7. sistemas estructurales de forma activa el cable

SISTEMAS SISTEMAS ESTRUCTURALES DE ESTRUCTURALES DE

FORMA ACTIVA:FORMA ACTIVA:ESTRUCTURAS EN BASE A CABLESESTRUCTURAS EN BASE A CABLES

Clase No. 7Clase No. 7

SISTEMAS ESTRUCTURALES DE FORMA ACTIVASISTEMAS ESTRUCTURALES DE FORMA ACTIVA

Se trata de estructuras que actúan principalmente mediante su forma material, lo que las hace llamarlas de ¨forma activa¨¨forma activa¨ o sistemas estructurales en estado de tracción simple o sistemas estructurales en estado de tracción simple o compresión simplecompresión simple .

La característica de los sistemas estructurales de forma activa es que ellos vuelven a encauzar las fuerzas exteriores por medio desimples tensiones normales: el arco por compresión y el cable por tracción .

La forma de los sistemas estructurales de forma activa coincide, en el caso ideal, precisamente con el flujo de los esfuerzos y estos sistemas son, por lo tanto, el camino natural de las fuerzas expresado en materia. La trayectoria natural de los esfuerzos de un sistema de tracciones es el cable suspendido y la de un sistema de compresiones es el arco funicular.

SISTEMAS ESTRUCTURALES DE FORMA ACTIVASISTEMAS ESTRUCTURALES DE FORMA ACTIVA

CABLES:CABLES:Son estructuras especialmente apropiadas para cubiertas de grandes luces con materiales ligeros (livianos) donde el elemento estructural esencial es el cable y el esfuerzo fundamental es el de tracción. A causa de ser estructuras solicitadas exclusivamente por simple tracción, son los sistemas mas económicos para cubrir un espacio atendiendo a la relación peso/luz.

El cable sólo puede soportar tracciones

SISTEMAS ESTRUCTURALES DE FORMA ACTIVASISTEMAS ESTRUCTURALES DE FORMA ACTIVA

ARCO FUNICULAR:ARCO FUNICULAR:Las formas inversas de los cables colgantes corresponden a las formas comprimidas, que con la misma longitud soportarían las mismas cargas.

El arco funicular soporta compresiones de la misma magnitud que el cable

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

CARACTERISTICAS:CARACTERISTICAS:• Resisten únicamente esfuerzos de tracción pura• La forma responde a las cargas• Cualquier cambio en las condiciones de carga afecta a la forma• Carecen de rigidez transversal• Las cargas pueden ser muy grandes en relación al peso propio• No constituye una estructura autoportante

Un sistema de cables o tensores no constituye por sí mismo una estructura autoportante , pues el diseño exigirá estructuras auxiliares que sostengan los cables a alturas importantes. Esto conlleva a una combinación de sistemas estructurales diferentes.

Las acciones sobre una cubierta se pueden transmitir a cables o tensores, los que se alargaran traccionándose para encontrar la forma correspondiente al equilibrio.

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

RELACION TRAZADORELACION TRAZADO --ESFUERZOS:ESFUERZOS:

El cable o tensor adopta la forma de las cargas, por ejemplo, laplomada nos indica la verticalidad de la fuerza de gravedad del peso de la misma (carga) en la forma del cable que la sostiene. Aplicando una fuerza horizontal en cualquier punto de dicho cable, la forma del mismo se modifica en función del valor de dicha carga.

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

Si colgamos la carga de dos cables en vez de uno, cada uno de ellos equilibrara la mitad de la carga.

Separando los puntos de amarre, la carga quedara suspendida en el espacio creado. El cable transmite la carga a ambos lados, cubriendo el espacio. La forma del cable sigue las direcciones de las fuerzas. Como el cable tiene una reducida sección transversal en relación con su longitud, no puede resi stir la flexión y así, modifica su forma para cada nuevo esta do de cargas .

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

TRAZADO DEL CABLE:TRAZADO DEL CABLE:Las formas que puede adoptar el cable o tensor ante las cargas sometidas a el son las siguientes:

• Polígono funicular , es la forma que adopta el cable ante fuerzas puntuales

• Parábola , es la curva que adquiere el cable ante una carga horizontal uniformemente distribuida

• Catenaria , es la figura que forma el cable ante el peso propio del mismo

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

POSIBILIDADES PARA LA ESTABILIZACION DE LAS POSIBILIDADES PARA LA ESTABILIZACION DE LAS CONSTRUCCIONES CON CABLES:CONSTRUCCIONES CON CABLES:Como ya hemos dicho, esta familia de estructuras carece de rigidez transversal y las sobrecargas pueden ser muy grandes en relaciónal peso propio.

Una posible variación de estas sobrecargas, en la medida en que las formas responden a las cargas aplicadas, puede originar una modificación importante de la estructura. Se puede visualizar esta situación con lo que le sucede a la vela de un barco.

Se pretende diseñar estructuras estables y una de las condiciones del equilibrio estable es precisamente la estabilidad de la forma:

• Mediante un gran peso propio en relación a las posibl es cargas asimétricas

• Mediante elementos rigidizadores• Mediante el pretensado

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

ESTABILIZACION DE LA FORMA POR PESO PROPIO:ESTABILIZACION DE LA FORMA POR PESO PROPIO:Se trata de agregar un gran peso propio en relación a las posibles cargas asimétricas: cargas de uso o variaciones climáticas. Este es el caso de los grandes puentes colgantes, en los cuales la carretera tiene un gran peso propio en relación al viento y al peso del transito.

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

En general es suficiente cuando el peso es de 2 a 3 veces superior al valor de las posibles cargas asimétricas. Este es sin embargo un valor aproximado, determinado mediante la practica. En casos especiales pueden ser asumidos valores sensiblemente mayores.

Las cargas climáticas pueden ser superiores, no son asimétricas,son rápidamente variables, alternativamente hacia arriba y haciaabajo (el viento, por ejemplo).

Esta solución de agregar peso propio implica una Esta solución de agregar peso propio implica una contradicción importante ya que estamos agregando p eso contradicción importante ya que estamos agregando p eso material a una estructura que se caracteriza precisamen te por material a una estructura que se caracteriza precisamen te por su ligereza.su ligereza.

Para estabilizar esta estructura se le ha añadido peso a la cubierta

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

ESTABILIZACION DE LA FORMA POR MEDIO DE ELEMENTOS ESTABILIZACION DE LA FORMA POR MEDIO DE ELEMENTOS RIGIDIZADORES:RIGIDIZADORES:Se trata de la colocación de un elemento rígido en la zona de aplicación de las cargas. Es el caso de los grandes puentes colgantes en los que la carretera se apoya en una gran viga reticulada impidiendo la deformación excesiva provocada por la variación de las cargas.

Incremento del peso propio por medio de elemento rigidizadores

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

ESTABILIZACION MEDIANTE EL PRETENSADO:ESTABILIZACION MEDIANTE EL PRETENSADO:Se trata de la introducción de tensiones la estructura previas a la aplicación de las cargas utilizando diversos recursos:

• Agregando una fuerza previa al cable• Agregando otra estructura de cables que produzca esa fue rza

cables unidos en un planocables unidos en el espaciocables portantes y tensadosredes de cables

Se agrega al cable portante un cable estabilizador . El cable portante y el cable estabilizador se cargan recíprocamente mediante el pretensado del sistema. En el punto de cruce ambos cables se cargan recíprocamente.

En la situación en que el cable portante y el estabilizador no se encuentren en el mismo plano, estamos en presencia de una estructura de redes

CABLES (TENSORES)CABLES (TENSORES)

El pretensado con cables resulta un sistema eficiente y coherente para lograr la necesaria estabilización de la forma.

Genera, desde el punto de vista del diseño, fuertes necesidades y oportunidades formales.

La combinación de cables portantes y cables estabilizadores es una combinación de alta eficiencia para cubrir grandes luces.

Los antecedentes de las estructuras de cables pueden encontrarse en las velas de los barcos

Puente Humber, Inglaterra, con un tramo central de 1,410m

Puente Akashi-Kayko, Japón, con un tramo central de 1,767m

Puente de El Alamillo de Santiago Calatrava, Sevilla, España

Proyecto del Centro de Actividades acuáticas para las Olimpiadas de Londres en el 2012

Interior del Centro de Actividades Acuáticas para las Olimpiadas de Londres 2012

Estructura de redes de cables bajo la cual cuelga una ¨tela¨ como cubierta. Pabellón de exposiciones, Frei Otto, Alemania, 1967

Estructuras para las cubiertas de las instalaciones deportivas de la Olimpiada de Munich, Alemania, Frei Otto, 1972

Instalaciones deportivas para la Olimpiada de Tokio, Japón, 1964, Kenzo Tange

Pueden ser usadas también estas estructuras de cables (tensoestructuras o velarias) para cubrir espacios de luces medias y pequeñas

Mástiles de madera que soportan estructura de cables tensados y como cubierta piezas de madera de barriles reciclados. Plaza de descanso de trabajadores agrícolas, España, 2007

Cubierta de instalación deportiva, Alemania

Estructura de cables utilizada para techar áreas exteriores de edificaciones

Estructura de cable y tela usada para cubrir espacios exteriores

Utilización de las velarias para cubrir espacios exteriores y públicos

Interesante combinación de sistemas estructurales, donde la estructura de cables es usada para enfatizar el acceso principal a esta edificación

También la llamada arquitectura efímera utiliza las estructuras de cables