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Tipos de sistemas estructurales en arquitectura

Silja

Silja

Arquitecto

La estructura es uno de los elementos más importantes en la arquitectura. Todo edificio, por simple que sea, tiene una estructura. Las ideas inherentes al concepto de estructura han sido inamovibles a lo largo de la historia porque los elementos determinantes no han cambiado mucho: la gravedad, las leyes de la estática, la resistencia de materiales, etc. Lo que sí han cambiado son los materiales, ahora disponemos de materiales nuevos que antes no existían. También disponemos de complejos programas de cálculo y sofisticados sistemas de montaje, pero la sensatez nos sugiere que tal vez lo más sencillo sigue siendo lo que mejor funciona.

En este artículo vamos a repasar los diferentes sistemas estructurales que han existido a lo largo de la historia y cuál es su uso actual. Los sistemas estructurales están muy ligados al material, por lo que diferenciaremos sistemas aparentemente similares pero con materiales diferentes cuando estos supongan una diferencia sustancial. 

1. Sistemas adintelados de madera

El sistema adintelado es el sistema más sencillo que hay. Su ejemplificación más gráfica es una portería de fútbol. Consiste en la colocación de un elemento horizontal (dintel o travesaño) sobre dos elementos verticales (pilares o postes), formando un pórtico. Este pórtico se puede repetir linealmente para formar un volumen ocupable.

El sistema adintelado es el característico de los templos de la antigüedad: Mesopotamia, Egipto, Grecia y Roma. Al principio se hacían de madera y más adelante, en las etapas de esplendor, de piedra.

Los sistemas adintelados de madera no han dejado de usarse nunca, sobre todo en países en los que abunda la madera. El dintel horizontal de madera de la última planta se sustituye normalmente por algún tipo de estructura de cubierta inclinada, como cerchas, vigas inclinadas rigidizadas, etc.

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2. Sistemas adintelados de piedra

Los sistemas adintelados de piedra más antiguos que conocemos son los dólmenes neolíticos. Consisten en dos o más piedras verticales que sujetan una piedra horizontal. Estos dólmenes solían tener un carácter funerario, más que residencial. Más adelante, se usó este sistema para convertir los templos de madera en templos de piedra. 

El problema de los sistemas adintelados de piedra es que este material trabaja muy bien a compresión pero muy mal a flexión, es decir, funciona muy bien para hacer pilares o muros, pero muy mal para hacer vigas o losas. Por tanto, las vigas de piedra son excesivamente grandes y cubren huecos muy pequeños. Por ello, este sistema solo se usaba en casos muy excepcionales y representativos, como tumbas, templos, etc., pues resultaba un sistema muy costoso.

3. Sistemas masivos de piedra

Podemos considerar sistemas masivos naturales las cuevas y grutas. Pero el sistema masivo por antonomasia son las pirámides. Si los sistemas adintelados de piedra ya nos parecen un derroche de material, los sistemas masivos suponen el exceso y la exuberancia, por eso solo los han construido grandes imperios de la humanidad como los egipcios, los mayas y otras culturas prehispánicas.

En estos sistemas no existen elementos lineales ni superficiales: ni pilares ni vigas ni muros ni losas. El espacio interior es mínimo y los huecos existentes también lo son, por tanto no hay ventilación, ni luz solar ni espacio para vivir. ¿Qué utilidad se le puede dar entonces a estas construcciones? Pues muy fácil, una tumba. Incluso podríamos hacer un monumento religioso no funerario, así evitaríamos tener que abrir huecos en él, como es el caso de algunas pirámides mesoamericanas.

4. Sistemas abovedados de piedra

Dados los problemas que tiene la piedra para trabajar a flexión, ya en la antigüedad se inventó el arco, que es un sistema en el que todas las piezas (las dovelas) trabajan a compresión, gracias a su forma curvada. La bóveda no es más que la sucesión lineal de muchos arcos.

Aunque muchas culturas de la antigüedad ya conocían el arco, fueron los romanos los que usaron habitualmente los arcos y las estructuras abovedadas, creando incluso monumentos específicos basados en este sistema: los arcos de triunfo. El arco romano es un arco de medio punto, es decir, con forma semicircular. Los romanos lo usaron para todo tipo de construcciones: puentes, acueductos o basílicas. Son estas últimas las que permitieron crear espacios cubiertos muy amplios sin pilares intermedios, y son también el origen de los templos cristianos.

5. Las cúpulas 

De nuevo fue el Imperio Romano el difusor de este sistema. No es ni más ni menos que la traslación a las tres dimensiones del concepto de arco. Las cúpulas clásicas tienen forma de semiesfera, y sirven para cubrir un gran espacio circular sin la necesidad de apoyos intermedios.

El ejemplo clásico de cúpula es el Panteón de Agripa, en Roma. La cúpula del Panteón no es de piedra, sino de hormigón. Posteriormente, el imperio bizantino primero y el islam después desarrollaron el sistema de cúpulas y lo utilizaron principalmente para los edificios religiosos.

6. Sistemas de muros de carga tradicionales

Aunque hasta ahora nos hemos estado centrando en edificios religiosos o representativos, realmente los sistemas de muros de carga se han usado en paralelo a todas estas construcciones para edificaciones más sencillas. Existen dos tipos de muros de carga: los de materiales continuos (tapial o más recientemente hormigón) y los de fábrica (piedra, ladrillo, adobe).

Los sistemas de muro de carga combinan el elemento vertical (muro de carga) con otro tipo de elemento horizontal, normalmente madera, especializando a cada material con su uso óptimo. Las viviendas vernáculas que aún se conservan en la actualidad en nuestro entorno son de este sistema. Las iglesias prerrománicas que existen en Europa están hechas con este sistema.

Los muros de carga se pueden construir con el material más abundante en cada zona, ya sea piedra, ladrillo o una combinación de ambos. El tipo de piedra y como está labrada también dependerá de cada zona y de cada cultura. A veces los muros son macizos y otras contendrán cascotes en su interior. Pueden tener mortero o ir a hueso.

7. El románico

El románico, además de un estilo arquitectónico, es un sistema estructural en sí mismo. Una de las diferencias con el sistema anterior es el uso del contrafuerte para contrarrestar el peso de las bóvedas. De esta manera, se podían construir naves más grandes. También se desarrolló (aunque ya la habían inventado los romanos) la bóveda de arista, que consiste en la intersección de dos bóvedas de cañón. De esta manera se solucionaron los transeptos y los encuentros entre las diferentes naves de las iglesias románicas.

Por supuesto, existen muchas variantes de románico, según su zona geográfica. No todas las iglesias románicas tienen contrafuertes ni todas tienen bóvedas (algunas aún tienen cubiertas de madera).

8. El gótico

El estilo gótico supuso una revolución en el campo estructural. La clave del sistema gótico se basa en el arco apuntado, gracias al cual se pueden transmitir los empujes reduciendo la componente horizontal. 

Todo el sistema gótico se encamina, en general, a reducir los empujes horizontales, de esta manera se añaden naves laterales a la nave principal para compensar los empujes, se crean los arbotantes (arcos exteriores que transmiten los empujes fuera del edificio), se colocan pináculos para aumentar la componente vertical, etc.

Otra novedad del sistema gótico es la diferenciación entre estructura y cerramiento, de tal manera que aparecen los nervios, que son los elementos resistentes de la cubierta. También aparecen las bóvedas de crucería, como la intersección entre dos bóvedas de cañón apuntado.

Este nuevo sistema estructural permitió introducir la luz en los edificios, gracias a la diferenciación entre estructura y cerramiento, y crear edificios mucho más altos. Eso sí, este sistema se reservó solo para los grandes templos cristianos, pues el sistema era complejo y requería el uso de materiales caros (piedra y vidrio).

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9. La arquitectura del hierro

El renacimiento y el barroco no supusieron una revolución estructural tan profunda como la del gótico. Proliferaron las cúpulas y las bóvedas de cañón, que ya se usaban en la antigüedad. Así que tenemos que esperar a la Revolución Industrial para ver un cambio significativo en las estructuras arquitectónicas, con el desarrollo de las estructuras de hierro.

Al principio el hierro se utilizó como sustituto de la madera para hacer estructuras de cubierta sobre muros de carga. Poco a poco se fueron añadiendo pilares de hierro que permitían diferenciar completamente estructura de cerramiento, pero solo se usaban en edificios industriales, pues el hierro se consideraba de mal gusto.

A finales del siglo XIX el hierro se empezó a introducir en elementos arquitectónicos de más valor, como los mercados o las estaciones de ferrocarril. El Art Nouveau fue la guinda que introdujo las estructuras de hierro en todo tipo de edificios, desde viviendas hasta teatros o museos. 

Las estructuras de hierro del siglo XIX funcionan de manera análoga a las estructuras de madera anteriores, aunque también sirven para realizar arcos apuntados o entramados más sofisticados. Las estructuras de hierro de esta época son elementos lineales: pilares, vigas, arcos, etc., por lo que se combinaban muchas veces con forjados de madera o de piezas cerámicas.

10. Las estructuras de hormigón armado

A principios del siglo XX se empezó a popularizar un nuevo material estructural que resistía tanto a compresión como a flexión (gracias a su armadura interior de acero), lo que permitía hacer tanto pilares como vigas, e incluso elementos superficiales como muros y forjados.

La casa Dominó de Le Corbusier es el modelo teórico que permite a las viviendas convencionales despojarse de las estructuras de fachada y componer estas libremente. Gracias a ello se consigue un tipo de arquitectura diferente, con grandes ventanales y plantas libres. También permite el uso como terraza de las cubiertas planas.

Aunque la distinción entre estructura y cerramiento ya se había conseguido con otros sistemas anteriores (gótico, estructuras de acero), el hormigón armado se fue imponiendo para cualquier tipo de construcción, desde pequeñas viviendas hasta grandes rascacielos. De repente, todo el edificio se podía hacer con un mismo material: cimentación, pilares, vigas y forjados.

Este sistema se fue imponiendo a lo largo del siglo XX, frente al sistema de muros de carga, de tal manera que a finales de siglo la gran mayoría de las edificaciones occidentales se hacían de hormigón armado.

11. Las estructuras de acero

El hierro se fue sustituyendo por el acero a lo largo del siglo XIX. El acero tradicionalmente se ha reservado en la construcción para grandes estructuras diáfanas, gracias a su ligereza y su resistencia a la flexión. También ha sido un material recurrente para las torres y los rascacielos, antes incluso de la aparición del hormigón armado. Es el caso de algunos edificios de la Escuela de Chicago, de finales del siglo XX, que usaban ya un armazón de acero.

Pero la construcción en acero siempre ha ido por detrás de la de hormigón para edificaciones convencionales, más allá de algunos experimentos. Cabe mencionar que el acero permite multitud de sistemas más allá de la realización de pilares y vigas. Un ejemplo son las estructuras tridimensionales, como las cúpulas geodésicas Buckminster Fuller o la Pirámide del Louvre de Ieoh Ming Pei. 

En la actualidad el acero es una alternativa más para la realización de estructuras de todo tipo. Se suele usar, además de para la cubrición de grandes luces, como un sistema convencional con pilares de diferentes formas, vigas IPE y forjados colaborantes. Es un sistema muy recurrente también en rehabilitación de edificaciones con muros de carga, sustituyendo los entramados de madera por vigas y forjados colaborantes.

Su ventaja principal es su mayor grado de prefabricación, lo que permite plazos de obra más cortos.

12. Nuevos sistemas de madera

La madera ha sido el material estructural por antonomasia durante toda la historia, pero durante el siglo XX su uso se ha desprestigiado, tomándose como un material del pasado.

En el siglo XXI se está volviendo a poner de moda en los países occidentales, gracias a que es un material sostenible. Además de los sistemas tradicionales de madera (sistemas porticados y balloon frame) se han ido creando sistemas nuevos como los muros y forjados de CLT, el panel sándwich de madera o la madera laminada y microlaminada. De esta manera, se pueden hacer edificios de grandes luces con madera laminada o edificios pequeños y medianos con muros y forjados de CLT. 

Estructuras y arquitectura

En definitiva, a día de hoy la estructura es una parte más de la arquitectura y de la construcción. Cada estructura necesita ser diseñada conjuntamente con su arquitectura.

Es verdad que los sistemas convencionales de hormigón son los que siguen predominando en casi todos los edificios, al menos en España, y que estos han evolucionado muy poco en los últimos 50 años. El hormigón es un material muy versátil y todavía falta mucho para que otro material lo sustituya rotundamente, pero se abre un abanico de posibilidades que antes no existían, como los compuestos de madera, el acero, la cerámica aligerada y otros nuevos que irán surgiendo. 

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