Tecnología de la Construcción

MEMBRANAS

Elementos estructurales de superficie curva. En incisos anteriores se vio como puede aprovecharse la forma de un elemento lineal para transferir cargas transversales a los apoyos de la manera más eficiente. Este toma la forma de un cable para equilibrar las cargas exteriores mediante tensión axial o de un arco para hacerlo por medio de compresión.
De manera semejante un elemento placa puede tomar la curvatura más adecuada para transmitir cargas por medio de esfuerzos axiales. La membrana es un elemento superficial de espesor pequeño que colgándose de sus apoyos, toma la forma que le permite eliminar la flexión y transformar en tensión las cargas transversales aplicadas. Es el equivalente en el espacio del cable colgante que adquiere bajo una condición de carga dada se denomina, en forma semejante a lo que se hacía para el cable, superficie funicular. Sus características de funcionamiento estructural son también similares a las del cable; gran eficiencia estructural con mínimo peso propio de la estructura; rigidez transversal despreciable que lleva a la necesidad de cambiar de forma para soportar cada estado de fuerzas diferente; transmisión de elevadas fuerzas de anclaje concentradas en algunos puntos y con dirección inclinada que exigen una estructura de soporte que puede resultar particularmente costosa. La rigidez de una membrana se incrementa notablemente si se aplican tensiones en sus extremos para que quede reesforzada antes de la carga. De esta manera la membrana sufre sólo pequeños cambios de forma al pasar de un estado de carga a otro. Una forma muy conveniente de lograr buena rigidez es una membrana es asociando una doble curvatura con preesfuerzo. El material ideal para membrana es el acero, por su alta resistencia en tensión; este se utiliza ya sea en superficies continuas, como en el caso de paredes de recipientes a tensión, o en redes de cables, como en las cubiertas colgantes. Las lonas de fibras naturales o artificiales han sido también empleadas en cubiertas colgantes y resultan muy eficientes.
La acción de membrana se desarrolla también como un mecanismo secundario para resistir fuerzas en elementos planos de espesor no despreciable que transmiten las cargas por flexión. Si estos llegan a tener flechas muy elevadas en relación a su espesor, comienzan a resistir las cargas por efecto de membrana al colgarse de sus apoyos. El cascarón es un elemento de superficie curva que resiste cargas esencialmente por esfuerzos de compresión. El cascarón es la membrana como el arco es el cobre: para que esté sujeto a compresión pura su forma debe ser el inverso del funicular de cargas. Esto es que deben considerarse en el diseño. Por lo cual, la transmisión de cargas implica casi siempre la aparición de tensiones, de cortantes y ocasionalmente de flexiones cuya magnitud debe tratarse de mantener mínima por medio de la adopción de la forma más eficiente y, especialmente, con el aprovechamiento de la doble curvatura. Por otra parte, debido a los pequeños espesores que se logran en los cascarones por la gran eficiencia estructural de su forma, la resistencia puede estar regida por pandeo local de la superficie. También, por la misma razón, la resistencia del cascarón ante flexiones es reducida, por lo que su capacidad para soportar cargas concentradas es pequeña, excepto en zonas donde las curvaturas sean muy grandes. Otro aspecto que debe tomarse en cuenta son las concentraciones de esfuerzos que suelen presentarse en los apoyos y en los bordes, las que requieren frecuentemente de engrosamientos locales o de elementos de rigidización.

HISTORIA DE LAS ESTRUCTURAS CON MEMBRANA TENSADA

Historia de las estructuras con membrana tensada. En 1957, el renombrado Arquitecto alemán Otto Frei (1925) funda en Berlín el Centro para el Desarrollo de Estructuras Ligeras, dedicando su vida y trabajo a la creación de formas tensadas complejas. Paralelamente, en España se funda en 1957 la IASS como punto de encuentro para los profesionales interesados en el desarrollo de domos y otras estructuras, que hasta entonces se realizaban mayoritariamente en concreto. Pero ya para principios de los sesenta, el uso de las membranas arquitectónicas comenzó a sustituir paulatinamente el costoso proceso constructivo del concreto, y su falta de versatilidad. El pabellón alemán para la EXPO de 1968 en Montreal y los techos tensados para las Olimpíadas de Munich, ambas de Otto Frei, constituyeron el punto de partida para la siguiente generación de estructuras espaciales, mediante el uso del acero, lonas de PVC y cables de tensión. Hasta mediados de los noventa el material a ser tensado era una tela de poliéster cubierta con PVC pero actualmente se emplea el ya nombrado, el cual posee una durabilidad de hasta 20 años y resulta menos contaminante.
Este versátil sistema ha conseguido adeptos de renombre internacional como los son el arquitecto canadiense Frank Gehry , el arquitecto polaco-estadounidense Daniel Libeskind, el inglés Michael Wilford, los japoneses Tadao Ando, Arato Isozaki, el francés Paul Andreu, y los dos mayores exponentes modernos de estas estructuras: el español Santiago Calatrava y el inglés Nicholas Grimshaw. En la arquitectura textil tienen que tenerse en cuenta unas pocas características de diseño, que resultan de las propiedades especificas de la membrana. La mayor ventaja de poder cubrir grandes superficies en este tipo de arquitectura es que la membrana para estos propósitos de estabilización, está siempre en una condición de tensión. El material de cubierta sólo puede ser puesto bajo tensión, no bajo presión. Para proveer a la cubierta textil de estabilidad, es indispensable aplicar un a pre-tensión, siempre teniendo en cuenta de darle una forma que no colapse. Sólo por tensión opuesta o biaxial puede alcanzarse la firmeza estática requerida de la membrana. Para evitar roturas de la membrana, no deben diseñarse ángulos o dobleces amplios. Cuanto más grande sea el nivel de deformación de la membrana, menos fuerzas de pre-tensión deben aplicarse.
Formas básicas. Las formas clásicas de la arquitectura textil son: De velas: para establecer una cubierta con forma de velas se requiere un mínimo de cuatro esquinas. Las puntas están sujetadas diagonalmente a las columnas mediante cables tensores de anclaje. Debido a las diferentes alturas de las columnas, se obtienen superficies onduladas. La membrana se estabiliza con columnas exteriores. De arcos: generalmente, estas superficies están cercadas por un marco de acero. El marco absorbe las fuerzas circunferenciales de la membrana. Para lograr una superficie arqueada, se montan arcos de acero en ciertos intervalos, sobre las columnas, que le dan la forma a la membrana. De punta: Este tipo de membrana se establece instalando estructuras de soporte montadas linealmente o en puntos específicos. Estas estructuras pueden situarse sobre o debajo de la membrana.
Sub-estructuras. Usualmente, en las construcciones de marcos de soporte se usa madera, acero o incluso concreto reforzado. Los diseños textiles de este tipo de edificios se construyen, hoy en día, con envergaduras de hasta 40 metros. La disposición del diseño les permite el mismo nivel de absorción de presión de nieve que cualquier otro edificio. Además, su estabilidad garantiza que soporten vientos extremos.
Diseños suspendidos. Se utilizan generalmente cuando lo predominante es el diseño artístico. Es característico el uso de columnas y tensores para estirar las membranas y darles forma de puntas, además de estirar los bordes. A pesar de las cargas de nieves y vientos, está probado que este tipo de cubiertas puede alcanzar envergaduras de hasta cien metros sin deformarse o romperse.
Cubiertas de aire. Además de una superficie pretensionada mecánicamente, puede lograrse una superficie pretensionada neumáticamente (infladas con aire). Mediante una alta presión de aire en una estructura cerrada de membrana, el peso de cargas exteriores puede balancearse. Para lograr esto, debe instalarse un ventilador de presión que asegure el abastecimiento de aire. La desventaja de este sistema es que la permanente alta presión dentro de la estructura resulta una gran incomodidad. Este tipo de arquitectura abre nuevas puertas para los diseños de edificios, especialmente en las cubiertas. Gracias a su gran flexibilidad, su escaso peso, que provee a la estructura de gran fuerza tensil y la transmisión de luz del material, es posible:
**Crear grandes techos sin grandes cargas.
**Diseñar espacios inundados de luz.
**Crear nuevas formas estructurales.
**Generar atención por su versatilidad de diseños y colores.
**Establecer estructuras temporales, e instalarlas en un nuevo lugar.
**Construir ahorrando recursos.
**Desarrollar áreas de construcción completamente nuevas.
El material de cubierta se elige según los requerimientos del proyecto. Las ambiciones creativas y estéticas son factores determinantes en la elección del color y el nivel de transmisión de luz. La terminación de la superficie depende de los recursos financieros de que se dispone (hay pinturas que proveen longevidad y recursos estéticos originales, a un alto costo). El teflón se usa cuando se requiere una superficie fácil de limpiar, que repela la suciedad o que sea inmune al fuego y al agua.
La eficiencia del sistema es otro factor importante en la elección del mismo. La construcción textil insume poco gasto de material, fases de planificación cortas, rápida realización y poco tiempo de montado, además de bajos costos de manutención. En este sistema de construcción se utiliza sólo un tercio de los materiales utilizados en la construcción tradicional, lo que implica un ahorro de materias primas. Además, los materiales utilizados se adaptan al medioambiente donde son emplazados sin contaminarlo. La aplicación de los edificios de membranas es altamente diversa. La construcción textil se enfoca en las siguientes áreas:
Eventos públicos. Cubiertas temporarias o permanentes, e incluso edificios cerrados forman una atractiva opción para llevar a cabo exhibiciones, recitales, conciertos, shows, eventos deportivos, etc.
Turismo y catering. Gracias a su liviandad y expansión, provee un atractivo acento para la protección contra viento, lluvia y sol.
Parque y espacios de paisajismo. Los espacios para visitantes tienen un importante significado en la adaptación del medio ambiente.
Teatros al aire libre. En particular, las cubiertas movibles permiten mantener el carácter estético y personal de los teatros, y al mismo tiempo ofrecer protección contra los cambios climáticos.
Espacios para el ocio. Diseños imaginativos ofrecen una atractiva alternativa, especialmente en los parques de diversiones y aventuras.
Construcciones deportivas. Además de ofrecer protección contra los cambios de clima, ofrece formas imaginativas de cubiertas, manteniendo la luminosidad y la ventilación que caracteriza a estos edificios.
Accesos. Ofrece distintas alternativas estéticas para las entradas a eventos, exhibiciones, teatros o cualquier edifico, ofreciendo protección para los eventuales problemas climáticos.
Centros comerciales y exhibiciones. Permite decoraciones sorprendentes, livianas, fáciles de instalar y desarmar.
Estaciones, aeropuertos, etc. Las construcciones no convencionales con membrana ofrecen estética y función en un solo paso.. Colaborado por: Rocio Nolasco Quinoz, Mexico. [ Equipo arquitectura y construcción de ARQHYS.com].


CÁSCARAS Y PLACAS PLEGADAS
Reglamento CIRSOC 201 Cap.19 - 417

19.0. SIMBOLOGÍA
Ec módulo de elasticidad del hormigón, en MPa (ver el artículo 8.5.1.).
f'c resistencia especificada a la compresión del hormigón, en MPa.
f'c raíz cuadrada de la resistencia a la compresión del hormigón, en MPa.
fy tensión de fluencia especificada de la armadura no tesa, en MPa.
h espesor de la cáscara o de la placa plegada, en mm.
ld longitud de anclaje, en mm.
φ factor de reducción de resistencia. (Ver el artículo 9.3.).
19.1. CAMPO DE VALIDEZ Y DEFINICIONES
19.1.1. Las prescripciones del Capítulo 19 se aplican a cáscaras delgadas y a placas plegadas de hormigón, incluyendo nervaduras y elementos de borde.
19.1.2. Todas las prescripciones de este Reglamento que no estén específicamente excluidas ni en contraposición con las especificaciones del Capítulo 19, se deben aplicar al diseño de cáscaras delgadas.
19.1.3. Cáscaras delgadas
Las cáscaras delgadas son estructuras espaciales tridimensionales, constituidas por una o más placas curvas o placas planas plegadas, cuyo espesor es pequeño en comparación con sus otras dimensiones. Las cáscaras delgadas se caracterizan por su comportamiento tridimensional frente a la carga, determinado por la geometría de sus formas, por la manera en que están apoyadas y por la naturaleza de la carga aplicada.
19.1.4. Placas plegadas
Las placas plegadas son una clase especial de estructuras tipo cáscara, constituidas por placas planas delgadas unidas a lo largo de sus bordes para crear estructuras espaciales.
Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón Cap. 19 - 418
19.1.5. Cáscaras nervuradas
Las cáscaras nervuradas son estructuras espaciales con el material colocado principalmente a lo largo de ciertas líneas o nervaduras, y con el espacio entre ellas abierto o cubierto por losas delgadas.
19.1.6. Elementos auxiliares
Los elementos auxiliares son las nervaduras o vigas de borde que se utilizan para dar rigidez, reforzar y/o apoyar la cáscara. Por lo general los elementos auxiliares actúan en forma conjunta con la cáscara.
19.1.7. Análisis elástico
El análisis elástico consiste en un análisis de deformaciones y esfuerzos internos basado en el equilibrio, en la compatibilidad de las deformaciones y en el supuesto comportamiento elástico, y que representa, con adecuada aproximación, la acción tridimensional de la cáscara junto con sus elementos auxiliares.
19.1.8. Análisis inelástico
El análisis inelástico consiste en un análisis de deformaciones y esfuerzos internos basado en el equilibrio, en relaciones tensión-deformación no lineales para el hormigón y la armadura, en la consideración de la fisuración, en los efectos dependientes del tiempo y en la compatibilidad de las deformaciones. El análisis debe representar, con una adecuada aproximación, la acción tridimensional de la cáscara junto con sus elementos auxiliares.
19.1.9. Análisis experimental
El análisis experimental es un procedimiento de análisis basado en la medición de las deformaciones de la estructura o de su modelo. El análisis experimental se basa tanto en el comportamiento elástico como en el inelástico. 19.2.
ANÁLISIS Y DISEÑO
19.2.1. El comportamiento elástico constituye una base aceptada para determinar tanto los esfuerzos internos como los desplazamientos en las cáscaras delgadas.
El comportamiento elástico se determina mediante cálculos basados en un análisis de la estructura de hormigón no fisurada, en la que se supone que el material es linealmente elástico, homogéneo e isótropo. El coeficiente de Poisson del hormigón se puede suponer igual a cero.
19.2.2. El Reglamento permite utilizar análisis inelásticos cuando se demuestre que estos métodos proporcionan una base segura para el diseño.
19.2.3. Con el fin de asegurar la consistencia de los resultados, se deben realizar verificaciones del equilibrio entre las resistencias internas y las cargas externas.
Reglamento CIRSOC 201 Cap.19 - 419
19.2.4. El Reglamento permite utilizar el análisis experimental o numérico cuando se demuestre que dichos procedimientos constituyen una base segura para el diseño.
19.2.5. El Reglamento permite la utilización de métodos aproximados de análisis cuando se pueda demostrar que dichos métodos constituyen una base segura para el diseño.
19.2.6. En las cáscaras pretensadas, el análisis debe también contemplar el comportamiento de la estructura bajo la acción de las siguientes cargas: cargas inducidas durante el pretensado; carga de fisuración, cargas mayoradas.
Cuando los cables de pretensado estén ubicados dentro de la cáscara, el diseño debe considerar las componentes de las fuerzas resultantes del trazado espacial del cable sobre la cáscara.
19.2.7. El espesor de una cáscara y su armadura deben estar dimensionados para las condiciones de resistencia y de servicio exigidas, utilizando el método de diseño por resistencia.
19.2.8. El diseño o proyecto estructural debe investigar la inestabilidad de la cáscara y demostrar que se han adoptado todas las medidas para evitarla.
19.2.9. Los elementos auxiliares se deben dimensionar de acuerdo con las prescripciones de este Reglamento que resulten de aplicación.
El Reglamento permite suponer que una franja de la cáscara, igual al ancho del ala, de acuerdo con el artículo 8.10., actúa en forma conjunta con el elemento auxiliar. En dichas áreas de la cáscara, la armadura perpendicular al elemento auxiliar debe ser como mínimo igual a la especificada en el artículo 8.10.5., para el ala de una viga T.
19.2.10. El diseño por resistencia última de cáscaras delgadas en régimen membranal solicitadas a flexión, se debe basar en la distribución de tensiones y deformaciones que se determine a partir de un análisis elástico o inelástico.
Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón Cap. 19 - 420
Figura 19.2.6. Ejemplo de una cáscara cilíndrica pretensada en la que el cable no se encuentra contenido en el mismo plano.
Reglamento CIRSOC 201 Cap.19 - 421
19.3. RESISTENCIA DE DISEÑO DE LOS MATERIALES
19.3.1. La resistencia especificada a la compresión del hormigón f’c a la edad de 28 días debe ser:
f’c ≥ 20 MPa
19.3.2. La tensión de fluencia especificada de la armadura no tesa fy , debe ser: fy ≤ 420 MPa
19.4. ARMADURA DE LA CÁSCARA
19.4.1. La armadura de la cáscara se debe dimensionar para: resistir las tensiones de tracción originadas por los esfuerzos membranales, resistir la tracción producida por los momentos flexores y torsores, controlar la fisuración por contracción y temperatura, actuar como armadura especial en los bordes de la cáscara, en los puntos de aplicación de la carga y en las aberturas de la cáscara.
19.4.2. La armadura traccionada se debe ubicar en dos o más direcciones y se debe dimensionar de manera tal que su resistencia en cualquier dirección iguale o exceda a la componente de las esfuerzos en esa dirección.
En forma alternativa, la armadura para las esfuerzos membranales se debe dimensionar como la armadura requerida para resistir los esfuerzos de tracción axiales, más los esfuerzos de tracción debidos al corte por fricción requeridos para trasmitir el corte a través de cualquier sección transversal de la cáscara.
El coeficiente de fricción supuesto no debe exceder de 1,0 λ siendo λ = 1,0 para hormigón de densidad normal, 0,85 para hormigón liviano con arena de densidad normal y 0,75 para hormigón con todos sus componentes livianos. Se permite interpolar linealmente cuando se utilice reemplazo parcial de arena.
19.4.3. El área de la armadura de la cáscara en cualquier sección, medida en dos direcciones ortogonales, debe ser mayor o igual que la armadura por contracción y temperatura que se exige para losas en el artículo 7.12.
19.4.4. La armadura para absorber corte y momento flexor según los ejes en el plano de la cáscara, se debe determinar de acuerdo con los Capítulos 10, 11 y 13.
Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón Cap. 19 - 422
19.4.5. El área de la armadura traccionada de la cáscara se debe limitar de manera tal que alcance la fluencia antes de que tenga lugar el aplastamiento del hormigón por compresión o el pandeo de la cáscara.
19.4.6. En las zonas de grandes tracciones, la armadura de la cáscara se debe colocar, cuando resulte práctico, según las direcciones principales de tracción. De lo contrario el Reglamento permite colocar la armadura de la cáscara en dos o más direcciones.
19.4.7. Cuando la dirección de la armadura difiera en más de 10° con respecto a la dirección del esfuerzo principal de tracción en la cáscara, se debe verificar la cantidad de armadura necesaria para controlar la fisuración bajo carga de servicio.
19.4.8. Cuando la magnitud de la tensión principal de tracción membranal varíe en forma significativa sobre la superficie de la cáscara, se podrá concentrar la armadura para la tracción total en las zonas de mayores tensiones de tracción, siempre que se pueda demostrar que esto proporciona un diseño seguro. Sin embargo, la cuantía de armadura de la cáscara, determinada con el espesor total de la cáscara, en cualquier área traccionada, deberá ser ≥ 0,0035.
Figura 19.4.8. Concentración de la armadura de una cáscara.
19.4.9. La armadura requerida para resistir los momentos flexores de la cáscara debe ser dimensionada considerando la acción simultánea de los esfuerzos membranales.
Cuando para absorber los momentos flexores, se requiera armadura sólo en una cara de la cáscara, se deberán colocar cantidades iguales de armadura cerca de ambas superficies, aún cuando el análisis no indique inversión de los momentos flexores.
Reglamento CIRSOC 201 Cap.19 - 423
19.4.10. La armadura de la cáscara, en cualquier dirección, debe tener una separación máxima de 200 mm, o 2 veces el espesor de la cáscara. Cuando la tensión membranal principal de tracción, debida a las cargas mayoradas, exceda de f'c 3 1 φ , la armadura deberá tener una separación ≤ 1,5 veces el espesor de la cáscara.
19.4.11. La armadura de la cáscara, en su unión con los elementos de apoyo o con los elementos de borde, se debe anclar o prolongar dentro de dichos elementos de acuerdo con las especificaciones del Capítulo 12, excepto que la longitud de anclaje mínima debe ser: 1,2 ld ≥ 500 mm
19.4.12. Las longitudes de empalme de la armadura de la cáscara deben verificar las especificaciones del Capítulo 12, excepto que la longitud mínima de empalme de las barras o alambres traccionados debe ser: 1,2 veces el valor indicado en el Capítulo 12, ≥ 500 mm
El número de empalmes en la armadura principal traccionada se debe mantener dentro de un mínimo práctico desde el punto de vista constructivo.
En los lugares donde se necesiten empalmes, los mismos se deben separar, como mínimo, una distancia igual a ld y no se debe empalmar más de 1/3 de la armadura en cualquier sección.
19.5. CONSTRUCCIÓN
19.5.1. Cuando el desencofrado dependa de un valor determinado del módulo de elasticidad del hormigón, debido a consideraciones de estabilidad o deformación, el valor de Ec se debe determinar mediante ensayos de flexión de probetas curadas en obra. El Director de Obra debe especificar el número de probetas, las dimensiones de las mismas y los procedimientos de ensayo.
19.5.2. El diseñador o proyectista estructural debe especificar las tolerancias para la forma de la cáscara. Cuando la construcción presente desviaciones de la forma mayores que las tolerancias especificadas, se debe realizar un análisis del efecto de las desviaciones y se deben adoptar las medidas correctivas necesarias para garantizar un comportamiento seguro.