Estructuras Especiales (página 2)

Otro criterio muy utilizado por los especialistas para la
clasificación de las tenso- estructuras es
el de las condiciones de borde. Entre los elementos de borde
curvos, poseen notable importancia los cables, que trabajan a
tracción, elementos sin rigidez a flexión cuya
disposición (sentido de la curvatura necesariamente hacia
el exterior) se corresponde con esfuerzos de tracción en
la membrana Ambroziak and Klosowski(2006). Si los elementos de
borde son rectos, para equilibrar el pretensado de la membrana
deben tener rigidez a flexión.

La curvatura de los bordes rígidos, que han de soportar
por flexión (y otros esfuerzos) las cargas transmitidas
por los esfuerzos de la membrana, puede ser cualquiera.

Las cubiertas de estructuras tensionadas son aplicadas muchas
de las ramas de ingeniería
civil, pero entre las mas destacadas se encuentran las
instalaciones deportivas, centros recreativos y
turísticos, naves de grandes luces, estructuras temporales
de exposiciones Mollaert(2004).

Internacionalmente existen organizaciones
que potencian el desarrollo de
esta rama de la construcción con aras de ampliar la
aplicación de las tenso estructuras, se realizan
reuniones, seminarios, eventos de todo
tipo. La LSA (Lightweight Structures Association) es una
dependencia de la IFAI (Industrial Fabrics Association
International) quien se dedica a promover el uso de estructuras
ligeras de este tipo en las Américas y representar los
intereses de la IFAI. LSAA (Lightweight Structures Association of
Australasia) es la
organización de grupos
interesados en las estructuras ligeras que promueve la
utilización adecuada de las tenso estructuras, en conjunto
con el desarrollo en esta materia, uno
delos objetivos de
esa asociación es de convertirse en su área
geográfica en un organismo de referencia en este
campo.

Como se mencionaba anteriormente el análisis de las estructuras tensionadas se
hace muy trabajoso, debido a la no linealidad de la geometría,
y del comportamiento
del material carente de rigidez, admite amplios desplazamientos,
Pauletti(2005). Por ese motivo se decidió identificar
fases dentro de todo proceso de
análisis estructural.

• Fase de confección, en la que, como resultado del
  proceso de confección, se tiene una forma que
  corresponde a esfuerzos nulos (forma potencial o virtual,
  porque si se desplegara la membrana con esa forma
  aparecería ya el peso propio).

• Fase de pretensado, en la que, como resultado de desplegar
  y aplicar el pretensado a la membrana confeccionada, se llega
  ya a una forma real, asociada a las acciones de pretensado y
  peso propio, y la membrana queda apta para entrar en
  servicio.

• Fase de servicio, en la que, como resultado de la
  aparición de otras acciones (viento, cargas de uso,
  etc.) durante la etapa de servicio de la membrana, se llega a
  otras tantas formas.

Conociendo las fases de trabajo de las
estructuras es apropiado conocer los elementos más
importantes del proceso de diseño
de las mismas. El diseño de las estructuras tensionadas
requiere mas del apoyo de la computación que la mayoría de las
estructuras convencionales, pues desafía al
análisis clásico debido a que la geometría de la membrana influye
directamente en su comportamiento estructural.

La no linealidad de estas estructuras unida a la necesidad de
conocer la forma de la membrana pretensada, destinada a cumplir
determinadas condiciones frontera
complican en gran medida el análisis y diseño de
las estructuras tensionadas.

Primero la búsqueda de la forma deseada, después
de obtenida la geometría el segundo paso es la
realización del cálculo
estructural donde se busca, como resultado, el estado
tenso-deformacional y finalmente determinación de los
patrones de corte de la tela junto con el diseño
estructural de los elementos de soporte (poste o mástil,
cimentación y cables tensores);Hernández and
Rodriguez(1999).

Ahora un poco más de cerca el proceso de
búsqueda de la forma deseada (form finding), es un proceso
de diseño inverso, pues en los problemas
tradicionales la incógnita es el esfuerzo en el elemento y
la forma es un dato de entrada. Aquí a partir de una
geometría preliminar y la tensión de pretensado se
busca la forma adecuada para una distribución de esfuerzos uniforme.

Se utilizan ampliamente estos métodos:

• Aproximación de la densidad de fuerzas. Es un
  método matricial que resuelve la geometría de
  los elementos pretensados de una red general de esfuerzos.
  Técnicas iterativas permiten al diseñador
  obtener las condiciones de pretensado deseadas para las
  membranas y cables de la estructura.

• De manera alternativa un algoritmo de análisis
  matricial puede ser aplicado, donde a los elementos les es
  asignada una rigidez mecánica muy baja, se impone un
  valor de pretensado, y la respuesta del algoritmo seria la
  geometría equilibrante.

• El método de relajación dinámica con
  amortiguación cinética.

Se basa en una discretización de la geometría de
manera que la masa de la estructura se
supone concentrada en cada punto (nodo) de la superficie. Dichas
masas concentradas oscilan alrededor de la posición de
equilibrio
bajo la acción
de fuerzas externas.

Cualquiera que sea el procedimiento
elegido es necesario contar con un modelo
numérico para poder
aplicarle todos los algoritmos de
diseño, Pauletti et al.(2005).

El segundo paso mencionado anteriormente es el análisis
estructural se lleva a cabo con el objetivo de
observar el comportamiento ante las cargas que le van a ser
impuestas durante la fase de explotación.

En esta etapa del diseño intervienen, no solo la
geometría obtenida en la etapa anterior, sino
también el sistema de cargas
que se prevé que deberá soportar la estructura,
además de las propiedades del material. Se estudian las
combinaciones de cargas a considerar, que no se diferencian en
gran medida a las demás estructura, se deberá
considerar la carga de peso propio (muerta) de la membrana (entre
0.7 y 2.0kg/m2).

Las cargas impuestas son muchas veces mayor que las de peso
propio, según la propia naturaleza de
las membranas estructurales, es por eso que se debe realizar una
selección adecuada de las cargas relevantes
para el diseño. No existe una normativa que rija la
imposición de las cargas, debido a que las normas se
escriben para formas comunes de edificaciones, se dificulta y
requiere más tiempo y
dedicación al proceso de determinación de las
combinaciones a considerar.

Los materiales
utilizados a lo largo de la historia para estas
estructuras. En la época de los cazadores nómadas
se usaban pieles, en la época de los romanos telas de
algodón, seda y otros; hoy en día
vivimos la época de los materiales polímeros, que
cada vez as se insertan en el mercado de la
construcción. De hecho los polímeros son los
más empleados en la confección de membranas
estructurales, como ya se menciono antes existen varios tipos de
materiales polímeros y los más utilizados se
relacionan a continuación junto a sus propiedades
mecánicas.

El análisis se realiza con el apoyo del Método de
Elementos Finitos (MEF). Se realiza un modelo done se imponen
todas las condiciones antes mencionadas.

La palabra modelo proviene del italiano en nuestro idioma y su
definición indica: Reproducción ideal y
concreta de un objeto o de un fenómeno con fines de
estudio y experimentación. Por tanto se infiere que
la modelación es el proceso obtención del
modelo.

Precisamente de la modelación de las membranas se trata
la primera parte de este trabajo. En la actualidad existen muchos
autores que han tratado el tema de la modelación de dichas
estructuras de los cuales se destacan en su modelación por
representar las membranas mediante elementos laminares que no
permiten amplios desplazamientos. La solución
numérica para esos elementos puede ser construida mediante
el Método de Elementos Finitos (MEF), esta se puede
encontrar planteada para pequeñas deformaciones en
Oñate(1992).

El desarrollo de la teoría
para los elementos membranas con grades desplazamientos,
compuestos por elementos finitos triangulares de tres nodos,
basado en coordenadas cartesianas rectangulares fue propuesta por
Taylor(2001).
Esa ultima formulación resulta fundamental para el trabajo a
realizar, pues en conjunto con Lu et al.(2001) se logra
una formulación que tiene en cuenta el comportamiento
ortótropo del material y esfuerzos de pretensado en la
membrana.

Otro caso donde se emplea una formulación acorde con
los desplazamientos grandes es en el trabajo de Pauletti et
al.(2005), aquí la formulación natural de
Argyri es complementada por la adición de amplias
deformaciones, con las propiedades del material elástico y
lineal, fue implementado en el entorno numérico MATLAB. Es
importante formular una alternativa que considere el
comportamiento plástico
del material, para aumentar el aprovechamiento de la resistencia a los
esfuerzos del material. Como base para la consideración
del material de las membranas, ortótropo se toma el
trabajo de Wagner(2002) el mismo en su contenido hace un
análisis exhaustivo de las propiedades y el comportamiento
que tienen las telas utilizadas en la construcción de las
tenso estructuras.

De interface entre el modelo numérico y la obra real,
en el caso de las membranas estructurales, sirven los patrones de
corte de la tela. Mediante la generación de plantillas
planas adecuadas para cuando se ensamble la membrana se logre la
forma deseada con un alto grado de precisión. En las
medidas de las piezas se debe incluir el ancho de las costuras,
bolsillos y pliegues previstos por la estructura.

Bibliografía

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Autor:

Ing. Serguei M. Joa Dubitskaya