Estructuras-Especiales

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Estructuras Especiales 
Enviado por Serguei Joa 
 
 
 
"Estructuras Especiales", fueron denominadas en el artículo conmemorativo al 150 aniversario de la ASCE (Sociedad Norteamericana 
de Ingenieros Civiles), a "las representaciones tridimensionales nuestras ecuaciones de equilibrio y, confirmaciones de 
nuestras técnicas analíticas, normativas de diseño y practicas constructivas" Bradshaw et al.(2002). 
 
En ese grupo fueron incluidos varios tipos de estructuras como: estéreo celosías, redes de cables, estructuras inflables, membranas tensionadas 
entre otras muchas que sorprenden a las personas por sus diseños atrevidos y su estabilidad imponente. 
 
Las estructuras laminares, en la ingeniería civil, son las que con un mínimo de espesor son capaces de cubrir áreas (luces) extensas. Dentro de 
la categoría de estructuras tensionadas entran las estructuras que para soportar las cargas externas requieren de una pretensión, por lo tanto se 
incluyen las estructuras inflables, redes de cables y las membranas estructurales Bradshaw et al.(2002). Este último caso como característica 
distintiva posee que las membranas directamente traccionadas sirven de elemento de cierre además de soportar y trasmitir a sus apoyos las 
cargas actuantes en la estructura. 
 
Todos los elementos en la rama de la construcción se pueden ordenar y clasificar, las membranas estructurales no son una excepción de esa 
regla, y las mismas pueden ser clasificadas según la forma, el material empleado, tipo de borde que se utiliza para vincular la membrana a los 
elementos de apoyo. 
 
Según la forma existen dos grupos: 
 
 Anti clástica. 
Los centros de curvatura en direcciones ortogonales de las membranas se encuentran en los lados opuestos de la superficie. Por ejemplo un 
hiperboloide parabólico. 
 
Fig. 1 Superficie Anti clástica. 
 
 
 
 
 
 
 
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 Sin clástica. 
Los centros de las curvaturas se encuentran en el mismo lado de la superficie. Por ejemplo esferas y globos. 
 
Fig. 2 Superficie Sinclástica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Existen variadas formas de la variante Anticlástica Wehdorn-Roithmayr and Jurewicz(2007): 
 
 Cono (o de punta). 
Cono puede ser simple, múltiple (conjunto de conos), el borde cercano a la base del cono fija la membrana, donde ejes catenar ios ascienden 
hacia la cima (o vértice). Pueden existir variaciones en la altura de los picos en el caso de varios conos en la misma cubierta o incluso 
la geometría d cono invertido. Los puntos de soporte de los mástiles pueden estar bajo, a nivel o por encima de la membrana estructural. 
 
 Bóveda de arcos. 
En la mayoría de los casos poseen una estructura perimetral que sirve de borde fijo a la membrana y los arcos rígidos son colocados para crear 
la forma de la membrana. Estos arcos se pueden disponer paralelos entre sí o cruzados, en función de la geometría deseada. 
 
 Hiperboloide parabólico (o velas). 
Esta es la forma más común de este tipo de estructuras, pero no por eso es la más simple de diseñar. A partir de cuatro puntos, donde al menos 
uno de ellos no está contenido en el mismo plano de los demás se trazan las catenarias y se obtiene la superficie deseada. 
 
 Mixta 
El conjunto de las formas anteriores ha sido utilizado para crear incontables estructuras tensionadas alrededor del mundo. 
 
Es válido aclarar que la "tela" empleada en la arquitectura textil es un conjunto de fibras sintéticas hiladas, obteniendo una malla de fibras, la cual 
es recubierta por una capa plastificante impermeable. Desde el punto de vista del material empleado en la construcción de las membranas, las 
tenso estructuras son divididas en dos grupos fundamentales según (2006): 
 
 Poliéster plastificado con Cloruro de Poli Vinilo (PVC). 
Este material ha sido utilizado ampliamente para la confección de membranas por más de veinte años. El material es fácil de manipular y es 
adherido con la ayuda máquinas de alta frecuencia. Se ha acordado internacionalmente definir cuatro grados de calidad en función de las 
propiedades mecánicas de las telas varía desde grado I hasta el IV. Durante e proceso de diseño generalmente se selecciona el tipo de tela 
después del análisis tenso-deformacional. Las propiedades de los materiales deben ser dados por el fabricante. 
https://www.monografias.com/trabajos28/geometria/geometria.shtml
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Las telas plastificadas con PVC brindan cierta ventaja económica frente a las plastificadas por Politetrafluoretileno (PTFE o teflón), mientras que 
la vida útil asciende a más de 15 años. 
 
 Fibra de vidrio plastificada con PTFE. 
PTFE es químicamente inerte brinda excelentes propiedades de escurrimiento, resistencia al fuego y la mayor duración de vida útil de más de 
veinte y cinco años. Este material tiene un precio alto, pero entra en competencia con el vidrio, el principal problema que se presenta es que se 
debe manipular con sumo cuidado durante la fase de construcción. La colocación de esta tela se debe realizar con mucho más cuidado y más 
detallado de las piezas, no se puede unir con máquinas convencionales, en cambio una plancha especial es utilizada. La tela de fibra de vidrio 
plastificada con PTFE cuenta con la propiedad de ser desarmado en piezas originales con la ayuda de la misma plancha que se utilizó para el 
ensamblaje, esta propiedad en específico permite reparar in situ los paneles dañados. 
 
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 la arquitectura e ingeniería, pero entre las más 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 FabricsAssociation 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. 
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 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 más 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). 
 
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Las cargas impuestas son muchas veces mayor que las de peso propio, según la propia naturalezade 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 
mencionó antes existen varios tipos de materiales polímeros y los más utilizados se relacionan a continuación junto a sus propiedades mecánicas. 
 
 
Material de fibra Nombre comercial Resistencia ultima (N/mm2) 
Polipropileno PP Hostalen 450 
Poliamida PA 66 Nylon, Perlon 670 
Politetrafluoretileno PTFE Tenara 660-880 
polietilentereftalato PET Trevira, Diolen 1200 
Polyethylen hochfest HPPE Dyneema 2600-3300 
Spectra 3600 
Aramid hochfest AR Kevlar 29 2800-3000 
Liquid cristal polymer LCP Vectran 3300 
 
 
 
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 última 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. 
https://www.monografias.com/trabajos36/naturaleza/naturaleza.shtml
https://www.monografias.com/trabajos5/selpe/selpe.shtml
https://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtml
https://www.monografias.com/trabajos901/evolucion-historica-concepciones-tiempo/evolucion-historica-concepciones-tiempo.shtml
https://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtml
https://www.monografias.com/Historia/index.shtml
https://www.monografias.com/trabajos29/algodon-peruano/algodon-peruano.shtml#intro
https://www.monografias.com/trabajos13/mercado/mercado.shtml
https://www.monografias.com/trabajos4/epistemologia/epistemologia.shtml
https://www.monografias.com/trabajos7/freta/freta.shtml
https://www.monografias.com/trabajos/fintrabajo/fintrabajo.shtml
https://www.monografias.com/trabajos/fintrabajo/fintrabajo.shtml
 
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. 
 
 
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