proyecto y ejecución de cubiertas de grandes luces para estadios

proyecto y ejecución de cubiertas de grandes luces para estadios

CONSTRUMETAL 2010 – CONGRESSO LATINO-AMERICANO DA CONSTRUÇÃO METÁLICA
São Paulo – Brasil – 31 de agosto a 2 de setembro 2010
PROYECTO Y EJECUCIÓN DE CUBIERTAS DE GRANDES LUCES
PARA ESTADIOS EN ARGENTINA.
Ing. José Gómez / Cinter SRL / Santa Fe. Ingeniero Mecánico
Ing. Héctor Ruffo/ Cinter SRL / Santa Fe. Ingeniero Civil
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años en Argentina se han realizado una importante cantidad de proyectos de
cubiertas de grandes luces para cubrir espacios con fines deportivos o de grandes eventos.
Una importante particularidad de estos proyectos es que varios de ellos se gestan para cubrir
instalaciones existentes como estadios, anfiteatros, velódromos, etc.
La empresa Cinter participó en el desarrollo de la ingeniería y ejecución de muchos de esos
proyectos, concretando la fabricación y el montaje de 5 de ellos.
En el desarrollo de esta presentación se destacará el proceso de ingeniería de las cubiertas más
complejas, como ser la de un estadio de 120m de luz con cubierta corrediza o la de un
anfiteatro de 105m de diámetro.
En el caso particular de las cubiertas sobre instalaciones existentes, se resaltará la importancia
del análisis de la interacción entre las estructuras ya ejecutadas y las nuevas, llegando en uno
de los casos a ser necesario el modelado y ensayo del comportamiento en túnel de viento, para
conocer la distribución de las presiones sobre la misma.
Palavras-chaves : Estádios, estrutura de aço, montagem, túnel de vento.
Fig. 1 – Cuatro proyectos de grandes luces en Argentina.
2. ESTADIO ORFEO – Córdoba.
2.1- Descripción general de la estructura
Se trata de un estadio cubierto con capacidad para 7000 espectadores sentados. Las
dimensiones máximas en planta y luces libres del mismo son 96 metros de largo por 74
metros de ancho.
La estructura de cubierta fue diseñada íntegramente de acero. La misma consta de un marco
de vigas reticuladas principales cruzadas de 5 y 6 m de altura, que cubren las luces máximas
antes mencionadas y sirven de apoyo a un sistema de vigas secundarias también reticuladas de
una altura máxima de 3 m. Toda la estructura secundaria de cubierta apoya perimetralmente al
estadio sobre un muro de hormigón armado.
Uno de los aspectos interesantes a destacar en esta obra es la diferente tipología de vigas
utilizadas. Mientras las vigas principales se generan con cordones de perfiles doble T
armados, de 1 metro de alto por 50 cm de ancho de ala, y diagonales con perfiles ángulo, las
vigas secundarias están compuestas por elementos de secciones delgadas conformadas en
frío. Los dos tipos de vigas se arman mediante abulonado. En el caso de las vigas principales
el armado se realiza en obra, condición indispensable del proyecto para facilitar el transporte
desde el lugar de fabricación en Santa Fe hasta la ciudad de Córdoba. Las vigas secundarias
son transportadas armadas en tramos de 12 metros de longitud.
Constructivamente, las vigas principales longitudinales de 96 metros de luz y transversales de
76 metros de luz, se diseñaron en función de las posibilidades constructivas y de transporte de
la empresa, realizándose una estructura que recurre a soluciones inéditas en el mercado.
Dado su altura (6 metros) se opto por una solución reticulada, con cordones, diagonales y
montantes totalmente abulonados.
Los cordones, que toman esfuerzos del orden de las 5oo tn, se realizaron de sección doble T
soldada, de 1000 mm de alma y 500 mm de ala, en espesores de 19 y 25.4 mm, en tramos del
orden de los 12 metros, por razones constructivas y de transporte, abulonados entre sí
mediante uniones por rozamiento (slip critical).
Las diagonales y montantes se realizaron en base a doble ángulo, abulonadas a cada una de las
alas de los cordones, con rompetramos que aseguran su estabilidad.
Las vigas secundarias de 75 metros de luz quedaron divididas en 3 tramos, por razones de
transporte, y se llevaron a la obra prearmadas. Tienen una altura máxima de 3.6 metros y se
construyeron con cordones, diagonales y montantes de perfiles conformados en frío, en
nuestra empresa, siendo un diseño estructural propio de Cinter.
Las vinculaciones de los distintos elementos de las estructuras son totalmente abulonadas, con
bulonería ASTM A picol325.
La estructura, tanto en las vigas principales como en las secundarias posee patines de apoyos
que permiten cambios de longitud debidas a las acciones térmicas y climáticas, realizados en
teflón/acero inoxidable.
2.2- Análisis estructural, ingeniería de detalle y fabricación.
El análisis estructural se realizó mediante el modelado de la cubierta completa en 3D con un
software comercial de elementos finitos. Para el dimensionado se siguieron los lineamientos
de AISC (ASD) y, de AISI, para el caso de las secciones delgadas.
Fig. 2 – Modelo de elementos finitos de la estructura de cubierta.
Para realizar la ingeniería de detalle de la estructura principal (modelo completamente
realizado en 3D) se utilizo el software de Tecla Inc “X-Steel”. Una vez completado el modelo
3D, se obtuvo en forma automática los planos de fabricación de las partes, los planos de
armado, los archivos CNC para perforado de perfiles, lista de materiales, lista de bulones, y se
realizaron los planos de montaje, en vistas, plantas, detalles e isometrías.
2.3- Aspectos más importantes del procedimiento de montaje
El montaje requirió de un detallado estudio, para lograr que las condiciones del diseño se vean
reflejadas en la realidad, por tratarse de una estructura totalmente hiperestática.
Al efecto de verificar los elementos estructurales principales, se realizo un pre-armado en
fábrica a cargo del mismo equipo de montaje que haría posteriormente el montaje de obra.
Fig. 3 – Premontaje de parte de la estructura principal en taller.
A los fines del montaje, la estructura principal se subdividió en 12 partes, correspondiente 8
de ellos a los encuentros de las esquinas, 2 a los lados largos y 2 a los lados cortos. Los
empalmes de los cordones fueron abulonadas e inspeccionados al 100%, por ser uniones por
rozamiento (Slip Critical)
Los tramos se armaron en posición horizontal (acostados) dentro de la pista del Estadio,
vinculando los cordones superior e inferior mediante las diagonales correspondiente,
materializándose la unión mediante bulones calidad ASTM A-325, que se llevan al apriete
correspondiente una vez que todos los elementos del tramo hayan sido perfectamente
alineados y verificados en cuanto a material y dimensiones.
En la secuencia de montaje se consideró primero montar las vigas de las ochavas y luego las
vigas centrales, para esto se utilizaron cuatro torres provisorias de caño reticuladas de 22
metros de alto, que dieron apoyo a las vigas de las ochavas con una capacidad de 80 tn,
provista de un dispositivo de nivelación mecánico-hidráulico, que permitió una vez montadas
las partes de la estructura principal y secundaria que formaban el conjunto hiperestático,
llevarlas a la geometría requerida por los cálculos, previo ajuste de todos los elementos.
Fig. 4 – Izaje del tramo central de la viga de 96m de luz desde el interior del estadio.
Las cuatro vigas se fijaron a unas vigas de hormigón en ocho puntos mediante pernos de
anclaje y posteriormente se realizo un grouting (el apoyo es deslizante, son placa de teflón y
patín de acero inoxidable). La estructura se completo con vigas tipo Cinter de perfiles
conformados, con cordón superior de forma curva.
Las 34 vigas laterales se abulonaron en un extremo a la viga principal y en el otro a un muro
perimetral mediante brocas químicas (con apoyo de grillón) y el posterior grouting.
Una vez completada la estructura, se desafectaron las 4 torres provisorias, valiéndose de los
gatos hidráulicos previstos al efecto, a fin de lograr un descenso controlado de la estructura
hasta que las torres quedaron completamente descargadas, verificándose que las
deformaciones elásticas originadas por las cargas presentes hasta el momento, estaban acordes
a lo previsto en el cálculo, cuestión que corroboró lo correcto de los procedimientos
empleados.
3. ESTADIO POLIDEPORTIVO - Formosa.
3.1- Descripción general de la estructura
Se trata de una estructura de acero destinada a cubrir un estadio polideportivo para la ciudad
de Formosa, en la república Argentina. La cubierta completa tiene un peso de 400 tn, con una
superficie de 6000 m2, con luces de 89 x 66m.
El sistema estructural se compone de un gran emparrillado de vigas principales reticuladas
apoyadas sobre 14 columnas perimetrales. Los espacios generados entre vigas principales se
completan con un sistema de vigas secundarias que son continuas y también aportan rigidez al
sistema general. Para dar apoyo apropiado a la cubierta propiamente dicha se disponen
correas de perfiles conformados en frío sobre las vigas secundarias antes mencionadas.
Las columnas perimetrales, dispuestas 4 en los laterales largos y 3 en los cortos, que poseen
una leve inclinación hacia el exterior de 14º respecto de la vertical, son de sección circular de
760mm de diámetro, con una altura máxima de 24,4 m. Dándole apoyo a las mismas, se
disponen una suerte de contrafuerte por cada una a excepción de las centrales debido a los
accesos de emergencia. Estos contrafuertes se conforman de tubos de diámetro 600mm y una
longitud de 24m. Tanto este elemento secundario como la columna principal, se anclan a una
fundación existente mediante un sistema de anclajes con resina epoxi.
Fig. 5 – Detalle del sistema resistente principal.
El sistema emparrillado se compuso de vigas reticuladas de altura variable, con un máximo de
aproximadamente 6,40 m. Todo este sistema se encuentra empotrado a las columnas
principales y su sección transversal se compone con cordones tipo T y diagonales y montantes
de sección doble ángulo empresillado. Dada su altura, estas vigas debieron ser armadas en
obra mediante uniones abulonadas entre elementos con bulones de alta resistencia y algunas
uniones particulares con características del tipo Slip Critical.
Las vigas secundarias son reticuladas con perfiles de sección conformada en frío, de pequeños
espesores, con nudos abulonados. Todas estas vigas se armaron en taller.
El sistema de la estructura de cubierta se completa con las correas para dar apoyo a la
aislación térmica e hidráulica conformada mediante panel doble chapa y espuma de
poliuretano como aislante intermedio.
La obra se completo con una serie de pasarelas en el perímetro central, con 70 m de longitud,
para mantenimiento de la estructura e iluminación del estadio central, más un perímetro
exterior de pasarelas sobre la cubierta, de longitud total de 300m, para mantenimiento de la
misma y de las canaletas y bajadas pluviales.
Fig. 6 – Cortes transversales y longitudinales típicos de la estructura principal.
3.2- Ingeniería de Detalle y de fabricación
Para el análisis estructural y dimensionamiento de las piezas se realizó un modelo en 3
dimensiones de elementos finitos de barras. La ingeniería de detalle para la elaboración de los
planos de fabricación se llevó adelante mediante un modelo en 3 dimensiones con el software
Tekla Structures que permite analizar al detalle cada unión desarrollada.
Fig. 7– Vista general del modelo realizado en Tekla Structures
3.3- Procedimiento de montaje
Debido a las grandes luces de la estructura y a la particularidad del emparrillado donde cada
viga apoya sobre las demás, el montaje de la cubierta debió realizarse mediante apoyos
intermedios provisorios.
El procedimiento de montaje utilizado, se baso en mantener las hipótesis de diseño
contempladas en el cálculo, para lo cual se debía montar la estructura en forma completa antes
de que sea solicitada. En definitiva, se planteo la necesidad de mantener la estructura apoyada
en una serie de puntos hasta tanto no se completen TODOS los elementos de la misma. Los
puntos de apoyo seleccionados fueron lógicamente las 12 intersecciones de vigas reticuladas
principales. Para dar sustento a estos puntos se fabricaron 12 torres de apeo provisorias, a
empalmar de a dos tramos en la obra, ubicadas según un exacto replanteo definido
previamente por Ingeniería.
Fig. 8 – Foto durante el montaje de la estructura secundaria.
Para asegurar que los procedimientos descriptos pudieran llevarse a cabo y detectar posibles
inconvenientes previo a la obra, se realizo en planta un premontaje de un sector representativo
de la estructura. En concreto se premontó una esquina de la cubierta, donde ya se utilizaron
vigas principales, secundarias, columnas y un apoyo central extra simulando una de las torres
necesarias, siendo este sector además la zona de partida para el montaje final.
Fig. 9 – Vista interior del estadio finalizado
4. CUBIERTA ANFITEATRO VILLA MARIA – Córdoba.
4.1- Descripción general de la estructura
La estructura corresponde a una cubierta nueva, en forma de domo hexagonal, con medidas
generales de aprox. 105,00 m entre aristas (95,00 m entre lados paralelos) por aprox. 23,50 m
de altura en su punto central más elevado.
La estructura resistente se conforma principalmente por seis sectores triangulares de cilindro
que se interceptan entre sí en dos sus lados y confluyen en un punto central en el vértice de los
triángulos. Los seis sectores son idénticos entre sí, su estructura está conformada por dos
vigas principales longitudinales de apeo, reticuladas en cajón, de altura aproximada h = 3,00
m, formada por dos cordones de sección doble T electrosoldados con diagonales y montantes
verticales de perfiles laminados tipo L dobles y cuádruples abulonados.
Fig. 10 – Esquema 3d estructura principal
Fig. 11 – Planta de cubierta. Dimensiones principales.
Su luz final es de 105,00 m entre aristas conformando un emparrillado en forma de cáscara
hexagonal; sobre ellas se apoyan vigas transversales reticuladas curvas formadas por perfiles
de chapa fina conformados en frío totalmente abulonados, de tres alturas diferentes de
acuerdo a los requerimientos estructurales, h = 2,50 / 2,25 / 2,00 m, disminuyendo hacia el
centro en concordancia con su luz entre apoyos. Estas vigas se encuentran ubicadas en planta
cada aprox. 2,30 m y su luz es variable, ya que unen las vigas de apeo longitudinales,
aumentando esta dimensión desde el centro del domo hacia los laterales.
Fig. 12 – Gajo tipo de sector triangular del hexágono
Fig. 13 – Vista de pórticos de apeos principales
La cubierta en si forma una estructura tipo cáscara que es rigidizada en sus planos superior e
inferior mediante cruces de San Andrés para que sea capaz de transmitir los esfuerzos
laterales, que sobre ella actuaran, a las columnas. Las columnas son de la misma tipología
reticulada que las vigas de apeo ya que continúan con su línea.
4.2- Análisis estructural. Ensayo en túnel de viento.
Debido a la complejidad de las formas, a la interacción entre las construcciones existentes y la
nueva cubierta y a que es una estructura abierta a la orillas del río, se hace muy difícil
establecer las acciones de viento sobre la estructura mediante los métodos simplificados
indicados en la normativa habitual. Para el análisis estructural del anteproyecto se realizó una
primera aproximación de estas acciones mediante extrapolaciones conservadores de algunos
casos indicados en los reglamentos que podrían asimilarse a este. Ya en la etapa del proyecto
ejecutivo se procedió a realizar un análisis en túnel de viento para definir los coeficientes de
presión actuantes en el extradós y en el intradós de la cubierta.
A fin de evaluar las características aerodinámicas de la cubierta del anfiteatro, se ha
construido un modelo a escala 1:125 del mismo, en el que se ha reproducido la forma general
de la cubierta, las gradas y las construcciones propias del anfiteatro. Dado que se trata de un
modelo de ensayos aerodinámicos, no es necesario reproducir fielmente a escala todos los
detalles de la construcción real, bastando con reproducir solamente aquellos que definen el
comportamiento aerodinámico del modelo.
Fig. 14 – Imágenes de la construcción existente y de la cubierta en el modelo para ensayo en túnel.
El modelo de ensayos ha sido instrumentado 126 tomas de presión, dispuestas de manera que
hay 21 en cada uno de los seis sectores de la cubierta. En tres de los 6 sectores las tomas se
encuentran en el intradós y en los otros 3 en el extradós, dispuestos de forma alternada. El
modelo se ha construido de forma que el anfiteatro pueda girar con respecto a la cubierta. De
este modo se aprovecha la simetría que presenta la cubierta.
5. CUBIERTA ESTADIO PARQUE ROCA – Buenos Aires
5.1- Descripción general de la estructura
Se trata de una estructura diseñada para cubrir totalmente la construcción actual de las
canchas de tenis y tribunas que la rodean, incluyendo las áreas periféricas de servicios. En la
figura siguiente se pueden apreciar las instalaciones actuales que se pretenden cubrir con este
proyecto.
Fig. 15 – Vista de las instalaciones actuales a cubrir.
Las luces a cubrir son de aproximadamente 120m en sentido longitudinal y 96m en sentido
transversal. Como condición de diseño, dadas las características de los deportes a practicar en
su interior, se solicitó que una parte de la cubierta sea corrediza a fin de dejar una abertura al
aire libre de 50 x 30 m.
Bajo esta premisa se diseño una estructura, que por razones de espacio debía estar apoyada en
8 puntos situados en el perímetro exterior de las tribunas existentes.
Dadas las importantes solicitaciones de flexo compresión a las que están solicitadas dichas
columnas, se dimensionaron reticuladas, de planta cuadrada de 2750 mm entre ejes,
construidas en base a caños de acero con costura, totalmente soldadas.
Terminan en una pirámide en la cual apoyan las vigas principales de la estructura, en forma
articulada.
La estructura principal de la cubierta consta de 4 vigas cruzadas, del tipo reticuladas.
Su altura es del orden de los 7500 mm entre ejes de cordones. Estos dada las altas
solicitaciones a la que se ven sometidos, se ejecutaron en sección doble T electrosoldada. La
luz entre apoyos en el sentido longitudinal es del orden de los 120 m y en el sentido
transversal de 96 m.
La vinculación entre cordones se ejecuto con diagonales y montantes de perfiles ángulo, en
ejecución doble o cuádruple según la solicitación. Todas las conexiones son abulonadas con
tornillos tipo ASTM A 325. Los empalmes de los cordones son del tipo antideslizante (slip
critical) y el ajuste se realiza mediante el método del giro de la tuerca.
Fig. 16 – Vista general y detalles de la estructura principal.
Las vigas principales soportan todo el sistema de vigas secundarias, que a su vez soportan las
correas de cubierta.
Las vigas secundarias, también son reticuladas, con cordones de sección T y diagonales de
doble ángulo, todas abulonadas a los cordones. Su altura es variable, teniendo la parte recta
2.5 m de canto, altura que va disminuyendo hacia los bordes donde termina en cero.
Sobre las vigas secundarias, se fijan las correas que son perfiles conformados en frio, de
sección C.
Toda la cubierta esta rigidizada mediante arriostramientos en cruz, a fin de generar un plano
rígido que redistribuya los esfuerzos originados por el viento y las acciones dinámicas
generadas por el accionamiento mecánico del techo corredizo. La estructura de las dos partes
de la cubierta corrediza, también está diseñada en base a vigas reticuladas similares a las
secundarias de cubiertas, y tienen dos laterales diseñados según las especificaciones del
fabricante del accionamiento, a fin de poder integrar este mecanismo sin problemas.
Sobre las vigas principales longitudinales se apoya la estructura soporte de las vigas
carrileras, sobre las cuales se desliza la parte móvil de la cubierta.
A los fines de mejorar el comportamiento global de la estructura, se procedió a colocar un
anillo perimetral pretensado sobre la cabeza de las columnas.
Se previeron además, las acciones del futuro cerramiento lateral, a realizar en una segunda
etapa, descargando acciones sobre todo el perímetro de la estructura.
Fig. 17 – Vista general y detalles de la estructura secundaria de cubierta.
Fig. 18 – Detalle del sistema de traslación para las 2 partes centrales de la cubierta.
5.2- Ingeniería del proyecto
Si bien esta obra no se ejecutó, Cinter fue la empresa ganadora de la licitación realizada por la
ciudad de Buenos Aires para la realización de este proyecto. La ingeniería desarrollada para
dicha instancia constó de un análisis muy detallado del comportamiento estructural de la
cubierta y de las acciones que la parte móvil transfieren a la estructura principal. Se realizaron
modelos en tres dimensiones con elementos finitos de barras como se puede ver en la figura
19.
Fig. 19 – Modelos de elementos finitos con la cubierta central en sus 2 posiciones extremas.
Fig. 20 – Imágenes virtuales 3d.