Nivel IV - Guía de Estudios Nro 10 -Estructuras de Cables-Pesadas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA - FACULTAD DE ARQUITECTURA Y URBANISMO

DNC GE10

Ctedra: ESTRUCTURAS - NIVEL 4

Taller: VERTICAL III - DELALOYE - NICO - CLIVIO

Gua de Estudio N 10: Estructuras de cablesCurso 2008 Elabor: JTP Ing. Angel Maydana Revisin: Ing. Delaloye Fecha: ago 2008

ESTRUCTURAS DE CABLES

Ctedra de Estructuras - Taller Vertical III - DNC Pgina 1 de 14

Figura N 1. Feria Estatal de Carolina del Norte-EEUU- La JS Dorton Arena, de Raleigh. (1953)

La JS Dorton Arena fue una de las primeras estructuras techadas con cables como estructura de unacubierta metlica, anclados a dos arcos parablicos cruzados,inclinados, de hormign armado.Esta estructura con forma de silla demontar, cubre una planta elpticaaproximada de 97 m por 92 m. Los arcostienen un ancho de 4,30 m y alcanzanuna altura mxima de 27,40 m, y secruzan entre s a una altura de 7,90 m,continuando por debajo del nivel de piso.Fue diseado por el Arquitecto MatthewNowicki quien muri en un accidenteareo antes de la fase de construccin, yel arquitecto local William Henley Dietricksupervis la finalizacin de la arenautilizando el innovador diseo de Nowicki.Se comenz en 1951 y se inagur en1953

Figura N 2


UNLP - Facultad de Arquitectura y Urbanismo Nivel IV - GE 9

ESTRUCTURAS DE CABLESSon aquellas en que los cables resisten el peso de la cubierta y las acciones que sobre ella puedanacontecer, sin colaboracin de los elementos que completan la superficie de cerramiento. Comocontrapartida a estas estructuras podemos citar las estructuras tipo tienda, en que la superficie de la cubiertatipo membrana forma parte de la estructura resistente.Los cables que constituyen las estructuras no poseen rigidez flexional y slo resisten a la traccin, por lo queadoptan la geometra que les impone el funicular de las cargas actuantes.Estas estructuras deben disearse de modo que las cargas permanentes como peso propio y lassobrecargas que actan en el mismo sentido, no sobrepasen las tensiones admisibles del material quecompone el cable, y aquellas que invierten el sentido (como determinada accin del viento) o modifican elesquema de cargas (como la asimetra de la carga de nieve) no produzcan una "destraccin" que cambie elsentido (signo) de las fuerzas actuantes (ya que el cable no soporta compresin).

Figura N 3

Como se indica en la Figura N 3, el cable suspendido, debido a su escaso peso propio en relacin a la luz ya su flexibilidad, es muy sensible a la succin del viento, las vibraciones y las cargas asimtricas ydinmicas.

Figura N 4

Una forma de estabilizar el cable es aumentar el peso propio, Figura N 4

Figura N 5

Otra forma de estabilizar el cable es con un cable invertido (cable de estabilizacin), Figura N 5. Las barrasverticales estan comprimidas (puntales), o como en la Figura N 6, donde las barras verticales estntraccionadas. Estas estructuras se denominan vigas planas Jawerth o cerchas Jawerth.

f

f

Figura N 6

Cable estabilizadorCable portante

Nudo

Nudo



ESTABILIZACIN POR GRAVEDADLos propios elementos de cerramiento de la cubierta tienen peso suficiente como para asegurar que loscables portantes permanecern traccionados para cualquier estado de carga, Figuras N 7, 8 y 9. Debetenerse en cuenta que estas estructuras requieren de importantes elementos de sostenimiento de los cables,puesto que a su vez sostienen la estructura pesada de la cubierta. (De Sistemas de Estructuras de HeinoEngel se tomaron las siguientes figuras.)

Figura N 7

Figura N 8

Figura N 9



SISTEMA DE CABLES PARALELOSCables portantes y cables de estabilizacin, en una direccin. Figura N 10

Figura N 10

SISTEMA DE CABLES RADIALESEn este caso se observa la presencia de un anillo perimetral comprimido (generalmente de hormign) yrequiere un anillo o tambor central donde anclan los cables, traccionado, (generalmente de acero). Figuras N 11 y 12

Figura N 11

Figura N 12

Cilindro Municipal deMontivideo.Cubierta diseada porLeonel Viera(1913-1975)



CILINDRO MUNICIPAL DE MONTEVIDEOUn techo muy especialLas siguientes son expresiones de las actuales autoridades administrativas del Cilindro:El Cilindro est calificado como una obra magnfica, aunque tiene una debilidad que es el desage, loscuatro caos que van desde la cpula central hasta las paredes del cilindro, pasando por encima de lastribunas: nada para halagar a la vista . El techo del Cilindro se llueve debido, primero, a que es flexible, esdecir, no cuenta con columnas que lo sostengan, sino que se sostiene mediante tensores y lingas de acero,que estn dispuestos alrededor de los 256 metros de permetro del estadio, y al juntarse con la parte rgida,que son los caos de desage, en un da de tormenta, genera problemas.

Figura N 13. Cilindro Municipal, ubicado en la Avenida Dmaso Antonio Larraaga y Jos Pedro Varela, Montevideo (1956)

Leonel Viera proyect el techo colgante del Cilindro Municipal de Montevideo, colabor con el puentePaysand-Coln y otras obras en Argentina. Fue un personaje uruguayo muy creativo, reconocido en elmundo entero. Pese a que nunca se recibi de ingeniero, el uruguayo Leonel Viera (1913-1975) realiz en1965 el primer puente ondulado en la desembocadura del Arroyo de Maldonado. Hoy con el fin de facilitar lacirculacin, de la gran cantidad de visitantes que tiene el balneario de La Barra, es posible contemplar dospuentes ondulados. El segundo se termino de construir en el 2000 respetando las caractersticasarquitectnicas del primero.

Figura N 15. Puente Leonel Viera sobre Arroyo Maldonado. La Barra. Punta del Este. ROU

Figura N 14. Detalle de la Cpula Central del Cilindro Municipal de Montevideo, y de la cubierta



SISTEMAS PRETENSADOS CON ESTABILIZACIN TRANSVERSAL

Figura N 17 Estabilizacin mediante cablesanclados al suelo con curvaturaen dos direcciones.

Figura N 18 Estabilizacin mediante vigastransversales resistentes a laflexin y ancladas al suelo.

Figura N 16. Evolucin desde el cable simplemente suspendido hasta la malla de cables de curvaturaen dos sentidos, donde todos los cables participan en el mecanismo resistente.



SISTEMAS DE ARCOS DE APOYO PARA MALLAS DE CABLES DE CURVATURA EN DOS DIRECCIONES

Figura N 20Rodahal, Limburg.Holanda.Sala de Concierto(1966)Arq. L BisscherouxIng. David JawerthTiene una longitud mximatransversal de 61 m

Figura N 19Arcos inclinados apoyados sobre prticos

Figura N 21Arcos cruzados apoyados en el suelo

Figura N 22Dorton Arena



Figura N 23. Combinacin de dos arcos perimetrales con arco central. Malla con curvatura en dosdirecciones.

Figura N 24. INGALLS HOCKEY RINK - NEW HAVEN (CONNECTICUT) EEUU

El Ingalls Hokey Rink fue diseado por Eero Saarinen ( 20/08/1910 01/09/1961) arquitecto estadounidensede origen finlands. Naci en Helsinki. Saarinen se hizo famoso por sus diseos de lneas curvadas,especialmente en las cubiertas de sus edificios, con las que consegua imprimirles una gran ligereza. Eltecho del Ingalls Hokey Rink consta de dos silln entre las superficies que abarcan tres arcos. En su cenitalcanza la altura de 23,20 m. Las redes de cables estn cubiertas de madera. Fig.25 Se le asocia frecuentemente con lo que se ha venido a denominar la arquitectura internacional. Uno de susedificios ms representativos y conocidos popularmente es la terminal de la TWA en el aeropuerto Kennedyde Nueva York. Figura N 26

Figura N 25. Vista interior Figura N 26 Terminal TWA

Figura N 23



El Aeropuerto Internacional Dulles, en Washington, diseado tambin por Eero Saarinen, es una estructurade cables pretensados tomados de columnas inclinadas. Se construy la membrana de hormign (queaporta rigidez al sistema) y se tesaron los cables para que el hormign trabaje comprimido. El tesado originaacortamiento del hormign y por ende, reacciones flexionales secundarias en las columnas.

Figura N 27 Aeropuerto Internacional Dulles, en Washington EEUU

Figura N 28El esquema indica que la traccin de los cables producen momentos flexores en los apoyos.

Figura N 29Etapa durante la construccin

Figura N 30Vista interior



CABLES Y PUNTALESLa combinacin adecuada de cables y puntales (llamando puntales a barras comprimidas) permite eldesarrollo de estructuras denominadas "tensegrity ", que proviene de la contraccin de las palabras inglesas"tension" (traccin) e "integrity" (integridad). El trmino intenta describir el concepto de que la integridad deestas estructuras viene dada por la traccin.

Figura N 31 a

Figura N 31 b

Figura N 31 c

Ante una carga vertical, los puntales inclinado tomancarga. El esfuerzo que desarrollan es de compresin.Recordar que las flechas indican el esfuerzo en el nudo(todas las fuerzas que concurren al nudo estn enequilibrio) Figura N 31 a

Ahora, si aplicamos fuerzas horizontales opuestas (porejemplo mediante cables de arriostramiento), los cordonessuperiores estarn traccionados Figura N 31 b

De la combinacin adecuada de fuerza, podemos teneruna estructura traccionada en los cordones superiores einferiores. Figura N 31 c

Figura N 32

Asi se van combinando figuras donde los cables estnsiempre traccionado y los puntales comprimidos. FiguraN 32

Figura N 33

En cualquier posicin que se incorporen puntales, debearmarse el mecanismo de tensegrity . Figura N 33



Veamos ahora la magnitud de los esfuerzos

d

A B

a b

c

13

2

A B

a b

1

cd

3

2

Veamos ahora la magnitud delos esfuerzos.Si el ngulo de inclinacin de loscordones superiores a/b y loscordones inferiores c/d es elmismo, la carga P es absorbidaal 50% `por cada uno de ellos.En el caso de la estructura concable estabilizador (Figura N35), para la misma carga P seoriginan esfuerzos mucho mselevados en el cable portantec/d, que con respecto a laestructura de la Figura N 34Debe consignarse adems queel esfuerzo en el cable dearriostramiento f/g incrementa lareaccin A/BComo conclusin, si bien laestructura tensegrity permitealentar grandes luces, debeconsiderarse que incrementa lascargas y por ende los costos.

PP

Figura N 34 Figura N 35

f g

Richard Buckminster Fuller (1895-1983), responsable del desarrollo inicial y de las primeras patentes (1962)sobre este tipo de estructuras, decia que las tensegritis estaban constituidas por pequeas islas decompresin (puntales) en un mar de tracciones (cables).

Figura N 36 Figura N 37

Richard Buckminster Fuller fue diseador, ingeniero,visionario e inventor estadounidense. Tambin fue profesoren la universidad Southern Illinois University Carbondale yun prolfico escritor. Realiz muchas invenciones,especialmente en los campos de la arquitectura, campo enel que su trabajo ms conocido es la cpula geodsica(Figura N 38). Las molculas de carbono conocidas comofulerenos tomaron su nombre de su parecido con lasesferas geodsicas.

Figura N 38



Un ejemplo interesante de las estructuras tensegrity lo constituyela escultura "Needle Tower" del escultor Kenneth Snelson. Se tratade una torre de unos 20,00 m de altura en la que los elementoscomprimidos no presentan continuidad estructural.

Figura N 39 Needle Tower Figura N 40 Needle Tower vista desde abajo

Figura N 41 Dos estructuras simples tensegrity

CONCEPTOTensegrity es el resultado del comportamiento en conjunto de la combinacin de fuerzas continuas de traccin y discontinuas de compresin.

Buckminster Fuller explic que estos fenmenosfundamentales no son opuestos, sino que secomplementan, que siempre puede encontrarsejuntos. Tensegrity es el nombre de una sinergiaentre los co-existentes pares fundamentales deleyes fsicas; de empujar y tirar, la compresin y latraccin, o repulsin y atraccin. El sentido colectivo ha simplificado el trmino como"todas las cosas trabajando juntas" que redondeaintuitivamente el concepto tcnico defuncionamiento.

En 1992 se construy el Geoergia Dome, unade las estructuras ms grandes en este tipo(cubre una planta aprox. de 188 m por 233 m).La configuracin de cables dio como resultadouna estructura tan rgida, que para las mximascargas de nieve las deformaciones son muypequeas.El cerramiento se realiz con paos demembrana que presentan una geometra enforma de parabolopide hiperblico.La ingeniera estuvo a cargo de Matthys Levy

Figura N 42 Georgia Dome



Obra: Puente de la Mujer Ubicacin:Dique 3 Puerto Madero Constructores:URSSA Estructura Metalica y Montaje. Pilotes TREVI Obra Civil. Mecanismo de Giro: Maneman-Dematic Largo Total: 160 metros. Ancho: 6,20 metros. Peso Aproximado: 800 toneladas. Diseo y Proyecto: Arq.-Ing. Santiago Calatrava Vals.

El puente peatonal conforma una tipologa de puente atirantado. Paralelamente, y gracias a su sistema de rotacin, permite el trfico martimo por el dique. El ancho del puente peatonal es de 5 metros de paso libre, y el glibo central se respeta gracias a un mecanismo de rotacin que permite el giro del tramo central de aproximadamente 70 metros, en 90. La distancia a salvar es reducida por dos puentes de aproximacin, ubicados a ambos lados del dique, trabajando la pieza central como puente atirantado y rotatorio. Por medio de un relleno de hormign en la parte trasera del puente, se establece un equilibrio estructural entre esta zona y el tramo atirantado, simplificando notablemente el mecanismo de rotacin.El pilono inclinado forma un ngulo de 38,81 con respecto a la horizontal, y se eleva hasta lacota mxima de coronacin del puente de 35,00 m sobre el tablero. Los tirantes del puente estn formados por cables de acero galvanizado de alta resistencia, de seccin circular y seccin en Z, presentando un dimetro nominal de 27/28 milmetros.

Figura N 43 Puente de la Mujer

Figura N 44 Puente de la Mujer

Figura N 45 Puente de la MujerCerrado al trnsito martimo, circulan peatones

Figura N 46 Puente de la MujerAbierto al trnsito martimo, no circulan peatones

Figura N 47 Corte



CABLE DE ACERO:Un cable de acero es un conjunto de alambres, torcidos, que constituyen una cuerda de metal apta pararesistir esfuerzos de traccin con apropiadas cualidades de flexibilidad.El cable de acero esta formado por tres componentes bsicos, estos varan tanto en complejidad como enconfiguracin con el objeto de producir cables con propsitos y caractersticas diferentes.Los tres componentes bsicos del diseo de un cable de acero normal son: Los alambres que forman elcordn, los cordones y el alma.

CABLES PREFORMADOS: El preformado es un proceso que se lleva a cabo en la etapa de fabricacin yque consiste en darle a los cordones la forma que van a tener en el cable terminado. Este proceso facilita elmanejo del cable y mejora significativamente sus propiedades.Las cualidades superiores de los cables preformados son el resultado de que tanto los cordones como losalambres estn en una posicin de descanso en el cable, lo cual minimiza las tensiones internas. Hoy enda, el preformado es un proceso prcticamente estndar en la fabricacin de cables.

Cordn

Alambre

Alma

TIPOS DE ALMA EN LOS CABLES CONVENCIONALES: La principal funcin del alma de los cables esproveer apoyo a los cordones.Gracias a ello el cable se mantiene redondo y los cordones correctamente ubicados. La eleccin del almadel cable tendr un efecto en el uso del cable de acero.Existen cuatro tipos de almas:1.- alma de fibras sintticas (polipropileno).2.- alma de fibras naturales (sisal).3.- alma de acero de un cordn.4.- alma de acero de cable independiente.Lubricada de modo conveniente durante el proceso de fabricacin, el alma de fibra aporta al cable lalubricacin adecuada contra el desgaste ocasionado por el frotamiento interno y proteccin contra el ataquede agentes corrosivos.Debido a las grandes presiones que los cordones ejercen sobre el alma, es necesario, en ciertos casos, quela misma sea de tipo metlico en lugar de textil, evitndose as las deformaciones por aplastamiento.

SECCINTRANSVERSALDE UN CABLEDE ACERO

NOMENCLATURA BASICA DE LOS CABLES CONVENCIONALES:Los cables de acero se identifican mediante la nomenclatura que hace referencia a:1.- la cantidad de cordones.2.- la cantidad (exacta o nominal) de alambres en cada cordn.3.- una letra o palabra descriptiva indicando el tipo de construccin.4.- una designacin de alma, cualitativa o cuantitativa.Esta nomenclatura simple es sumamente prctica y est internacionalmentenormalizada para los cables convencionales.

6x7+1 AT- 6 cordones- 7 alambres por cordn- 1 alma textil

Figura N 49

Figura N 50

Figura N 48

Nivel IV - Guía de Estudios Nro 10 -Estructuras de Cables-Pesadas

Documents

Transcript of Nivel IV - Guía de Estudios Nro 10 -Estructuras de Cables-Pesadas