FazlurKhaneando o el arte de hacer transferir las cargas - Parte 1
Buenas
He ido mirando a nivel puramente de aficionado porque yo estos temas en mi quehacer profesional no los “huelo”, el asunto de cómo se han ido desarrollando los sistemas estructurales en rascacielos para hacer frente a la resistencia lateral de viento y sismo.
Haciendo un resumidísimo y paupérrimo esquema, veo lo siguiente:
Para alturas inferiores a 15 pisos la estabilidad es conferida a un sistema de pórticos rígidos convencional
A medida que subimos de altura tenemos que desarrollar otras estrategias; Entonces vamos metiendo cerchas intermedias que tienen una rigidez considerable y actúan como puntos fijos que nos limitan el momento flector en la base (considerando el edificio como una ménsula empotrada en el suelo)
Si vamos subiendo, entonces tenemos que desarrollar estrategias conjuntas. Núcleo central de hormigón (muros de cortante a los que se confía la estabilidad lateral) y sistemas de pórticos rígidos en el exterior a los que se les confía la transmisión de las cargas gravitatorias hasta los cimientos. Me gusta mucho el rascacielos diseñado por Fazlur Khan en La Brunswick Tower, Chicago, (1965), porque al leer acerca de su génesis, no se tenía claro que sistema usar si uno u otro, y en el proceso se llegó a la conclusión de que los dos sistemas usados conjuntamente daban una gran rigidez ya que es como si fuera un tubo hueco perforado por el exterior con un núcleo central. (Como un rollo de papel higiénico perforado rectangular en vez de circular, donde toda la masa estrá en el exterior y es muy difícil doblarlo y pandearlo)
Pero claro, si metemos todas esas columnas abajo, no tenemos una entrada “amigable”, no podemos disponer de un espacio abierto pueda invitar a entrar al edificio, es por eso que el ingeniero coloca una viga de un canto considerable para hacer la transición de muchas cargas verticales hacia los grandes pilares de la planta baja de tal manera que la transferencia sea lo más homogénea posible.
Leo que la transferencia de cargas es distinta teniendo en cuenta el espesor de la viga. Los axiles en las columnas de abajo y la de los pisos superiores cambian de la siguiente manera con uno y otro espesor.
Creo que en su día llegó a ser la viga más grande de hormigón del mundo.
No termino de ver la transferencia de esfuerzos dependiendo del espesor de la viga… el caso es que Khan evolucionó en la forma en que hacía esa transición en sus siguientes rascacielos
En el siguiente rascacielos utiliza una serie de columnas “acarteladas” por llamarlo de alguna manera, donde se vislumbra mejor la transferencia de cargas entre los pilares cercanos entre sí de la parte superior y los 5 pilares inferiores.
Me gusta la idea de que la forma arquitectónica siga a la lógica estructural, creo que, de alguna manera, la belleza se realza, sale a la luz y todos salimos ganando (los diseñadores, los ingenieros y la ciudadanía en general que ve que la evolución de las ideas trae como consecuencia nuevas tipologías que aumentan el catálogo de soluciones estructurales y el gozo estético de disfrutarlas y contemplarlas).
Teniendo en cuenta la diferencia de temperaturas entre el núcleo central resguardado y el sistema de entramado exterior (20 ºC) diseñó juntas capaces de permitir el movimiento diferencial entre ellas (creo que debido a esas armaduras pasantes que se vislumbran verdad?)
Me gusta también el diseño de Nervi en el rascacielos de Montreal en donde mete unas cerchas en diagonal que conectan el núcleo central con los pilares exteriores, haciendo que estos trabajen como si fueran los bastones de un skiador que aumentan la resistencia al momento y a la torsión de la estructura cuando está sometida al viento. Esa forma en diagonal de las cerchas creo que también logra “luchar” contra el viento independientemente de la dirección en que actúe…
Dividiré la clasificación en varias entregas para no hacerla muy densa; encantado de que alguien aporte sus comentarios al respecto (Javier… no digo nada y lo digo todo…)
La segunda fotografía de tu post es lo que llaman : "Outrigger" . En el apartado 3.1 del libro del enlace puedes profundizar en ello. Y por aquí un numero gordo de como es la aproximación a su calculo:
Interesantísimo tema has tomado, que sin la necesidad de profundizar en cálculos complejos, si resulta muy didáctico.
En este post tratas principalmente los elementos estructurales que son capaces de generar resistencia y capacidad portante mediante su trabajo tanto a flexión como a cortante: Pórticos Rígidos convencionales, Núcleo central, así como cerchas intermedias y pórticos rígidos en exterior que complementan al núcleo central en la capacidad resistente frente a las acciones horizontales del viento.
Otro elemento estructural similar a los indicados serían las pantallas, que actuarían como un núcleo central, y cuya ubicación es más sencilla de cuadrar con la distribución arquitectónica interior del edificio.
Con los elementos estructurales comentados, a medida que se ha aumentado la capacidad resistente a flexión “vertical” del sistema estructural, se ha ido aumentando la altura de los edificios, pero dicha altura, sigue estando limitada por la capacidad resistente a flexión “vertical” (en el post de la “Parte 2” ya aparecen los dos conceptos de mejora que permiten aumentar la altura de los edificios)
El concepto general de esta “Parte 1” es que has descrito elementos portantes con capacidad a flexión “vertical”.
Comentado esto, procedo a exponerte las dos cuestiones que a lo largo del post has planteado:
1. Indicas que no terminas de ver la transferencia de esfuerzos dependiendo del espesor de la viga.
La viga de gran canto es capaz de trasladar, debido a su capacidad resistente a flexión, las cargas verticales de los pilares apeados sobre ella hasta los pilares de base,
Mientras que la viga de pequeño canto, no tiene capacidad resistente a flexión para transmitir las cargas verticales de los pilares apeados sobre ella hasta los pilares de base, por lo que (si recuerdas de anteriores posts, las cargas siguen las trayectorias que “le indicamos” en base a la rigidez que diseñamos de los diferentes elementos estructurales), las cargas de los pilares superiores se van trasladando a través de cada uno de los forjados, hacia los pilares alineados con los pilares base, dado que en la viga en donde “apean”, al no tener capacidad resistente, deforma, generando un efecto de cuelgue de los pilares apeados, que lo que hacen es ir “tirando” en cada forjado, de los pilares alineados con los pilares base.
2. Indicas que consideras que en el diseño de las juntas para permitir el movimiento diferencial, es debido a las armaduras pasantes.
En realidad el movimiento diferencial no lo generan las armaduras pasantes, las armaduras lo que aseguran es la unión entre los dos elementos, generando una articulación (bisagra), lo que genera la absorción del movimiento diferencial, y te comento en base a lo poco que puedo apreciar del esquema, es la zona de armadura horizontal que no esta embebida, permitiendo el alargamiento de ésta con facilidad (A) y deduzco que un sistema de apoyo metálico que también será capaz de permitir el desplazamiento diferencial entre ambas piezas estructurales (pilar-viga) (B)
Como se agradece siempre cualquier comentario tuyo... con respecto a lo de la transferencia en la viga de gran canto... podría también explicarse,además de lo que tu comentas, como que la viga tiene suficiente canto como para desarrollar una transferencia de cargas tipo arco hacia los pilares? en el segundo caso al no tener canto suficiente, suficiente rigidez, las cargas no "encuentran" sitio para su fluir hacia la cimentación y se quedan "atascadas" en los pilares apeados externos y central de la parte superior de la viga?
Un saludo y muchas gracias por tus siempre agudos comentarios
Las vigas de gran canto son elementos en los que no se cumple la hipótesis de Navier-Bernoulli, la cual dice:
“las secciones planas, perpendiculares al eje de la barra antes de la deformación, se mantienen planas y perpendiculares al eje después de la deformación”
por lo tanto, las vigas de gran canto son zonas de Región “D”, las cuales trabajan según la teoría de “Bielas y Tirantes”, su funcionamiento estructural no es del tipo arco, su funcionamiento estructural es de tipo CERCHA, generándose internamente la formación de bielas y tirantes.
En cuanto al segundo caso, de no tener canto suficiente, y ser la viga incapaz de poder transmitir las cargas que le “intentan” trasladar los pilares apeados, no es que no “encuentren” sitio para su fluir hacia la cimentación y se queden “atascadas”, las cargas, en una estructura estable (de lo contrario, si no fuera estable, se produciría el colapso de la estructura), NUNCA se “atascan”, siempre encuentran el “fluir” dentro de la estructura, fluyendo por aquellos elementos estructurales que con su capacidad resistente permiten dicho flujo.
De ese modo, como la viga no tiene capacidad resistente para permitir que las cargas fluyan a través de ella, éstas, en este caso, “antes” (entrecomillo por ser complejo el funcionamiento estructural al entrar en juego las deformaciones/rigideces de los elementos estructurales) de llegar a la viga, “encuentran” determinados elementos estructurales con capacidad resistente, los cuales aprovechan para fluir a través de ellos hacia la cimentación, fluyendo dentro de la estructura a través de un camino cuyos elementos estructurales si le permiten dicho flujo por tener éstos la suficiente capacidad resistente.
Ok está claro, según tus certeras aclaraciones que las cargas siempre van buscando la rigidez; queda claro que la viga de gran canto actúa como una cercha y no como un arco trabajando en bielas y tirantes supongo que de la manera que trabaja un encepado. Un placer estar en contacto contigo. Muchas gracias Javier
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