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PROYECTO Y EJECUCIÓN DE CUBIERTA SOBRE EL ANFITEATRO DE VILLA MARÍA

Ing. Civil, Héctor M. Ruffo, Cinter SRL, hector.ruffo@cinter.com.ar Ing. Mecánico, José Gomez, Cinter SRL, jose.gomez@cinter.com.ar

RESUMEN

El Anfiteatro de Villa María, en Córdoba, Argentina, está ubicado a la vera del río Ctalamochita y es de gran importancia para esta ciudad ya que en el mismo se desarrollan festivales que caracterizan a Villa María de una manera particular.

Por lo anterior, se decide realizar una cubierta que le permita, además de la organización de espectáculos, contar con la posibilidad de utilizarlo como un polideportivo, y ser de esta manera, el único en la región.

La cubierta es soportada por una estructura de acero reticulada formada por perfiles "pesados" de alma llena como cordones, y su concepción fue desarrollada en base a seis superficies del tipo triangular y a su vez curvadas, denominadas "gajos". Los pórticos principales tienen cada uno una luz que supera los 100m libres.

Por su ubicación sobre el anfiteatro existente, la obra requirió entre otras cuestiones particulares, el análisis de la estructura en un túnel de viento para determinar las acciones eólicas a considerar en el diseño de la estructura.

El montaje es una de las tareas fundamentales en este proyecto dado que es incluso determinante en la concepción de la estructura y sus partes. El poco espacio disponible y los importantes pesos de las piezas a izar, requirieron un estudio minucioso de cada una de las maniobras necesarias para el ensamblado de la estructura.

ABSTRACT

The Villa María Amphitheatre, Córdoba, Argentina, is located beside the river Ctalamochita and is very important for this city.

Therefore, it was decided to perform a cover roof that allows, to organizing shows and have the possibility to use it as a sports center.

The roof is supported by main frames that have more than 100 m length and its designed as truss elements. Beams and columns has welded profiles as chords of truss and L profiles as diagonals.

The work required the analysis of the structure in a wind tunnel for determining wind actions to be considered in the design of the structure.

The erection is a fundamental task in this project. The limited space available and the important parts weights to lift, required a detailed analysis of each of the maneuvers required for the assembly of the structure study.

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1. INTRODUCCIÓN

El anfiteatro de la ciudad de Villa María, es un núcleo muy importante desde el punto de vista social para la ciudad. En este recinto se desarrolla el festival de peñas de la ciudad que es uno de los más importantes del país.

La necesidad de garantizar el desarrollo del festival de peñas y otros festivales ante condiciones climatológicas adversas, lleva a las autoridades de la Municipalidad a analizar la viabilidad de un proyecto para cubrir el espacio actual, incluyendo la zona de butacas y gradas para el público como así también el sector sobre el escenario.

En base a lo anterior y considerando además la posibilidad de usar este nuevo espacio cubierto para eventos de tipo deportivo también, se llama a concurso de proyecto y ejecución de una cubierta sobre la infraestructura del anfiteatro existente.

Figura 1. Ubicación general del anfiteatro existente a cubrir

El principal condicionante del proyecto a presentar es que todas las instalaciones del anfiteatro existente deben permanecer intactas y la cubierta a ejecutar debe garantizar la visual desde cualquier ubicación dentro del anfiteatro.

En base a lo anterior, se comienza por un análisis de alternativas para evaluar las soluciones posibles para la estructura y la cubierta. El análisis de la interacción con la estructura existente es un punto determinante debido a que la cubierta solicitada debe ser abierta en su perímetro.

El análisis de alternativas se basa principalmente en estructuras de acero debido

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a la complejidad del montaje sobre las instalaciones existentes y a las grandes luces requeridas.

2. DESARROLLO DE LA INGENIERÍA

2.1. Anteproyecto y análisis de alternativas

Siendo la luz a cubrir del orden de los 105m y teniendo en cuenta las limitaciones que impone la infraestructura existente para la construcción de la obra en el sitio, se plantean varias alternativas con estructura de acero.

Una de las alternativas analizadas se basaba en cubrir la superficie de sección circular del anfiteatro con una solución de domo circular, de 105m de diámetro. Las vigas y columnas se plantearon con perfiles doble T. Esta solución es la más eficiente desde el punto de vista del peso de la estructura. Sin embargo, es una solución que requiere una solución tecnológica más compleja para la aislación hidráulica de la cubierta.

Otra de las alternativas evaluadas contemplaba una estructura principal que sirva de sostén a una cubierta con membrana tensada, reduciendo así la cantidad de estructura necesaria. También esta solución requiere de tecnologías no habituales en el medio para este tipo de obras.

Figura 2. Alternativas planteadas en anteproyecto para la cubierta

Finalmente, la estructura elegida como la alternativa técnico económica más viable, surgió planteando una solución técnica simple y de uso cotidiano para la cubierta. Es así como partiendo del condicionante del uso de chapa engrafada para resolver la aislación hidráulica, surge la solución de estructura utilizada.

La estructura se concibe generando gajos de planta triangular con una sola curvatura, lo que permite el uso de la chapa engrafada en la cubierta. En la intersección de cada gajo se forman los 3 pórticos principales que se intersecan en el centro de la superficie hexagonal generada. Entre pórticos principales, la estructura se completa con vigas reticuladas con la curvatura necesaria para garantizar el desagüe de la cubierta hacia las lima hoyas que se encuentran sobre cada una de las vigas de los pórticos principales.

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Figura 3. Solución seleccionada con cubierta de chapa. Fotomontaje.

2.2. Análisis estructural

Definida la solución más adecuada para la ejecución de la obra, se procede a realizar el análisis estructural detallado mediante la generación de un modelo tridimensional en elementos finitos.

Por la particularidad de las vigas principales y por lo delicado del análisis en la intersección de los 3 pórticos en el centro de la estructura, se decide realizar el modelado con elementos de placas para los cordones de los pórticos y el resto con elementos de barras. Esto permite hacer un modelo más detallado y dentro del mismo analizar el comportamiento tensional en la intersección de los cordones de los pórticos principales.

La estructura debe analizarse para 2 situaciones diferentes. Una suponiendo solamente la cubierta que corresponde al proyecto inicial y otra, en la que se debe considerar la posibilidad a futuro de cerrar todo el perímetro del edificio, de forma de transformar el mismo en un recinto completamente cerrado.

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Figura 4. Esquema estructural

La estructura se completa con vigas secundarias también reticuladas pero de menor sección. Las mismas se materializan con perfiles conformados en frío y, al igual que para las vigas principales, las conexiones entre elementos se realizan mediante abulonado. Estas vigas tienen luces variables desde el centro, donde prácticamente la longitud es nula, hasta el perímetro del hexágono donde alcanzan una luz de aproximadamente 52m. Por la variación de la luz, las vigas se diseñan con 3 alturas diferentes para optimizar su comportamiento en cada caso.

Figura 5. Corte pórtico reticulado principal.

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Figura 6. Principales dimensiones en planta de la estructura principal.

Figura 7. Esquema de gajo triangular de estructura secundaria de cubierta

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Para el análisis estructural una de las principales preocupaciones tiene que ver con la acción del viento. En particular, debido a que el edificio se plantea en una primera etapa como abierto, es decir, como una cubierta aislada, el análisis del viento tiene algunas particularidades.

Las normas de viento normalmente tienen muchas limitaciones para la utilización del método simplificado cuando se trata de analizar una cubierta aislada. En el caso del Cirsoc 102 utilizado para este caso, la altura mínima libre sobre el suelo debe ser menor o igual al 75% de la longitud del faldón de la cubierta. Por las dimensiones de esta estructura, se está lejos de alcanzar este valor.

Por otro lado, la interacción que existiría entre la nueva estructura y la estructura de gradas de hormigón existente, generaría efectos particulares en la acción del viento que tampoco pueden ser analizados con los métodos simplificados planteados en el reglamento (ver figura 3).

Debido a los motivos antes mencionados, se decide la realización de un ensayo en túnel de viento para proceder al análisis de la acción eólica sobre la cubierta. Para esto se realiza un modelo en escala en el que se considera la estructura existente, tal como se puede observar en las fotos de la maqueta realizada en la figura 8.

Figura 8. Maqueta para análisis en túnel de viento.

El ensayo se realizó en la Universidad Politécnica de Madrid, en el Instituto Ignacio da Riva especializado en este tipo de ensayos. El modelo se planteó en escala 1:125 y se plantea la medición de presiones en 21 puntos por cada gajo triangular de cubierta, tanto en el intradós como en el extradós de la misma, sumando en total 126 puntos de toma de presión. El viento se analizó en 24 direcciones, es decir, con ángulos de ataque cada 15°.

El resultado de este ensayo afirmó algo esperado. El aumento de presiones en los bordes de la estructura es muy notable, prácticamente triplica los valores de presión promedio del resto de la cubierta. Esto implicó un análisis especial para las vigas secundarias de borde que con 52m de luz, debían soportar presiones mucho

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mayores. Para resolver este problema se colocaron vigas especiales en este sector y se dispusieron con menos separación.

Figura 9. Modelo de elementos finitos utilizado (variante con y sin cerramiento)

2.3. Ingeniería de detalle

Completada la fase del análisis estructural, se procede con el desarrollo de la ingeniería de detalle para la fabricación y posterior montaje.

Antes de proceder con la elaboración del modelo, se plantean las soluciones a implementar para la fabricación y el montaje de los pórticos principales y las vigas secundarias. Estas definiciones determinan los tipos de uniones a desarrollar para el armado de las vigas reticuladas.

En este caso, se decidió ejecutar las columnas armadas mediante soldadura completas en fábrica y las vigas reticuladas principales y secundarias se armarían mediante uniones abulonadas entre los cordones, montantes y diagonales. El armado de dichas vigas también se ejecutó en fábrica debido al poco espacio disponible en obra para hacerlo. Esto implica el uso de transportes especiales por las dimensiones de las piezas a trasladar.

Los empalmes abulonados a ejecutarse en obra se diseñan con uniones del tipo "slip critical" para evitar posibles deformaciones por efecto de acumulación del juego entre agujeros y bulones en estos puntos.

Para garantizar la geometría y coincidencia de cada una de las piezas, se realiza

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un modelo 3d en un software especializado en el detallamiento de estructuras de acero. Dicho programa permite generar una maqueta electrónica dentro de la cual, cada una de las piezas involucradas es considerada como sólida.

Cada una de las uniones se incluyen en el modelo con toda la información necesaria para la fabricación y el montaje. En cada unión se detallan cantidad, diámetro y calidad de bulones, diámetro de agujeros y tipo de conexión.

Una vez completado el modelo se procede a la elaboración de los planos de fabricación de conjunto y de partes. Para minimizar los errores humanos que pueden suceder por la transferencia de información, el software permite emitir archivos de control numérico (CNC) que pueden ser leídos por máquinas especiales para garantizar la geometría de los cortes y la ubicación de las perforaciones.

3. FABRICACIÓN

Los elementos principales de esta estructura están compuesto por perfiles doble T soldados. El armado de dichos perfiles se realiza en una maquina específica para esto que utiliza soldadura de arco sumergido a ambos lados del alma para realizar la conexión continua entre alas y alma del perfil a armar.

Una vez fabricado el perfil doble T, el mismo es cortado en longitud mediante sierras y perforado mediante taladradoras de control numérico que permiten perforar en 3 ejes simultáneos y con hasta 3 diámetros diferentes por pieza.

Figura 10. Fotografías de vigas principales y columnas.

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Las columnas triangulares se fabrican mediante uniones soldadas en taller entre cordones, diagonales y montantes. La dimensión de cada una de estas piezas requiere el uso de una cabina de granallado manual para realizar la preparación superficial adecuada para la posterior aplicación de la protección.

En el caso de las vigas, al ser fabricadas por partes, la pintura se ejecuta en piezas individuales y por lo tanto se pueden granallar en máquinas automáticas. Las uniones de las vigas reticuladas se ejecutan con bulones tipo A325x.

4. MONTAJE

4.1. Estructura

Para el montaje de la estructura se requirió de un análisis muy detallado de los espacios disponibles para el armado de las piezas y la ubicación de los medios de elevación. El hecho de estar ubicado en medio de la ciudad, condiciona aún más las tareas de montaje.

Otro condicionante importante es la presencia del anfiteatro actual que está formado por una parte de poca pendiente con butacas de hormigón premoldeado y una parte que se eleva en altura mediante gradas de hormigón premoldeado.

En base a lo anterior, se determina la grúa necesaria y la logística de despacho y armado de piezas en obra.

La estructura se debe montar apuntalada en el centro para garantizar las condiciones de cálculo consideradas. Para eso se dispone una torre de apeo provisoria en el centro de la estructura. Esto a su vez, permite el montaje de las vigas principales en 2 tramos de 50m cada uno.

Figura 11. Esquema de apuntalamientos provisorios para el montaje.

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Los apoyos de la torre se diseñan de forma de permitir el alojamiento de 3 gatos, para realizar el descenso de la misma al finalizar el montaje completo de la estructura, de manera controlada.

Para garantizar la estabilidad de las columnas hasta tanto la estructura esté completa, se diseñan apoyos provisorios como los que se observan en la figura 11.

Figura 12. Montaje de primer tramo de viga de 50m.

Una vez montados los pórticos principales, se comienza a completar la estructura con la incorporación de las vigas secundarias curvas. Las mismas son muy esbeltas y por lo tanto se realiza el montaje en módulos de 3 vigas arriostradas para garantizar la estabilidad de las mismas durante el izaje. En la figura 13 se observa uno de los planos de izaje de estos módulos, en los que se indican claramente los puntos de eslingado, la longitud de cada eslinga y el peso total del módulo.

Los módulos de estructura secundaria se arman a pié de obra en el orden planificado para garantizar el completamiento de la estructura desde el centro hacia afuera. En la figura 14 se puede observar el armado de uno de los módulos sobre una estructura auxiliar adecuada a la geometría de cada módulo. Los módulos perimetrales, que son con vigas especiales, tienen 52m de longitud.

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Figura 13. Planos de montaje para izado de módulos.

Figura 14. Pre armado de módulos de estructura secundaria y montaje.

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Figura 15. Vista de la estructura completa con la torre ya liberada de carga.

4.2. Cubierta

La cubierta se completa con una aislación de lana de vidrio sobre la que se dispone la chapa engrafada. Dicha chapa se conforma en obra en las longitudes necesarias y se vincula a la estructura de correas mediante clips que no requieren ningún tipo de perforación en la chapa. Esto último, sumado al engrafado continuo entre chapas contiguas, da una alta confiabilidad a la aislación hidráulica que se genera.

Para el conformado de las chapas se utiliza una máquina portátil que se dispone sobre la estructura de cubierta y se alimenta desde una bobina de chapa, en este caso galvanizada de 0.7mm de espesor, que se ubica en un caballete en el piso.

Además de la cubierta propiamente dicha, en el perímetro se dispone una cenefa que sigue la forma curva de la cubierta para resaltar las formas de los bordes.

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Figura 16. Vista aérea durante el montaje de la cubierta.

Figura 17. Vista general de la obra concluida.