cubierta del pabellon de rayos cosmicos_analisis estructural

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COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL LABORATORIO DE RAYOS CÓSMICOS (CUBIERTAS LIGERAS DE CONCRETO ARMADO) Ing. Pedro Jesús Villanueva Ramírez (Profesor investigador adscrito al Depto. De Tecnología y Producción, CyAD, UAM-X) “Las estructuras definen las construcciones de forma fundamental; su generación, su ser, su efecto. Por ello, el desarrollo de un concepto estructural es parte imprescindible del proyecto arquitectónico”. Heino Engel Octubre / 2009

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Page 1: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL

LABORATORIO DE RAYOS CÓSMICOS (CUBIERTAS LIGERAS DE CONCRETO ARMADO)

Ing. Pedro Jesús Villanueva Ramírez (Profesor investigador adscrito al Depto.

De Tecnología y Producción, CyAD, UAM-X)

“Las estructuras definen las construcciones de

forma fundamental; su generación, su ser, su

efecto. Por ello, el desarrollo de un concepto

estructural es parte imprescindible del

proyecto arquitectónico”.

Heino Engel Octubre / 2009

Page 2: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Contenido

• Introducción

•Antecedentes históricos

•Principio del comportamiento estructural

•Morfología estructural

•Clasificación morfológica de los cascarones (láminas delgadas)

•Laboratorio de Rayos cósmicos. CU. UNAM. México D.F. (caso de estudio)

•Introducción

•Simulación infográfica

•Modelo 3D del Hypar

•Datos para el análisis

•Tabla comparativa de los dos modelos analizados:

•Conclusiones

•Fuentes de consulta

Page 3: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

•INTRODUCCIÓN La aplicación del Software Ansys V. 11 en la División de Ciencias y Artes para el Diseño tiene

como objetivos:

• Coadyuvar en proyectos de investigación que involucren el cálculo, análisis, diseño

mecánico, estructural y de flujo con el diseño de productos arquitectónicos e industriales,

tomando en cuenta los aspectos sociales, culturales, tecnológicos, del medio ambiente y

sustentabilidad.

•Coadyuvar, como herramienta didáctica en la formación y adiestramiento de estudiantes de la

carrera de arquitectura y diseño industrial en el campo del comportamiento estructural y su

intima relación con el diseño.

El proyecto de investigación LA COMPOSICIÓN ESTRUCTURAL Y SU INTERACCIÓN CON

EL ESPACIO ARQUITECTÓNICO (ANÁLISIS A TRAVÉS DE SUS FORMAS)

Tiene como objetivo rescatar el valor que ha tenido la morfología estructural en el proceso del

diseño y proyecto arquitectónico, es por ello que se analizan diferentes obras arquitectónicas

de arquitectos reconocidos del siglo pasado.

En este trabajo en particular se analiza la morfología estructural (resistencia estructural

mediante su geometría) de la cubierta del Laboratorio de Rayos Cósmicos (CU, UNAM,

México D.F), diseñada y construida por Félix Candela en 1951, enfatizando, mediante la

simulación infográfica, la decisión que llevo a Candela de construir un cascaron armado de

forma alabeada (Hypar) en lugar del cascaron de medio cilindro, proyectado originalmente

por el Arq. Jorge González Reyna.

Page 4: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

La época dorada del diseño y construcción de cubiertas ligeras de concreto armado en México

la ubicamos en la etapa intermedia del siglo pasado cubriendo tres lustros (1950-1965) de un

intenso proceso de industrialización deviniendo en edificaciones basadas en estructuras

laminares de concreto armado. Fue a tal grado las ventajas de este sistema estructural desde el

punto de vista de sus cualidades formales, optimización de los materiales que las constituyen, y

del trabajo mecánico, basados en el principio de tracción-compresión, a que son sometidas que

dieron una nueva fisonomía a la industria de la construcción, pero sobre todo en la generación

de una nueva arquitectura.

•Antecedentes históricos

Varios fueron los arquitectos e

ingenieros mexicanos y de

descendencia española que

intervinieron en esta notable

conversión arquitectónica basada en

formas de simple y de doble

curvatura.. Entre ellos encontramos a

Enrique de la Mora, Fernando López

Carmona, Guillermo Rosell de la

Lama, Manuel Larrosa, Porfirio

Ballesteros Barocio, Alberto

González Pozo, Oscak Coll, pero

sobre todo el genio de Félix Candela.

Iglesia de la Virgen de la

Medalla Milagrosa.Puebla,

México

Foto: Marcos Javier Ontiveros

Hernández

Page 5: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Pabellón de rayos cósmicos. México D.F.

Foto: Marcos Javier Ontiveros Hernández Foro de música, Santa Fe, México D.F

Ciudaddemexico.com.

Parroquia de San José Obrero. San

Nicolás de los Garza, N.L. México

http://www.flickr.com/photos/fermin_

tellez/3736407002

Planta

Embote

lladora

“Bacar

di”

México

D.F.

Foto:

Juan

Ignacio

del

Cueto

Palacio de Deportes, México D.F.

wikimedia.org

Restaurante Los Manantiales.

Xochimilco. México D.F.

http://lacomunidad.elpais.com/eurotopia/

Capilla de Palmira.

Cuernavaca Morelos. México

Page 6: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

La innovación arquitectónica y estructural de este sistema se debe a su génesis morfológica

y a la optimización de los materiales que las constituyen, lo que significa que las estructuras

laminares (cascarones de concreto armado) obtienen su resistencia y rigidez por la

geometría que adquieren (un espesor reducido con respecto a su superficie) permitiendo

soportar esfuerzos tangenciales y normales de tracción y compresión haciendo que la flexión

no se presente o sea tan pequeña que se considere despreciable.

PRINCIPIO DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

MORFOLOGÍA ESTRUCTURAL

Page 7: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

CLASIFICACIÓN MORFOLÓGICA DE LOS CASCARONES (LÁMINAS DELGADAS)

Los cascarones se clasifican en 3 tipos:

1. SUPERFICIES CILÍNDRICAS

Se generan por el desplazamiento de una curva de generatriz circular apoyada sobre una

directriz recta. Su comportamiento estructural se condiciona por la relación entre el Diámetro y

la longitud L.

Láminas cortas cuando L < 2D

Láminas largas: cuando L >= 2D

Page 8: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

2. SUPERFICIES DE REVOLUCIÓN

Son aquellas que se forman por la rotación de una curva generatriz alrededor de su eje.

Encuentran particular aplicación en la construcción de cúpulas y depósitos de agua.

Su principio de comportamiento estructural se supedita a los MERIDIANOS Y PARALELOS de

la superficie que trabajan en estado membranal pues solo existen esfuerzos normales, mismos

que se pueden calcular con la ecuación de Laplace:

N1: Esfuerzo normal en meridianos

N2: Esfuerzo normal en paralelos

Page 9: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

3. SUPERFICIE DE DOBLE CURVATURA

Las más comunes poseen la forma de Paraboloide hiperbólico o silla de montar y se pueden

generar de 2 formas:

• a) Por una parábola generatriz que se desplaza paralela a si misma apoyada sobre una

parábola directriz de curvatura opuesta.

• b) Por la traslación de una recta generatriz que se desplaza paralela a si misma apoyada

sobre 2 rectas directrices no coplanares pero paralelas Lo que en realidad se genera en ese

caso es un sector de paraboloide hiperbólico.

a) b)

Esta última condición es muy importante porque permite ejecutar el encofrado con piezas rectas lo

que facilita su construcción (caso b).

Page 10: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Aplicando las ecuaciones de la membrana al caso de un paraboloide hiperbólico con carga

vertical uniformemente repartida sobre la superficie de la lámina delgada se obtienen las

siguientes ecuaciones:

Donde Ny y Nx son los esfuerzos principales de tracción o compresión que se mantiene

constante a lo largo de cada generatriz y sólo dependen de una coordenada, siendo

completamente independientes de la otra.

Page 11: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

LABORATORIO DE RAYOS CÓSMICOS. CIUDAD UNIVERSITARIA. MÉXICO D.F.

(CASO DE ESTUDIO)

En 1951, Félix Candela construyo el cascaron de

concreto armado que lo llevaría a la fama; el pequeño

Pabellón de Rayos cósmicos de 12 metros de fondo

por 10.75 metros de longitud ubicado en Ciudad

Universitaria, México D.F. La cubierta de éste

laboratorio especializado en la medición de neutrones

debería respetar la condición de no sobrepasar los 15

milímetros de espesor en su parte más alta, para que

cumpliera óptimamente su función, lo que se antojaba

imposible para un edificio permanente en aquella

época.

Félix Candela propuso utilizar una bóveda de doble

curvatura (alabeada) en lugar de la cilíndrica (simple

curvatura) que proyectará originalmente el Arq. Jorge

González Reyna. Candela justifico la construcción de

un paraboloide hiperbólico (Hypar) en el trazo

geométrico ya que éste le conferiría la rigidez,

resistencia y estabilidad necesaria permitiendo

solucionar la cubierta con un espesor mínimo

llevando a un ahorro de material.

INTRODUCCIÓN

Page 12: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

La construcción del laboratorio

de los rayos cósmicos consistió

en cuatro partes principales: la

plataforma o losa, los tres arcos

rígidos de sección rectangular

de 30 cm de espesor por 25 cm

de profundidad , los apoyos en

forma de arco y la cubierta de

cascaron con un armado de

una malla de alambre de acero

suave de 1/8” espaciados a

cada 10 cm (entre centros).

Finalmente el espacio interior

de confina por medio de 2

pantallas corrugadas de

concreto.

Croquis de la cubierta y corte transversal del Laboratorio de Rayos Cósmicos

Page 13: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

SIMULACIÓN INFOGRÁFICA

El empleo de la simulación infográfica basado en el método de elementos finitos mediante el

Software Ansys V.11 (WorkBench) es estudiar y comparar los resultados de comportamiento

morfológico estructural (deformaciones y esfuerzos –tracción, compresión-) del proyecto inicial

de la cubierta (bóveda de medio cilindro) con el diseño final propuesta por Félix candela (Hypar)

de tal suerte que se compruebe las ventajas de la doble curvatura, expuesto hace años por

Candela.

MODELO 3D DEL HYPAR

La Superficie de la cubierta alabeada se

genero con el Software CADD Rhinoceros

V. 4 debido a que permite generar

superficies y sólidos de geometría libre de

una manera sencilla y precisa,

requerimientos necesarios en la

geometría Hypar del cascaron del

Laboratorio de Rayos cósmicos sobre

todo por el espesor variable que presenta.

Page 14: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Para lograr el ángulo de 60º entre los dos planos

directores verticales se trazaron primero las

parábolas verticales y horizontales que sirvieron

como contorno de referencia para el trazo de las

líneas paralelas de los dos planos directores. Con

esto se obtiene la referencia geométrica de la

parábola de la parte superior del Hypar.

MODELO 3D DEL HYPAR

Posteriormente se traza el contorno interior con los

tres espesores de referencia: 15 mm en la parte

superior y central del Hypar, 4 cm en la parte

superior del voladizo y 5 cm en los bordes de la

cubierta.

Por ultimo se genero el sólido, cortándolo

posteriormente, para crear los voladizos.

Este solido se exporto con la extensión .stp (Step)

Page 15: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Datos para el análisis:

Resistencia a la compresión f’c= -1,410,000 kg/m2

F*c = 0.45*f’c or -634,500 kg/m2

Resistencia a la tracción fR= 5 * √f ’c (en psi)= 157,000 kg/m2

Módulo de elasticidad E = 2.53e109 kg/m2

Peso volumétrico = 2,400 kg/m3

Espesor de la cubierta: real de acuerdo a la geometría

Carga muerta de la Cubierta de cascaron = 120 kg/m2 = 1177 Pa.

Coeficiente de Poisson = 0.2

Apoyos fijos en borde de la cubierta, excepto los volados

Tres arcos fijos rígidos

Análisis estático lineal con grandes deflexiones

malla alambre de acero suave de

Espesor de la cubierta Hypar

Acero de refuerzo de la cubierta Hypar

1/8” de Diámetro

Dimensión Vertical en planta de cada voladizo 1 m

Dimensión Vertical en alzado a partir de la losa 5.5 m

Volúmen de la cubierta 5.70 m3Área de la cubierta

Vigas de borde en la parte inferior del Hypar

Apoyos

medidas desconocidas

3 en forma de arco

a cada 10 cmSeparación del alambre

Dimensión Horizontal en planta

1.5 cm

5 cm

10.75 m

Dimensión Vertical en planta (sin voladizos) 10 m

Parte superior

En borde con la plataforma (losa)

Dimensiones de la cubierta del Laboratorio de Rayos cósmicos

Forma 2 Hypars unidos

Dimensión Vertical total en planta 12 m

Horizontal en planta 30 cm

Vertical en planta 25 cm

Sección de los 3 arcos rigidizadores Rectangular

372.25 m2

Page 16: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Los cascarones, en ambos casos,

presentan una deflexión muy baja (0.77

mm para el Hypar y 0.53 mm para el

cilindro) lo que indica un comportamiento

estructural eficiente debido a sus

geometrías.

En el caso del Hypar, ésta se deforma

más en los volados de la cubierta debido

a su doble curvatura, presentando su

mínima deflexión en los arcos rígidos.

En el caso del medio cilindro, su deflexión

máxima se ubica en los centros del

cascaron, entre los arcos, debido

principalmente a la manera de dirigir las

cargas de forma vertical. La deflexión

mínima también se presentan en los

arcos rígidos.

.

Deflexión del cascaron tipo Hypar: 0.77 mm

Deflexión del cascaron tipo cañón corrido: 0.53 mm

En estas imágenes se demuestra que el comportamiento morfológico estructural del cascaron Hypar difiere del

cascaron cilíndrico; a pesar de que los resultados obtenidos no varían en gran medida entre ellos.

Resultados:

Page 17: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Esfuerzo a tracción Máx. del cascaron tipo Hypar: 825,000 Pa (84,123 Kg/m2),

Esfuerzo a tracción Máx del cascaron tipo cañón corrido: 919,000 Pa (93,712 Kg/m2),

En el caso de las tracciones estas se

presentan en las curvaturas convexas

(con valle), esto es, simulan el

comportamiento estructural de un cable,

mientras las curvaturas cóncavas (con

cresta) trabajan a compresión.

En este sentido los esfuerzos de

tracción del Hypar y del medio cilindro

(que se ubican dentro de los límites

permisibles) se presentan en la parte

superior de ambos cascarones, sin

embargo mientras que en el medio

cilindro estos esfuerzos se presentan

prácticamente uniformes en las

superficies entre los arcos, en el Hypar

se concentran en el centro de las

superficies del cascaron, pero sobre

todo en los voladizos.

Los rangos entre las tracciones

mínimas y máximas de ambos casos,

comprueba que el en cascaron Hypar

se comporta mejor bajo este esfuerzo,

Page 18: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Esfuerzo a compresión Mín. del cascaron tipo Hypar: 1-’035400 Pa

(-105,581 Kg/m2),

Esfuerzo a compresión Mín. del cascaron tipo cañón corrido: -979,480 Pa

(-99,880 Kg/m2),

La resistencia a compresión se presenta en

los arcos de rigidez, que trabajan, bajo su

principio natural de comportamiento.

En ambos casos su límite máximo se

encuentran dentro de los esfuerzos

permisibles, incluso por los calculados de

manera conservativa por Candela.

Como se observa en las imágenes, el

cascaron en forma de medio cilindro

presenta mayor compresión en las

superficies entre los arcos rígidos, mientras

que en el Hypar son menores.

Contrario a los resultados obtenidos con los

esfuerzos a tracción, el cascaron de medio

cilindro presenta un mejor comportamiento

al esfuerzo a compresión ya que trabaja

como un conjunto de arcos continuos.

La adición de los arcos rígidos en vez de

ser refuerzos a un mejor comporta-

miento estructural , pasan a ser masivos y

perjudiciales elementos que obligan al

cascaron a pandearse y fisurarse

Page 19: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

Tabla comparativa de los dos modelos analizados:

q=Carga por superficie 120 Kg/m2 (1,177 Pa)

R=Radio de la sección transversal del cascaron que vale

2.62 m.

t=Espesor de la cubierta de cascaron=15 mm (0,015 m)

Ecuación básica de la membrana

Page 20: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

CONCLUSIONES

De estos análisis podemos extraer varias conclusiones.

La simulación infográfica de las dos geometrías mostraron que ambas sufren una deformación

mínima y sus esfuerzos de tracción y compresión están muy por debajo de los límites

permisibles. Sin embargo el cascaron Hypar presenta, aunque mínimos, mejores resultados de

comportamiento estructural lo que repercute en una mejor rigidez, resistencia, estabilidad y

menor consumo de material. Esto es debido a que la doble curvatura del Hypar reparte

diagonalmente las cargas a través del cascaron, respetando su principio estructural de tracción,

hacia los arcos rígidos, mismos que trabajan a compresión, mientras que el cilindro actúa como

una secuencia de arcos continuos dirigiendo las cargas hacia los bordes del cascaron de manera

vertical descendente, presentándose principalmente el principio de compresión.

Page 21: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

CONCLUSIONES

Con lo anterior expuesto se corrobora lo planteado por Félix candela:

La eficacia de los cascarones de concreto armado no viene dada por el material con que están

construidas, ni por los elementos estructurales únicos insertados con el propósito de aumentar la

seguridad estructural, sino por su propia morfología generada por la doble curvatura, que es la

responsable de ofrecer a las cargas un ruta fácil para bajar hasta la cimentación y, a la vez, un

significado plástico-estético y funcional, por consiguiente, arquitectónico.

Para concluir y a manera de reflexión, lo más fascinante de este análisis es también comprobar

el genio no sólo de Félix Candela, sino de cada uno de los involucrados en una época creadora

que marco un parteaguas en la arquitectura mexicana. Todos ellos eran capaces de diseñar y

construir estructuras innovadoras con el manejo de muy pocos cálculos estructurales y

geométricos.

La capacidad y conocimiento de Félix Candela y de sus contemporáneos diseñadores sobre el

comportamiento de la estructuras desde el punto de vista geométrico, es una enseñanza

invaluable que cada Arquitecto, Ingeniero y Constructor debería seguir, sobre todo en estos

días donde se esta olvidando la importancia que tienen las estructuras dentro de un proyecto

arquitectónico, sobre todo innovador.

Page 22: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

FUENTES DE CONSULTA

• Kathleen Kelly, Maria E. M. Garlock, David P. Billington. Felix Candela’s first hypar: The Cosmic Rays

Laboratory. IASS-SLTE-08, Book of abstracts. 2008. México.

• Juan Ignacio del Cueto, ( Compilador). Aquella primavera Creadora “Cascarones de concreto armado en

México”. Facultad de Arquitectura de CU. UNAM. 2008. México.

• Faber, Colin. Las estructuras de Candela. Compañia editorial continental S.A de C.V. 1977. México.

• Moore , Fuller. Comprensión de las estructuras en arquitectura. Ed. Mcgraw Hill. 2000. México.

• Engel, Heino. Sistemas de Estructuras. Ed. Gustavo Gili. 2001. México.

• Perles, Pedro. Temas de estructuras especiales. Ed. Nobuko. Documento electrónico.

Page 23: Cubierta Del Pabellon de Rayos Cosmicos_analisis Estructural

FIN