Estructuras Especiales - UNI FIC

ESTRUCTURAS ESPECIALES EC216-G

INTEGRANTES: CARHUATOCTO LOPEZ, Miguel Ángel CASTAÑEDA CARRION, Néstor Humberto RAMOS ESTRADA, Kevin Fausto

4/15/2017

CÓDIGO:

20100145E 20112502B 20122572C

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ESTRUCTURAS – (EC216-G)

CONTENIDO GENERAL 1. INTRODUCCIÓN 4 2. OBJETIVOS 5 3. CONCEPTOS GENERALES 6 3.1 DEFINICIÓN: ESTRUCTURA ESPECIAL 6 3.2 TIPOS DE ESTRUCTURA ESPECIAL 6 4. ESTRUCTURAS ESPECIALES 8 4.1 PUENTE CANAL 8 APLICACIÓN EL PUENTE ACUÍFERO DE MAGDEBURGO 12 4.2 CÚPULAS 14 APLICACIÓN CÚPULA DE LA CATEDRAL DE FLORENCIA 18 4.3 SISTEMA ERDOX 21 APLICACIÓN: ESTABILIZACIÓN EN LA CARRETERA INTEROCEANICA SUR 24 4.4 LAS MALLAS ESPACIALES 26 APLICACIÓN: ALBERCA ESPECIAL PARA UNA CASA DE CAMPO 29 4.5 GAVIONES - DEFENSA RIBEREÑAS 31 MURO DE GAVIONES CON 3DS MAX Y MASSFX 33 4.6 PRESAS DE GRAVEDAD: 37 4.7 MUSEOS: 42 APLICACIÓN: AMPLIACIÓN DEL CENTRO DE ARTE REINA SOFÍA 44 4.8 TORRES 47 APLICACIÓN: TORRE CEPSA - TORRE FOSTER 50 5. CONCLUSIONES 54 6. RECOMENDACIONES 55 7. BIBLIOGRAFÍA 56

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CONTENIDO GENERAL 1. INTRODUCCIÓN 4 2. OBJETIVOS 5 3. CONCEPTOS GENERALES 6 3.1 DEFINICIÓN: ESTRUCTURA ESPECIAL 6 3.2 TIPOS DE ESTRUCTURA ESPECIAL 6 4. ESTRUCTURAS ESPECIALES 8 4.1 PUENTE CANAL 8 APLICACIÓN EL PUENTE ACUÍFERO DE MAGDEBURGO 12 4.2 CÚPULAS 14 APLICACIÓN CÚPULA DE LA CATEDRAL DE FLORENCIA 18 4.3 SISTEMA ERDOX 21 APLICACIÓN: ESTABILIZACIÓN EN LA CARRETERA INTEROCEANICA SUR 24 4.4 LAS MALLAS ESPACIALES 26 APLICACIÓN: ALBERCA ESPECIAL PARA UNA CASA DE CAMPO 29 4.5 GAVIONES - DEFENSA RIBEREÑAS 31 MURO DE GAVIONES CON 3DS MAX Y MASSFX 33 4.6 PRESAS DE GRAVEDAD: 37 4.7 MUSEOS: 42 APLICACIÓN: AMPLIACIÓN DEL CENTRO DE ARTE REINA SOFÍA 44 4.8 TORRES 47 APLICACIÓN: TORRE CEPSA - TORRE FOSTER 50 5. CONCLUSIONES 54 6. RECOMENDACIONES 55 7. BIBLIOGRAFÍA 56

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Ilustración 1 - Estructuras clásticas ................................... ......................................................... ............................................. .............................. ....... 7 Ilustración 2 - Esquema de un puente canal y vista en planta ....................... ............................................. .......................... 9 Ilustración 3 - Esquema de un puente canal ............................ .................................................. ............................................ ...................... 11 Ilustración 4 - Puente canal de Magdeburgo ........................................... .................................................................. ............................ ..... 12 Ilustración 5 - Río Elba........................................... ................................................................. ............................................ ....................................... ................. 12 Ilustración 6 - Cúpula .............................................. .................................................................... ............................................ ...................................... ................ 14 Ilustración 7 - La cúpula vista desde el interior, con los frescos de Giorgio Vasari ........... 19 Ilustración 8 - Cúpula .............................................. .................................................................... ............................................ ...................................... ................ 20 Ilustración 9 - Sistema Erdox ............................................... ..................................................................... ............................................ ......................... ... 21 Ilustración 10 - Sistema Erdox en obra ............................................................... ............................................................................... ................ 23 Ilustración 11 - Conformación del terraplén ter raplén y esquema del sistema global........................ ........................ 25 Ilustración 12 -Alberca de una casa de campo .............................................. .................................................................... ...................... 30 Ilustración 13 - Esquema Básico de un Gavión.......................................... ................................................................ ......................... ... 31 Ilustración 14 - Criterios para el Análisis de Gaviones ............................................ ....................................................... ........... 32 Ilustración 15 - Tipo de Acero a Utilizar.......................................... ................................................................ ................................... ............. 33 Ilustración 16 - Modelación del Gavión en 3DS MAX M AX.......................................... ....................................................... ............. 33 Ilustración 17 - Colocaciones de gaviones - Paso 1 ..................................................... ............................................................ ....... 35 Ilustración 18 - Colocaciones de gaviones - Paso 2 ..................................................... ............................................................ ....... 35 Ilustración 19 - Colocaciones de gaviones - Paso 3 ..................................................... ............................................................ ....... 36 Ilustración 20 - Colocaciones de gaviones - Paso 4 ..................................................... ............................................................ ....... 36 Ilustración 21 - Presa Gordon en Tasmania, Australia, del tipo presa en arco.................... 37 Ilustración 22 - Sección esquemática de una presa de tipo gravedad.................................. ................................. 39 Ilustración 23 - Cargas Actuantes A ctuantes de una presa............................................ .................................................................. ........................ 41 Ilustración 24 - Estructura y materiales de un museo........................................... .......................................................... ............... 42 42 Ilustración 25 - Planos del museo........................................... ................................................................. ............................................ ........................ 43 Ilustración 26 - situación del ejemplo mencionado del museo ............................................ ............................................ 45 Ilustración 27 - Espacios del museo .................................... .......................................................... ............................................ .......................... .... 46 Ilustración 28 - Estructura de una torre ................................................. ....................................................................... .............................. ........ 47 Ilustración 29 - Cimientos de una torre ................................................. ....................................................................... .............................. ........ 49 Ilustración 30 - Sistema forjado de una torre ............................................... ..................................................................... ...................... 49 Ilustración 31 - Planta de oficina sobre cerchas de transferencia y conexión con los núcleos laterales ............................................ .................................................................. ............................................. ............................................. ....................................... ................. 51 Ilustración 32 - Diseño de una torre especial ............................................. ................................................................... ......................... ... 52

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1. INTRODUCCIÓN El presente informe se va a recopilar información acerca de todo las posibles construcciones que implican procesos constructivos innovadores, estudios y cálculos vanguardistas y nuevas estrategias de construcción; construcción; el cual han ayudado a catalogar a estos monumentos en la categoría de estructuras especiales. En primer lugar se explicará ¿Qué es una estructura especial en la Ingeniería Civil? Además, los diversos motivos del porque se catalogan como tal, su importancia y lo que implica su construcción. También puede ser, por la metodología constructiva, el enfoque estructural o el uso para el que está destinada la estructura. Posteriormente se va a describir de manera general las obras de ingeniería civil que consideramos especiales, mencionando los detalles propios de cada tipo de estructura especial, con el objetivo de conocer mejor las atribuciones de las construcciones especiales. Desde el punto de vista de clasificación estructural puede considerarse espacial toda estructura en la que la distribución de los elementos resistentes es tal que no permite un análisis de su comportamiento por planos independientes. En contraposición, las estructuras consideradas como planas serían aquellas susceptibles de ser descompuestas descompuestas en diferentes subconjuntos comprendidos, cada uno de ellos en un plano dentro del cual pueden ser analizados separadamente de los demás. En esta clasificación quedan incluidas las formas estructurales un tanto singulares como cúpulas, bóvedas, etc. pero también otras muchas soluciones constructivas, algunas incluso muy elementales.

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2. OBJETIVOS ✓

Familiarizarnos con el término estructura especial.

✓

Entender cuando una construcción civil puede ser catalogada como una estructura especial

✓

Averiguar cuáles son las dificultades y retos para el diseño de las estructuras especiales.

✓

Dar ejemplos completos de lo que significa una estructura especial.

✓

Comparar distintos tipo de estructuras especiales

✓

Comprender los procesos constructivos involucrados y los diseños no convencionales.

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3. CONCEPTOS GENERALES 3.1 DEFINICIÓN: ESTRUCTURA ESPECIAL "Estructuras Especiales", fueron denominadas en el artículo conmemorativo al 150 aniversario de la ASCE (Sociedad Norteamericana de Ingenieros Civiles), a "las representaciones tridimensionales muestran ecuaciones de equilibrio y, confirmaciones de nuestras técnicas analíticas, normativas de diseño y prácticas constructivas".1 En ese grupo fueron incluidos varios tipos de estructuras como: estéreo celosías, redes de cables, estructuras inflables, membranas tensionadas entre otras muchas que sorprenden a las personas por sus diseños atrevidos y su estabilidad imponente. En general una estructura especial en la ingeniería civil son aquellas estructuras que son complejas o que no son convencionales, tanto en su diseño como en la metodología constructiva que se va emplear dependiendo de dónde se construirá.

3.2 TIPOS DE ESTRUCTURA ESPECIAL SEGÚN LA FORMA: Existen dos tipos de estructuras

Anti clástica Los centros de curvatura en direcciones ortogonales de las membranas se encuentran en los lados opuestos de la superficie. Por ejemplo un hiperboloide parabólico.

Sin clástica Los centros de las curvaturas se encuentran en el mismo lado de la superficie. Por ejemplo esferas y globos.

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Bradshaw et al . (2002).

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Ilustración 1 - Estructuras clásticas En la Ilustración 1, se puede apreciar a la derecha una estructura del tipo anti clástica. Izquierda una estructura tipo sin clástica

TENSO ESTRUCTURAS Un criterio muy utilizado por los especialistas para la clasificación de las tenso estructuras es el de las condiciones de borde. Entre los elementos de borde curvos, poseen notable importancia los cables, que trabajan a tracción, elementos sin rigidez a flexión cuya disposición (sentido de la curvatura necesariamente hacia el exterior) se corresponde con esfuerzos de tracción en la membrana.

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4. ESTRUCTURAS ESPECIALES Las estructuras elegidas son las siguientes ✓

PUENTE CANAL

✓

CÚPULAS

✓

SISTEMA ERDOX

✓

MALLAS ESPACIALES

✓

LOS TEXTILES JAPONESES

✓

AEROPUERTOS

✓

MUSEOS

✓

TORRES

4.1 PUENTE CANAL El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. > Uso de la estructura: La depresión del canal puede ser otro canal, un camino, una vía de ferrocarril o un dren. El puente canal es un conjunto formado por un puente y un conducto, > Materiales de la estructura: El puente canal, como todas las estructuras de cruce, se construye con un material al que se le puede dar un mejor acabado, con objeto de que este admita velocidades mayores en el agua, por ser más resistente a la erosión. Por lo tanto en beneficio de la economía de la obra. El conducto puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad. > Aspectos constructivos de la estructura: El puente canal puede ser de un solo claro cuando de un modo económico se puede salvar el espacio de la depresión con él, pero si el espacio es grande, tendrá que construirse varios tramos. En cada caso se harán las alternativas que se crean convenientes para escoger las longitudes correctas, el número de tramos y la posiciones de los apoyos. Los apoyos extremos puede ser estribos o caballetes y los intermedios pilas o caballetes. El puente canal está compuesto por los siguientes elementos hidráulicos:

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1. Transición de entrada, une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente canal, lo cual provoca un cambio gradual del agua en el canal. 2. conducto elevado, generalmente tiene una sección hidráulica más pequeña que la del canal. 3. transición de salida, une el puente canal con el canal. La forma de la sección transversal, por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma.

Ilustración 2 - Esquema de un puente canal y vista en planta Por lo general un puente canal tiene la forma de la Ilustración 2, vista en planta, se diseña para las condiciones del flujo sub-crítico (aunque también se puede diseñar para flujo supercrítico), por lo que el puente canal representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, que crea efectos hacia aguas arriba. Por lo anterior en la sección 4 de la Ilustración 2, se tienen las condiciones reales, siendo su tirante real de flujo el correspondiente al y del canal, por lo que esta sección representa una sección de control.

> Criterios de análisis y diseño: La ubicación de una sección de control, resulta importante para definir el sentido de los cálculos hidráulicos, en este caso, desde la sección 4 aguas abajo, hacia la sección 1 aguas arriba. Cabe recalcar que para el caso de un diseño en flujo supercrítico, el puente canal sería una singularidad que crea efectos hacia aguas arriba, por lo que la sección de control estaría en la sección 1, y los cálculos se efectuarán desde 1 hacia aguas abajo, hacia la sección 4. EC216-G GRUPO 1

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El diseño del conducto elevado por condiciones económicas debe ser del menor ancho posible, pero manteniendo siempre el mismo tipo de flujo, en este caso flujo subcrítico. A fin de que las dimensiones sean las mínimas posibles se diseña para condiciones cercanas a las críticas. Para una sección rectangular, en condiciones críticas se cumplen las siguientes ecuaciones:

  ∗        ∗ 2

( 1)

3

Igualando (1) y (2) se obtiene:

  ∗    ∗  27∗   8∗  ∗

2

3

( 2)

( 3)

3

Donde despejando b, se obtiene:



( 4)

De la ecuación (3), como Q es conocido (se debe conocer el caudal de diseño), para calcular b, se requiere conocer E. mín. Entonces se toma como una aproximación de E. mín. el valor de E4 calculado como:

      4   2∗    2∗

( 5)

Calculado el valor crítico de b crítico (con la ecuación 3), para propiciar un flujo subcritico en el conducto, se toma un valor mayor que este. Un valor mayor del ancho de solera reduce el efecto de la curva de remanso que se origina en el conducto. Resulta aceptable que la curva de remanso afecte el 10% del borde libre. En resumen, para definir el ancho del conducto, se calcula b utilizando la ecuación (3), luego se amplía su valor en forma adecuada, recordando que un valor disminuye el efecto por curva de remanso, pero disminuye la velocidad en el conducto.

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> Normativas de análisis y diseño: De acuerdo a los criterios de la normativa para la infraestructura del transporte (Normativa SCT), libro de proyecto; Tema, carretera; parte, proyecto de puentes y estructura; título, proyectos nuevos de puentes y estructuras similares. Las estructuras de concreto reforzado se diseñan y construyen de acuerdo a las “Normas Técnicas complementarias para el diseño y construcción de estructuras de concreto del RCDF”. o con el método de resistencia última estipulado en la última revisión del reglamento ACI-318 del American Concrete Institute. -

Calidad de los materiales

-

Concreto estructural en cimentación (estribos y apoyos intermedios): f’c = 30MPa = 300kg/cm^2

-

Concreto en losas, muros, transiciones f’c = 25MPa = 250 kg/cm^2

-

Plantilla de concreto f’c=MPa = 100 kg/cm^2

-

Acero de refuerzo de los tamaños 2.5 al 12 de acero normal y corrugado A-615 grado 60 (ASTM) con Fy 415 MPa = 4200 kg/cm^2.

> Solicitaciones o cargas actuantes: Mediante la sección del cruce que abarca el puentecanal, se propusieron los apoyos intermedios con claros que no sean excesivos.

Ilustración 3 - Esquema de un puente canal Los datos a considerar para la bajada de cargas serán las obtenidas calculando el peso propio del puente con el peso del agua, y aplicando un factor de seguridad de 1.4 para cargas vivas y el peso propio de los apoyos, que en primer instancia se desconoce el nivel de desplante de los apoyos.

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APLICACIÓN EL PUENTE ACUÍFERO DE MAGDEBURGO Es un acueducto navegable, el más grande en su clase en toda Europa. Su construcción demoró seis años y fue pensado para conectar dos importantes canales de Alemania, el Elbe-Havel con el Mittellandkanal.

Ilustración 4 - Puente canal de Magdeburgo Sin dudas se trata de una obra muy particular, que con sus 918 metros de longitud cruzando por encima del Río Elba, no hace más que dejar boquiabiertos a quienes lo visitan.

Ilustración 5 - Río Elba

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Desde siempre se habían querido unificar los canales ya que los barcos debían hacer un gran desvío –de 12 kilómetros- para poder pasar de uno al otro, puesto los cursos de agua se unían pero en lugares opuestos del río Elba. Además los niveles de agua hacían que muchas veces se perdiera aún más tiempo en recorrer este trayecto. Las guerras mundiales y la separación de Alemania durante la Guerra Fría hicieron que el proyecto del canal que cruza por un puente no pudiera llevarse a cabo. Finalmente, en 1997 comenzó la obra que unió la bahía interna de Berlín con los puertos del río Rin. La mole es una estructura 24,000 toneladas de acero y 68,000 metros cúbicos de concreto. Pararse frente a este canal es algo más que asombroso. Sólo pensar que este canal pasa por un puente de casi un kilómetro de largo y 32 metros de ancho que a su vez permite, casi por obra de magia, que un barco cruce de un lado al otro deslizándose por el agua, es algo casi increíble aunque se lo esté mirando en vivo y en directo. El ingenio humano a veces logra superar los obstáculos naturales y se constituye en un gran atractivo turístico, como en Magdeburgo.

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4.2 CÚPULAS > Uso de la estructura: Este es un elemento de uso arquitectónico, es decir, estructuralmente no cumple ningún aporte a una edificación, sin embargo para poder construirlo requiere de un análisis previo diferente a las estructuras convencionales.

> Elementos de una cúpula: La base sobre la que se apoya la cúpula puede consistir en muros continuos o en arcos sobre pilastras. Cuando la base es cilíndrica, la cobertura del espacio resultante puede construirse mediante una cúpula simple; en otro caso, la cubierta se convierte en una cúpula de gajos (gallonada). Para resolver la transición entre la base circular o elíptica de la cúpula y la forma cuadrada o poligonal del basamento, se utilizaron frecuentemente elementos de transición como trompas o pechinas. Entre la cúpula propiamente dicha, y los elementos de transición suele interponerse un tambor cilíndrico o cimborrio, por lo general perforado con ventanas, que posibilitan la iluminación del espacio interior. La iluminación puede asimismo complementarse mediante una linterna superior, visible desde el exterior como elemento formal de coronamiento del conjunto.

> Criterio de análisis y diseño: Desde el punto de vista estructural una cúpula delgada puede considerarse un elemento bidimensional de doble curvatura con simetría radial (respecto al centro de la esfera inscrita). Los esfuerzos predominantes son de tracción en el sentido de los paralelos y de compresión en el sentido de los meridianos. Estructuralmente sus ecuaciones de equilibrio corresponden a una lámina de revolución.

Ilustración 6 - Cúpula

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En las cúpulas de sección circular y de pared delgada se producen esfuerzos de flexión porque la circunferencia se aleja de la forma óptima de catenaria, cayendo la resultante fuera del tercio medio de la sección, pero éste alejamiento está generalmente por encima de la catenaria, lo cual permite anular ésta flexión con anillos de acero horizontales en forma de paralelos trabajando a la tracción y permitiendo así ajustar el polígono funicular de fuerzas a la forma circular requerida. En cúpulas de gran diámetro existen problemas serios de cargas eventuales que pueden llegar a ser muy importantes y obligan a un estudio profundo de los esfuerzos de flexión o pandeo que pueden producirse. Ejemplos de éstas cargas eventuales pueden ser presión despareja por vientos veloces, dilataciones diferenciales por temperatura despareja acumulaciones desparejas de nieve o hielo, asientos diferenciales de cimentaciones, etc.

> Materiales: Metales: Los metales como el acero y el aluminio son la opción más común para la estructura interna de los grandes domos, y también se usan a menudo en cúpulas más pequeñas. El acero galvanizado conductor de la electricidad se usa a veces como marco en domos pequeños. El aluminio y el cobre también se usan como capas exteriores para algunos domos. Madera: En las cúpulas más pequeñas, la madera se usa a veces tanto para el soporte esquelético como para la capa externa. Las maderas estructurales a menudo abeto de Duglas o maderas de ingeniería, y la capa externa está hecha de madera contrachapada apta para exteriores. Debido a la estabilidad y la ligereza de las cúpulas y la disponibilidad del bambú como material de construcción, los domos se han propuesto como soluciones prácticas y de bajo costo para las casas en áreas en zonas sísmicas del tercer mundo. Materiales sintéticos: los tubos de cloruro de polivinilo (PVC) a menudo se usan como miembros estructurales de cúpulas pequeñas, y las láminas plásticas, como acrílico, Plexiglas, nylon y fibra de vidrio son productos populares utilizados para la cubierta del domo. La fibra de vidrio, uterano o espuma plástica se consideran útiles para la aislación de interiores.

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> Aspectos constructivos: El ahorro de materiales: La cúpula es la estructura que más superficie nos va a aportar con la misma cantidad de materiales. La resistencia estructural: El reparto de fuerzas de la cúpula genera mayor resistencia que los hechos convencionales. Esto puede ser ventaja para construir con materiales que no sean tan resistentes. Reparto de la temperatura del aire: Con la estructura de cúpula o domo se evita el estancamiento de la circulación del aire, no hay ángulo entre paredes, así la distribución del calor que generamos dentro también será más eficiente. El futuro de una construcción responsable pasa por el hecho de adaptarnos de la mejor manera posible al medio que nos rodea. la estructura de cúpula había sido casi olvidada en nuestras formas de construir convencionales. es momento de recuperar las mejores soluciones posibles para equilibrarnos con el entorno.

> Solicitaciones o cargas actuantes: El diseño está basado en el método LRFD que tiene como antecedente para los factores de mayoría de las cargas, los valores dados en 1997 por los estándares ANSI. Dichos factores están relacionados con el tipo de carga y en especial con la combinación de carga a considerar Las combinaciones de carga a emplear son las siguientes:

-

1.4D

-

1.2D + 1.6L

-

1.2D +- E

-

0.9D +- E

Dónde: (D = Carga muerta; L = Carga viva; E = Sismo) En este caso la carga es transmitida a la estructura por la membrana teniendo una carga repartida variable según las áreas de influencia.

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> Modelación y cargas computacionales: Para evaluar la estructura es necesario analizarla con los factores de carga. Los miembros se analizaran a tracción axial y compresión con las cargas factorizadas. Para el análisis estructural se emplea el SoftWare SAP2000 NonLinear. Luego del modelamiento de la estructura se procederá a determinar los esfuerzos.

> Normativas de análisis y diseño: El método de verificación se basa en el código en el código LRFD (Load Resistant Factors Loads) Método de diseño por factores de carga o método de la rotura. Los elementos que conforman la estructura se puede emplear para que en lo posible los elementos trabajen principalmente en tracción consecuentemente para evitar que gobierne el diseño por estabilidad o pandeo.

> Aspectos constructivos: Un de los métodos constructivos más simples y antiguos consiste en levantar hiladas sucesivas de mampuestos, cerrándose progresivamente hacia el centro. Este sistema es antiquísimo, y permite cubrir espacios de diámetro relativamente pequeños. A veces, la colocación de los mampuestos sigue un patrón en espiral, tan como lo han aplicado tradicionalmente los esquimales para levantar sus iglúes. La construcción resultante suele denominarse falsa cúpula o aproximación de hileras al conseguirse por este medio. En este sistema cada aro o vuelta de mampuestos logra al << cerrarse>> la estabilidad necesaria, y el comportamiento estático es el de una estructura adintelada, sin esfuerzos horizontales de importancia. Las cúpulas verdaderas están conformadas por piezas llamadas dovelas, con una clave superior que equilibra los esfuerzos en forma similar a lo que se requiere en un arco o una bóveda, solo que en tres dimensiones. Para permitir un óculo cenital que dé paso a la luz exterior o —más tardíamente— una linterna con el mismo objetivo, la clave puede reemplazarse por un anillo superior de piezas que resisten en conjunto los esfuerzos de compresión. Este aro superior se construyó frecuentemente en aleaciones como el bronce, para asegurar la estabilidad y durabilidad. El problema más importante de los constructores de cúpulas antes de la Revolución industrial fue hallar materiales con resistencia a la tracción para contrarrestar los esfuerzos horizontales en la base de la cúpula que, por su forma, tiende a «abrirse». La solución

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clásica consistió en contrarrestar tales esfuerzos mediante contrafuertes pesados de obra, después por otras cúpulas y semicúpulas, que van llevando los esfuerzos a sitios menos visibles (caso de Santa Sofía de Constantinopla) y que en el gótico fueron remplazados por arbotantes. Posteriormente se contrarrestaron los esfuerzos horizontales mediante un zuncho, generalmente de acero, en la base, funcionando a tracción, pero con interesantes variantes, como por ejemplo, en la catedral de Puebla, (México), donde se utilizó un material tan inesperado como un trenzado de tripa de caballo, debido a que es mucho más flexible y resiste mucho mejor los esfuerzos de la cúpula cuando se produce un terremoto; de la bondad de la solución ideada por los arquitectos españoles da fe que la cúpula sigue entera tras bastantes movimientos sísmicos.

APLICACIÓN CÚPULA DE LA CATEDRAL DE FLORENCIA La cúpula, de 45,5 m de ancho, era originalmente una cúpula de madera construida por Arnolfo di Cambio. Construir una cúpula sobre el presbiterio conllevaba muchos problemas técnicos. Existía ya un modelo de ladrillo para la cúpula desde 1367 (como queda explicado en la Vida de Brunelleschi de Antonio Manetti, Ca. 1480). En 1419 tendrá lugar un concurso para diseñar una nueva cúpula ( cupola en italiano) para la catedral. Los dos competidores más importantes eran Lorenzo Ghiberti (famoso por su labor en las «Puertas del Paraíso», en el baptisterio) y Filippo Brunelleschi. Un desconocido arquitecto de la época llegó incluso a proponer que se llenara la catedral con tierra antes de levantar la cúpula a fin de construir la cúpula encima de la tierra moldeada (aún no se sabía de qué forma construir una cúpula con tanto peso y magnitud). Cuando se le preguntó cómo sacaría la tierra, se sugirió que la ciudad podría mezclar monedas con la tierra y los pobres, incidentalmente, vaciarían la cúpula. Brunelleschi se inspiró en la cúpula del "doble pared" o "doble casco" del Panteón de Roma. Con la ayuda de Donatello y Nanni di Banco construyó un modelo de madera y ladrillo (exhibido en el Museo de la Opera del Duomo). Brunelleschi ganó por poco. Su modelo sirvió como guía para los artistas, pero intencionadamente lo presentó incompleto con la finalidad de asegurar su control sobre la construcción. Las soluciones del artista eran ingeniosas y sin precedentes como el peculiar diseño octogonal de doble casco: la cúpula se eleva sobre un tambor octogonal, lo que permitía EC216-G GRUPO 1

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que la cúpula entera fuera construida desde la superficie, sin necesidad de andamios, que suponían un elevado costo. Esta enorme construcción pesa 37.000 toneladas métricas y contiene más de 4 millones de ladrillos. Brunelleschi hizo varios modelos y dibujos durante su construcción. Tuvo que inventar máquinas elevadoras especiales y grúas para izar las piedras grandes. Estas máquinas especialmente diseñadas y las brillantes técnicas de albañilería fueron las espectaculares contribuciones a la arquitectura de Brunelleschi. En la cúpula se utilizaron también refuerzos horizontales de tirantes de piedra y hierro, preparando el camino para las ideas de reforzamiento de hierro y acero que se utilizarían siglos después, como el caso del hormigón. Pese a la resolución del concurso, ambos arquitectos fueron los encargados de llevar a cabo la obra. No hubo consenso. Ghiberti se burló de estos planos y los tildó de imposibles. Brunelleschi, profundamente ofendido, simuló una enfermedad y partió para Roma, dejando el proyecto en las manos de Ghiberti. Pero Ghiberti pronto se dio cuenta de que no estaba capacitado para llevar a cabo la obra por sí solo. En 1423 Brunelleschi regresó asumiendo la responsabilidad total de su construcción.

Ilustración 7 - La cúpula vista desde el interior, con los frescos de Giorgio Vasari El trabajo de la cúpula comenzó en 1420 y fue completado en 1436. La catedral fue consagrada por el papa Eugenio IV el 25 de marzo de 1436. Fue la primera cúpula octogonal en la historia que se construyó sin el soporte de un armazón de madera y fue la mayor cúpula construida entonces (todavía es la cúpula de albañilería más grande del mundo). Fue uno de los logros más espectaculares del Renacimiento.

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Ilustración 8 - Cúpula

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4.3 SISTEMA ERDOX > Uso de la estructura: Son estructuras metálicas piramidales de acero y anclaje único que se distinguen por su peso reducido, flexibilidad y factibilidad de uso. Pueden ser fijadas a placas de cimentación de diferentes dimensiones a tirantes según las necesidades del proyecto. Es apropiado para la realización de obras longitudinales, transversales o en forma de espina de pez (espolones). Es apropiado para el reforzamiento de canales y lagos, además de garantizar una excelente protección contra la erosión. Puede ser rellenada con material extraído directamente del lugar. El principio del funcionamiento del sistema Erdox es muy simple y sencillo de entender, lo cual hace que sea una opción bastante atractiva para la ingeniería. Dicho principio consiste en lo siguiente:

Ilustración 9 - Sistema Erdox El peso del material de relleno de las estructuras, que actúa sobre la placa en concreto, tiene que vencer el empuje que actúa sobre el panel frontal transmitido por el relleno mismo y por la sobrecarga eventualmente presente sobre la estructura.

> Criterios y análisis del diseño: Para calcular el empuje que es ejercido sobre algunos parámetros, se puede utilizar la teoría clásica de muros de contención, sin considerar cargas hidráulicas (ya que como se menciona, este sistema es permeable) y además se considera la superficie de contención como infinitamente rígida. Gracias a no soportar las posibles cargas por presión hidrostática, este sistema puede ser usado sobre superficies que sean de permeabilidad limitada. Debido a que el empuje se ejerce sobre las vigas diagonales que contienen al muro, y este es permeable, la fuerza hidrostática ejercida sobre el sistema puede considerarse como nula.

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La ecuación para calcular magnitud del empuje ejercido es la siguiente:

Donde: -

P: empuje ejercido sobre la pared, utilizando Rankine

-

Gamma: Peso específico del material utilizado como relleno

-

h: altura de la estructura

-

Ka: Coeficiente de empuje activo

-

Q: Sobrecarga estimada según el uso del muro.

Se puede sustituir la carga uniformemente distribuida sobre el muro por una carga puntual aplicada en la intersección de las vigas (es decir, al centro de éstas); esto es debido a que los resultados obtenidos con la modelación del modelo real y el idealizado son prácticamente iguales, lo cual es admisible para propósitos ingenieriles. Para que el sistema se encuentre en equilibrio la resistencia del sistema de anclaje debe ser mayor que la fuerza aplicada sobre las vigas, el cual depende directamente de la fuerza aplicada sobre las vigas, lo cual depende directamente de la fuerza de fricción producida entre la placa de concreto y el terreno sobre el que es apoyada. es por ello que se debe tener especial cuidado en el dimensionamiento de las placas y la calidad del terreno el cual van a ser apoyadas. El Erdox está diseñada especialmente para la realización de barreras filtrantes y destaca por su facilidad de montaje y capacidad de drenaje. El empuje que se presenta sobre el panel frontal se transmite de forma piramidal a través del tirante rígido y los cables de contraviento a la placa en concreto, que representa el sistema de anclaje de la estructura. Con ello, geométricamente es imposible que el muro de contención tipo Erdox sufra inconvenientes por volteo. Un muro construido utilizando este sistema presenta las siguientes características: ✓

Resistencia estructural y estabilidad instantáneas apenas se ha finalizado con el relleno de la estructura, esto permite garantizar el tránsito vehicular en el más breve plazo posible.

✓

Flexibilidad y adaptación a los asentamientos diferenciales del terreno, sin comprometer las estructuras superiores ni inducir acciones de carga no previstas.

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Debido a su funcionamiento de tipo piramidal, geométricamente es imposible que el muro de contención pre-armado Erdox sufra problemas de volteo. ✓

Su bajo peso y facilidad de transporte permiten pre-ensamblarlo fuera de la obra y colocarlo de manera rápida.

✓

Su configuración final se adapta al entorno natural y mejora considerablemente el aspecto de la obra.

✓

El tiempo de ejecución, la mano de obra, la maquinaria requerida y sobre todo el costo de este tipo de muro es mucho menor que el de un Muro Terramesh.

✓

El muro está constituido por materiales propios del sector casi en su totalidad, y al re vegetar el sector, el muro queda enterrado completamente, por lo que el impacto ambiental es prácticamente nulo. Además, favorece la siembra de arbustos y vegetación en la misma estructura

✓

El muro es isostático y flexible, esto convierte al muro en una estructura sismoresistente.

✓

La cara frontal permite el drenaje del material que se use para conformar el relleno evitando que llegue a saturarse y pierda resistencia al esfuerzo cortante.

Ilustración 10 - Sistema Erdox en obra

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> Cargas actuantes: El principio de funcionamiento se basa en que el empuje que ejerce el panel frontal transmitido por el relleno más sobrecarga que pueda haber sobre la estructura, sea menor que el peso actuante sobre la placa de concreto del material de relleno de las estructuras. cabe resaltar que el empuje sobre el panel frontal se transmite de manera piramidal hacia la placa de concreto por medio del tirante rígido y los cables contraviento, lo que presenta el sistema de anclaje de cada elemento Erdox. Por lo cual, es recomendable que el apoyo de la placa de anclaje sea sobre un terreno de buena calidad. Si por la condiciones locales no se puede apoyar la placa sobre un suelo de buena calidad, se puede anclar con un tirante hecho con una perforación en el terreno ( con la profundidad adecuada para que la resistencia a tracción estabilice completamente al sistema). La base del funcionamiento tipo pirámide, garantiza que no existe problemas por volteo en un muro construido con el sistema Erdox.

APLICACIÓN: ESTABILIZACIÓN EN LA CARRETERA INTEROCEANICA SUR Los Tramos 2 y 3 del Corredor Vial Interoceánico Sur (CVIS), que comprenden alrededor de 656 Km de carretera asfaltada, atraviesan una gran diversidad geográfica, que hicieron de su construcción un desafío muy importante para las empresas involucradas. Para lograr lo anteriormente señalado, se necesitaba sistemas versátiles que controlen los principales problemas suscitados en la carretera, como derrumbes y hundimientos en la vía. Es así, que la Concesionaria implementó un sistema de gestión que permitiera el aprovechamiento y la reutilización del conocimiento de las experiencias iniciales con el Sistema Erdox, logrando además, reducir considerablemente los tiempos de interrupción de la vía.

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Ilustración 11 - Conformación del terraplén y esquema del sistema global De la ilustración 10; se observa la Conformación del Terraplén, además de un esquema con el sistema global del Sistema Tipo Paraguas en el Sector Km.11+500.

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4.4 LAS MALLAS ESPACIALES > Descripción y características: Dentro de las estructuras espaciales, son un determinado tipo de estructuras, que propiamente deberían ser consideradas como celosías tridimensionales y que con frecuencia se conocen por mallas estéreos o espaciales. Estas estructuras se caracterizan por estar constituidas a base de elementos muy simples (barras y nudos) que ordinariamente se ensamblan en obra por atornillado para formar el conjunto estructural. La topología, distribución geométrica de barras en el espacio, se consigue como consecuencia de la repetición y yuxtaposición de poliedros sencillos correspondiéndole las barras con las aristas de aquellos y los nudos con sus vértices. El conjunto, de gran respetabilidad geométrico, recuerda en cierto modo, y no por casualidad, las organizaciones estructurales más elementales de la naturaleza como son las que forman los átomos para componer los cristales moleculares. En los casos más frecuentes el conjunto está comprendido entre dos superficies envolventes, sensiblemente paralelas, planas o no, que se denominan capas de la malla. Cada capa suele estar compuesta por una red de barras dispuestas en forma de retícula. Los nudos de cada capa se conectan con los de la opuesta mediante otras barras denominadas normalmente diagonales.

> Normativa de análisis y diseño: En la anterior descripción de las mallas espaciales se han considerado como más habituales las de doble capa, en las cuales los nudos se encuentran situados solamente en las dos superficies envolventes. Pueden generarse topologías que distribuyen sus nudos en diferente número de capas. Cabe citar las mallas de triple capa que han sido objeto de recientes investigaciones por parte del Ptr. Makowski, con resultados interesantes acerca de su rigidez. Por ahora no han tenido gran difusión ya que el gran número de elementos y conexiones que presentan hace poco rentable su empleo. También suelen proyectarse mallas de una sola capa. Estas, sí que presentan un notable interés económico pero su empleo queda bastante restringido. Bajo el supuesto de que las uniones se comportan como nudos articulados las mallas monocapa solo son estables si se distribuyen en superficies de doble curvatura (cúpulas) mediante retículas triangulares. En cualquier caso no son económicamente aplicables a grandes luces por el riesgo que presentan de fenómenos de inestabilidad generalizada.

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En las aplicaciones usuales se emplean casi exclusivamente las mallas de doble capa. La limitada extensión de este documento nos impide una descripción detallada de todas las formas posibles de componer la geometría elemental de estas estructuras, no obstante se expondrán brevemente las topologías básicas más empleadas. Como se había citado anteriormente, la distribución de barras en el espacio se obtiene por yuxtaposición de poliedros estables. Los únicos poliedros regulares estáticamente determinados son el tetraedro y el octaedro; ambos dan lugar a la generación de las dos mallas más elementales. La malla octaédrica, sin duda la más empleada, está generada por la repetición de semi octaedros o pirámides de base cuadrada, unos con el vértice hacia arriba y otros invertidos. En cada capa se forma una retícula cuadrada quedando los nudos de una de ellas sobre los centros de cuadrados de la opuesta. En cada nudo concurren ocho barras, cuatro horizontales y cuatro diagonales. La malla tetraédrica se obtiene por yuxtaposición de tetraedros. La retícula de cada capa es triangular existiendo tres direcciones preferentes de canalización de los esfuerzos. Estas mallas son más rígidas que las octaédricas y producen una mejor distribución de esfuerzos. En general, para una misma aplicación, con la malla tetraédrica se consiguen esfuerzos notablemente inferiores a los que se producen con la octaédrica. También las flechas provocadas para igualdad de capacidad resistente suelen ser menores. A pesar de esto las mallas tetraédricas son generalmente más caras porque, en el caso de aplicar la misma longitud elemental de barra, el número total de elementos requeridos para la construcción de la malla es notablemente superior. Como se expondrá más adelante, la densidad de nudos de una estructura es un factor decisivo en su economía. A título indicativo cabe citar que, por término medio, la malla tetraédrica puede resultar del orden de un 20 a 30% más cara que la octaédrica, pero esto no debe considerarse en absoluto como una regla ya que en determinadas aplicaciones puede incluso resultar más económica. En particular, en los casos de estructuras con planta hexagonal o triangular este tipo de malla puede resultar más adecuado por su mejor adaptación al contorno.

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> Aspectos constructivos: En las mallas espaciales ordinarias, las barras se conectan entre sí por medio de una pieza especial que constituye el núcleo del nudo. Las conexiones presentan unas características peculiares muy diferenciadas de las que se producen en las estructuras planas. El nudo debe permitir la concurrencia de un elevado número de barras, ocho o nueve frecuentemente, algunas de ellas bajo direcciones muy diversas en el espacio; pero además debe proporcionar el cumplimiento de unas condiciones técnicas aceptables dentro de un diseño económicamente viable. Las propiedades deseables más interesantes que, a nuestro juicio, deben reunir los sistemas de conexión son: a) capacidad para adaptarse a cualquier distribución geométrica de barras en el espacio. b) Sencillez de montaje e independencia en el orden de ensamblaje de los elementos cualquiera que sea la topología. c) Fiabilidad de la estructura. d) Óptimo aprovechamiento de los materiales. e) comportamiento acorde con las hipótesis de cálculo. f) bajo coste de mantenimiento. Existen muchos sistemas para la construcción de este tipo de estructuras, con diseños muy variados, pero no todos se aproximan suficientemente al cumplimiento de las propiedades indicadas. En una primera época se emplearon sistemas soldados en obra pero han caído en desuso por tener dos graves inconvenientes. Por un lado la calidad de las soldaduras es dudosa y sólo mediante costosas inspecciones radiográficas puede conseguirse una garantía suficiente. Por otro lado el proceso de montaje resulta excesivamente prolongado y costoso, no quedando compensado por el inferior coste de los componentes que salen de fábrica . La propiedad citada de un comportamiento acorde con las hipótesis de cálculo, para los programas normales de análisis de mallas implica que la unión debe asemejarse a una rótula pura. Esto supone una rigidez cónica baja combinada con una rigidez axial elevada. En general los sistemas atornillados se aproximan bastante a la reducida rigidez cónica, pero no todos aportan una rigidez axial suficiente. La conexión atornillada presenta siempre una cierta discontinuidad con mayor o menor flexibilidad localizada y generalmente con un comportamiento no lineal. Si la rigidez axial es muy baja la EC216-G GRUPO 1

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distribución de esfuerzos obtenidos por el cálculo puede discrepar notablemente de la que realmente se producirá en la estructura, pero además las deflexiones reales originadas bajo las cargas de trabajo pueden ser muy superiores a las determinadas en el cálculo. Cualquier sistema de conexión debe ser cuidadosamente ensayado tanto a nivel de nudos como de pequeñas estructuras con el fin de conocer su comportamiento real. Pueden considerarse satisfactorios los sistemas que por término medio producen deflexiones globales no superiores en un 10% a las determinadas por cálculo bajo la hipótesis de articulaciones puras.

> Uso de la estructura:

APLICACIÓN: ALBERCA ESPECIAL PARA UNA CASA DE CAMPO Está cubierta ligera resulta ser, como anteriormente se mencionó, más económica que el modelo cóncavo tipo domo que fabricamos, la razón principal es que los diversos elementos que le componen, al ser rectos, implican un ahorro al evitarse procedimientos costosos como es el rolado, el cálculo para los radios y los desperdicios consecuentes por la exigencia en las dobles curvaturas, las cuales si ha de mencionarse son compensadas por lo que el desperdicio que en otras circunstancias pudieran ser normal, se ven seriamente incrementadas. Las aberturas en los cuatro lados permiten una circulación uniforme para el aire permitiendo una temperatura más fresca en el interior y evitando el efecto invernadero que hace tan incómoda la utilización normal en una cubierta de este tipo. Pero que a su vez cuenta con la ventaja, por las condiciones originales del material con el que la membrana está fabricada, de permitir una muy excelente iluminación natural.

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Ilustración 12 -Alberca de una casa de campo

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4.5 GAVIONES - DEFENSA RIBEREÑAS Los gaviones son paralelepípedos rectangulares a base de un tejido de alambre de acero, el cual lleva tratamientos especiales de protección como la galvanización y la plastificación. Se colocan a pie de obra desarmados, y son rellenados con piedra de canto rodado o piedra chancada con determinado tamaño y peso específico. Como las operaciones de armado y relleno de piedras no requieren de ninguna calificación especial, el empleo de gaviones permite ejecutar obras que de otro modo requerirían mucho más tiempo y operarios.

Ilustración 13 - Esquema Básico de un Gavión > Uso de la estructura: -

Muros de contención: los muros de gaviones están diseñados para mantener una diferencia en los niveles de suelo en sus dos lados constituyendo un grupo importante de elementos de soporte y protección cuando se localiza en lechos de ríos.

-

Conservación del suelo: la erosión hídrica acelerada es considerada sumamente perjudicial para los suelos, pues debido a este fenómeno, grandes superficies de suelos fértiles se pierden; ya que el material sólido que se desprende en las partes media y alta de la cuenca provoca el azolvamiento de la infraestructura hidráulica, eléctrica, agrícola y de comunicaciones que existe en la parte baja.

-

Control de ríos: en ríos, el gavión acelera el estado de equilibrio del cauce. Evita erosiones, transporte de materiales y derrumbamientos de márgenes, además el gavión controla crecientes protegiendo valles y poblaciones contra inundaciones.

-

Decorativos: se han utilizado como un nuevo recurso. Ejemplo: en Puerto Madero

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> Criterio de Análisis y Diseño: Algunos criterios principales para los cálculos son los siguientes: -

Coeficiente de rozamiento entre gaviones: 0.8

-

Peso específico de la piedra de relleno entre 2 y 3 Tn/m3

-

Tanto por ciento de huecos: 20% - 30%

-

Peso medio por m3 de Gavión (Según piedra de relleno): 1.8 Tn/m3

-

Coeficiente de Rozamiento entre el terreno y el Gavión: 0.7

-

Coeficiente máximo de compresión 30 Mpa

-

La anchura se reduce en 0.5m en cada hilada superior

-

La hilada de la coronación deberá tener como mínimo 1m de ancho

-

Se recomienda Dejar un escalón como mínimo de 0.15 m en el paramento exterior para poder utilizar encofrados en la fase de montaje

Una de las aplicaciones principales de los Gaviones son los muros de contención de terrenos, tanto taludes como en terraplenes. Los muros de Gaviones son estructuras que trabajan por gravedad. Como norma general, la base del muro se determinará utilizando la siguiente:

B=½(1 + H); H= Altura Total del Muro

Ilustración 14 - Criterios para el Análisis de Gaviones

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> Materiales: Malla de Acero, es una aleación de Zinc de alta pureza que contiene un 95% de Zinc, un 5% de Aluminio y una adicionales de Lantano (La) y Cerio (Ce). La resistencia a la corrosión que proporciona, a igualdad de espesor, es mucho mayor que la obtenida con el Zinc puro de la galvanización reforzada tradicional.

Ilustración 15 - Tipo de Acero a Utilizar > Modelación: MURO DE GAVIONES CON 3DS MAX Y MASSFX

Ilustración 16 - Modelación del Gavión en 3DS MAX

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> Solicitaciones o cargas actuantes:

Empuje del Suelo

………………………………………………………………………(6) Factores estabilizantes ……………………………………………………………………...(7) Factor de Volteo

…………………………………………………………………….. (8)

Factor de Deslizamiento

…………………………………………………………….…… (9) Reacción del suelo

………………………………………………………………….. (10) > Normativas de análisis y diseño: Existe una normativa europea que regula la duración mínima de estas obras según la dificultad que revistan sus tareas de mantenimiento (Durability and the Construction product Directive 89/106/ CEE). Los trabajos estructurales con gaviones (muros de contención y defensas fluviales), como estructuras permanentes, deben tener una duración de al menos de 50 años.

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> Aspectos constructivos: 1. Desplegar la malla, abatiéndola en el suelo. Posteriormente levantar las paredes y las dos cabezas hasta que coincidan sus aristas contiguas, formándose de esta forma la caja con la tapa abierta, a continuación cocer las aristas con alambre galvanizado.

Ilustración 17 - Colocaciones de gaviones - Paso 1 2. Situar el gavión, una vez armado, en el lugar de la obra que indica el proyecto. Atarlo a los gaviones contiguos mediante alambre galvanizado reforzado y torsiones entre mallas.

Ilustración 18 - Colocaciones de gaviones - Paso 2

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3. Una vez colocada en su emplazamiento, el gavión se rellena con canto rodado o piedra de cantera. Se puede efectuar con medios mecánicos como retroexcavadora, excavadoras o cintas transportadoras. Es necesario colocar previamente un encofrado consistente en un bastidor metálico o de madera, sostenido por puntales, para mantener el enrejado en los parámetros proyectados. Colocar tirantes transversales de alambre galvanizado reforzado cada 25/30 cm aproximadamente.

Ilustración 19 - Colocaciones de gaviones - Paso 3 4. Cerrar el Gavión haciéndolo coser con alambre galvanizado reforzado. Mediante el empleo de una pequeña palanca con el extremo curvado, se ayudará a la coincidencia entre las diferentes aristas de la tapa con los bordes superiores de las caras del gavión.

Ilustración 20 - Colocaciones de gaviones - Paso 4

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4.6 PRESAS DE GRAVEDAD: En ingeniería se denomina presa o represa a una barrera fabricada de piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo. Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para elevar su nivel con el objetivo de derivarla, mediante canalizaciones de riego, para su aprovechamiento en abastecimiento o regadío, eliminación de avenidas (evitar inundaciones aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética y está nuevamente en mecánica y que así se accione un elemento móvil con la fuerza del agua.

Ilustración 21 - Presa Gordon en Tasmania, Australia, del tipo presa en arco. > Uso de la estructura: ●

Presas filtrantes o diques de retención: Son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua.

●

Presas de control de avenidas: Son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta.

●

Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de

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forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario. ●

Presas de almacenamiento: El objetivo principal de estas es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo.

●

Presas de relaves o jales (México): Son estructuras de retención de sólidos sueltos y líquidos de desecho, producto de la explotación minera, los cuales son almacenados en vasos para su decantación. Por lo común son de menores dimensiones que las presas que retienen agua, pero en algunos casos corresponden a estructuras que contienen enormes volúmenes de estos materiales. Al igual que las presas hidráulicas tienen cortina (normalmente del mismo tipo de material), vertedero, y en vez de tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer los líquidos.

> Criterio de Análisis y Diseño: ●

Presa de gravedad: es aquella en la que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que este debe ser suficientemente estable para soportar el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.

Dentro de las presas de gravedad se puede tener: ●

Escollera o materiales sueltos: de tierra o suelo homogéneo, tierra zonificada, CFRD (enrocado con losa de hormigón) y otros.

●

De hormigón: tipo HCR (hormigón compactado con rodillos) y hormigón convencional.

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Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie. De esta forma, el muro tendrá que soportar más presión en el lecho del cauce que en la superficie. La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad.

Ilustración 22 - Sección esquemática de una presa de tipo gravedad.

> Materiales: Presas de hormigón: son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las producidas en otros materiales. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería. En España, el 67 % de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero.

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> Solicitaciones o cargas actuantes: Las principales fuerzas que actúan sobre una presa son las fuerzas del agua del embalse, las fuerzas de levantamiento y peso del concreto. En el caso de la presa de gravedad se tiene que el agua empuja la presa pero su gran peso empuja la estructura hacia abajo, dentro del suelo evitando su colapso. Pero también hay muchas otras fuerzas que pueden actuar sobre una presa de gravedad entre las cuales figuran: 

Puede haber agua en el lado aguas abajo de la presa, la cual tendrá el mismo tipo de fuerzas verticales y horizontales sobre la presa que el agua en el lado aguas arriba.



Presión hidrostática interna: en poros, grietas y juntas.



Variaciones de temperatura y reacciones químicos



Presión de cieno, el cieno se reúne con el tiempo en el lado de aguas arriba. El cieno provee cerca de 1,5 veces la presión horizontal del agua y dos veces su presión vertical.



Carga del hielo en el lado de aguas arriba, Carga de oleaje en el lado de aguas arriba y Carga de sismo



Asentamientos de la fundación o de los estribos.



Otras estructuras en la parte superior de la presa: compuertas, puente, carros.



Fatiga del concreto (creep): Deformación del concreto cuando se encuentra bajo una gran presión

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Ilustración 23 - Cargas Actuantes de una presa > Aspectos constructivos: La construcción de una gran estructura como es el caso de las presas implica la movilización de enormes volúmenes de material (del orden de cientos de miles de metros cúbicos de hormigón), así como de mano de obra, maquinaria y, en general, de medios que contribuyan a la consecución de nuestro objetivo. Es evidente, por lo tanto, que una de las prioridades a tener en cuenta en el diseño de todo aquello que comporta construir una presa (materiales, dosificación, procedimientos de construcción, etc.) será economizar en lo posible todo este proceso sin dejar de lado, por supuesto, la seguridad a lo largo de toda la vida de la presa. Esto puede comportar cambios en los materiales que forman el hormigón (sustitución parcial del cemento, elección de áridos...), en la puesta en obra (procedimientos tradicionales de puesta en obra versus aquéllos de compactado por rodillo), etc., según, claro está, las circunstancias particulares de cada caso. El incremento de temperatura que experimenta el hormigón una vez puesto en obra depende, fundamentalmente, del tipo y cantidad de conglomerante. Siendo uno de los objetivos la reducción de dicha temperatura, resultan imprescindibles ciertos cambios respecto al conglomerante que utilizamos en un hormigón convencional.

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4.7 MUSEOS: Para la construcción se ha recurrido a materiales y técnicas novedosas en el campo de la construcción, en España, Inglaterra y Francia, para ampliación de museos se emplea materiales como el composite (fibra de vidrio y poliéster) que recubre el edificio del auditorio, tanto por dentro como por fuera, con un tono rojizo muy característico.

Ilustración 24 - Estructura y materiales de un museo Se utiliza materiales conocidos aplicando diseños únicos como las lamas de protección de fachadas de aluminio extruido. La creación para el techo de la biblioteca de una inmensa lámpara de dados de vidrio moldados exprofeso en la Real Fábrica de Vidrio de la Granja (Segovia) o la aerodinámica cubierta, revestida de alucore y cinc. Dos de los edificios (Biblioteca y Exposiciones temporales) construidos con acero laminado. Vigas y pilares han sido confeccionados, como si de un textil se tratara, con el corte por láser de palastros de 5cm de espesor que se sueldan en talleres especializados,

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como la de la empresa Horta y estos, son trasladados hasta la obra en tramos de 12, 16 y 22 metros. El edificio de los auditorios se construye con el sistema de hormigón pos tensado. Dos grandes costillas, en disposición simétrica, soportan las cargas de los auditorios y la sala de protocolo. El patio de butacas es el resultado de unir las costillas por vigas de hormigón armado. La gran cubierta que se eleva en los museos es de aproximadamente seis metros sobre las terrazas de los edificios mide casi 8.000 metros cuadrados y se apoya en pilares metálicos. Los voladizos alcanzan hasta los 36 metros de vuelo. Se confeccionó una estructura de vigas metálicas, de alma llena de 3,4 m de altura en el área central, el espesor se disminuye hasta alcanzar los 5cm en el perímetro exterior.

Ilustración 25 - Planos del museo

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APLICACIÓN: AMPLIACIÓN DEL CENTRO DE ARTE REINA SOFÍA En 1994 visitaron el museo 715.268 personas, diez años después el número aumentó hasta 1.445.253. Las necesidades artísticas y de servicio crecieron paralelamente lo que llevó a convocar un concurso internacional de arquitectura que se celebró en 1999. Se trataba de ampliar el espacio museístico en el solar anexo que ocupaban distintas dependencias del Ministerio de Educación. Se eligió, entre más de 100 inscripciones, a 12 equipos de arquitectos. Las bases del concurso de ideas para la ampliación del Centro de Arte Reina Sofía establecía la intervención en el solar triangular situado al suroeste del edificio que levanto Sabatini en la segunda mitad del siglo XVIII. Se presentaron los arquitectos Jean Nouvel (ganador del concurso), Zaha M. Hadid, Cruz y Ortiz, David Chipperfield, Dominique Perrault, Enric Miralles, Guillermo Vázquez Consuegra, Juan Navarro Baldeweg, Luis Moreno García Mansilla y Emilio Tuñón, Manuel de las Casas, Santiago Calatrava y Tadao Ando; entre otros. La primera fundación del Hospital General de Madrid, actual sede del MNCARS, se debe al rey Felipe II, quien centralizó en este lugar todos los hospitales que estaban dispersos en la Corte. Carlos III decidió una nueva fundación, al resultar insuficientes las instalaciones para la ciudad. El actual edificio es obra de los arquitectos José de Hermosilla y de Francisco Sabatini, debiéndose a este último gran parte de la obra. En 1788, tras la paralización de las obras con la muerte de Carlos III, el edificio fue ocupado, asumiendo la función para la que había sido construido, la de Hospital, aunque lo edificado no fuera sino sólo un tercio del proyecto de Sabatini. Desde entonces ha sufrido varias modificaciones. En 1977 es declarado Monumento Histórico-Artístico. En 1980 comienza la restauración del edificio realizada por Antonio Fernández Alba. En 1986 se abre el Centro de Arte Reina Sofía. En 1988 José Luis Íñiguez de Onzoño y Antonio Vázquez de Castro llevan a cabo las últimas modificaciones, junto al arquitecto británico Ian Ritchie. La actuación se levantará en la parcela situada junto a la fachada trasera del edificio EC216-G GRUPO 1

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principal del museo, antes ocupada por varios pabellones del Instituto Nacional de Bachillerato a Distancia. Con fachadas hacia la Ronda de Atocha y la calle Argumosa, la ampliación ocupará un espacio residual escasamente vinculado a la glorieta de Carlos V, y enfrentado a la arquitectura residencial de bajo interés de la ciudad real al sur de Atocha.

Ilustración 26 - situación del ejemplo mencionado del museo El proyecto ganador aporta un espacio "de y para" la ciudad, además de cubrir las necesidades demandadas. La creación de una plaza pública, que surge de la ordenación de los nuevos edificios y la fachada suroeste del actual Museo. El arquitecto Jean Nouvel explica que esta ampliación es "una invitación a crear exposiciones, actividades… es un soporte para acciones". "Un ala bajo la cual se descubre el cielo con reflejos y transparencias, un ala unificadora que no toca el museo, sino que se detiene a menos de un metro para dejar pasar un rayo luminoso, un ala cuya cubierta corresponde exactamente al forjado de la penúltima planta del museo".

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Ilustración 27 - Espacios del museo Las nuevas instalaciones diseñadas por Nouvel, que albergan una espectacular biblioteca en madera de jatoba, con cien puestos de lectura y capacidad para almacenar 250.000 volúmenes; dos singulares auditorios (uno para 500 personas y otro para 200), una cafetería-restaurante, que regentará Sergi Arola, y dos nuevas salas de exposiciones temporales. Una de las zonas más interactivas son las terrazas cuya cubierta que no toca el museo invita a unir cielo y tierra con una visión invertida de los edificios y calles de Madrid o al propio visitante que forma parte entonces de su propia obra de arte. Las exposiciones temporales tienen 2.251 metros cuadrados construidos. Cuentan con un sistema que permite ocultar completamente las fachadas de vidrio. Los pozos de luz proporcionan una iluminación natural, artificial o combinada. Dispone también de mecanismos especiales para suspender obras de arte de gran complejidad. Un gran auditorio con capacidad para 400 personas y otro con 200 butacas. "El auditorio y las salas de encuentros se han singularizado por su forma -explica Nouvel- heredada de la escenografía. Estuche de formas tensadas y de ángulos redondeados, rodeado de terrazasmirador". EC216-G GRUPO 1

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4.8 TORRES La estructura más compleja es la de acero, un marco arquitectónico Vierendel con un peso de 11.000tn, y hormigón armado, con una piel de triple cristal en las zonas de oficinas y placas de acero inox en los núcleos de hormigón. Estrategias como el triple acristalamiento de las fachadas de oficinas mejoran la eficiencia energética del edificio. La torre es un edificio único, en el que ninguna de las columnas de la estructura de la torre se extiende hasta los cimientos, todo el peso del edificio se apoya sólo en sus dos núcleos laterales, creando una asombrosa base libre de columnas. Su estructura consiste en dos núcleos de hormigón unidos entre sí en tres puntos a lo largo del edificio. Este diseño le hizo ganador en 2008 a la Mejor Gran Estructura otorgada por la Asociación de Ingenieros Estructurales de Illinois, Estados Unidos. Los núcleos muy cargados permiten que la esbelta torre resista eficazmente los embates de viento.

Ilustración 28 - Estructura de una torre

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Cada uno de los 3 bloques de oficinas que forman el cuerpo central de la torre se apoya en un conjunto de vigas de acero con doble nivel que se extienden entre los dos núcleos de hormigón armado. Las cerchas transfieren todas las cargas de gravedad de la torre a los dos núcleos que son los únicos elementos verticales de transporte de carga que llegan hasta los cimientos. Con una relación entre altura y ancho de 12 a 1, este rascacielos de 250m es lo último en eficiencia estructural. Para lograr esta estructura única, se colocaron vigas de transferencia en los canales de los niveles mecánicos intermedios de los núcleos, sobre las que descansan las plantas de encima. Estas vigas también sirven para crear el “mega marco” que asegura la rigidez de la torre. Se prestó especial atención a la redundancia, asegurando que la estabilidad estructural no resultara dañada si fallaran los componentes de estas armaduras. Los edificios en Madrid se suelen cimentar sobre pilares perforados que tienen que ver con una capa de arcilla firme llamada Tosco. En la zona donde se levantó la Torre Foster este fondo arcilloso se encuentra aproximadamente a una profundidad de 20m, haciendo pensar en un primer momento que este tipo de cimientos serían los apropiados. Sin embargo debido a los 5 niveles subterráneos de aparcamiento la losa inferior de cimentación se ubicaría a 20m por debajo del nivel, dentro de la rígida arcilla Tosco. Se continuaron los estudios para otros posibles sistemas de cimentación, el escogido por considerarlo el más conveniente fue una losa reforzada única de hormigon de 72x44x5m sobre la que se apoyan los núcleos de hormigón de la torre. Todo el sistema de cimentación fue diseñado con una redundancia inherente ya que la esterilla ha sido dimensionada para resistir todas las fuerzas de vuelco con la suposición de que ninguna carga lateral será transmitida a las losas de los sótanos, ni a los muros pantalla. Se han analizado las losas de cimentación y los muros pantalla, siendo diseñados para resistir una parte de las cargas laterales, la rigidez de todo el sistema depende de la interacción entre el suelo y la estructura, siendo ésta la mejor estimación, basada en la experiencia de los consultores geotécnicos, por lo que la estera, el nivel más bajo de la estructura y los muros pantalla han sido diseñados para resistir la peor combinación de cargas en una interacción entre suelo y muros.

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Ilustración 29 - Cimientos de una torre

Ilustración 30 - Sistema forjado de una torre

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APLICACIÓN: TORRE CEPSA - TORRE FOSTER Con la Torre Foster, que a lo largo de su historia recibió el nombre de Torre Caja de Madrid, Torre Bankia, Torre Repsol y Torre Cepsa a partir de junio de 2014, el arquitecto Norman Foster continuó con las investigaciones para obtener un lugar sostenible de trabajo. Este tipo de diseños en torres de oficinas puede ser rastreado en numerosos proyectos, principalmente para el Commerzbank, la torre Suiss Re y la Corporación Hearst. Con 250 m de altura, la Torre Cepsa – Foster sigue siendo a comienzos del 2015 el edificio más alto de España. Remarcando la entrada a la nueva área de negocios de la capital española su fachada que recuerda en cierto modo a una construcción de “bloques lego” destaca entre las torres que lo rodean. El rascacielos mide 250 metros, y se inauguró en mayo de 2009. Forma parte del complejo conocido como las Cuatro Torres, levantado sobre los antiguos terrenos de la Ciudad Deportiva del Real Madrid. Con la vistas a equiparar la actividad económica madrileña con la de la ciudad de Londres, el proyecto a 12 años, conocido como Operación Chamartín y promocionado por el alcalde de Madrid en 2010, fue diseñado para convertir la Ciudad Deportiva en un centro internacional de negocios bullicioso, con 20 nuevos rascacielos, un centro de conferencias, amplias avenidas, 12 carriles de tráfico y aceras peatonales arboladas. El alcalde RuizGallardón había pronosticado que esta gran empresa crearía 25.000 puestos de trabajo muy necesarios, a la vez que proporcionaría a Madrid los medios para atraer empresas multinacionales de primer nivel a la ciudad. Desde un principio fue un proyecto muy cuestionado que a lo largo de los años ha quedado representado por los cuatro primeros edificios construidos: la Torre Sacyr Valle hermoso, posteriormente bautizada como Torre PwC (2008), La Torre Espacio (2008), la Torre Foster (2009) y la Torre de Cristal (2009). La torre de 45 plantas se encuentra ubicada en los antiguos campos de entrenamiento del Real Madrid, en la esquina noroeste de la intersección del Paseo de la Castellana y Monforte de Lemos, lugar que el Ayuntamiento de la ciudad asignó para que se levantaran las cuatro nuevas torres diseñadas por arquitectos de prestigio internacional. La Torre Cepsa es el más alto de este grupo, sobre el Paseo de la Castellana, la “columna vertebral” de Madrid, España, y se coloca cuidadosamente para maximizar las cualidades excepcionales del sitio. EC216-G GRUPO 1

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Ilustración 31 - Planta de oficina sobre cerchas de transferencia y conexión con los núcleos laterales En términos de composición, el edificio puede ser pensado como un arco alto, con los servicios y los núcleos de circulación enmarcando el cuerpo de oficinas. Diseñado por Foster + Partners, su arco rectangular flotante en ángulo es uno de los diseños más ecológicos con visión de futuro en el conjunto del proyecto. El espacio abierto en el techo deja abierta la posibilidad de una futura instalación de turbinas eólicas. Estratégicamente posicionada para bloquear la luz del sol de este a oeste, la Torre también brinda a los residentes vistas espectaculares de las montañas de la Sierra de Guadarrama. El rascacielos de Cepsa, con sus 45 plantas rectangulares cuenta con una superficie de más de 109.000 metros cuadrados de oficinas, incluyendo una superficie bruta alquilable de 56.250m2 en plantas y 37.500m2 en sus cinco niveles subterráneos de garaje.

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Ilustración 32 - Diseño de una torre especial El diseño de la torre incluye 5 niveles de estacionamiento subterráneo y 34 plantas de oficinas divididas en tres bloques de 11, 12 y 11 niveles separados por plantas intermedias dobles, más el gran lobby de entrada, un espectacular atrio acristalado de 22m de altura que facilita la transición desde la calle, a la vez que acomoda en el altillo un “auditorio flotante” con paredes de cristal. El edificio, en un principio, fue concebido para ser sede corporativa de la Caja de Madrid, aunque con el transcurrir de los años lo fue también de algunas otras empresas, pero su superficie es lo suficientemente flexible como para permitir subarrendar parte de su espacio, según las necesidades de cada momento. En la parte superior del edificio, el vacío creado debajo de la sección superior del “portal” fue diseñado para albergar posibles turbinas de viento, capaces de proporcionar una significativa fuente de alimentación en el edificio. Este grado de adaptabilidad es resultado, en parte, de empujar los núcleos de servicio hacia los bordes del plano central, una estrategia pionera en el diseño de los Bancos de Hong Kong & Shanghái, que permitió

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crear placas de piso de 1.200m2. La orientación norte-sur maximiza la sombra natural dirigiendo la luz solar de bajo ángulo hacia los núcleos, un movimiento que tiene el beneficio añadido de la elaboración de unas vistas espectaculares de las montañas de la Sierra de Guadarrama al norte y el centro de Madrid, al sur. Las plantas mecánicas están localizadas en los niveles que dividen los tres bloques de oficinas. Se ha tenido en cuenta la fluencia y retracción de los núcleos de hormigón por lo que se permite el movimiento vertical de dos componentes estructurales. El marco Vierendel en el perímetro de cada piso de oficinas tiene columnas que se encuentran adyacentes a la pared central. Estas columnas se han detallado para permitir el movimiento vertical en la mitad de altura entre cada piso, mientras que resisten las fuerzas de cizallamiento desde el marco. El otro lugar donde las conexiones se detallan para el movimiento está en los niveles mecánicos 2 y 3. El segmento de marco entre el borde del encuadre mecánico y el marco Vierendel exterior conecta dos segmentos separados de losas en los pisos 11 o 12. La fluencia del núcleo de hormigón hará que los segmentos de pisos soportados a diferentes niveles de la celosía se muevan en diferentes magnitudes, por lo que la conexión entre cada uno es detallado, para permitir el movimiento. La estructura del garaje y del acceso a nivel de la plaza es toda de hormigón armado y se extiende 18 metros por debajo del nivel de calle, creando los 5 niveles subterráneos destinados a aparcamiento. La estructura del piso por debajo del nivel es una construcción de forjado reticular con una profundidad típica de 0,45m y una separación de vigas de 0.84m en el centro y en cada dirección. El forjado reticular se apoya sobre columnas, muros perimetrales y en las paredes centrales de la torre. La estructura del piso por encima del nivel consta de vigas continuas de 2 x 0,65 m en dirección Norte-Sur con una losa de 0.3m extendiéndose entre las vigas.

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5. CONCLUSIONES 

Examinar y buscar información sobre estas estructuras también hace notar que en el Perú hace falta desarrollar muchísimo la investigación. En muchos casos hay que seguir reglamentos internacionales al no contar con una legislación local.

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Al investigar sobre estas estructuras especiales, concluimos que los cálculos que conlleva hacer el diseño de esta no son nada del otro mundo, es decir, solo se necesita tener los criterios de estabilidad e innovar en ese campo.

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Creo que es fundamental el conocer este tipo de estructuras alternativas y poco usuales. El conocimiento de ellas nos permiten no sólo plantear nuevas soluciones sino más bien retomarlas –puesto que muchas de ellas ya tienen una larga historiay adaptarlas a las necesidades actuales que tengamos espacialmente; además claro de generar espacios con mayor desarrollo tecnológico y por ende estético.

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Me queda claro que este tipo de sistemas debe de resolverse con un amplio espectro de especialistas y asesores: algo completamente diferente a lo practicado en estructuras convencionales.

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6. RECOMENDACIONES 

Las estructuras especiales son en muchos casos una alternativa económica a los construido, por ello es recomendable tenerlo en cuenta.

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Se debe tener en consideración, que para determinar las fuerzas sísmicas de diseño de algunas estructuras especiales, que no son cubiertas por el alcance de las norma técnicas peruana sismo resistente, debe obtenerse el valor del periodo fundamental de la estructura, T, a partir de las propiedades de su sistema de resistencia sísmica, en la dirección bajo consideración, de acuerdo a los principios de la dinámica estructural, utilizando un modelo matemático linealmente elástico de la estructura.

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Estructuras Especiales - UNI FIC

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