UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL FACULT TAD DE ARQUITECTURA, URBANISMO Y ARTES ESTRUCTURAS ESPECIALES CÁTEDRA: ING. PABLO MOSCOSO ING. CARMEN PACORA
INTRODUCCION El presente trabajo tiene como objetivo conocer el comportamiento resistente de las estructuras neumáticas, comprender el sistema y su aplicación. Este tipo de estructuras incursionan en el campo de la técnica constructiva cuando aparecen recintos temporales a base de aire presurizado, es decir, casas de campaña, almacenes y todo tipo de albergues inflables, cuya ventaja sobre otros sistemas constructivos radican en la gran rapidez de montaje y portabilidad.
ANTECEDENTES HISTÓRICOS Este tipo de estructuras se comenzaron a utilizar a partir de los 50 ’s. En 1917, Frederick W. Lancherter, ingeniero ingles, establece la primera patente de una construcción neumática, sujetando una bóveda de grandes dimensiones por medio de la creación de una ligera sobre-presión en el interior, pero su aplicación practica tardara hasta que en el campo militar de la aeronáutica de EUA-durante el periodo de la guerra fría- la utilice para proteger las grandes antenas de radar de vigilancia con un sistema mínimo de espesor, evitando la inclusión de una estructura que pudiera interferir con las señales de radio de frecuencia. IMAGEN 02. FREDERICK W. LANCHESTER
FUENTE: http://en.wikipedia.org/wiki/Frederick_W._Lanchester
ANTECEDENTES HISTÓRICOS La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada al expandirse, según dicta la ley de los gases ideales. Se crean los globos aerostáticos en el siglo XVII, desafiando la gravedad mediante el uso de aire caliente o gases livianos. Con el nuevo milenio, nace la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías que sean energéticamente eficientes. Durante los 20 ’s, Estados Unidos, Francia, Alemania e Inglaterra realizan investigaciones científicas sobre las formas resistentes y eficiencia estructural en las estructuras ligeras, desarrollando así, nuevas tecnologías de construcción.
IMAGEN 03. GLOBO AEROSTÁTICO
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: DEFINICIÓN Pertenece al grupo de las TENSOESTRUCTURAS, que incluye a las membranas tensionadas, entre otras. Son aquellas conformadas por estructuras superficiales con una gran membrana de material impermeable, soportada por aire con formas curvas (su geometría, como consecuencia de la mayor presión de aire al interior), del tipo sinclasticas (de curvatura positiva), de pequeñas y medianas luces.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: CARACTERÍSTICAS Este tipo de estructuras trabajan por diferencia de presión y por tracción. Estos esfuerzos de tracción debe ser resistidos internamente por la membrana. Compuestas con una sola membrana rigidizada por el volumen de aire interno. Permite cubrir grandes luces. Este tipo de estructura presenta gran practicidad en su armado y tecnología. La influencia de las cargas es mas perceptible que en una estructura convencional. Las formas geométricas son esféricas o cilíndricas. Este tipo de estructuras son ligeras, flexibles y posee propiedades climáticas.
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IMAGEN 06. VIVIENDA REALIZADA CON ESTRUCTURA NEUMÁTICA
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: FUNCIONAMIENTO Este sistema constructivo liviano esta basado en la estabilidad de la estructura a partir de las diferencias de presión de aire generada en el interior de la membrana y el exterior, efecto que produce una tensión en la superficie (esfuerzo de tracción) que le otorga ri gidez y firmeza. Para lograr que este sistema de estructura funcione, debemos tener por un lado una presión interna suficiente y necesaria para que logre inflar la membrana, y así impedir las fuerzas de compresión. Estas fuerzas se manifiestan en forma de pliegues. Es decir, que la estabilidad se logra cuando todas las partes de la membrana están bajo tracción. También se considera que estos esfuerzos de tracción debe ser resistidos internamente por la membrana, por lo tanto, deben ser menores a los máximos permitidos por el material.
IMAGEN 07. ESQUEMA DE FUERZAS
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: ELEMENTOS Los elementos que conforman este sistema son:
MEMBRANA Este material esta compuesto de un tejido interno o capa intermedia que le da la resistencia a la tracción compuesto por una malla de fibra de vidrio, y dos caras externas de protección conformada por teflón, en la parte superior tiene un tratamiento anti-polvo que la hace auto limpiante con la lluvia.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: ELEMENTOS TIPOS DE MEMBRANAS Membranas de películas plásticas Las películas plásticas transparentes no tienen la suficiente resistencia a la acción de los agentes atmosféricos siendo muy susceptibles a deteriorarse bajo rayos UV. No obstante, existen ciertos materiales de reciente creación como el poli-tetrafluoretileno, el cual es ligero, resistente y durable; muy aconsejable para este sistema. La unión de las películas plásticas se realiza mediante la soldadura, en algunos casos lográndose uniones tan resistentes como el mismo material. El cosido o encolado, reducen considerablemente la resistencia de la película. Membranas de tejidos con una capa de revestimiento Son tejidos hechos de fibra de vidrio o sintéticos, que están revestidos por una película de poliuretano, PVC o poliéster. Membranas de caucho Estas son muy flexibles y útiles para ensayos, ya que pueden tomar una amplia variedad de formas son patrones de corte complicados.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: ELEMENTOS Membranas de tejido metálico Consiste en fibras de acero inoxidable, revestidas con un material que las hace impermeables al paso del aire. Este material posee una gran resistencia y duración, pero su costo elevado impide utilizarlo en aplicaciones ordinarias. Membranas de laminas de metal Son laminas de metal que poseen una muy alta resistencia a la difusión gaseosa, pero solo pueden usarse para estructuras neumáticas cuando son bastante flexibles (teniendo cargas de rotura muy bajas). Actualmente se utiliza una lamina plástica de aluminio , sobre todo a causa de su gran reflexión de calor. Es ligera, resistente, impermeable y durable. Aun falta demostrar su adaptabilidad a las estructuras de grandes proporciones. Espumas plásticas Se utilizan para darle rigidez a las estructuras, evitando la necesidad de un continuo suministro de aire para mantenerse en pie.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: ELEMENTOS ANCLAJE La fuerza que ejerce el aire contra la gravedad, hace que las membranas que componen la estructura tiendan a elevarse; para contrarrestar este efecto es necesario vincular la estructura al suelo a través de anclajes. Cualquiera que sea el método empleado, las fuerzas de anclaje deben ser distribuidas uniformemente en todo el perímetro del edificio con el fin de evitar las concentraciones de tensiones en la membrana (a menos que este reforzada por cables o redes, en cuyo caso el anclaje deberá efectuarse en determinados puntos).
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: ELEMENTOS TIPOS DE ANCLAJE Lastre Este anclaje se usa principalmente en estructuras de tipo nómade. Como las condiciones del lugar pueden variar, debe elegirse los métodos de lastre apropiados. Lastre de agua A primera vista, el agua puede parecer ideal como lastre, bajo costo y fácil de encontrar, pero es vulnerable; solo basta un agujero para que peligre toda la estructura. Lastre de tierra Este método consiste en llenar el tubo del lastre con alguna materia solida como tierra, arena o gravilla. El tubo se une al perímetro y se corta a lo largo de su cara exterior para facilitar el vaciado y llenado. Otra variante consiste en excavar alrededor de la estructura una zanja, donde se coloca la falda del perímetro de la misma estructura y luego se rellena.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: ELEMENTOS TIPOS DE ANCLAJE Sistema de anclaje en el suelo En este tipo, la membrana esta positivamente atada al suelo en frecuentes intervalos. Las fuerzas de anclaje deben distribuirse uniformemente en la membrana y a lo largo del perímetro. Anclajes atornillados Se remata la membrana con un dobladillo, por el que se pasa una cuerda; se toman las tiras de acero, ángulos, mangueras o madera y se atornilla. Manguera en dobladillo Consiste en un dobladillo abierto, cosido en el extremo inferior de la membrana, a intervalos de 1m. Aprox. Anclajes catenarios Consiste en colocar un cable en catenaria, en el interior de una vaina de tejido, que se cose en la base de la membrana. Luego se fija directamente a los anclajes.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: ELEMENTOS ABERTURAS DE ACCESO Esta es la parte que presenta mayor problema de diseño, ya que el espacio utilizable tiene una presión diferente a la del exterior; es necesario estructuras especiales de acceso que sean tan herméticas como sea posible. Puerta-Trampa Se instala en una sección circular, reforzada por un cable. Esta mantiene el equilibrio por un eje central de rotación y por la presión central. Puertas sobre deslizantes Consiste en dos membranas de las cuales la interior esta apretada contra la exterior. Son difíciles de abrir. Puertas tipo labio Los dos bolsones en forma de labio se presionan uno contra otro debido a la presión interna. Estas son fáciles de abrir desde fuera.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: ELEMENTOS DISPOSITIVOS DE ESTABILIZACIÓN El principio básico de trabajo de estas construcciones, se basa en la diferencia de presión que crean unos ventiladores que inyectan aire en la membrana. Esta presión es aproximadamente 1% de la presión que existe en la rueda de un auto estándar. Operación axial La corriente de aire fluye en la misma dirección que los ejes del equipo. Operación radial El aire se succiona desde los laterales. Operación tangencial Consta de un eje con paletas que actúan como impulsores girando dentro de un cilindro.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: TIPOS Las estructuras neumáticas se clasifican en estructuras soportadas por aire y estructuras a base de elementos presurizados.
ESTRUCTURAS SOPORTADAS POR AIRE O DE BAJA PRESIÓN Este tipo de estructuras se utilizan para almacenamiento o proteger elementos específicos. Compuestas con una sola membrana rigidizada por el volumen de aire interno que conforma el espacio arquitectónico sometido a una sobrepresión de muy bajo valor. Permiten cubrir luces muy grandes, presión del orden de 2g/cm 2 a 4g/cm2 (20g/m2 a 40g/m2). Las formas geométricas de este tipo de estructuras son esféricas o cilíndricas, constan de aberturas para el control de volumen interno de aire y equipos inyectores para mantener una presión constante. Esta situación hace que el sistema sea inconveniente desde el punto de vista energético/sustentable. Una de las principales características de este tipo de estructura es que la influencia en las cargas es mas perceptible que en estructuras convencionales.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: TIPOS En una construcción soportada por aire, deben considerarse tres tipos de carga: Carga muerta Son el peso propio de la estructura, el cual es bastante pequeño que podria despreciarse en el momento de proceder al diseño. La influencia del peso propio es mayor en el plano horizontal y desciende gradualmente hasta cero, conforme se acerca al palno vertical. Cargas suspendidas de la membrana Carga viva Son las causada por los parámetros climáticos como la lluvia, nieve, etc. Carga de presión Este tipo de construcción posee cuatro elementos que pueden considerarse elementales: Membrana que compone la estructura. Medios para soportar la membrana. Medios para anclaje. Medios de entrada y salida.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: TIPOS
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: TIPOS
ESTRUCTURAS A BASE DE ELEMENTOS PRESURIZADOS Este tipo de estructuras presenta gran practicidad y sencillez en su armado y tecnologia. Es una estructura en la cual, el aire esta contenido por una membrana para formar elementos estructurales inflados, como columnas, vigas, arcos y paredes. No son aconsejables para cubrir grandes espacios. El hinchamiento se efectúa a través de una válvula muy similar a la de los neumáticos de los autos. Existen tres sistemas de inflado: Estructuras con nervaduras de baja presión. Estructuras con nervaduras de alta presión. Estructuras de paredes dobles.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: TIPOS
Estructuras con nervaduras de baja presión La construcción consiste en una membrana tubular que esta inflada con aire de baja presión. Estas son aconsejables para estructuras pequeñas. Estructuras con nervaduras de alta presión La construcción consiste en una membrana tubular que esta inflada con aire, pero al contrario de la anterior, estas se hinchan con aire de alta presión. Estructuras de paredes dobles Son las estructuras a base de tubos inflados, que están unidas entre si, mediantes diafragmas o hilos transversales. Su funcionamiento se asemeja a una manguera de incendio, que al estas vacía es flexible, pero al llenarse de algún elemento, se comporta como una pieza rígida tensada. Permite cubrir luces mayores.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: TIPOS
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: VENTAJAS Son estructuras livianas y flexibles. Alcanzan su equilibrio mediante tracción. Pueden resolver la cubierta de superficies muy grandes sin apoyos intermedios. La posibilidad de armar, desarmar y transportar la estructura con facilidad, pues suman la tecnología de cables, telas, etc. También provee de una circulación continua de aire fresco y regula las temperaturas de confort. Flexibilidad de espacio. Transparencia (dependiendo del material de la membrana). Bajo costo. Libertad de creación de formas. • • • •
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ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: DESVENTAJAS Estrecho vinculo de la forma con la tensión, con el proceso de montaje y los materiales. Se deterioran mas rápido en su uso a la intemperie. No permiten trabajar a compresión. Funcionamiento continuo de los ventiladores para mantener la presión, Derrumbe de la cúpula en caso de perdidas de presión. Aislamiento inferior al de las estructuras de paredes rígidas. Vida útil corta.
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ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: DISEÑO Las estructuras neumáticas pueden tener múltiples usos aunque, generalmente, se usa para cubrir espacios deportivos como piscinas, canchas de tenis, o eventos sociales o comerciales temporales. El diseño varia entre formas de secciones esféricas y tubulares, su tamaño estará determinado por el uso, condiciones del lugar y necesidades del usuario. El cliente tendrá una clara visión del proyecto por medio de presentación 3 D’s. La tela, por lo general, es un tejido de nylon recubierto en ambas caras con PVC (opcionalmente se le agrega color, filtro UV, tratamiento repelente al polvo, opacidad, etc.).
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: INSTALACIÓN La tela debe ser cortada en piezas según un patrón especifico y luego soldada con alta frecuencia, de modo que el paño final tome la forma deseada. El “paneleo” de las piezas, esta definido por un software especializado. Previo a la instalación deberán realizarse tareas de pavimentos o bordes de piso. La instalación es relativamente sencilla y rápida.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: APLICACIONES DOMO EN TEOTIHUACÁN – MÉXICO Instalación de la carpa neumática, que servirá como auditorio para una serie de eventos que se presentaran en Teotihuacán como motivo del equinoccio de primavera.
MUSEO PORTÁTIL – ALEMANIA Arq. José Miguel de Prada Poole Se trata de un gran museo portátil, que el propio autor califica de trabajo de action art, en calidad de contenedor multifuncional, disponible para distintas operaciones y que, por su sencilla construcción, podría instalarse en cualquier otro lugar. Conformado por 10 semiesferas de 25m de diámetro, conectadas por túneles cilíndricos.
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: APLICACIONES MUSEO PORTÁTIL – ALEMANIA Arq. José Miguel de Prada Poole Se trata de un gran museo portátil, que el propio autor califica de trabajo de action art, en calidad de contenedor multifuncional, disponible para distintas operaciones y que, por su sencilla construcción, podría instalarse en cualquier otro lugar. Conformado por 10 semiesferas de 25m de diámetro, conectadas por túneles cilíndricos. Las enormes carpas se convirtieron en un museo efímero donde se presentaron trabajos de algunos de los artistas internacionales mas reconocidos. EXPOSICION-70 OSAKA, - JAPON Ing. Frei Otto [Buscar info e insertar imaegenes]
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ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: APLICACIONES
ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS: CONCLUSIONES Se concluye que existe diversos tipos de cobertura, que mediante tecnología se puede recurrir, como es el caso de las estructuras neumáticas. Las estructuras neumáticas, no son tan rentables como diseño arquitectónico en nuestro país, los cuales son mas usados para eventos infantiles, logos, eventos sociales o temporales. Utilizar estas estructuras tienen tanto sus ventajas como desventajas, ventajas como la liviandad, el bajo costo; y la desventaja el ser frágiles ante cualquier desastre. Haber analizado el sistema de su anclaje, viendo los diversos tipos que se proceda a dar. Las estructuras neumáticas , inflables en su mayoría, se estructuran por su propio peso ya que son hechas de una forma proporcionada.
