ANALISIS Y DISEÑO DE CUBIERTAS CON CASCARON
Se puede definir a los cascarones como la estructura de doble curvatura, Por lo general, dichas estructuras son capaces de transmitir sus cargas en más de dos direcciones hacia los apoyos y se trata de construcciones de alta eficiencia estructural cuando tienen forma, proporciones y apoyos tales que la transmisión de cargas ocurre sin que haya flexiones o torsiones. Estas desarrollan
esfuerzos de membrana bajo cualquier sistema de cargas, siendo esta propiedad precisamente la que aprovecha la naturaleza y a la cual deben su nombre, ya que todos los cascarones naturales como los de los huevos o los caracoles, adoptan precisamente estas formas de doble curvatura, permitiéndoles tener una gran resistencia con un espesor muy reducido de material. La forma de paraboloide hiperbólico llamada también Hypar o Cascaron de concreto se usó después de la 2ª Guerra Mundial sobre todo en Inglaterra, Holanda y Alemania; los especialistas más renombrados en el diseño de este tipo de estructuras fueron Dischinger y Finsterwalder. La razón por la que probablemente tuvo una gran difusión este tipo de estructuras se debe a que con su geometría y forma de construcción se pudieron salvar claros de hasta 50 m empleando espesores de concreto muy pequeños. Un martes 13 de junio de 1939 llegó a costas veracruzanas el barco Sinaia con 1620 refugiados a bordo, el arquitecto Félix Candela entre ellos. Este Comenzó una nueva vida en un país extraño. Su obra, su legado en México, supera con creces cualquier expectativa. Candela nació en Madrid el 27 de enero de 1910 y cursó la carrera de Arquitectura en la misma ciudad, entre 1927 y 1935. Desde su época de estudiante quedó fascinado por las estructuras laminares de concreto, que empezaban a ser desarrolladas por personajes como Robert Maillart en Suiza, Eduardo Torroja en España o Eugene Freyssinet en Francia. El principio de estas estructuras era la resistencia por forma; es decir, que su propia geometría les hiciera mantenerse en pie.
Análisis de Cascarones Asimismo, el cascarón debe satisfacer las siguientes condiciones: los esfuerzos cortantes perpendiculares a la superficie media del cascaron deben ser despreciables; los puntos sobre una perpendicular a la superficie media antes de una deformación se encuentran sobre una línea recta después de ocurrida ésta; y, por último, dicha línea es perpendicular a la superficie media deformada. Generalmente, el cálculo de los esfuerzos en un cascarón se realiza en dos etapas, que por lo común implican la solución de ecuaciones diferenciales.
En la primera se desprecian la flexión y la torsión (teoría de las membranas).
En la segunda, se efectúan correcciones a la solución previa, para lo cual se superponen los esfuerzos de flexión y los cortantes necesarios para satisfacer las condiciones de borde (teoría de flexión).
Ventajas
La ventaja estructural del cascarón o paraboloide hiperbólico consiste en que sus bordes quedan prácticamente libres de cualquier esfuerzo y es en los arcos o nervaduras en forma de hipérbolas donde se concentra prácticamente todo el esfuerzo y trabajo estructural que es transmitido a su vez a la cimentación en donde en general las contratrabes perimetrales toman los empujes horizontales del cascarón. Los cascarones pueden tomar formas muy variadas y se prestan a crear estructuras de gran belleza. El cascarón de tipo cúpula esférica o parabólica: restringen la deformación transversal de los meridianos, trabajando a tensión en algunas zonas y a compresión en otras. Los cascarones cilíndricos: transmiten por flexión con mucha eficiencia debido al gran momento de inercia de la sección. Las cáscaras delgadas permiten la construcción económica de diversos tipos de techos curvos, heterogéneos en cuanto a su forma.
Desventajas
Las cáscaras generan diversos tipos de problemas, el principal radica en los encofrados, la impermeabilización. Las superficies curvas presentan dificultades acústicas, sobre todo si son grandes, lisas y duras. Presentan problemas térmicos (pueden aminorarse mediante el uso de materiales aislantes aplicados al interior o al exterior de la cáscara) Las concentraciones de esfuerzos que suelen presentarse en los apoyos y en los bordes, los que requieren frecuentemente de engrosamientos locales o de elementos de rigidización. Debido a los pequeños espesores que se logran en los cascarones por la gran eficiencia estructural de su forma, la resistencia puede estar regida por pandeo local de la superficie. También, por la misma razón, la resistencia del cascarón ante flexiones locales es reducida, por lo que su capacidad para soportar cargas concentradas es pequeña, excepto en zonas donde las curvaturas sean muy grandes.
Diseño de una cubierta de cascarón. En el diseño de una cubierta de cascarón consiste en definir las características de un sistema de manera que cumpla de manera óptima con sus objetivos. Este objetivo es que la estructura sea capaz de resistir las fuerzas a las que va a estar sometido. A continuación se presenta ejemplos de diseños de cubiertas de cascarón. Tipos de cascarones Clasificados de acuerdo a su forma:
Sinclastico
Desarrollable
Anticlástico
Conoides
Paraboloides Hiperbólicos
Hiperboloides
Forma libre
Cascarones de caños corto
Cascarones de cañón largo
Cascarones Esféricos
Cascarones Cilíndricos
Cascarones de paraboloides hiperbólicos
Sinclástica. Los de forma Sinclástica (domos) son doblemente curvados y tienen una curvatura similar en cada dirección.
Desarrollable. Los de forma desarrollada (conos y cilindros o de cañón) son de una sola curva; son rectos en una dirección y curvados en las otra, y se pueden formar doblando una placa plana.
Anticlasticas. Los de forma anticlasticas (con forma de silla de montar que incluyen conoides, paraboloides hiperbólicos e hiperboloides) son doblemente curvados y tienen una curvatura opuesta en cada dirección.
Cascarón Conoide.
Se generan moviendo el extremo de una línea recta a lo largo de una trayectoria curva y el otro extremo a lo largo de una línea recta o una curva más suave.
Paraboloides Hiperbólicos. Se generan moviendo una parábola convexa a lo largo de una parábola cóncava de la misma curvatura.
Hiperboloides. Se generan rotando una línea recta respecto a un eje vertical.
Cascarones de forma libre. Son aquellas que no se derivan matemáticamente. La habilidad de los cascarones para resistir esfuerzos de tensión, permite mucha mayor libertad en la forma Se pueden diseñar para responder a consideraciones estéticas y funcionales, y aún ser estructuralmente satisfactorios.
Cascarones de cañones cortos y cascarones de cañón largo Los cascarones de cañón corto tienen la dimensión más corta en planta a lo largo de su eje longitudinal. Se comportan de dos formas o la combinación de ambas:
Rigidizando los extremos Rigidizando cada borde inferior proporcionar la forma de una viga.
en
el
sentido
longitudinal
para
Cascaron de cañón largo. Tienen las dimensiones más largas en planta. Están soportados en las esquinas y se comportan como vigas largas en dirección longitudinal.
Cascarones esféricos. Se definen los cascarones esféricos como aquellos cascarones que están formados por una porción de superficie esférica. Este tipo de cascarones puede soportar variaciones de cargas, siempre y cuando estas sean graduales, ya que si no se producirían momentos. Si analizamos las fuerzas internas desarrolladas, vemos que se producen dos tipos: fuerzas meridionales y fuerzas perpendiculares a estas. Las fuerzas meridionales desarrolladas bajo una carga vertical repartida son siempre a compresión. Las fuerzas perpendiculares, en cambio, pueden ser a tracción o a compresión, en función de la posición en la que estén (en la zona superior a compresión y en la inferior a tracción). Por último, analizaremos las condiciones de apoyo. Hay que tener especial cuidado con estas, ya que hay que crear un anillo en la base que impida que el cascarón se "abra".
Estas formas trabajan como cascarones cuando se encuentran formando bóvedas, donde son similares a una multitud de arcos unidos entre sí. Si su superficie es lo suficientemente rígida, el cascarón también se comporta como
una placa, lo cual puede ser útil para soportar cargas no uniformes. Hay que tener en cuenta que si en vez de soportarse longitudinalmente, se coloca apoyada sobre los extremos, como una viga, su comportamiento se asemejará más a esta según aumenta la luz cubierta.
Cascarones de paraboloides hiperbólicos. Se trata de un cascarón formado por una superficie reglada. Si sus bordes son lo suficientemente rígidos, una acción similar a la del arco se desarrollará en las regiones de curvatura convexa, mientras que en las de curvatura cóncava, se desarrollará una acción similar a la del cable; variando las compresiones y tracciones en función de esto. Si este tipo de cascarones se vuelve demasiado plano, con curvaturas muy reducidas, se corre el riesgo de que comience a trabajar como una placa, por lo que se trata de un aspecto a tener en cuenta. Se pueden crear muchos tipos de cascarones de paraboloides hiperbólicos mediante la unión de estos. Como clara referencia en este modelo, hay que citar al arquitecto español Candela, quien creó numerosos cascarones de este tipo.
BIBLIOGRAFIA. http://civilgeeks.com/2014/05/04/estructuras-de-membrana-y-cascarones/ https://www.academia.edu/4321732/ensayo_placa_o_cascaron http://www.codigodiez.mx/textosarquitectoura/felixcandela.html http://es.slideshare.net/ernssss/tipos-de-cascarones-en-la-ingeniera-yarquitectura?qid=6e36fbf6-df2a-4f7d-93b72eb142302fc4&v=&b=&from_search=4
