PROYECTO Y EJECUCIÓN DE CUBIERTAS DE GRANDES LUCES PARA ESTADIOS EN ARGENTINA.

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1 CONSTRUMETAL 2010 CONGRESSO LATINO-AMERICANO DA CONSTRUÇÃO METÁLICA São Paulo Brasil 31 de agosto a 2 de setembro 2010 PROYECTO Y EJECUCIÓN DE CUBIERTAS DE GRANDES LUCES PARA ESTADIOS EN ARGENTINA. Ing. José Gómez / Cinter SRL / Santa Fe. Ingeniero Mecánico Ing. Héctor Ruffo/ Cinter SRL / Santa Fe. Ingeniero Civil 1. INTRODUCCIÓN En los últimos años en Argentina se han realizado una importante cantidad de proyectos de cubiertas de grandes luces para cubrir espacios con fines deportivos o de grandes eventos. Una importante particularidad de estos proyectos es que varios de ellos se gestan para cubrir instalaciones existentes como estadios, anfiteatros, velódromos, etc. La empresa Cinter participó en el desarrollo de la ingeniería y ejecución de muchos de esos proyectos, concretando la fabricación y el montaje de 5 de ellos. En el desarrollo de esta presentación se destacará el proceso de ingeniería de las cubiertas más complejas, como ser la de un estadio de 120m de luz con cubierta corrediza o la de un anfiteatro de 105m de diámetro. En el caso particular de las cubiertas sobre instalaciones existentes, se resaltará la importancia del análisis de la interacción entre las estructuras ya ejecutadas y las nuevas, llegando en uno de los casos a ser necesario el modelado y ensayo del comportamiento en túnel de viento, para conocer la distribución de las presiones sobre la misma. Palavras-chaves : Estádios, estrutura de aço, montagem, túnel de vento. Fig. 1 Cuatro proyectos de grandes luces en Argentina.

2 2. ESTADIO ORFEO Córdoba Descripción general de la estructura Se trata de un estadio cubierto con capacidad para 7000 espectadores sentados. Las dimensiones máximas en planta y luces libres del mismo son 96 metros de largo por 74 metros de ancho. La estructura de cubierta fue diseñada íntegramente de acero. La misma consta de un marco de vigas reticuladas principales cruzadas de 5 y 6 m de altura, que cubren las luces máximas antes mencionadas y sirven de apoyo a un sistema de vigas secundarias también reticuladas de una altura máxima de 3 m. Toda la estructura secundaria de cubierta apoya perimetralmente al estadio sobre un muro de hormigón armado. Uno de los aspectos interesantes a destacar en esta obra es la diferente tipología de vigas utilizadas. Mientras las vigas principales se generan con cordones de perfiles doble T armados, de 1 metro de alto por 50 cm de ancho de ala, y diagonales con perfiles ángulo, las vigas secundarias están compuestas por elementos de secciones delgadas conformadas en frío. Los dos tipos de vigas se arman mediante abulonado. En el caso de las vigas principales el armado se realiza en obra, condición indispensable del proyecto para facilitar el transporte desde el lugar de fabricación en Santa Fe hasta la ciudad de Córdoba. Las vigas secundarias son transportadas armadas en tramos de 12 metros de longitud. Constructivamente, las vigas principales longitudinales de 96 metros de luz y transversales de 76 metros de luz, se diseñaron en función de las posibilidades constructivas y de transporte de la empresa, realizándose una estructura que recurre a soluciones inéditas en el mercado. Dado su altura (6 metros) se opto por una solución reticulada, con cordones, diagonales y montantes totalmente abulonados. Los cordones, que toman esfuerzos del orden de las 5oo tn, se realizaron de sección doble T soldada, de 1000 mm de alma y 500 mm de ala, en espesores de 19 y 25.4 mm, en tramos del orden de los 12 metros, por razones constructivas y de transporte, abulonados entre sí mediante uniones por rozamiento (slip critical). Las diagonales y montantes se realizaron en base a doble ángulo, abulonadas a cada una de las alas de los cordones, con rompetramos que aseguran su estabilidad. Las vigas secundarias de 75 metros de luz quedaron divididas en 3 tramos, por razones de transporte, y se llevaron a la obra prearmadas. Tienen una altura máxima de 3.6 metros y se

3 construyeron con cordones, diagonales y montantes de perfiles conformados en frío, en nuestra empresa, siendo un diseño estructural propio de Cinter. Las vinculaciones de los distintos elementos de las estructuras son totalmente abulonadas, con bulonería ASTM A picol325. La estructura, tanto en las vigas principales como en las secundarias posee patines de apoyos que permiten cambios de longitud debidas a las acciones térmicas y climáticas, realizados en teflón/acero inoxidable Análisis estructural, ingeniería de detalle y fabricación. El análisis estructural se realizó mediante el modelado de la cubierta completa en 3D con un software comercial de elementos finitos. Para el dimensionado se siguieron los lineamientos de AISC (ASD) y, de AISI, para el caso de las secciones delgadas. Fig. 2 Modelo de elementos finitos de la estructura de cubierta. Para realizar la ingeniería de detalle de la estructura principal (modelo completamente realizado en 3D) se utilizo el software de Tecla Inc X-Steel. Una vez completado el modelo 3D, se obtuvo en forma automática los planos de fabricación de las partes, los planos de

4 armado, los archivos CNC para perforado de perfiles, lista de materiales, lista de bulones, y se realizaron los planos de montaje, en vistas, plantas, detalles e isometrías Aspectos más importantes del procedimiento de montaje El montaje requirió de un detallado estudio, para lograr que las condiciones del diseño se vean reflejadas en la realidad, por tratarse de una estructura totalmente hiperestática. Al efecto de verificar los elementos estructurales principales, se realizo un pre-armado en fábrica a cargo del mismo equipo de montaje que haría posteriormente el montaje de obra. Fig. 3 Premontaje de parte de la estructura principal en taller. A los fines del montaje, la estructura principal se subdividió en 12 partes, correspondiente 8 de ellos a los encuentros de las esquinas, 2 a los lados largos y 2 a los lados cortos. Los empalmes de los cordones fueron abulonadas e inspeccionados al 100%, por ser uniones por rozamiento (Slip Critical) Los tramos se armaron en posición horizontal (acostados) dentro de la pista del Estadio, vinculando los cordones superior e inferior mediante las diagonales correspondiente, materializándose la unión mediante bulones calidad ASTM A-325, que se llevan al apriete correspondiente una vez que todos los elementos del tramo hayan sido perfectamente alineados y verificados en cuanto a material y dimensiones. En la secuencia de montaje se consideró primero montar las vigas de las ochavas y luego las vigas centrales, para esto se utilizaron cuatro torres provisorias de caño reticuladas de 22 metros de alto, que dieron apoyo a las vigas de las ochavas con una capacidad de 80 tn, provista de un dispositivo de nivelación mecánico-hidráulico, que permitió una vez montadas

5 las partes de la estructura principal y secundaria que formaban el conjunto hiperestático, llevarlas a la geometría requerida por los cálculos, previo ajuste de todos los elementos. Fig. 4 Izaje del tramo central de la viga de 96m de luz desde el interior del estadio. Las cuatro vigas se fijaron a unas vigas de hormigón en ocho puntos mediante pernos de anclaje y posteriormente se realizo un grouting (el apoyo es deslizante, son placa de teflón y patín de acero inoxidable). La estructura se completo con vigas tipo Cinter de perfiles conformados, con cordón superior de forma curva. Las 34 vigas laterales se abulonaron en un extremo a la viga principal y en el otro a un muro perimetral mediante brocas químicas (con apoyo de grillón) y el posterior grouting. Una vez completada la estructura, se desafectaron las 4 torres provisorias, valiéndose de los gatos hidráulicos previstos al efecto, a fin de lograr un descenso controlado de la estructura hasta que las torres quedaron completamente descargadas, verificándose que las deformaciones elásticas originadas por las cargas presentes hasta el momento, estaban acordes a lo previsto en el cálculo, cuestión que corroboró lo correcto de los procedimientos empleados. 3. ESTADIO POLIDEPORTIVO - Formosa Descripción general de la estructura

6 Se trata de una estructura de acero destinada a cubrir un estadio polideportivo para la ciudad de Formosa, en la república Argentina. La cubierta completa tiene un peso de 400 tn, con una superficie de 6000 m 2, con luces de 89 x 66m. El sistema estructural se compone de un gran emparrillado de vigas principales reticuladas apoyadas sobre 14 columnas perimetrales. Los espacios generados entre vigas principales se completan con un sistema de vigas secundarias que son continuas y también aportan rigidez al sistema general. Para dar apoyo apropiado a la cubierta propiamente dicha se disponen correas de perfiles conformados en frío sobre las vigas secundarias antes mencionadas. Las columnas perimetrales, dispuestas 4 en los laterales largos y 3 en los cortos, que poseen una leve inclinación hacia el exterior de 14º respecto de la vertical, son de sección circular de 760mm de diámetro, con una altura máxima de 24,4 m. Dándole apoyo a las mismas, se disponen una suerte de contrafuerte por cada una a excepción de las centrales debido a los accesos de emergencia. Estos contrafuertes se conforman de tubos de diámetro 600mm y una longitud de 24m. Tanto este elemento secundario como la columna principal, se anclan a una fundación existente mediante un sistema de anclajes con resina epoxi. Fig. 5 Detalle del sistema resistente principal. El sistema emparrillado se compuso de vigas reticuladas de altura variable, con un máximo de aproximadamente 6,40 m. Todo este sistema se encuentra empotrado a las columnas principales y su sección transversal se compone con cordones tipo T y diagonales y montantes de sección doble ángulo empresillado. Dada su altura, estas vigas debieron ser armadas en

7 obra mediante uniones abulonadas entre elementos con bulones de alta resistencia y algunas uniones particulares con características del tipo Slip Critical. Las vigas secundarias son reticuladas con perfiles de sección conformada en frío, de pequeños espesores, con nudos abulonados. Todas estas vigas se armaron en taller. El sistema de la estructura de cubierta se completa con las correas para dar apoyo a la aislación térmica e hidráulica conformada mediante panel doble chapa y espuma de poliuretano como aislante intermedio. La obra se completo con una serie de pasarelas en el perímetro central, con 70 m de longitud, para mantenimiento de la estructura e iluminación del estadio central, más un perímetro exterior de pasarelas sobre la cubierta, de longitud total de 300m, para mantenimiento de la misma y de las canaletas y bajadas pluviales. Fig. 6 Cortes transversales y longitudinales típicos de la estructura principal Ingeniería de Detalle y de fabricación Para el análisis estructural y dimensionamiento de las piezas se realizó un modelo en 3 dimensiones de elementos finitos de barras. La ingeniería de detalle para la elaboración de los planos de fabricación se llevó adelante mediante un modelo en 3 dimensiones con el software Tekla Structures que permite analizar al detalle cada unión desarrollada.

8 Fig. 7 Vista general del modelo realizado en Tekla Structures 3.3- Procedimiento de montaje Debido a las grandes luces de la estructura y a la particularidad del emparrillado donde cada viga apoya sobre las demás, el montaje de la cubierta debió realizarse mediante apoyos intermedios provisorios. El procedimiento de montaje utilizado, se baso en mantener las hipótesis de diseño contempladas en el cálculo, para lo cual se debía montar la estructura en forma completa antes de que sea solicitada. En definitiva, se planteo la necesidad de mantener la estructura apoyada en una serie de puntos hasta tanto no se completen TODOS los elementos de la misma. Los puntos de apoyo seleccionados fueron lógicamente las 12 intersecciones de vigas reticuladas principales. Para dar sustento a estos puntos se fabricaron 12 torres de apeo provisorias, a empalmar de a dos tramos en la obra, ubicadas según un exacto replanteo definido previamente por Ingeniería. Fig. 8 Foto durante el montaje de la estructura secundaria.

9 Para asegurar que los procedimientos descriptos pudieran llevarse a cabo y detectar posibles inconvenientes previo a la obra, se realizo en planta un premontaje de un sector representativo de la estructura. En concreto se premontó una esquina de la cubierta, donde ya se utilizaron vigas principales, secundarias, columnas y un apoyo central extra simulando una de las torres necesarias, siendo este sector además la zona de partida para el montaje final. Fig. 9 Vista interior del estadio finalizado 4. CUBIERTA ANFITEATRO VILLA MARIA Córdoba Descripción general de la estructura La estructura corresponde a una cubierta nueva, en forma de domo hexagonal, con medidas generales de aprox. 105,00 m entre aristas (95,00 m entre lados paralelos) por aprox. 23,50 m de altura en su punto central más elevado. La estructura resistente se conforma principalmente por seis sectores triangulares de cilindro que se interceptan entre sí en dos sus lados y confluyen en un punto central en el vértice de los triángulos. Los seis sectores son idénticos entre sí, su estructura está conformada por dos vigas principales longitudinales de apeo, reticuladas en cajón, de altura aproximada h = 3,00 m, formada por dos cordones de sección doble T electrosoldados con diagonales y montantes verticales de perfiles laminados tipo L dobles y cuádruples abulonados.

10 Fig. 10 Esquema 3d estructura principal Fig. 11 Planta de cubierta. Dimensiones principales. Su luz final es de 105,00 m entre aristas conformando un emparrillado en forma de cáscara hexagonal; sobre ellas se apoyan vigas transversales reticuladas curvas formadas por perfiles de chapa fina conformados en frío totalmente abulonados, de tres alturas diferentes de

11 acuerdo a los requerimientos estructurales, h = 2,50 / 2,25 / 2,00 m, disminuyendo hacia el centro en concordancia con su luz entre apoyos. Estas vigas se encuentran ubicadas en planta cada aprox. 2,30 m y su luz es variable, ya que unen las vigas de apeo longitudinales, aumentando esta dimensión desde el centro del domo hacia los laterales. Fig. 12 Gajo tipo de sector triangular del hexágono Fig. 13 Vista de pórticos de apeos principales La cubierta en si forma una estructura tipo cáscara que es rigidizada en sus planos superior e inferior mediante cruces de San Andrés para que sea capaz de transmitir los esfuerzos laterales, que sobre ella actuaran, a las columnas. Las columnas son de la misma tipología reticulada que las vigas de apeo ya que continúan con su línea.

12 4.2- Análisis estructural. Ensayo en túnel de viento. Debido a la complejidad de las formas, a la interacción entre las construcciones existentes y la nueva cubierta y a que es una estructura abierta a la orillas del río, se hace muy difícil establecer las acciones de viento sobre la estructura mediante los métodos simplificados indicados en la normativa habitual. Para el análisis estructural del anteproyecto se realizó una primera aproximación de estas acciones mediante extrapolaciones conservadores de algunos casos indicados en los reglamentos que podrían asimilarse a este. Ya en la etapa del proyecto ejecutivo se procedió a realizar un análisis en túnel de viento para definir los coeficientes de presión actuantes en el extradós y en el intradós de la cubierta. A fin de evaluar las características aerodinámicas de la cubierta del anfiteatro, se ha construido un modelo a escala 1:125 del mismo, en el que se ha reproducido la forma general de la cubierta, las gradas y las construcciones propias del anfiteatro. Dado que se trata de un modelo de ensayos aerodinámicos, no es necesario reproducir fielmente a escala todos los detalles de la construcción real, bastando con reproducir solamente aquellos que definen el comportamiento aerodinámico del modelo. Fig. 14 Imágenes de la construcción existente y de la cubierta en el modelo para ensayo en túnel. El modelo de ensayos ha sido instrumentado 126 tomas de presión, dispuestas de manera que hay 21 en cada uno de los seis sectores de la cubierta. En tres de los 6 sectores las tomas se encuentran en el intradós y en los otros 3 en el extradós, dispuestos de forma alternada. El modelo se ha construido de forma que el anfiteatro pueda girar con respecto a la cubierta. De este modo se aprovecha la simetría que presenta la cubierta.

13 5. CUBIERTA ESTADIO PARQUE ROCA Buenos Aires 5.1- Descripción general de la estructura Se trata de una estructura diseñada para cubrir totalmente la construcción actual de las canchas de tenis y tribunas que la rodean, incluyendo las áreas periféricas de servicios. En la figura siguiente se pueden apreciar las instalaciones actuales que se pretenden cubrir con este proyecto. Fig. 15 Vista de las instalaciones actuales a cubrir. Las luces a cubrir son de aproximadamente 120m en sentido longitudinal y 96m en sentido transversal. Como condición de diseño, dadas las características de los deportes a practicar en su interior, se solicitó que una parte de la cubierta sea corrediza a fin de dejar una abertura al aire libre de 50 x 30 m. Bajo esta premisa se diseño una estructura, que por razones de espacio debía estar apoyada en 8 puntos situados en el perímetro exterior de las tribunas existentes. Dadas las importantes solicitaciones de flexo compresión a las que están solicitadas dichas columnas, se dimensionaron reticuladas, de planta cuadrada de 2750 mm entre ejes, construidas en base a caños de acero con costura, totalmente soldadas. Terminan en una pirámide en la cual apoyan las vigas principales de la estructura, en forma articulada. La estructura principal de la cubierta consta de 4 vigas cruzadas, del tipo reticuladas. Su altura es del orden de los 7500 mm entre ejes de cordones. Estos dada las altas solicitaciones a la que se ven sometidos, se ejecutaron en sección doble T electrosoldada. La luz entre apoyos en el sentido longitudinal es del orden de los 120 m y en el sentido transversal de 96 m. La vinculación entre cordones se ejecuto con diagonales y montantes de perfiles ángulo, en ejecución doble o cuádruple según la solicitación. Todas las conexiones son abulonadas con

14 tornillos tipo ASTM A 325. Los empalmes de los cordones son del tipo antideslizante (slip critical) y el ajuste se realiza mediante el método del giro de la tuerca. Fig. 16 Vista general y detalles de la estructura principal. Las vigas principales soportan todo el sistema de vigas secundarias, que a su vez soportan las correas de cubierta. Las vigas secundarias, también son reticuladas, con cordones de sección T y diagonales de doble ángulo, todas abulonadas a los cordones. Su altura es variable, teniendo la parte recta 2.5 m de canto, altura que va disminuyendo hacia los bordes donde termina en cero. Sobre las vigas secundarias, se fijan las correas que son perfiles conformados en frio, de sección C. Toda la cubierta esta rigidizada mediante arriostramientos en cruz, a fin de generar un plano rígido que redistribuya los esfuerzos originados por el viento y las acciones dinámicas generadas por el accionamiento mecánico del techo corredizo. La estructura de las dos partes de la cubierta corrediza, también está diseñada en base a vigas reticuladas similares a las secundarias de cubiertas, y tienen dos laterales diseñados según las especificaciones del fabricante del accionamiento, a fin de poder integrar este mecanismo sin problemas. Sobre las vigas principales longitudinales se apoya la estructura soporte de las vigas carrileras, sobre las cuales se desliza la parte móvil de la cubierta.

15 A los fines de mejorar el comportamiento global de la estructura, se procedió a colocar un anillo perimetral pretensado sobre la cabeza de las columnas. Se previeron además, las acciones del futuro cerramiento lateral, a realizar en una segunda etapa, descargando acciones sobre todo el perímetro de la estructura. Fig. 17 Vista general y detalles de la estructura secundaria de cubierta. Fig. 18 Detalle del sistema de traslación para las 2 partes centrales de la cubierta.

16 5.2- Ingeniería del proyecto Si bien esta obra no se ejecutó, Cinter fue la empresa ganadora de la licitación realizada por la ciudad de Buenos Aires para la realización de este proyecto. La ingeniería desarrollada para dicha instancia constó de un análisis muy detallado del comportamiento estructural de la cubierta y de las acciones que la parte móvil transfieren a la estructura principal. Se realizaron modelos en tres dimensiones con elementos finitos de barras como se puede ver en la figura 19. Fig. 19 Modelos de elementos finitos con la cubierta central en sus 2 posiciones extremas. Fig. 20 Imágenes virtuales 3d.