Pensemos en una hoja de papel. Si intentáramos rigidizarla a partir de su estado primario, esta no podría sostener su propio peso. Sin embargo, si la curvamos o la doblamos, la hoja alcanza una nueva calidad estructural. De esta misma forma actúan las cáscaras. "No se puede imaginar una forma que no necesite una estructura, o una estructura que no tenga una forma. Toda forma tiene una estructura y toda estructura tiene una forma. De esta manera, no se puede concebir una forma sin concebir automáticamente una estructura y viceversa". [1] La importancia del pensamiento estructural que culmina en el objeto construido recae, entonces, en la relación entre la forma y la estructura. Las cáscaras surgen a partir de la asociación entre el concreto y el acero, y son estructuras cuyas superficies curvas continuas presentan un espesor muy pequeño, por lo que son muy utilizadas en cubiertas de grandes vanos sin apoyos intermedios.
En términos estructurales, las cáscaras de hormigón son eficientes por resistir muy bien los esfuerzos de compresión, absorbiendo pequeños momentos de flexión en puntos específicos de su superficie, principalmente próximos a los apoyos.
Las actuales cáscaras tienen sus orígenes en las civilizaciones egipcias, asirias y romanas, en las que se levantaban estructuras en arcos y estructuras abovedadas, utilizando albañilería de piedra y tipos rudimentarios de concreto como material de construcción. El Panteón de Roma y la Basílica de Santa Sofía de Estambul son espectaculares ejemplos que hasta el día de hoy se mantienen en pie. En esos tiempos no existía el cálculo estructural como lo conocemos hoy; los edificios se erigían utilizando conocimientos prácticos y empíricos adquiridos por los profesionales a través de la observación y la repetición de procedimientos. Actualmente se utilizan modernos modelos computacionales, como el método de los elementos finitos, que auxilian en gran medida el diseño de estas estructuras. Después de algún tiempo sin avances significativos en los métodos constructivos, las cáscaras evolucionaron enormemente a partir de principios del siglo XX, con el perfeccionamiento del hormigón armado: un material moldeable y muy resistente a la compresión, a la flexión y, en cierto modo, también a la tracción.
La introducción de las cáscaras modernas se debe a arquitectos e ingenieros como Eugène Freyssinet (1879-1962), Bernardo Laffaielle (1900-1955), Pier Luigi Nervi (1891-1979), Eduardo Tarroja (1899-1961), Félix Candela (1910-1997), entre otros, quienes introdujeron innovadoras teorías de diseño y ejecución de obras, permitiendo la construcción de notables estructuras de doble curvatura, como el paraboloide hiperbólico que cubre el restaurante de la Ciudad de las Artes y las Ciencias en Valencia, España, diseñado por Candela.
Con el proyecto de la Iglesia de la Pampulha, Oscar Niemeyer (1907-2012) es considerado como el precursor de las cáscaras de hormigón en Brasil, siendo responsable de muchas otras obras que utilizan el mismo proceso constructivo en Brasil y en todo el mundo.
Es interesante como las cáscaras tienen un funcionamiento estructural muy similar a las membranas, sólo que de modo invertido. Es decir, mientras que en las membranas los esfuerzos son casi exclusivamente de tracción, al ser invertidos, o dados "vuelta cabeza abajo", estos esfuerzos pasan a ser de compresión; y de ahí en adelante, el hormigón es el material ideal para resistirlos. Antoni Gaudi (1852-1926) usaba este proceso para realizar sus proyectos.
Las cáscaras consiguen resistir grandes cargas de compresión distribuidas uniformemente sobre su superficie, sin embargo, debido a su mínimo espesor, tienen poca resistencia a la tracción y no deben recibir cargas concentradas. La carga distribuida superficialmente está representada por el peso propio de la estructura, de los materiales de revestimiento y de la presión del viento.
Resumiendo, se puede decir que una estructura de cáscara es una superficie curva continua donde el espesor es mucho menor que las otras dimensiones. El comportamiento estructural se divide en dos: la teoría de la membrana y la teoría de la flexión. En la primera se considera la resistencia de la membrana, que resulta en solicitudes por fuerzas normales y tensión de corte. En la segunda se consideran las flexiones que resultan de la cáscara curva: solicitudes por momentos, esfuerzos normales, cortante y cizallamiento longitudinal. En los proyectos de cáscaras se debe tener una especial atención en las regiones de los apoyos, pues en estas regiones pueden ocurrir solicitudes de flexión significativas. [2]
En la década de 1960 existió un apogeo de la construcción de grandes cáscaras. Su uso entró en declive debido a los altos costos de mano de obra, del hormigón y de las formas del encofrado que difícilmente se podían reaprovechar en otra obra similar. Las cáscaras, por ser de poco espesor, exigen constantes mantenimientos para evitar filtraciones y otras patologías constructivas. A partir de los años 80 del siglo pasado, la preferencia se torno por las formas poligonales y por estructuras tensadas para las cubiertas de grandes luces.
A continuación, seleccionamos algunos de los icónicos proyectos construidos utilizando cáscaras de hormigón:
Clásicos de Arquitectura: Restaurante Los Manantiales / Félix Candela
Clásicos de Arquitectura: Hipódromo de la Zarzuela / Carlos Arniches + Martín Domínguez + Eduardo Torroja
Clásicos de Arquitectura: Iglesia de Pampulha / Oscar Niemeyer
Capilla Bosjes / Steyn Studio
Notas:
[1] (REBELLO, 2000, p. 26).
[2] (MEDRANO; MEIRELLES, 2005)
Referencias Bibliográficas
REBELLO, Y. La concepción estructural en la arquitectura. 9. ed. São Paulo: Zigurate, 2000.
REBELLO, Y. Bases para el proyecto estructural en la arquitectura. 4.ed. São Paulo: Zigurate, 2007.
MEDRANO, R. H.; MEIRELLES, C. R. M.: 2005, Estructuras espaciales en cáscara: estudio de casos Latino-Americano, In: XXI Conferencia Latinoamericana de Escuelas y Facultades de Arquitectura – CLEFA, Loja.
TEIXEIRA, Pedro Wellington G. N.; DE HANAI, João Bento. Proyecto y ejecución de cubiertas en cáscara de hormigón con forma de membrana invertida y sección tipo sandwich. Cuadernos de Ingeniería de Estructuras, São Carlos, n. 19, p.101-131, 2002.
