COMPORTAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS DE ALUMINIO: PROYECTO DEL CENTRO DE ESTUDIANTES

Pablo Furlan* - Mauricio Moure** - Maria H. Peralta - *** Néstor J. Mineo **** Facultad de Ing. UNICEN – Olavarría

*Estudiante Becario Ing. Civil - pabloaf9@hotmail.com

** Estudiante Becario Ing. Civil – mauriciomoure@yahoo.com.ar *** Mg. Ingeniero Civil – Prof. Invest.– mperalta@fio.unicen.edu.ar **** Arquitecto - Prof. Invest.– nmineo@fio.unicen.edu.ar

RESUMEN

Se presenta el proyecto de un edificio que tiene por finalidad cubrir las necesidades de espacio para reuniones del Centro de Estudiantes de Ingeniería.

Se trata de hacer una experiencia en la utilización del aluminio como material estructural, dando continuidad al trabajo que en ese sentido realiza el Área de Estructuras a través de la redacción del Reglamento Argentino para Estructuras de Aluminio, CIRSOC 701 y sus correspondientes comentarios.

Para el proyecto se decidió tomar como base el Pabellón de exposición de Le Corbusier en Zurich, adaptándolo a la escala del presente. Se trata de una estructura modular independiente que constituye la cubierta, como un paraguas, bajo el que se halla un cuerpo de construcción independiente, con paneles modulares de aluminio. Todo apoyado sobre una platea de Hº Aº.

La idea es congeniar arquitectura, ingeniería, industria y expresión, a través de una forma que las sintetice. Con su modulación, construcción por paneles, forma y colorido, el ejemplo mencionado cubre las necesidades descriptas.

El presente trabajo muestra la evolución del diseño de la estructura hasta arribar a una tipología acorde al proyecto. El desarrollo del mismo permite observar el comportamiento particular del aluminio desde el punto de visto estructural destacándose la relevancia de las deformaciones en la elección de la tipología que da solución a la estructura planteada.

ABSTRACT It is a building project which aims to meet the needs of a meeting space for the

Engineering Student Center. The objective is to make an experience in the use of aluminum as a structural

material, continuing the work that the Structural Area have made through the wording of the Argentine Code for Aluminum Structures, CIRSOC 701.

For the project it was decided to take as a reference, the exhibition pavilion of Le Corbusier in Zurich, adapting the scale. The roof itself is an independent modular structure, like an umbrella, under which it is built another building as a separate structure composed by aluminium modular panels. All sitting on a concrete reinforced plate. The idea is to relate architecture, engineering, manufacturing and expression, through a form that synthesizes them. With its modulation, construction by panels, form and color, the mentioned sample meets the needs described above.

This work shows the evolution of the structure design in order to arrive to a typology according to its destination. Its development allows to observe the unique behaviour of aluminum from a structural point of view detailing the importance of deflections at the time of choosing the typology that solves the proposed structure.

INTRODUCCION

Se trata del proyecto de un edificio que tiene por finalidad cubrir las necesidades de espacio para reuniones del Centro de Estudiantes de Ingeniería – CEFIO, y del servicio de fotocopiado que brindan. Por otra parte, constituir el símbolo de la importancia del claustro en la Universidad Reformista.

La Facultad de Ingeniería, a través de las Cátedras de Arquitectura y del Área Estructuras, pertenecientes al Dpto. de Ingeniería Civil, es la responsable del proyecto del mencionado edificio. El mismo se realiza con la participación de dos alumnos en calidad de becarios, en el marco de sus Proyectos Finales de la carrera de Ingeniería Civil.

Para ello se ha tomado como base el Pabellón de exposición de Le Corbusier en Zurich [1], (Figura 1) adaptándolo a la escala del presente, tanto respecto del uso como de la economía.

Con su modulación, construcción por paneles, forma y colorido, el ejemplo mencionado cubre las necesidades descriptas, agregando el plus de la preocupación constante del maestro, que hace más de 50 años, abogaba por la utilización de la máquina en proporción creciente en la construcción, demostrando que belleza y máquina no son incompatibles.

La idea es congeniar arquitectura, ingeniería, industria y expresión, a través de una forma que las sintetice, de manera de servir a la formación de profesionales integrados social y culturalmente.

Por otra parte, se intenta hacer una experiencia en la utilización del aluminio como material estructural [2], dando continuidad al trabajo que en ese sentido realiza el Área de Estructuras a través de la redacción del Reglamento Argentino para Estructuras de Aluminio, CIRSOC 701 [3 y4].

El proyecto consta así fundamentalmente de dos partes indisolublemente unidas, estructura y arquitectura. Ninguna de ellas puede avanzar o separarse sin el concurso de la otra.

Sobre la base de una idea de proyecto se pudo comenzar con el diseño de la estructura. Esta también había sido condicionada previamente, al establecerse que debía resolverse con perfilería de aluminio. Esta tecnología es incipiente en nuestro país, debiendo prepararse las industrias para proveer los insumos necesarios. Justamente este proyecto tiene como uno de sus fines hacer punta en este tipo de utilización del aluminio, es decir, con fines estructurales.

El presente trabajo muestra la evolución del diseño de la estructura hasta arribar a una tipología acorde al proyecto. El desarrollo del mismo permite observar el comportamiento particular del aluminio desde el punto de visto estructural destacándose la relevancia de las deformaciones en la elección de la tipología que da solución a la estructura planteada.

PRINCIPALES OBJETIVOS

o Contribuir a la integración de la Facultad al medio a través de la innovación tecnológica, con el proyecto de una estructura de aluminio, cuya reglamentación realizara el grupo de Ingeniería estructural.

o Albergar actividades del Centro de estudiantes con un edificio-símbolo. o Favorecer el desarrollo de la Facultad de Ingeniería de Olavarría, desde el

punto de vista de la infraestructura edilicia.

Figura 1: Vista del Pabellón de Le Corbusier en Zur ich

ARQUITECTURA

Metodología

La arquitectura, a través del ejercicio proyectual, trata de integrar variables provenientes de la naturaleza, del diseño, de la técnica y de la economía. Por naturaleza cumple un rol integrador. En este sentido, debe tener en cuenta la factibilidad de la resolución de las distintas partes que hacen al programa, ya sea estructura, instalaciones, procesos constructivos, equipamientos, etc. haciéndose consultas con los especialistas y coordinando con los responsables de las distintas especialidades.

En este proyecto en especial, la estructura cumple un rol protagónico, no sólo por la forma, sino también por la pauta impuesta de realizarlo con estructura de aluminio. La metodología del diseño estructural es similar a la arquitectónica, aunque de mayor especialización y precisión.

Paso a paso se van incorporando las distintas variables, comenzando por las más importantes. Para ello primero se confecciona un programa con una lista de las variables convenientemente valorizadas y se estudian sus interacciones.

El proceso de la tarea de diseño es lento, duro y se ajusta al andar. No es algo simple y directo, sino que su acercamiento debe buscarse por continuos rodeos

Los problemas de diseño o proyecto, en general, constituyen sistemas complejos, con múltiples superposiciones de variables, donde la mejor solución será la que más se acerque a la síntesis del sistema.

Una vez convenidas las pautas básicas del proyecto se realizaron reuniones

con integrantes del CEFIO y del centro de copiado, de manera de recabar información sobre las necesidades que presentan y llegar así a un edificio que cumpla de la mejor manera su función.

Para continuar con el diseño arquitectónico, además de conocer las necesidades del destinatario, se debían tomar decisiones respecto a los materiales componentes, de manera de llegar al objetivo de obtener una estructura con una modulación acorde a los sistemas industrializados existentes en el mercado, facilitando así las etapas constructivas. Sobre este aspecto se trabajó visitando empresas locales que utilizan perfilería de aluminio y se hicieron consultas a empresas líderes en dicho material.

Programa de necesidades

En una primera etapa se construirán: • Sector de fotocopiado. • Sala de reuniones. • Matera con anafe y pileta • Toilette.

Proyecto

La idea de este proyecto es responder a unas necesidades físicas muy simples, buscando una forma llamativa, escultórica y contrastante respecto de los edificios tradicionales que conforman el Complejo Universitario, a modo de símbolo y representación de la importancia del claustro estudiantil en nuestra Universidad. El nuevo edificio debía poner de relieve su distinto espíritu: construcción en seco, estructura aparente de aluminio fuertemente colorida y formas no tradicionales. El Pabellón de LC surgió así como un excelente modelo a seguir, al ofrecer todas las posibilidades. Para ello había que repensarlo con estructura de aluminio, con otras necesidades y escala.

El edificio consta de una estructura que constituye la cubierta, como un paraguas, bajo el que se halla un cuerpo modular de construcción independiente. Todo apoyado sobre una platea de HºAº.

El edificio consta de dos salas: una dedicada a las reuniones con sus dependencias y otra para el sector de fotocopiado, separadas por un hall de acceso, atención y espera. (Figuras 2 y 3).

El desarrollo de una estructura innovadora como es la de aluminio y, en lo educativo, el desarrollo de una idea de Le Corbusier de construcción metálica en seco con la necesidad de realización de su trabajo final por parte de dos estudiantes avanzados de la carrera, completan los requisitos básicos del proyecto. Tanto la cubierta y su estructura, como los bastidores y revestimiento exterior de los paneles que conforman el habitáculo, serán de aluminio.

En el interior se utilizarán como revestimiento, placas con melamina y/o yeso. En todo momento se mostrarán los recursos prácticos de una construcción en seco, haciendo énfasis en la modulación, la cual permitirá crear un sistema óptimo desde el punto de vista constructivo y estructural. (Figura 4).

Otra pauta surgió a partir de dejar abierta la posibilidad a una futura ampliación condicionada por las características particulares de la cubierta. (Figura 5). A tal efecto se plantearon diversas alternativas teniendo como premisa mantener el diseño final de la misma de manera de no alterar la esencia de la arquitectura original.

A

A

BAÑO

SALA DE REUNIONESHALLFOTOCOPIADORA

VISTA 2

1,30 1,30 1,3018,20

1,30

1,30

7,80

1,30

1 2 3m0

Figura 2: Planta

VISTA 2Figura 3: Vista

Platea de Hormigón

Perfiles(126x101.5x9.5mm)

Paneles de melamina(e:12mmm)

Contravidrios

Aislante

Chapa de aluminio.e:5mm

Membrana asfáltica (35kg)apoyada s/aglom. fenólico

Aglom. fenólicoe:10 mm

Barrera de vapor,polietileno 200 micrones

Piso cerámico

Figura 4: Detalle

Figura 5: Ampliación proyectada

ESTRUCTURA

Tipología

La tipología estructural del edificio pudo ser interpretada a medida que se obtenía información (datos e imágenes) que permitía dilucidar la forma y funcionamiento de cada uno de los elementos componentes del sistema estructural. El esquema estructural y sus componentes pueden observarse en Figura 6.

Figura 6: Esquema estructural de la cubierta superi or

La siguiente Figura 7, muestra la tipología de la cubierta que presenta los

siguientes elementos:

• Vigas perimetrales y nervios intermedios en forma de reticulado con doble cordón

• Correas en 2 sentidos (ortogonales) de manera de reducir la longitud de las barras y, por lo tanto la flecha excesiva en los perfiles de aluminio.

Figura 7: Tipología de la cubierta

A partir de la definición de la tipología indicada, se efectuó el predimensionado de los elementos constitutivos para efectuar el posterior análisis de cargas.

Análisis de cargas

Estados de cargas considerados

En este análisis se consideraron los siguientes estados de cargas y sus combinaciones utilizando los Reglamentos CIRSOC 101 [5] (según el destino y uso del edificio) y CIRSOC 102 [6]:

• Peso propio (D) • Sobrecarga de uso (L) • Viento (W)

A los efectos de obtener las cargas muertas (D), previamente se definieron los materiales de los elementos no estructurales (cerramientos, cielorraso, etc) por lo cual debieron pensarse de antemano detalles constructivos.

Respecto a la sobrecarga de uso (L) se consideró que el edificio inferior tendría una cubierta inaccesible a diferencia del edificio de Le Corbusier, tomado como referencia que presenta una terraza accesible.

El estudio de la acción del viento (W), que mereció particular atención dadas las características de la arquitectura y del material utilizado se muestra a continuación.

Análisis de la acción del viento

El estudio de la acción del viento sobre la estructura se efectuó inicialmente con la utilización de los Reglamentos CIRSOC 102-1982 y CIRSOC 102-2005. Considerando el posible efecto “Venturi” que se generaría debido a la separación de las cubiertas, y a la forma irregular de la misma, la evaluación estaba fuera del ámbito del reglamento, por lo que se consideró recurrir a un estudio en túnel de viento. A efectos de reducir el tiempo y costo del estudio, se decidió efectuar el análisis utilizando una simulación numérica mediante el uso de una herramienta

computacional que permite modelar fluidos y obtener los valores de presión sobre la estructura. A tal fin, se utilizó el software de elementos finitos ALGOR [7], que permite modelar fluidos. Se trabajó sobre un modelo en 2D, efectuando la evaluación en dos planos ortogonales, uno longitudinal y otro transversal. Se consideró asimismo, en la modelación la rugosidad del entorno del edificio

Se calibraron los modelos de análisis y se consideraron las distintas direcciones del viento. Para ambas direcciones, longitudinal y transversal, se modeló un rectángulo de 15 m de altura y 215 m de longitud con la estructura emplazada en el punto medio del mismo, y considerando el relieve y las estructuras del entorno hacia los laterales. A su vez se evaluaron 2 direcciones del viento: E–O, O-E y N-S, S-N respectivamente. Se consideraron modelos longitudinales y transversales, según Figuras 8 y 9. La velocidad del viento considerada es la determinada por el reglamento para la zona de emplazamiento de la obra.

Figura 8: Modelo longitudinal

Figura 9: Modelo transversal

El análisis detallado permitió hallar los valores de presiones resultantes sobre la cubierta inferior y superior (“paraguas”).

Para el análisis de cargas de viento sobre la estructura inferior se utilizaron las presiones obtenidas previamente mediante el uso de software para la cubierta y las obtenidas con el Reglamento CIRSOC 102/05 para las caras laterales utilizando el procedimiento simplificado mismo.

Materiales Utilizados

La elección del material es una decisión fundamental, ya que el aluminio posibilita adecuar sus propiedades físicas y mecánicas, a partir de diferentes aleaciones, permitiendo obtener un producto que satisfaga los requisitos de diseño, a la vez que se logra un aspecto estéticamente atractivo. Asimismo, la técnica de extrusión que se muestra en Figura 10, combinada con la elección adecuada de aleación y el tratamiento térmico apropiado, ofrece infinitas oportunidades de aplicación.

Figura 10: Proceso de extrusión de un perfil hueco.

En general la aleación de aluminio utilizada para extrusión y posterior uso en estructuras pertenece a la serie 6000. Se adoptó específicamente, para el proyecto del presente trabajo, la aleación 6061 utilizada mundialmente con fines estructurales ya que posee buenas características mecánicas, resistencia a la corrosión y soldadura y se encuentra disponible en perfilería de uso estructural. Esta aleación es tratada con un temple denominado T6 que le da características adicionales (tratado en caliente y luego envejecido artificialmente). En el mercado nacional, es también de uso normal la aleación 6063, comúnmente usada en perfilería de carpintería y de menor costo, de acuerdo a la información suministrada por los proveedores, que el tipo 6061. Dicho tipo de aleación posee características que podrían permitir su aplicación con fines estructurales, sobre todo considerando que existe en el mercado una aceptable gama de perfilería elaborada con este material. Ante esta posibilidad, y con vistas a evaluar la incidencia en el costo de la estructura final, se decidió analizar los modelos estructurales planteados considerando ambos tipos de aleaciones.

Condiciones de Vínculos

Las condiciones de vínculo, tanto internas como externas, de la estructura son de importancia, influyendo en el resultado final del cálculo. La elección de las

condiciones mas adecuadas para el aluminio estructural, dado lo novedoso de su uso en nuestro país, presenta diversas incertidumbres desde el punto de vista de la factibilidad constructiva para lograr que dichas restricciones en los modelos sean luego materializadas en la estructura real.

En todos los modelos de cálculo, se consideraron uniones rígidas soldadas para todas las condiciones de vínculo internas entre barras, y en el caso de las uniones externas (viga–columna), se consideraron 2 posibilidades de vinculaciones: articulación y empotramiento, a efectos de valorar la influencia de las mismas en el comportamiento estructural y analizar posteriormente la factibilidad constructiva de dichas uniones.

Modelos de Análisis y cálculo

Se presenta a continuación el proceso de diseño de la estructura. El análisis se efectuó utilizando los softwares ALGOR, CYPE Metal 3D y el Proyecto de Reglamento Argentino de Estructuras de Aluminio, CIRSOC 701 y sus Comentarios.

Cubierta superior

Los modelos de análisis y su posterior cálculo se tomaron partiendo de la consideración de la cubierta superior aislada. Luego, y a partir de dicho análisis, se adoptaron diversas configuraciones de la misma hasta lograr un comportamiento estructural adecuado tanto desde el punto de vista resistente como de rigidez. La evolución de los modelos de análisis se detalla en las siguientes figuras:

Figura 11: Modelo 1, tipología con barras de alma l lena

La primera tipología analizada según Modelo 1 e indicada en Figura 11, se consideró constituida por barras de alma llena cubriendo las luces como se indica. El comportamiento de la misma mostraba grandes deformaciones lo que motivó la densificación del entramado según Modelo 2 mostrado en Figura 12.

Figura 12: Modelo 2

En la segunda tipología analizada, Modelo 2, se agregaron diagonales y montantes en cada una de las vigas perimetrales y nervios centrales del Modelo 1. También se incorporó un entramado de correas en ambos sentidos en cada uno de los paños. Todas estas modificaciones se realizaron tendientes a “cortar” la longitud de cada una de las barras.

Figura 13: Modelo 3

En Modelo 3, mostrado en Figura 13, se consideró al modelo anterior con el agregado de un cordón reticulado paralelo al existente en cada una de las vigas perimetrales y nervios centrales, a efectos de lograr una rigidez adecuada.

Figura 14: Modelo 4

En Figura 14 se muestra la tipología anterior a la que se le adicionaron nervios centrales cruzados de manera de reforzar y mejorar el comportamiento bajo condiciones de servicio, tendientes a disminuir la flecha y desplazamientos en el punto central de cada uno de los paños resultando el Modelo 4.

Figura 15: Modelo 5

En la tipología correspondiente a Modelo 5 y mostrada en Figura 15 se consideró la rigidización que aportan las chapas de techo por lo cual se eliminaron las correas perpendiculares a los nervios centrales dejando solo las correas que definen la pendiente de cada uno de los paños. Esta tipología mostró un comportamiento adecuado y fue la que finalmente se adoptó.

Cabe aclarar que los análisis de los modelos precedentes se realizaron, como se indicó previamente con las dos aleaciones mencionadas llegándose a la conclusión de que el tipo de aleación 6061 T6 posee un mejor comportamiento bajo carga comparada con el tipo 6063 T6, esto es, menores deformaciones y mayor resistencia para un mismo tipo de perfil. A pesar del menor costo, de acuerdo a información recabada, de la segunda aleación por tonelada y dado que su uso lleva a densificar los entramados, y a la vez requiere de barras de mayores secciones para cumplir con las verificaciones del cálculo estructural la estructura final resulta

más costosa. Teniendo en cuenta estas consideraciones, y la premisa de la seguridad estructural, se adoptó la aleación tipo 6061 T6 como material para toda la perfilería a utilizar en la estructura del edificio.

Edificio Inferior

Se continuó el proceso de diseño definiendo la estructura del edificio inferior, arribando a la siguiente solución, Figura 16, luego del planteo de diversas alternativas.

Figura 16: Estructura del edificio inferior

Definida la planta y la distribución de los ambientes, y considerando en la modulación los aspectos constructivos, se planteó la estructura de la cubierta compuesta por vigas armadas y sección variable en direcciones perpendiculares. Se utilizó un entramado de correas destinado a conformar la base del cerramiento de la cubierta misma, según se indica en Figura 16.

El análisis del conjunto, indicado en Figura 17, motivó la modificación de la cubierta del edificio inferior de acuerdo a lo indicado en Figura 18.

Figura 17: Primer modelo que consideraba el conjunt o estructural completo

Figura 18: Estructura modificada del edificio infer ior

La modificación del edificio inferior consistió en el reemplazo de las vigas

armadas de la cubierta, por vigas simples conformadas por dos cordones unidos entre sí mediante presillas. El modelo integral con las modificaciones puede observarse en Figura 19 y Figura 20.

Figura 19: Modelo completo de la estructura con mod ificaciones

Figura 20: Vista de la estructura general

El proceso de cálculo permitió optimizar la estructura mediante el análisis de los distintos modelos con sus diversas modificaciones, en este caso se pudo eliminar la columna central que conformaba el “tabique” de la entrada posterior. Se arribó finalmente a la estructura definitiva mostrada en diferentes vistas en Figuras 21, 22 y 23.

Figura 21: Estructura completa definitiva

Figura 22: Estructura completa definitiva

Figura 23: Estructura completa definitiva

Detalles Constructivos

Paralelamente a los análisis, motivo de este trabajo, se estudiaron las soluciones desde el punto de vista constructivo. Esto se efectuó consultando permanentemente información disponible de los proveedores de insumos.

Consideraciones Finales

El desarrollo del presente trabajo permite efectuar las siguientes consideraciones:

• En la evaluación del comportamiento estructural de las estructuras de aluminio merecen especial atención las condiciones de servicio.

• Dado lo anterior, es importante considerar tipologías adecuadas al tipo de material utilizado. Esto es, entramados de barras cortas que posibiliten la adecuada rigidización de la estructura.

• Es necesario que los proveedores de insumos ofrezcan elementos estándares para que el diseñador disponga de dicha información al momento de diseñar.

• El aluminio y sus aleaciones permiten diseños que, dados su colorido y formas, resultan de una estética particular

• Se debe lograr una coordinación de acciones entre arquitectura, estructura y proveedores para asegurar el éxito de la obra.

• Desde el punto de vista del software disponible es importante luego de la aprobación del Reglamento CIRSOC 701, lograr su incorporación a los softwares de uso profesional.

Bibliografía

[1] Boesiger W. y Girsberger H. - Le Corbusier 1910-65 - Ed. G. Pili, Barcelona 1971 – P.284/88. [2] Kissell, R., Ferry, R., Aluminum Structures. A Guide to their Specifications and Design. Second Edition, editorial John Wiley &Sons, Inc., 2002. [3] CIRSOC 701, Reglamento Argentino de Estructuras de Aluminio. Mayo 2010 [4] Comentarios al Reglamento CIRSOC 701, Mayo de 2010 [5] CIRSOC 101, Reglamento Argentino de cargas Permanentes y Sobrecargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras. [6] CIRSOC 102, Acción del Viento sobre las Construcciones, 1982 y 2005 [7] ALGOR SOFTWARE PACKAGE V.20.3, 2007.