Análisis comparativo entre una malla tensegrítica de doble capa y una cobertura metálica convencional, en el comportamiento estructural para una infraestructura deportiva menor en la Ciudad de Arequipa
Date
2024-10-30
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Publisher
Universidad Católica de Santa María
Abstract
En las infraestructuras deportivas abiertas de la ciudad de Arequipa se suele usar mucho
estructuras metálicas, desde coberturas totalmente planas (horizontalmente) hasta coberturas
con ligera inclinación (respecto a la horizontal); todas son casi iguales y tienen el mismo
propósito: ofrecer protección solar a las canchas deportivas; así pues, esta monotonía de
estructuras refleja que son sistemas buenos, pero a la vez también refleja una posible escasez
de opciones ante la necesidad de la protección solar. Por otro lado, existe un principio físico
que está llamando la atención estos últimos años, la “Tensegridad”, un sistema que funciona
únicamente bajo cargas axiales: tensión y compresión, presentando únicamente elementos de
cables y barras; este sistema axial no permite que dos barras se toquen entre sí en un mismo
punto, logrando así un aspecto visual muy llamativo, dando la sensación de que las barras están
flotando en el aire sin tocarse unas de otras, y aunque no lo parezca, este sistema funciona muy
bien, es capaz de auto soportarse e incluso resistir fuerzas externas sin colapsar.
Este trabajo de investigación junta la necesidad de tener más opciones de estructuras
para la protección solar, con la novedosa existencia de un sistema físico poco conocido e
indagado, dando como resultado una comparación estructural de dos tipos de estructuras
diferentes (coberturas metálicas convencionales y mallas tensegríticas), logrando determinar
finalmente qué tan funcional puede ser una cobertura tensegrítica, y si puede ser usada en
nuestra ciudad en vez de las coberturas metálicas que existen.
Como se mencionó, la comparación se hizo entre estas dos estructuras: una cobertura
convencional y una malla tensegrítica de doble capa; la cobertura convencional es escogida de
un trabajo de investigación realizado por dos alumnos de la UCSM de Arequipa, donde analizan
muchas de estas coberturas en la ciudad, concluyendo que este tipo de estructuras no son bien
diseñadas por parte de los profesionales y presentan deficiencias; de entre todas esas estructuras
analizadas se seleccionó solo una, la cual representará a todas las demás; por otro lado, se
escogió también una sola malla tensegrítica representativa para la comparación.
El proceso para seleccionar a la malla tensegrítica representativa consta de una
evaluación entre fuerzas internas y desplazamientos; en total se analizaron 35 mallas
tensegríticas creadas desde cero a través de dos métodos, uno de ellos es a través de la unión de
varios módulos tensegríticos únicos e iguales, los cuales pueden unirse mediante distintas
formas, dando así una amplia cantidad de mallas de este tipo; el otro método usado se da a
través de la teoría de la “Manipulación Rot-Umbela”, donde se usan mallas de doble capa
existentes, pero que con el uso de esta manipulación se convierten en mallas tensegríticas de
doble capa. En total se lograron 21 mallas por medio de la unión de módulos y 14 mediante la
Manipulación Rot-Umbela; para poder escoger a la mejor malla de las 35 generadas, se analizó
cada una de ellas bajo las mismas cargas de viento y bajo las mismas condiciones (misma área,
mismo elementos, etc.), logrando una comparación justa para todas; la comparación se hizo en
base a fuerzas y desplazamientos, escogiendo como mejor, a la estructura que presente menores
fuerzas axiales en sus elementos (tanto a compresión como a tracción) y la que tenga menores
desplazamientos, ya que de esta manera se está escogiendo a la malla más segura en cuanto a
deformaciones, y a la que puede resistir más fuerzas de viento antes de llegar a un mecanismo
de falla.
Una vez obtenida la malla tensegrítica y la cobertura metálica convencional
representativa, se procedió con la comparación final; como ya se escogió previamente la
cobertura convencional gracias al trabajo citado, se puede conocer su velocidad de viento
alcanzada antes de fallar, y se puede conocer también las propiedades que tiene cada uno de sus
elementos; por otro lado, la malla tensegrítica representativa al ser diseñada desde cero, tuvo
que adaptarse a las mismas condiciones de la cobertura metálica, diseñándola nuevamente bajo
los mismos elementos, bajo la misma área y con apoyos similares; así pues, ya diseñada la malla
tensegrítica final, se modela en el programa SAP2000 y se la analiza ante cargas de viento bajo
un análisis estático no lineal (a través de rótulas plásticas); tras los análisis se obtuvieron
resultados exageradamente buenos en cuanto a la velocidad de viento con la que falla la
estructura, y esto se debe a que la malla tensegrítica al tener tantos elementos compresores y
tensores genera una densidad de acero muy alta, obteniendo así fácilmente resultados positivos;
por esta razón se rediseña nuevamente la malla tensegrítica tratando de generar una densidad
de acero similar, como la usada en la cobertura metálica convencional; cuando se vuelve a
analizar este segundo diseño de la malla, se observa que no es competente, directamente no es
capaz de resistir alguna carga de viento mínima junto con el propio peso de la estructura,
concluyendo así que con densidades iguales de acero, la cobertura convencional tiene resultados
positivos y la malla tensegrítica no.
Finalmente se vuelve a rediseñar la malla tensegrítica por última vez, cambiando las
propiedades de sus elementos y aumentando sus áreas nominales, de tal forma que se obtengan
resultados positivos similares a los de la cobertura metálica convencional (velocidades de viento
antes de la falla); tras el análisis respectivo, se concluyó que este tercer diseño de malla
tensegrítica, soporta ligeramente una mayor velocidad de viento que la alcanzada por la
cobertura convencional, sin embargo usa aproximadamente el triple de la densidad de acero.
Description
Keywords
Mallas tensegríticas de doble capa, Coberturas metálicas