Estructuras de grandes luces sin apoyos intermedios DISEÑO CUALITATIVO DE ESTRUCTURAS UNA ESTRUCTURA ES MAS EFICIENTE SI TRABAJA A ESFUERZOS BÁSICOS DE TRACCIÓN/COMPRESIÓN EN COMPARACION A FLEXIÓN O TORSIÓN en una viga tenemos una tracción y compresión q vendría a ser el momento flector q debemos resolver, todo el hormigón q esta intermedio es un hormigón q no trabaja simplemente tiene la función de protección de las armaduras, en la medida de lo posible es interesante q las estructuras trabajen de forma primaria de compresión y tracción. MECANISMOS DEFINIDOS DE TRANSMISIÓN DE CARGAS (GAUDI) gaudi ya lo usaba en las catedrales y lo ha hecho mucha gente en la época medieval, a la hora de definir una estructura pensaban como se transmitían las cargas a base a esto como no tenían herramientas de calculo sofisticada, tenían q tener mecanismos claros y buscar arcos, cúpulas o buscar elementos q podían clacular con las herramientas q tenían, entonces pensar en los mecanismos de transmisión de cargas es muy importante a la hora de definir una estructura porq asi lo haremos de una forma mas segura. MATERIALES IDONEOS PARA CADA PARTE DE LA ESTRUCTURA es interesante hacer una parte de concreto y otra parte de acero, combinarlos…..antiguamente se hacia de acero o de concreto independientemente, hoy por hoy eso es absurdo, hoy se puede combinarlos porq los programas de calculo lo permiten. – HORMIGON ES PESADO PERO RESISTENTE A PANDEO Y DURABILIDAD – ACERO ES LIGERO Y RESISTENTE – ALUMINIO ES EXTREMADAMENTE LIGERO Y RESISTENTE PERO DIFICIL DE SOLDAR – MADERA ES LIGERA, NATURAL Y RESISTE A TRACCIÓN/COMPRESION AUNQUE ES MUY DEFORMABLE DEFORMACION AXIAL ES UN ORDEN DE MAGNITUD MENOR QUE DEFORMACION POR FLEXION porq da lugar a sistemas como el krifklan q es el sistema de tener una viga, le ponemos un cable por debaje y una barra, por lo tanto ese punto se convierte en un apoyo, es mas si ese cable lo pretensamos podemos darle la fuerza q deseamos y podemos kitarle una columna – VIGA PARTELUCES O “KING TRUSS” – RITMOS DE PILARES PARA EMPOTRAR EN LATERALES Fábrica Universal Textil, Lima LUZ 70x50m CON SOLO 4 PILARES INTERIORES Y PP DE SOLO 184KG/M2. AÑO 1988 Trilidosa, es un sistema q pesa muy poco y permite grandes luces, con un poco peso propio de solo 184k, x m2…… podemos separar la tracción de la compresión q es el momento q tenemos en la losa, al separarlo tenemos mas inercia pudiendo cubrir grandes luces. ESTADIO DE FUTBOL “VOLCAN LAS CHIVAS” GUADALAJARA • CONCEPTO ARQUITECTONICO: MASSAUD-POUZET • ESTRUCTURA: LUIS BOZZO 125.000m2. construidos 11000m2 de servicios y 22000m2 de parking y túneles • ESPECTADORES: 45.000 • COSTO aprox: 100.000.000 USD • Es una obra de grandes dimensiones, el arquitecto lo que quería mostrar era el efecto de un volcán con una nube, • El planteamiento estructural inicial era poner unos muros verticales, tierra por fuera, la estructura de la cubierta se apoya en solo 16 columnas, que fuera independiente del hormigón q tiene por dentro…..no era viable por el costo del movimiento de tierra. • Propusimos q la verma sea inclinada. Por lo tanto solo hay una pequeña capa de tierra con césped natural. Esta estructura es un semicono de concreto q da toda la vuelta y dentro de ese semicono se tiene una serie de columnas, 16 columnas q son las q soportan los grandes voladizos, además tenemos columnas interiores q soportan las graderías, son cada 14 metros de separacion • Para darle forma a la ‘nubeÂ’, se concibió una estructura de 2,700 toneladas de acero con un recubrimiento de láminas impermeables y lona. Su apoyo se encuentra en 16 supercolumnas que suben hasta cargar la estructura de acero tridimensional, detalla Juan Andrés Vergara. • “Es muy resistente para cualquier acción lateral –sismos– por su forma continua de cono, lo que garantiza mucha solidez. Las cargas verticales –de público– se resolvieron a través de anillos y vigas perimetrales”, detalla. • La cubierta –la nube– está conformada por una estructura de unos 250,000 m2, dos metros de grueso por 1.5 metros. “Inicialmente era elíptica, y después se aproximó a un círculo”, señala. • El estadio tiene una planta que se acerca a una elipse, con una distancia entre las columnas que soportan la cubierta principal de 42 metros. • La estructura se sustenta en 16 macrocolumnas de concreto, cada una con unos 15,000 m2 de carga. A cada lado hay otros 16 núcleos de escaleras que también apoyan las gradas. • El perímetro en el eje de estas macrocolumnas es de 680 metros, por lo que la distancia media entre portagradas es de unos 16 metros, separación que disminuye hacia el interior del campo. • Los 48 elementos portagradas –de 75 cm de espesor y ancho variable– no se apoyan todos directamente en pilares, 32 de ellos se sustentan en vigas de transferencia que cargan en los mencionados macropilares, de esta manera el claro entre las portagradas es de más de 22 m aumentando la sensación de ligereza que aparenta la estructura desde el exterior. • En términos de ingenieria, comenta Bozzo, es un diseño único en el mundo. • “Lo normal es tener columnas cada 10 metros. Aquí, en cambio, hablamos de 15 m de separación entre portagradas, y la mitad no se apoya en el suelo, sino en vigas de transferencia”. • La cimentación está planteada mediante pilotes y se modificó a zapatas aisladas o combinadas superficiales. • Mediante una mejora del terreno se logró obtener tensiones superiores a los 6-10 kg/cm2 de trabajo. • “Es una pieza de arquitectura muy importante. Estructuralmente marcará tendencia. Creo se va replicar en otras partes del mundo”, comenta Bozzo. ESTRUCTURAS ESPACIALES • Este tipo de estructura es muy utilizada tanto para la construcción de edificios industriales como para la construcción comercial y de logísticos. Su medio de fabricación es a través de un cortador láser 3D, o de un cortador láser turbo. Así mismo se utiliza una soldadura robotizada y una pintura especial a base de polvo. Al momento de colocar este tipo de estructura en la obra, no se necesita la utilización de ningún tipo de soldadura directamente en la obra, las cuales tienden a afectar directamente el tratamiento superficial de la estructura en si, y la calidad de esta. • CONCEPTO • Es un método constructivo queposee una estructura compuesta por un gra número de elementos de acero semejantes, relativamente pequeños y estandarizados que conforman una retícula tridimensional, estos elementos están unidos atravésde nudos deacero. Estas estructuras son de formas geométricas muy variadas • TECHOS ESPACIALES TRIDIMENSIONALES • FILOSOFIA DE LA ESTRUCTURAY MATERIAL Estas estructuras constituyen una óptima solución para cubrir grandes luces, porque a pesar de ser resistentes por el uso de barras de acero, son ligeras. Estas formas constructivas, en sus distintas familias (planas, plegadas, cilíndricas, esféricas ,etc.) . Poseen una conexión y disposición que permite una adecuada distribución de las cargas exteriores (peso propio, cerramientos, sobre cargas útiles o accidentales, viento, etc.) y las correspondientes reacciones de apoyo. GÉNESIS DE LAS ESTRUCTURAS ESPACIALES El triangulo constituye la génesis de este sistema, es através de las triangulaciones que se logra obtener las formas básicas (como tetraedros) como unidad fundamental en el espacio, estas unidades a su vez son las que conforman lo que llamamos las estructuras espaciales • VENTAJAS • a) Rapidez de fabricación y montaje: • Todos los elementos son prefabricados en taller, con tolerancias estrictas (tanto porque lo posibilita este tipo de tecnología como por que lo requiere la precisión del montaje) lo que asegura uniformidad en la calidad de la obra. • El montaje, completamente estandarizado, puede ser ejecutado con mano de obra poco o semi especializada. Los elementos son de reducido peso y se requiere equipo menor de montaje. • Todo esto implica una gran rapidez en la fabricación de los distintos elementos y en el montaje de la estructura, lo que se traduce en una rápida puesta en servicio de la obra. • b) Liviandad: • La esbeltez de todos los elementos permite una estructura sumamente liviana (hasta del orden de • 4 a 5 kg. de acero por cada m2 cubierto), con la con siguiente economía en infraestructura de apoyo (vigas y columnas o pórticos) yfundaciones. • c) Posibilidad de grandes luces libres: • La liviandad de la estructura (basada en la mayor resistencia del acero y de la buena distribución de los esfuerzos) permite salvar grandes luces sin apoyos intermedios, lo cual es de gran importancia en ciertos tipos de obras como por ejemplo hangares, salas deportivas, pabellones de exposición, salones, iglesias, plantas fabriles, aleros para tribunas, etc. • d) Sencillez de los cerramientos: • La misma forma de la estructura con sus figuras planas para la malla de la napa superior (triángulos, rectángulos o cuadrados, hexágonos,etc.) permite gran facilidad para cubrir la superficie con elementos de cerramientos prefabricados, todos iguales y fácilmente colocables. A si mismo la iluminación es fácilmente solucionable con elementos vidriados de cierre. • e) Buen comportamiento sonoro: • En el caso de cubiertas para salas de conciertos o conferencias, iglesias, teatros, etc., se ha comprobado un excelente comportamiento acústico. Esto es debido al casi despreciable efecto que tienen las reverberaciones e interferencias merced a la tupida compartimentación de la cubierta mediante un gran número de barras dispuestas en distintas direcciones. • f) Efecto decorativo: • Frecuentemente el aspecto de las cubiertas de grillas resulta bien integrado a la finalidad y sentido de la obra, complementando a ésta no solo funcional si no estéticamente. Esto hace innecesario y aún inconveniente ocultar la estructura con cielorrasos, lo que se traduce en una economía adicional. • g) Mayor resistencia al colapso: • La eventual destrucción de una porción de la estructura es soportada por una redistribución de esfuerzos a las barras circundantes, sin que se agote la capacidad portante de la estructura total. Esto permite la posterior separación del sector dañado, fácil y rápidamente, mediante el simple remplazo de los elementos averiados. Situaciones tales han ocurrido por efecto de explosiones o por fallas de algún elemento defectuoso, o por el pandeo de alguna barra en casos en que el análisis de esfuerzos no fuese correcto. • h) Ubicación de cañerías: • La altura (espesor) de la grilla plana a dos napas (usualmente del orden de 1,00m más o menos) y la disposición regular de las barras inclinadas, permiten prever fácilmente en su interior el pasaje de las distintas canalizaciones (electricidad, calefacción, ventilación, sanitarios, desagües, etc.) COMPONENTES • Nudos Son elementos de acero de forma esférica, en los que mediante un mecanizado, se han realizado unos taladros roscados con asientos para las barras y para recibir los tornillos de unión de nudo a barra. • Barras • Son elementos formados por tubos de acero conformados en frío, en cuyos extremos se han incorporado unos elementos, puntas, con taladro pasante y que sirve de unión mediante el tornillo al nudo • TIPOS DE ESTRUCTURASPLANAS • Estructuras Planas: estructuras realizadas con el sistema modular puro o variado, es decir, formado a base de pirámides de base cuadrada con aristas iguales y de tetraedros regulares, o formados a base de cualquier tipo de formas, formando un conjunto plano. Pueden ser horizontales o inclinadas. • Estructurasde Simple Curvatura: • Bóvedas • Las bóvedas de una sola capa deben tener tímpanos relativamente cercanos y por supuesto debe existir un empotramiento entre nudos y barras. Estas estructuras sin reforzar y con una sola capa, pueden acometer solamente luces pequeñas. Desde el punto de vista estético, las posibilidades que proporciona la E.E. para este tipo de bóvedas son inmensas. • BóvedasLaminareso Reforzadas • Estas bóvedas son estables aunque el nudo se considera articulado. Las bóvedas de cañón deben disponer necesariamente de tímpanos, pudiendo llegar a luces de 50m. Ó más si el ángulo entre barras es suficiente. • Bóvedasen Rincón de Claustro • En estas bóvedas que aquí proponemos, se pueden suprimir los tímpanos. Su empleo modular apoyado sobre un entramado de vigas es una bella solución para grandes estructuras • Estructurasde Doble Curvatura: • Cúpula Geodésica • Con esta disposición conseguimos un buen reparto de tensiones, a una costa de que su montaje sea dificultoso. Estas cúpulas se resuelven siempre con estructura triangular de una o dos capas, o bien, con una solución intermedia, consistente en plegar la superficie por medio de pirámides rebajadas hexagonales casi siempre atirantadas • Cúpula de Paralelos • Este tipo de cúpulas de paralelos se resuelven con estructura de base cuadrada (trapezoidal en este caso), o de base triangular, desde el punto de vista estructural. • Cúpula de Paralelos Laminares • Especial interés tienen las cúpulas de paralelos en las que el número de módulos va disminuyendo conforme los paralelos tienen una dimensión menor. Son recomendables las que quedan rematadas en un cuadrado, un pentágono o un hexágono. • Estructuras Curvatura Compleja: Este tipo, permite formas y espacios diferentes y estéticamente agradables • Vigas Espaciales Las diversas formas y características que ofrecen estas vigas, les hacen presentar grandes ventajas sobre las tradicionales, como son: ligereza, transporte cómodo por ser elementos individuales pequeños y manejables y su fácil montaje. Los apoyos de estas vigas pueden realizarse de diversas maneras, dependiendo dela disposición deseada de los pilares. De esta forma podemos obtener el apoyo sobre dos pilares separados la modulación de la viga. Las modulaciones en las que deben realizarse este tipo vigas, tienen que ser las comprendidas entre 2 y 4 metros aproximadamente, pudiendo llegar a una separación entre vigas del orden de 7 metros, dependiendo todo ello de las características dimensionales de las naves a realizar. • FABRICACION • Una de las características de las estructuras prefabricadas es que pueden ser totalmente realizadas en taller y por lo tanto el proceso de fabricación, puede ser absolutamente controlado. Las estructuras espaciales, deben tener unas tolerancias de fabricación muy estrictas, ya que en el caso de fuerte hiperestaticidad se podría llegar a la imposibilidad de su montaje. Sin embargo, dimensionalmente, la fabricación de barras por su propio proceso de fabricación, puede tener un control unitario total. En cuanto a su control resistente, el mejor es un muestreo destructivo que es el que actualmente se realiza. La soldadura entre el tubo y las puntas de unión para formar las barras, se realiza mediante un procedimiento automático en ambos extremos a un tiempo, siendo el posicionado de dichas puntas realizado de forma semiautomática. El resto de los elementos de la estructura auxiliar de cubierta, se sueldan a si mismo en taller con la ayuda de útiles preparados al efecto, que determinan su posición y dimensión. • GRADOS DE ACABADO • Todos los elementos de la estructura espacial llevan una protección anticorrosiva, que en este caso está conseguida mediante la aplicación de una pintura poliéster en polvo y polimerizada al horno. Para conseguir una buena calidad se preparan las superficies mediante: • Desengrasado con sus correspondientes lavados. • Fosfatado microcristalino. • Aplicación electroestática dela pintura en polvo. • Horneado de polimerización. Posteriormente, se comprueba mediante ensayos químicos y mecánicos, la calidad de la pintura y su aplicación, controlándose su adherencia y resistencia a la corrosión y caleado, mediante ensayos en niebla salina y rayos U.V. • Así mismo, se comprueba la resistencia de la capa y su espesor. • MONTAJE Siendo esta estructura totalmente prefabricada, las únicas operaciones a realizar en obras son: Atornillado de barras a nudos y fijación de la estructura sobre los pilares. Los tornillos empleados, todos de alta resistencia, reciben un acercamiento previo y un posterior apriete con llave dinamométrica graduada a la características del diámetro, paso y calidad de los tornillos correspondientes. El sistema de montaje más conveniente, es el de ensamblaje de la estructura en el suelo y rápidas elevaciones mediante grúas. Estas elevaciones deben calcularse con esmero, para que los esfuerzos que puedan aparecer por las fuerzas dinámicas o por los enganches en la estructura fija, no provoquen roturas en la propia estructura. Dada la potencia de las grúas actuales, es posible elevar tramos de hasta 5000m² de una sola vez, por lo que se consigue un gran rendimiento, rapidez y seguridad. De todas formas, las dimensiones de los tramos a elevar, está en función de las grúas disponibles en cuanto a potencia y la accesibilidad de la obra. • DISEÑO Gracias a la utilización del Diseño Asistido por Ordenador y su integración con el proceso productivo, se puede conseguir prácticamente cualquier tipo de geometría con la estructura espacial. • TIPOLOGIA DE LAS ESTRUCTURAS Las estructuras espaciales permiten múltiples disposiciones geométricasy aplicaciones: pueden ser estructuras estáticas o móviles; planas,abovedadas o con forma de cúpula; pueden ser estructuras de cubierta oforjados.Podemos clasificar las estructuras en diferentes categorías:- Estaciones y cocheras: talleres de mantenimiento, estaciones, estaciones marítimas, intercambiadores de transporte, etc.Instalaciones aeroportuarias: hangares, helipuertos, fingers, etc.- Naves industriales: almacenes, naves de compostaje, naves conpuentes-grúa colgados de la estructura, etc.- Recintos deportivos: frontones, piscinas, polideportivos, estadios,velódromos, etc.- Recintos feriales y de exposición.Recintos para ocio: cines, centros comerciales, escenarios, auditorios,museos, etc.-Marquesinas, andenes, pasarelas, etc.-Estructuras decorativas, stands, etc. • COSTOS • Para evaluarlas frente a otras posibles soluciones estructurales deberá considerarse:-costo de la materia prima (generalmente acero)-costo del proceso de fabricación de los distintos elementos-disponibilidad de equipo de montaje y costo de sus operaciones-costo de la mano de obra de ensamble y terminación-costo del mantenimiento de la estructura-incidencia económica de la rapidez en la puesta en servicio de la obra-costo de la patente (en caso de recurrir a sistemas patentados) CUPULA DEL PALAU SANT JORDI • El conjunto tiene un área de 13,642m² • Sus dimensiones son de 105,6 por 127,87 en planta, quedando la altura de coronación a 45m sobre la pista • El tamaño promedio de barra es de unos 3.6m. El espesor de la estructura es de unos 2.5m. • La estructura completa posee 2343 nudos y 9070 barras, usando mas de 3mil tipos debarras El peso de la estructura con todo y elementos auxiliares es de 1300ton • Losacero • También se le llama Forjado Colaborante. Este tipo de estructura es a base de lámina de acero galvanizada y su fabricación le permite tener adherencia con el concreto, trabajar como cimbra y contribuir como acero de refuerzo del concreto. • Características • • Utiliza un perfil laminado diseñado para anclar perfectamente con el concreto y formar la losa de azotea o entrepiso. • • Tiene una excelente resistencia estructural, disminuye los tiempos de construcción generando ahorros en mano de obra, tiempo y renta de equipo. • • Actúa como acero de refuerzo positivo y cimbra. • • Se puede aplicar con vigas trabajando como sección compuesta. • Usos • • Edificios industriales y plantas de proceso: en estructuras de acero son fáciles y rápidas de colocar. • Almacenes: da flexibilidad de espacio, permitiendo además colocar instalaciones suspendidas y aspersores contra incendios. • Oficinas y edificios administrativos: las estructuras de acero con losas mixtas disponen de grandes espacios libres y se adaptan a la colocación de conductos e instalaciones en falsos techos. • Edificios de viviendas y servicios comunitarios: las losas mixtas tienen buena capacidad de aislamiento térmico y acústico. • • Estacionamientos. • • Hoteles y hospitales. • Elementos que la forman: • Lámina o chapa perfilada • • Viga de acero • Losa de concreto • Refuerzo por temperatura a base de una malla electro soldada. • • Conectores de cortante. • Lámina o chapa perfilada • • En la fabricación de losas mixtas se emplean numerosos tipos de chapas perfiladas. • • Presentan diferentes formas, profundidades y separaciones entre nervios, anchos, recubrimiento lateral, rigidizadores planos y conexiones mecánicas entre la chapa de acero y el hormigón. Las características principales de la chapa perfilada son las siguientes: • Espesores comprendidos entre 0’75 mm y 1’5 mm, en la mayoría de los casos entre 0’75 mm y 1 mm. • Profundidades que van desde 40 mm hasta 80 mm. • Protección contra la corrosión mediante una fina capa de galvanizado en ambas caras. • Conectores de cortante • La losacero se conecta a la viga de acero por medio de conectores soldados al patín superior de la viga aprovechando al conector como elemento de fijación para la Losacero y como conector de cortante para la acción compuesta de la viga. • • Los relieves (embozado) longitudinales actúan como conectores mecánicos que unen la Losacero y el concreto, evitando la separación vertical. • • El concreto trabaja a compresión y rellena los canales, proporcionando una superficie plana para acabados. • • Soportar la carga muerta del concreto antes del fraguado. • • Ya fraguada, la sobrecarga de diseño es soportada por la sección compuesta donde Losacero provee el refuerzo positivo del entrepiso. • En general se emplea en placas livianas, de 8, 10 ó 12 cm. de altura, incluyendo los 3,8 cm. de altura de la lámina. • En aplicaciones sencillas se fija soldando en una tuerca o arandela y, cuando se requiere una placa compuesta, se emplean conectores de corte como se muestra en la figura. • Ventajas • • Reemplaza la cimbra de madera convencional logrando eliminar en algunos casos el apuntalamiento temporal. • • Construcción más rápida por colados simultáneos en distintos niveles del edificio. • • Limpieza por el nulo trabajo con madera, alambres, etc., y seguridad por su rigidez hacia las cargas de tránsito. • • La lámina crea una membrana de estabilidad y resistencia contra efectos sísmicos, cuando se crea el efecto de diafragma en la losa. • • Los paneles son ligeros y las losas prefabricadas pueden ser transportadas a la obra y colocadas rápidamente por pocos operarios. • •Permite ahorrar hasta un 30% de concreto, menos carga, construcción más ligera. • • Flexibilidad a la edificación, se pueden modificar durante la vida del edificio. • • Menos construcción in situ. • Desventajas • Su comportamiento ante el fuego. • Los criterios de resistencia a tener en cuenta son tres: • • La seguridad estructural, que es la capacidad que tiene la losa para resisitir bajo las cargas de servicio que se producen durante la exposición al fuego. • • El aislamiento, que es la limitación del aumento de temperatura sobre la cara no expuesta de la losa. • • La integridad, que es la capacidad de la losa de resistir la penetración de llamas o gas • caliente debido a la formación de fisuras y aberturas. • Se ha demostrado que la losacero no sobrepasa los 30 minutos y que siempre falla a causa del primer criterio, por lo que si en algún caso se hace necesaria una resistencia al fuego de más de 30 minutos sería necesario colocar una armadura suplementaria. • Este hecho podría repercutir en la pérdida de alguna de las principales ventajas de la losa mixta y la asemejaría a la losa de hormigón armado. Tridilosa • La tridilosa es una estructura mixta de concreto y acero que se compone de elementos tubulares soldados u atornillados a placas o nodos de conexión. • Las estructuras son mucho más ligeras, resistentes y económicas en tiempos mucho menores que los sistemas convencionales. • Esta característica permite su utilización para soluciones especiales tales como puentes; hangares para aviación, tiendas departamentales, edificios de oficinas, hoteles, entre otros. • Características • Su peralte varía según el espacios a cubrir. • El peso propio se mantiene casi constante (similar al de un aligerado de 20 cm). • Rigidez mayor a un techo convencional. • Las diagonales por su forma y ubicación distribuyen los esfuerzos en diferentes direcciones, lo que permite una reserva de resistencia para afrontar acciones como sismos. • Actúa ligada con elementos de borde y apoyo (vigas y columnas), haciendo un todo que da una mayor seguridad y estabilidad a la estructura. • Una de las cualidades más destacadas de su estructura es que puede ahorrar un 66% de hormigón y hasta un 40% de acero, debido al hecho de que no necesita ser rellenado de hormigón en la zona de tracción, solamente en la zona superior de compresión. La tridilosa sirve no sólo para hacer techos y puentes ultralivianos (en Nicaragua, Castillo construyó un puente por el que pasan camiones y que, sin embargo, puede ser levantado por 2 hombres, uno a cada extremo), sino también muelles flotantes y hasta pangas, como unas 40 que navegan desde hace años en Campeche. • Aplicaciones • Formas de aplicación
