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Universidad P olitéc nica de M adrid.
E scuela Téc nica S uperior de A rquitectura.
GR A D O E N F U N D A M E N TO S D E L A
A R Q U ITE C TU R A
GR A N D E S V O L A D I Z O S E N L A
A R Q U I TE C TU R A
M arí a Garcí a P iñ eira
Tutora: M arí a B elé n O rta R ial
TR A B A JO D E FIN D E GR A D O AU LA nº 5, C U R SO 2021-2022, S EM ESTR E D E O TO Ñ O
A ná lisis estructural de los voladiz os presentes en la
casa hemeroscopium, la villa el mediterraneo y el
estadio san nicola.
Resumen
agradecimientos
IntroducciŘn Motivación Objetivos y metodología
- antecedentes histŘricos de los voladizos Galileo Galilei. iálogos acerca de dos nuevas ciencias. Aparición del acero Primero puentes en doble voladizo: el puente de orth Otros L as grú as de K arl Culmann Primer gran voladizos de Charles Rabut
- aspectos generales de las estructuras en voladizo Ǭué es un voladizo? Cálculo de la viga en voladizo Clasificación de proyectos por tipo de solución V igas en voladizo Cerchas habitadas Cubiertas ligeras
- casos de estudio Casa emeroscopium, Ensamble Studio Introducción al proyecto Aná lisis de la estructura en voladizo Villa El mediterráneo, Boeri Studio Introducción al proyecto Aná lisis de la estructura en voladizo Estadio San Nicola, Renzo Piano Introducción al proyecto Aná lisis de la estructura en voladizo
Conclusiones
uentes Bibliografía y recursos digitales Procedencia de las ilustraciones
Índice
Los voladizos han supuesto a lo largo de los años un reto arquitectónico de gran importancia, intentando conseguir luces más y más grandes con el fin de crear estructuras que den la sensación de estar flotando o de estar apun- to de precipitarse. En la primera parte de este trabajo de análisis e investigación se realiza- rá un recorrido histórico, pasando por distintas épocas donde se han men- cionado o se han referido a estos voladizos de alguna manera. En la segunda parte se presentarán los aspectos más importantes del cál- culo estructural de estos elementos y se clasificarán una seria de proyectos elegidos en función del tipo de voladizo que presenten, escogiendo los pro- yectos más singulares de cada uno de los tipos clasificados. inalmente, cada uno de los proyectos elegidos se analizará en profun- didad estructuralmente, entendiendo el funcionamiento, no solo del ele- mento en voladizo, sino de lo que este provoca al resto de la estructura. Se realizará el mismo procedimiento en cada uno de los proyectos, partiendo de una sección arquitectónica y desarrollando la sección estructural y una serie de esquemas unifilares simplificados que nos facilitarán el saber como trabaja cada una de las partes de la estructura.
Palaćras clave
Voladizo ȉ Estructuras de edificación ȉ Análisis ȉ Viga ȉ Cercha ȉ Cimentación
R esum en
En primer lugar, agradecer el apoyo y el tiempo dedicado a mi tutora, Ma- ría Belén Orta, por lo conocimientos transmitidos durante este trabajo de investigación y análisis. En segundo lugar, agradecer al resto de profesores que me han dado las pautas necesarias para poder completar mi trabajo con éxito. inalmente, agradecer a mis padres y a mi tío, Marta, Jesïs y Carlos, por el apoyo en cada proyecto realizado, a mis amigos y compañeros de ca- rrera, aid, Adriana y elen, por el apoyo incondicional durante el trans- curso de este trabajo y de la carrera en su totalidad y a iego, por todo este tiempo conmigo.
A g radecim ientos
8 grandes voladizos en la arquitectura
S e realiz ará una explicació n sobre el cá lculo de este tipo de estructuras, analiz ando que soluciones pueden darse, las partes má s importantes en cada caso y las comprobaciones que son necesarias. S e recopilará n una serie de proyectos que contengan voladiz os de gran tamaño y se clasificarán en función de la solución constructiva de cada uno de ellos. inalmente se elegirá un proyecto por cada grupo de la clasificación y se analiz ará n a fondo, pasando de una introducció n descriptiva del proyecto hasta pasar al aná lisis estructural del voladiz o y de la relació n de este con el resto de la estructura.
ͧ. Galileo Galilei, ialogues Con - cerning Two New Sciences (ͧͬͩͮ) Capítulo: segundo día
G alileo G alilei. D iá log os acerca de dos nuev as ciencias.
Galileo Galilei menciona por primera vez las vigas en voladizo en su segun- do libro Dziálogos acerca de dos nuevas cienciasdz. ue él quien inauguró la edad de la razón del análisis estructural y el primero en estudiar la resisten- cia de los sólidos a la rotura. Dziálogos acerca de dos nuevas cienciasdz es una discusión entre tres per- sonajes: Salviati (Galileo en la realidad), Simplicio (representante de la fi- losofía aristotélica) y Sagredo (un laico inteligente). El discurso se desarrolla en seis días, donde el primero y segundo serán de los más interesantes a la hora de explicar la teoría de la resistencia de los materiales. En el primer día Salviati intenta convencer al resto a partir de ejemplos cualitativos que la similitud geométrica no puede identificarse con la está- tica, como indica Karl-Eugen Kurrer en el libro DzLa historia de la teoría de las estructuras: en busca del equilibriodz.
Galileo identifica un aspecto singular del mecanismo de colapso de las es- tructuras portantes con el ejemplo de un palo. Si un palo de madera que so- porta su propio peso se agranda se acabará rompiendo, mientras que si re- ducimos sus dimensiones no llegará a romperse nunca. Para terminar de convencerles les pregunta:
DzǬuién no sabe que si un caballo se cae desde un tercero o un cuarto piso se romperá todos los huesos, mientras que un perro o un gato que cae desde un octavo o décimo piso no sufrirá casi daños? Igual de inofensiva será la caída de un saltamontes desde una torre o la caída de una hormiga desde la luna.dz 1
Es en este segundo día, donde se desarrolla las explicaciones teóricas, en- tre ellas las de la prueba a tracción ( ig. 1.1) o las vigas en voladizo ( ig. 1.2), todo ello a partir de un diálogo entre Salviati y Sagredo. La que se analiza a continuación es la viga en voladizo donde Galileo explica en tres pasos ( ig. 1.3 al 1.5) el funcionamiento y colapso de esta. En el primer paso ( ig. 1.3), considera el peso Eb en el extremo C y afirma que el fallo de la viga se da en el punto B, por lo que ese punto se convierte en el apoyo y punto de rotación. Además, existe una resistencia a tracción W z en el punto de apoyo de la viga AB. Por lo tanto, llega a la conclusión que el brazo de palanca BC = l y considera a la viga mecánicamente como
λ
1.1. G alileo G alilei ( 1638 )
A ntecedentes h istó ricos de los v oladiz os
antecedentes histŘricos 11
A p arició n del acero.
Aunque Galileo Galilei realiza sus estudios utilizando la madera como prin- cipal material, esta llega al siglo I desprestigiada por su mal comporta- miento frente al fuego y su poco desarrollo tecnológico. En primer lugar, suceden una serie de grandes incendios, como el de Chi- cago de 1871. Esto fue debido al poco avance tecnológico del momento. Al tener edificios construidos de madera, material que arde y propaga el fue- go con facilidad, cualquier accidente doméstico podía desatar una catástro- fe en las ciudades, ya que debido a la falta de electricidad aun era necesario el uso de lámparas con llamas o fogones de carbón.
En segundo lugar, comenzaron a surgir retos estructurales como las gran- des luces, siendo necesario encontrar un material capaz de asumir longi- tudes muy grandes. Sin embargo, la madera era limitada a la longitud pro- pia de un árbol. Por estos dos motivos, la madera, estructuralmente, acaba dejándose de lado, dando paso al material que encontramos principalmente hoy en día en las estructuras de gran tamaño, el acero.
Evolución histórica del acero.
La aparición de las estructuras en voladizos está directamente vinculada con materiales capaces de resistir tracciones, por lo que el acero pasa a ser uno de los materiales que encontraremos principalmente en la mayoría de los proyectos que contengan elementos estructurales de gran tamaño. Este material, no pasa a formar parte de la construcción hasta el siglo VII. Se comienza utilizando para objetos de menor tamaño, hasta que a media - dos del siglo VIII se comienzan a realizar elementos estructurales de ace- ro, como vigas o viguetas. El desarrollo del uso de este material se consigue
1. 6 G ran incendio de Chicago.
12 grandes voladizos en la arquitectura ͩ
. Orta,B., Martínez-Gayá, J.E., Cervera, J. Ƭ Aira, J.R. Made- ra en altura, estado del arte (ͨͦͨͦ) página ͪ
gracias a la revolución industrial, donde comienza a usarse el acero en nu- merosas construcciones, tanto civiles como arquitectónicas.
ue en 1775 cuando se encuentra el primer puente construido ïnicamen- te con hierro, el Shropshire sobre el río Severn, en Coalbridge, Gran Breta- ña ( ig. 1.8). Como no se conocían perfectamente todas las propiedades del material, las uniones entre piezas no se hicieron a partir de soldaduras, sino que se utilizaron soluciones más propias de materiales como la madera o la piedra, es decir, con uniones mediante tornillos o encajes.
Otras de las construcciones que surgieron a partir de este material fue- ron los pabellones de cristal, donde se asociaba el acero con el vidrio, per- mitiendo la construcción de grandes obras de la arquitectura como el inver- nadero del Jardín Botánico de París ( ig. 0.5) en 1833 de la mano de Rohault
1. 8 .Puente Shropshire, primeras construcciones de hierro.
1.9. Invernadero de París, Rohault de leury 1.10. Crystal Palace de Londres, Joseph Paxton
1. 7 .Acero estructural en construcción arquitectónica y construcción civil.
14 grandes voladizos en la arquitectura ͪ
. Paĝton, Roland. ͫͪͪyears os the FO RTH BRIDG E. Londres: Tho- mas Telford, (ͧͯͯͦ)
Prim eros p uentes en dob le v oladiz o.
Los primeros puentes en doble voladizo surgen en el siglo I gracias a la demanda de cubrir grandes longitudes intentando poner el menor nïme- ro de apoyos posibles, fundamentalmente para cubrir anchos de ríos muy grandes y no tener que interrumpir la travesía de los barcos con pilares de gran tamaño a poca distancia. Este deseo se hace realidad en 1866 con el considerado primer puente en voladizo diseñado y patentado por einrich Gerber en Alemania, el puen- te assfurt. El cual contaba con tres vanos de 24 φ 38 φ 24 metros. e este proyecto, surgió la viga Gerber, viga de varios vanos con rótulas que distri- buyen las cargas aplicadas isostáticamente.
ue ya en 1887, de la mano de tres ingenieros John owler, Benjamin Baker y Kaichi atanabe, cuando se realizó una demostración de los prin- cipios de los puentes en voladizo. ( ig. 1.6) owler y Baker se encuentran sentados en sillas con los brazos extendidos apoyados en bates de madera para conseguir la tensión de sus brazos y ladrillos en cada extremo, mien- tras que Kaichi atanabe se encuentra suspendido y apoyado en los bra- zos de sus compañeros. owler y Baker representan los voladizos, atana- be la carga central y los ladrillos el ancla de las vigas en voladizo. El puente resultante de esta demostración se construyó en Escocia entre 1882 y 1890, el puente de orth. El puente de orth, de uso ferroviario, cuenta con una longitud total de 2528,7 metros y un vano de 520 metros, tuvo el récord de los puentes con mayor longitud de vano hasta la construcción del puente de uebec en 1919, con un vano de 549 metros. Algunos de los aspectos más importantes a la hora de realizar este tipo de proyectos son la funcionalidad, la economía, la construcción y la seguridad. Como bien dice Roland Paxton:
1.12. Sir J ohn Fowler, K aichi Watanabe y Sir Benj amin Baker ( 1887 )Demostración de puentes en doble voladizo. Engineering ( 1890 )
antecedentes histŘricos 15
ǼA veces lo usamos cuando nos referimos al cálculo o análisis de una estructura, pero en realidad una estructura se analiza y calcula solo después de que se ha elegido el diseño, aunque sea tentador. El diseño de una estructura es su forma, su forma, su concepto básico. Cuando esto se decide, se hacen cálculos para establecer si se puede construir y estimar el coste. Esto es solo el comienzo del proceso de diseño. La verificación del análisis y el cálculo puede significar muchas revisiones, o el descarte de la idea inicial por completo y un nuevo comienzoǽ.^4
Este proceso es el que se llevó a cabo en el puente de orth, donde se reali- zaron una serie de alternativas de diseño iniciales ( ig. 1.7), se calcularon y se descartaron hasta llegar a la alternativa de proyecto final.
El primer ingeniero al que se le encargó el proyecto del puente de orth fue a Thomas Bouch, famoso por sus proyectos ferroviarios en el norte de Inglaterra o Escocia. Bouch fue el ingeniero encargado del puente de Tay, el cual colapso en 1879 por culpa de una mala construcción y diseño de los pilares al no tener en cuenta el viento. ue por esto por lo que fue releva- do de su nombramiento, aunque ya habían comenzado a realizar las obras del puente orth. Esto supuso un gran escándalo y un cambio en la legisla- ción por parte de la Junta de Comercio, donde se estableció una nueva ley donde todos los puentes debían diseñarse para una presión lateral de 56 li- bras/pie. La propuesta de Bouch fue totalmente abandonada por la Junta en 1881, ya que después de la revisión se comprobó que el diseño se calculó para una
1. 13 .Planos de primeras alternativas para el puente de Forth: The Forth Bridge, reimpreso de ‘ Engineering’ , 28 febrero, 1 8 90
antecedentes histŘricos 17
Además, incluye numerosas ilustraciones de varios tipos de grïas que cuentan con el peso L, y realiza los cálculos a partir de su método gráfico. Ernst Kapp, propulsor de la filosofía de la ingeniería moderna a partir de su libro G rundlinien einer Philosophie der Technik (1877), entiende la ingene- ría como: Ǽproyección de órganosǽ. Por ejemplo, como menciona Karl-Eu- gen Kurrer (2018) hablando de las afirmaciones de Kapp:
Ǽel martillo emulaba al puño, la telegrafía emergente al sistema nervioso y el telescopio, sin saberlo, a la estructura interna del ojo. Un ejemplo utilizado una y otra vez desde Kapp para las analogías entre la naturaleza y la ingeniería es la grïa de Culmann que, siguiendo el pensamiento de Kapp, es una proyección del fémur humano.ǽ^6
ig 1.15. ibujos de las grïas con cálculos con método gráfico de Karl Culmann. Karl Culmann (1888)
1. 16 .Comparativa entre el estudio de las trabé culas del fé mur con las curvas isóstá ticas de la estructura de una grú a
18 grandes voladizos en la arquitectura
e aquí surge la relación que obtuvo Culmann entre el fémur y las grïas que el estudiaba y construía ( ig. 1.10). Culmann, al ver los estudios reali- zados por el anatomista Von Meyer (1850) sobre la parte superior del fémur se percató de que las trabéculas por las que esta formada la cabeza del hue- so era muy parecida a las curvas isostáticas del interior de una grïa. Es de- cir, ambos elementos funcionaban de forma similar, siendo diseñados para poder soportar una carga escéntrica.
El primer gran voladizo. Charles Rabut.
inalmente encontramos el primer voladizo de grandes dimensiones cons- truido con hormigón armado por Charles Rabut en 1909. ue una de las pri- meras obras realizadas en hormigón armado y considerada como una ver- dadera hazaña constructiva que se pudo llevar a cabo gracias a la capacidad de resistencia del material. Se trata del voladizo de Batignolles, en la estación Saint Ȃ Lazare. Se cons- truyó como una solución a la estrechez del corredor donde se encontraba la estación que limitaba el nïmero de vías férreas. Calculó un voladizo que se extendía 435 metros con un saliente de 7 metros de longitud, lo que su- puso un gran descubrimiento para la época.
1. 17 .La grú a de Culmann. V ictor Pé rez V illar ( 2017 )
1. 18 .Voladizo de Batignolles ( 1909 ).Silvia Blanco Agü eira ( 2010 )
