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DISEÑO DE ESTRUCTURAS ADAPTABLES INSPIRADAS EN LA NATURALEZA (1) Arq. Luis Alberto Marroquín Rivera Escuela Profesional de Arquitectura Universidad de San Martín de Porres [email protected] Lima - Perú PALABRAS CLAVE: Arquitectura adaptable, diseño en la naturaleza, analogías biológicas.

ABSTRACT : Nature is an infinite source of inspiration for all designers; the performance of the designs observed in its creatures surprises us every day, due to the fact that we achieve a better knowledge of the natural world. The principles of design used by nature are countless; in all of them we find a harmonic combination of parts that are destined to one purpose, This purpose is create a perfect balance with the environment. In our case three specific characteristics that we observe in the constructions of nature can be used in the creation of analogical designs of adaptable structures with excellent earthquake-resistant performance and minimum quantity of mass. INTRODUCTION

La naturaleza ha sido durante todas las épocas fuente infinita de inspiración para arquitectos, ingenieros y diseñadores. El desempeño, eficiencia y complejidad de los diseños observados en los organismos naturales aún sorprende día a día a científicos e investigadores. Los principios de diseño utilizados en el mundo natural son innumerables y en todos ellos encontramos como denominador común: la armónica combinación de las partes en unión al todo (sinergia) destinadas a un propósito y en perfecto balance con su medio ambiente.

Analogías Biológicas Arquitectos como Antonio Gaudí, Frank LL. Wright, Le Corbusier, Buckminster Fuller, Otto Frei, Renzo Piano y Santiago Calatrava entre muchos otros, emplearon la analogía biológica y el concepto de lo “orgánico” en sus diseños, Ambas nociones son claves para entender la arquitectura del siglo XX. (1) El presente artículo es la traducción al español de una ponencia presentada por el autor para “ADAPTABLES 2006” , evento académico realizado por la Universidad Técnica de Eindhoven (Holanda) http://supertuesday.tue.nl/, el objetivo del congreso fue presentar los avances en el campo de la “Tecnología constructiva adaptable” desarrollados en los institutos de investigación de universidades y empresas de todo el globo. ( publicación de documentos y ponencias del evento disponible en http://www.scribd.com/doc/30716609/Book-1-Adaptables-2006-The-Netherlands )

Antonio Gaudí (1852-1926) Analogías entre pilares interiores en “Templo de la Sagrada Familia” y la configuración ramificada de árboles.

Le Corbusier (1887-1965) Inspirado en la configuración espiralada del nautilius, diseño el proyecto del “Museo de crecimiento ilimitado” (1929)

Frank Lloyd Wright (1867 – 1959) Su obra siempre tuvo una conexión con la naturaleza, para Wright los edificios también eran “hijos de la tierra y el sol”. En el edificio administrativo de la Compañía Johnson & Son, eligió una configuración orgánica para las columnas, las que se fusionan con la cubierta translúcida, muy similar a la forma estructuralmente eficiente de un hongo que crece en la región.

Frei Otto ( 1925 -

)

Arquitecto alemán, conocido mundialmente por sus investigaciones sobre eficiencia estructural a partir del estudio de organismos y formas generadas por la Naturtaleza en el ILEK ( Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren http://www.uni-stuttgart.de/ilek/ ). El famoso Instituto para desarrollo de estructuras ligeras en la Universidad de Stuttgart que encabezó el mismo desde el año 1964 hasta su retiro de la vida académica. Su gran experiencia en construcción , mallas y otros sistemas de coberturas tensadas le han dado un lugar entre los arquitectos más significativos del siglo XX. http://www.scribd.com/doc/12817913/OTTO-FREI-TESIS-ESTRUCTURAS#about

MODELOS MATEMÁTICOS: El éxito en establecer de forma apropiada cualquier analógica biológica hacia fines de diseño parten de la capacidad de poder traducir las formas orgánicas en modelos matemáticos los que finalmente se trasnforman en la geometría esencial del prototipo desarrollado. En el siglo XX se hizo difundido el término “diseño biotécnico” (Steadman 1979), el cual se basaba en la utilización de principios constructivos u operacionales de organismos naturales susceptibles de ser copiados o aplicados al mejoramiento de la tecnología existente, el diseño biotécnico partía del estudio de principios derivados del desempeño de seres orgánicos, estos principios se abstraen, matematizan y codifican en una teoría general, integrándose de este modo a la ciencia. La simple analogía resulta característica de los inicios de una disciplina, como por ejemplo la aeronáutica donde se ilustra lo mucho que aprendieron los pioneros de la aviación del estudio detallado de las técnicas de vuelo de las aves, insectos y semillas voladoras, casos similares los encontramos en la ingeniería civil y diseño industrial (2).

Dómo geodésico diseñado por Buckminster Fuller para el pabellón de los Estados Unidos en la Exposición Universal realizada en Montreal – Canada ( 1967). La configuración de los domos geodésico es análoga a la configuración formal descubierta recientemente en la observación de numerosos Virus gracias al avance de los microscopios electrónicos.

2

En 1962, Donald Caspar y Aaron Klug ( Premio Noble de química 1982) publicaron su teoría sobre la estructura de los virus. Ellos desarrollaron su teoría utilizando una analogía formal explícita entre los virus y los domos geodésicos desarrolados por B.Fuller. http://www.webofstories.com/play/16958

Los virus presentan una configuración de sus proteinas exteriores similar a la que fue utilizada por Fuller para la configuración de los domos geodésicos lo que permite una integridad y estabilidad estructural muy eficiente. Millones de años de evolución ha generado una configuración estructural en la cobertura de los virus que los hace resistentes a diversos agentes externos , incluidos los medicamentos, los antibióticos solo logran quebrar la cadena de reproducción mas no dañan la integridad del virus, para los interesados en mayor información se recomienda visitar los siguientes enlaces: http://visualsunlimited.photoshelter.com/gallery/Jean-Yves-Sgro/G00002BD1wDwevMA/ http://virology.wisc.edu/seminars.html http://www.youtube.com/watch?v=hiAXNXD0AEE

ANALOGIAS BIOLOGICAS Y DISEÑO ARQUITECTÓNICO En el presente artículo investigamos tres características halladas en la configuración estructural de organismos y construcciones generadas por la naturaleza, las que pueden ser utilizadas de forma análoga para la creación de estructuras adaptables y en la generación de una arquitectura kinética, con una tectónica mutable, energéticamente eficiente y con excelentes propiedades sismoresistentes. a) RESILENCIA.- Estudio de construcciones de la naturaleza cuya estrategia de diseño radica en la utilización de una configuración formal propicia para trabajar a esfuerzos de tracción , la cual es fabricada con materiales orgánicos que poseen extraordinarias propiedades de resilencia(3) y elasticidad. Estas estructuras las encontramos principalmente en las telas de araña (figura 1) , las cuales están diseñadas para atrapar insectos en pleno vuelo. La delgada fibra con la cual está construida posee propiedades mecánicas resistentes superiores al acero y a la vez con mayor elasticidad que la obtenida en el nylon, ambas propiedades le permiten a este diseño absorver y disipar gran cantidad energía. b) PATRONES DE AUTO-SIMILARIDAD (homotecia). Es la estrategia de crecimiento al repetir un mismo módulo o patrón formal a diferentes escalas, con la finalidad de generar una configuración estable la cual puede crecer en masa y volumen sin perder su forma y proporciones originales. Estas carácteristicas las podemos observar en observar en el reino vegetal (sistemasL ) (4) y de forma evidente en desarrollo y crecimiento espiralado de los caparazones de los moluscos gasterópodos (figura 2), los cuales añanden capas (nacar , carbonato de calcio y calcita) a la estructura que los protege. c) MEMBRANA NEUMÁTICA EXPANSIBLE. Estudio y análisis de mecanismos de expansión neumáticos e hidráulicos encontrados en los diseños de alas de insectos durante su etapa final de evolución de larva a insecto volador (figura 3)

Figura 1. Tela de Araña

Figura 2. Caparazón de Nautilius

Figura 3. Ala de libélula

3

Resilencia : Es una noción utilizada originariamente en física para designar la resistencia de un material al choque. En ecología, toma un sentido diferente: en su acepción tradicional, mide el tiempo de retorno al equilibrio de un sistema luego de una perturbación. Después de los años 1970, su definición cambió mucho. En la actualidad, lo que se admite comúnmente fue formulado por Holling (1973), quien define la resiliencia como la capacidad de un sistema para poder integrar en su funcionamiento una perturbación, sin cambiar sin embargo de estructura cualitativa. 4

Sistema-L o un sistema de Lindenmayer es una gramática formal (un conjunto de reglas y símbolos) principalmente utilizados para modelar el proceso de crecimiento de las plantas; puede modelar también la morfología de una variedad de organismos. Los sistemas-L también pueden utilizarse para generar fractales auto-similares como los sistemas de función iterada. Los sistemas-L fueron introducidos y desarrollados en 1968 por el biólogo y botánico teórico húngaro Aristid Lindenmayer de la Universidad de Utrecht (1925-1989). Existe un software disponible en internet para los interesados en profundizar sobre matemáticas y formas de la naturalza en el siguiente link. http://www.geometriadinamica.cl/2010/03/transformaciones-en-cinderella-2/

DESARROLLO DE PROTOTIPOS Prototipo Nº 1 : “SPIDER HOUSE” : Tracción y resilencia El principio de diseño del propotipo está inspirado en las propiedades formales y mecánicas observadas en las telas de Araña , la eficiencia de los arácnidos en el uso de los materiales a partir de una mínima masa generan una malla estructural capaz de atrapar y asimilar el impacto de insectos voladores de gran tamaño. Trama espacial: El prototipo tiene como modulo constructivo una trama espacial generada a partir del dodecaedro, esta trama es la síntesis de los sólidos platónicos que la contienen, a través de una integración modular en la cual aparece de forma reiterada la conocida sección áurea o proporción de oro (φ =1.618033…..)

Figura 4. Sólidos platónicos

Figura 5. Módulo dodecaédrico

Figura 6. Tensegriti dodecaédrico

El principio de tensegridad desarrollado por Kenneth Snelson y popularizado por Buckminster Fuller en los años cincuenta es utilizado para convertir el módulo espacial generado a partir del dodecaedro en un módulo “dodecaédrico tensegriti”, el cual esta conformado por varillas rígidas y resortes

Figura 7. Tensegridad y Resilencia

Figura 8. Modelo analógico y modelo virtual

El prototipo final es la integración de cinco “módulos dodecaédricos tensegriti” los cuales trabajan como en perfecta unidad estructural ESTABILIDAD ESTRUCTURAL Para funcionar estructuralmente y mantener su integridad, el modelo debe ser sometido a esfuerzos de tracción. En un estado de reposo sin tensión el modelo puede ser empacado y comprimido para ser introducido en un recipiente contenedor, esta característica le permitiría ser potencialmente utilizable en zonas de desastres naturales, para ser transportados fácilmente y útil para construir campamentos de atención de emergencia y alojamiento temporal para damnificados.

Figura 9.

Representación digital de proceso de instalación de prototipo.

Figura 10.

Perspectiva de proceso de instalación.

Prototipo nº 2 : Domo geoespiral logarítmico – Fractales El principio de diseño del propotipo está inspirado en el estudio de las diversas las configuraciones espiraladas presentes en los caparazones y conchas de los molúscos gasteropodos, supercies de doble curvatura ( sinclásticas ) que presentan una eficiencia estructural que provee protección frente a fuerzas del entorno y depredadores. La trama espacial utilizada para el diseño del prototipo de domo espiralado logarítmico es generado por la reiteración de un triángulo áureo modificando de manera proporcional su escala. La espiral logarítmica es una de las configuraciones geométricas más abundantes de la naturaleza y la podemos encontrar en el Nautilios y en todas las especies de moluscos gasterópodos, así como en cornamentas de innumerables mamíferos.

Figura 11.

Estudio de trama espacial y geometría espiralada del nautilius.

El prototipo está esencialmente configurado en base a patrones de la geometría Fractal, que utiliza los principios de Homotecia y auto similaridad para generar una cobertura en base a triángulos áureos que se repiten indefinidamente.

Figura 12.

Domo geoespiral logarítmico.

El “domo geoespiral logarítmico” posee la misma propiedad de las caparazones de moluscos , la cual permite un crecimiento indefinido en función a las necesidades de espacio, de esta manera se genera una geometría estructuralmente estable la cual puede extenderse en masa y volumen sin perder su forma original. Otra posibilidad aplicable para este domo es la de ser retractable y contraerse en base a la adición de mecanismos de bisagra en la uniones que a partir de movimientos simples que facilitan su operatividad y mantenimiento (Ver figura 13)

Figure 13 . Porcentaje de apertura de domo retractable.

Figura 14.

Figura 15.

Prototipo de domo construido en madera.

Representación a escala de Domo geoespiral para usos múltiples.

Prototipo nº 3: CALIDOCICLO NEUMATICO. Este diseño está basado en torno a las siguientes ideas: a) La metamorfosis de la libélula, La inspiración proviene de la transformación de la ninfa en criatura voladora; En este proceso interviene una serie de mecanismos especiales que ayudan a la libélula a despojarse de su antigua piel. Con el fin de desplegar sus alas, un sistema de bombeo especial y un fluido corporal se crean para ser utilizado en este proceso extensión.

b) Estructuras neumáticas Este tipo de solución constructiva es clasificado convencionalmente como estructuras neumáticas. (Figura 15), el principio de rigidez y estabilidad estructural radican en la presión de aire o gases que son ingresados al interior de una membrana resistente. Las ventajas de este sistema radican en su extrema ligereza y mínima masa, que lo hacen ideal para la construcción de embarcaciones marítimas y aéreas así como arquitectura transportable para zonas inaccesibles.

c) Los calidociclos El calidociclo es un curioso objeto de geometría dinámica organizado en forma de anillos tridimensionales, compuestos por tetraedros unidos por sus aristas. Pueden girar sobre sí mismos infinitas veces sin romperse ni deformarse en torno a su centro. http://www.mathematische-basteleien.de/kaleidocycles.htm

CALIDOCICLO URBANO

Este prototipo propone una forma novedosa de objeto urbano para diversos usos de tipo recreacional, en base a los tres conceptos mencionados, el calidociclo neumático ofrece una alternativa visual y conceptual para espacios públicos efímeros, por su poca masa y liviandad puede ser instalado en zonas como parques y plazas.

Figura 16. La posibilidad de transformación de este novedoso objeto urbano ofrece un concepto diferente para su uso en espacios públicos efímeros.

BIBLIOGRAFIA D’Arcy Wentworth Thompson, 1961, On Growth and Form, Cambridge University Press, London. Doczi Gyorgy, 1981 , Power of Limits , Shamballa Publications INC, Boston, Massachusetts. Mandelbrot, Benoît B. 1982, The Fractal Geometry of Nature. New York: W. H. Freeman and Co. Marks, Robert W, 1962, The dymaxion world of Buckminster Fuller, New York : Reinhold Pub. Corp Otto, Frei, 1973, Tensiles structures : design, structure, and calculation of buildings of cables, nets, and membranes Cambridge : The MIT Press. Pallasmaa Juhani, 2001, Animales Arquitectos. El funcionalismo ecológico de las construcciones animales Colección Cuadernas, Fundación César Manrique, Madrid, Spain. Steadman, Philip, 1979, The evolution of designs; biological analogy in architecture and applied arts, Cambridge: Cambridge University Press. Wright, Frank Lloyd, 1958, The future of architecture, Buenos Aires : Poseidon. Roberto Machicao Relis , 1990 Diseño Estructural para arquitectos, Lima- Editorial Arius

TEXTOS E INFORMACION DISPONIBLE PARA DESCARGAR EN INTERNET FINDIGN FORM El propósito de este libro es presentar las investigaciones desarrolladas por Frei Otto y Bodo Rasch en el campo de la ARQUITECTURA SOSTENIBLE , BASADA EN LA EFICIENCIA ENERGÉTICA Y EL USO RACIONAL DE LOS RECURSOS NATURALES. Una visión alternativa frente al impacto negativo de la construcción irreflexiva , contaminante y con fines de lucro por parte de numerosos grupos inmobiliarios. El texto recoge el estudio de formas orgánicas, experimentos , prototipos y proyectos de coberturas ligeras desarrollados por el ILEK.

Publicación disponible en formato pdf : http://www.scribd.com/doc/42237266/Finding-Form THE EVOLUTION OF DESIGNS El libro narra la historia de las analogías que han existido entre la evolución de los organismos y la producción de artefactos,especialmente los edificios. En él se examinan los efectos de estas analogías en arquitectura y diseño teoría y considera cómo los últimos pensamiento biológico ha pertinente para el diseño. Arquitectos y diseñadores han buscado a la biología en busca de inspiración desde el siglo 19. Ellos no han buscado sólo para imitar las formas de plantas y animales, sino para encontrar métodos de diseño análogo al procesos de crecimiento y evolución en la naturaleza. Este nuevo edición revisada de esta obra clásica añade un largo epílogo que cubre los acontecimientos recientes, como la introducción de métodos informáticos en el diseño en la década de 1980y 90, que han hecho posible un nuevo tipo de"Biomórficas" arquitectura a través de "algoritmos genéticos" y otras técnicas de programación.

Publicación disponible en formato pdf : http://www.easy-share.com/1904653230/The Architecture and the Applied Arts.pdf

Evolution

of

Designs

-

Biological

Analogy

in