina regular. Es el poliedro regular de mayor número de caras que se puede inscribir en una esfera.

El dodecaedro es un poliedro de doce caras. Si las doce caras del dodecaedro son pentágonos regulares, forzosamente iguales entre sí, el dodecaedro es convexo y se denomina regular. Si se divide cada cara del dodecaedro en triángulos se puede construir cúpulas geodésicas.

El domo o cúpula geodésica es un poliedro irregular generalmente basado en el icosaedro o dodecaedro. Sus caras son triángulos en los que los vértices deben coincidir con la superficie de una esfera. El número de veces que las caras del icosaedro o dodecaedro son subdivididos en triángulos más pequeños se llama la frecuencia del domo o cúpula geodésica.

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La cúpula geodésica es de muy fácil montaje. Encierra un gran volumen con una superficie mínima. La frecuencia de la cúpula determina la variación de la longitud de las barras, pero para frecuencias bajas, apropiadas para el bambú, estas variaciones son ínfimas.

En principio parecía poco aconsejable este tipo de estructura para ser realizada en bambú, por el gran fraccionamiento de las barras, pero por la eficiencia de la forma, y un buen diseño de los conectores, permitió demostrar su viabilidad.

Como material de cubierta se experimentó con ferrocemento, que por sus características formáceas se adecua muy bien a la forma de la estructura. Se pueden usar también cubiertas de plástico o telas plastificadas por encima o pro debajo de la estructura.

Fig. 17. Cúpula geodésica de 15 mts de luz

Fig. 18. Cúpula con ferrocemento

Paraboloides hiperbólicos

Los paraboloides hiperbólicos (PH) se generan por una serie de parábolas iguales que cuelgan de una parábola directriz de curvatura inversa, constituyendo una suerte de “silla de montar”, como se muestra en el dibujo. Los cortes horizontales, es decir los curvas a un mismo nivel constituyen hipérbolas. La superficie del PH contiene dos series de generatrices rectas que permiten extraer superficies de la “silla de montar” limitadas por polígonos de lados rectos. La posibilidad de generar esta superficie de doble curvatura con rectas hace posible su concreción con cañas de bambú.

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Fig. 19. Combinación de paraboloides hiperbólicos

Fig. 20. Combinación de paraboloides hiperbólicos de bordes curvos

Conoides

Se producen superficies conoides al mover al mover una recta sobre una curva y una recta. La curva puede ser reemplazada por un polígono inscripto en una circunferencia u otra curva.

Hiperboloide de revolución

El hiperboloide de revolución se forma cuando dos circunferencias, unidas por rectas, se mueven en sentido opuesto, o cuando una hipérbola gira alrededor de un eje. En las construcciones de bambú las líneas rectas están materializadas con cañas de bambú. Los círculos pueden o no ser de bambú. En lugar de los mismos se puede realizar un polígono inscripto en una circunferencia de modo tal que las rectas lleguen a los vértices del polígono. Esta trama al generar una forma de doble curvatura confiere al sistema una gran rigidez estructural.

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Fig. 21. Hiperboloide de Revolución.

Fig. 22. Hiperboloide de Revolución. Montaje

Estructuras para cubiertas de múltiples planos

Aprovechando la linealidad de las cañas de bambú se pueden configurar cubiertas de múltiples planos constituyendo tramas ortogonales o triangulares, que pueden ser cubiertas con diversos materiales: chapas lisas u onduladas, plásticos o ferrocemento. En el caso del ferrocemento, por tratarse de una cáscara delgada plegada, el mismo resulta en sí autoportante, pero combinado con el esqueleto de bambú el efecto es sinérgico y el sistema resulta mucho más rígido y resistente.

Lo mismo ocurre con las cúpulas geodésicas, conoides y paraboloides hiperbólicos.

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Fig. 23. Estructuras con quiebres concéntricos

Fig. 24. Estructuras con quiebres concéntricos

Puentes peatonales

Se han realizado variados modelos de puentes peatonales, para los cuales los tipos más utilizados son los reticulados espaciales, aunque pueden hacerse en casi todas las tipologías estudiadas.

El bambú impone la necesidad de cubrir los puentes, no tan sólo en beneficio de los usuarios, sino para proteger la estructura de la acción de la intemperie.

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CONCLUSIONES

Cuando Eduardo Torroja escribió que “no es, ni con mucho, el complejo y abstruso desarrollo matemático el que puede inducir el espíritu a imaginar la estructura, ni guiar la mano al trazarla... pues la heurística de la estructura requiere el conocimiento intuitivo de su etopeya resistente..,.

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señaló el camino a seguir para el desarrollo de la creatividad estructural.

En el mismo sentido se expresó Frank Lloyd Whright cundo afirmó que “cada material expresa su propio mensaje”. Trabajar con el bambú con las propias manos permite comprender mejor ese mensaje y meditar sobre sus propiedades y limitaciones hasta aprehender su peculiar modo de ser, expresándolo en la estructura y en el proceso constructivo y neutralizando - con diseño - sus limitaciones.

La aplicación de estos principios encontró en el Bambú un material ideal para enseñar, desarrollar la heurística5 de las estructuras y promover el Desarrollo Sustentable. El mismo constituye un paradigma de los ecomateriales. El trabajo con estudiantes, finalmente, es el modo de hacer "futurizo" este enfoque y de dar sustentabilidad a su aprendizaje. Ω

4 Eduardo Torroja: “Razón y Ser de los Tipos Estructurales” – 3ª edición – Cap. II – pág..13 – Edit. Instituto Eduardo Torroja de la Construcción y del Cemento – Madrid - 1960 5 Arte de inventar