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VERIFICACIÓN DEL ESQUEMA ESTÁTICO DEL PABELLÓN DE LAS ROSAS DE LA CIUDAD DE PIRIÁPOLIS
MSc Ing. Alvaro Rostan Instituto de Estructuras y Transporte, Facultad de Ingeniería, Uruguay
SUMARIO El presente artículo trata sobre la determinación del estado actual de la estructura metálica y el entrepiso de un edificio, concebido como caballeriza, construido hace 80 años en la ciudad de Piriápolis. Este estudio es previo al futuro reciclaje de dicha obra, impulsado por la Asociación de Fomento y Turismo de Piriápolis y apoyado y financiado por el Ministerio de Transporte y Obras Públicas y la Intendencia de Maldonado. La falta de planos originales de la estructura así como algunas patologías observadas en los apoyos del reticulado y el muro de mampostería perimetral, crean incertidumbre sobre su correcto funcionamiento. Las preguntas a contestar son: ¿ cual es el esquema estático con el que fue originalmente concebida ? y ¿ cual es el actual funcionamiento de la misma ? Esta estudio preliminar se basa en planos del edificio elaborados a partir de un relevamiento planialtimétrico y en resultados de ensayos en túnel de viento, realizados por el Instituto de Estructuras y Transporte (Universidad de la República) y la Universidad Federal de Río Grande del Sur (UFRGS) en 1990. A partir de la realización de un modelo matemático, basado en la geometría y en distintos estados de carga, se puede concluir que el esquema estático correcto de dicha estructura presenta diferencias con el actual funcionamiento. El muro de mampostería , donde se apoyan las cerchas metálicas, debe resistir fuerzas ascendentes (tracciones) y/o fuerzas horizontales, lo que indica la necesidad de realizar obras de consolidación en estos apoyos cuando se comience el reciclaje de dicho edificio histórico.
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1 - Introducción El Pabellón de las Rosas es un edificio ubicado en la ciudad de Piriápolis, Departamento de Maldonado, aproximadamente a 300 m del mar y sin construcciones interpuestas. Es una estructura cilíndrica de base circular (37,5 m de diámetro y 5,5 m de altura), con un entrepiso interior (galería) perimetral (4,20 m de ancho a 3,0 m de altura) y una cubierta cónica metálica (altura de vértice 15,6 m) con dos anillos lucernarios. La totalidad de los muros exteriores son de mampostería de 30 cm de espesor. Dicho volumen cilíndrico presenta dos salientes prismáticas con techo de hormigón armado: una al sur de 26,3x11,8 m de base y 5,5 m de altura y otra al norte de 8,10x7,0 m de base y 2,8 m de altura (ver planta esquemática y corte diametral en Figuras 1 y 2). Fue construido hace aproximadamente 80 años por Don Francisco Piria quien, según dice la tradición oral, compró la estructura portante metálica prefabricada (cubierta cónica y entrepiso) a un importante hacendado el cual la adquirió en la exposición mundial de París de 1900. En sus inicios este edificio fue utilizado como caballeriza, fines para el que fue inicialmente concebido, y posteriormente reciclado como gimnasio y sala de espectáculos. El estado actual del edificio es malo a causa del poco mantenimiento, fundamental en estructuras metálicas expuestas, y de una serie de modificaciones y agregados realizados a lo largo de su historia. Es de destacar el estado ruinoso de la cubierta cónica de chapa, la cual permite el pasaje del agua de lluvia al interior del edificio, acelerando la corrosión parcial de ciertos elementos de la estructura metálica portante. El reciclaje de este edificio histórico, impulsado por la Asociación de Fomento y Turismo de Piriápolis, la cual me solicitó el estudio estructural, y apoyada por el Ministerio de Transporte y Obras Públicas y la Intendencia Municipal de Maldonado, comprenderá la ejecución de distintas obras de: - Conservación: tendientes al mantenimiento de parte de la obra existente - Restauración: incluyen las reparaciones y demoliciones que tratan de restaurar las condiciones originales de ciertos elementos - Consolidación: tratan de los refuerzos de los elementos estructurales, con la mínima sustitución de los mismos y sin cambiar el concepto estructural y la organización del edificio (cerchas metálicas y entrepiso perimetral o galería)
Figura 1: Planta esquemática del Pabellón de las Rosas
- Rehabilitación y reestructuración: modificaciones de distribución y organización interior del edificio (cafetería, baños superiores y depósito superior) y adecuación del espacio interior a nuevos usos, implicando el agregado de obra nueva (entrepisos en edificio prismático frontal) El presente artículo trata de, a partir de los antecedentes e información previa disponible, realizar un reconocimiento y diagnóstico que permita determinar el estado y esquema estático de la estructura. Este estudio preliminar permitirá definir las distintas obras de consolidación y restauración en la cubierta metálica y el entrepiso perimetral (galería). 1
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2 Entrepiso perimetral (galería) La determinación del estado estructural del entrepiso perimetral (galería) existente en el sector cilíndrico del edificio, así como de los elementos que lo conforman, es fundamental para la verificación de su capacidad portante, así como para determinar las obras de conservación y restauración que deban realizarse necesariamente.
2.1 Descripción Dicho entrepiso, de 18 cm de espesor, esta formado por perfiles metálicos PNI 140, de 4m de luz libre, dispuestos cada 60 cm aproximadamente y totalmente cubiertos por hormigón. Estos se apoyan en el muro perimetral de mampostería y, en el otro extremo, sobre un anillo formado por perfiles PNC 180. Estos elementos están unidos mediante angulares y bulones. El anillo se apoya en los pilares (de fundición) que sostienen parte de la estructura portante reticulada de la cubierta del edificio (ver Figura 2). Sobre estos perfiles PNI 140 se apoya una losa de hormigón de 10 cm de espesor aproximadamente, la cual se encuentra cubierta por aproximadamente 8 cm de material de contrapiso. Con el fin de determinar el estado del alma y las alas de estos elementos resistentes, se realizaron cateos en distintos puntos del entrepiso. Es de resaltar que no se observó, en los cateos realizados, la existencia de armadura cilíndrica distribuida uniformemente dentro del hormigón.
2.2 Patología Cabe señalar que antes de realizados los cateos se podía observar que las alas inferiores de algunos de estos perfiles presentan problemas de corrosión. Sin embargo, no se observan fisuras en la superficie inferior de la losa de hormigón, lo cual indica que nunca se llegó, durante su vida útil, al agotamiento de su capacidad resistente. En la superficie superior de dicha losa tampoco se observan fisuras o deformaciones excesivas. Esta corrosión posiblemente se deba a una incorrecta elección de los materiales de reboque, los cuales son ricos en cal. En general, el alma de los perfiles no presenta una corrosión excesiva. Las zonas del alma que se encuentran algo afectadas son las que se encuentran en contacto con el material del contrapiso, pudiéndose inferir que la causa más probable es la entrada de humedad por dicho material permeable. Esta humedad penetró, en zonas aisladas, por la unión entre los perfiles resistentes (PNI 140) y los perfiles perimetrales (PNC 180) de apoyo. Se debe tener en cuenta que, debido al escaso mantenimiento, la cubierta superior de chapa presenta numerosas perforaciones y huecos por donde entra abundante agua de lluvia. Para tener una primera aproximación de la capacidad portante del entrepiso se realizó un análisis teórico del mismo. Para el estudio de cargas se supuso que los 18 cm de espesor están formados por hormigón (peso sobrestimado), llegándose a que la sobrecarga máxima del entrepiso es mayor o igual a 350Kg/m2, lo cual es del orden de los exigido por la Norma UNIT para edificios de uso público. Debido a que en zonas puntuales la resistencia se puede ver disminuida por problemas de corrosión del ala inferior se recomienda realizar, cuando se comience el reciclaje, ensayos de carga estáticos en fajas que presenten el máximo nivel de deterioro. Dichos ensayos indicarán los verdaderos valores de sobrecarga admisible, así como los niveles de deformación máxima que pueda presentar el conjunto.
2.3 Restauración Como tareas de refacción de dicho entrepiso se recomienda descubrir completamente las alas inferiores de los perfiles resistentes (PNI 140) para que el reboque deje de afectar al acero. Posteriormente se realizará un proceso para detener y eliminar la corrosión y, si es necesario, se soldarán suplementos metálicos a los mismos. Debido a que dentro de los trabajos de reciclaje del edificio esta previsto el cambio de la cubierta de chapa superior, la entrada de aguas de lluvia se eliminará. Esto permitirá secar los materiales del contrapiso, en las zonas más afectadas por la entrada de humedad, y reparar y sellar las zonas de filtración. Con esto se detendrá el lento avance de la corrosión en el alma de los perfiles.
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3 Verificación de la estructura metálica reticulada
Al no contar con los planos originales del edificio, la Asociación de Fomento y Turismo, a través de su grupo de técnicos profesionales∗, realizó, en 1998, un relevamiento planialtimétrico de las estructuras de acero existentes (geometría, dimensiones y detalles constructivos significativos) y del edificio general, así como un levantamiento fotográfico del estado actual y un proyecto de reciclaje integral de dicha obra centenaria. Estos elementos permiten identificar las patologías existentes en el momento actual para llegar a un diagnóstico de las mismas. Para identificar las cargas producidas por la acción del viento, se cuenta con resultados de ensayos en el túnel de viento TV-2 de la Universidad Federal de Río Grande do Sul, realizados sobre un modelo a escala reducida donde se respetó la forma exterior del edificio (Vivian & Ricaldoni, 1990). Estos resultados son de gran valor para considerar la acción del viento de la forma más realista.
3.1 Descripción y esquema estático La cubierta liviana esta constituida actualmente por chapas de acero onduladas, las cuales tienen curvatura distinta en ambas direcciones y se apoyan en correas. Estas correas son anillos continuos de acero de 76 mm de altura y 8 mm de espesor, dispuestas verticalmente, separadas 1 m entre si y abulonadas a un perfil que las conecta con el cordón superior de las cerchas. La estructura metálica portante está formada por 26 cerchas reticuladas que descargan sobre columnas y, en principio, sobre el muro perimetral. Estas piezas están construidas con perfiles de acero laminado, angulares y PNC, unidos mediante bulones a goussets de chapa de 8 mm de espesor. A partir de los datos del relevamiento planialtimétrico se dividió la estructura reticulada metálica, esquematizada en el corte diametral representado en la Figura 2, en tres anillos. Las estructuras parciales y la denominación elegida para sus nudos y barras se encuentran esquematizadas en la Figura 3.
Figura 2: Esquema de estructura reticulada. Corte diametral. Las dimensiones de algunas barras relevadas no se corresponden con perfiles laminados normalizados existentes en la actualidad. Esto puede deberse a que estos elementos correspondan a perfiles normalizados por otras Normas y/o por Normas antiguas, o a la pérdida parcial de material en la zona medida. Para eliminar esta incertidumbre
∗ Grupo técnico formado por los siguientes Arquitectos: Emilia Alperovich, Cymthia García, Gustavo Sosa Laporta, Carlos Rivero, Maximiliano Meilan, Mario Paez y Dardo Bardier. 3
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se asumió, para estos elementos particulares, que los parámetros geométricos corresponden a perfiles normalizados cuyas dimensiones son inmediatamente inferiores, tomándose las medidas relevadas al considerar las cargas de peso propio. En este trabajo se asume que el material soporta tensiones normales admisibles de 1400 Kg/cm2 y rasantes admisibles de 900 Kg/cm2. Para las cargas máximas estos valores se aumentaron un 25%. Al no conocerse con certeza las características mecánicas del acero utilizado, es aconsejable la realización de ensayos mecánicos sobre probetas de material de la estructura. Para determinar las cargas admisibles de compresión se considera la reducción de la Norma IE 3-53 (1953): w = 0,00014. λ2 + 1,17 siendo λ la esbeltez de las barras, la cual fue determinada en el plano de la cercha y en la dirección perpendicular. En las Tablas 1, 2 y 3 se presentan las características geométricas y mecánicas de las barras de cada anillo considerado, así como las tracciones y compresiones admisibles principales y máximas. Se entiende por cargas principales a aquellas que actúan permanentemente (cargas de peso propio, etc.) y cargas máximas a las principales más las que actúan durante un corto periodo de tiempo (cargas de viento, de montaje, etc.). En lo que tiene que ver con el funcionamiento estático de cada uno de los tres esquemas estructurales considerados, se asumió que: las componentes horizontales de las reacciones, en el segundo y tercer anillo, son absorbidas y transmitidas a la cercha diametralmente opuesta por los anillos lucernarios verticales las componentes verticales de cada reacción se transmiten hacia el anillo inmediatamente inferior En el primer anillo surge la incertidumbre de cual es el esquema estático original y como es el funcionamiento actual de los apoyos. Para levantar esta indeterminación se consideraron tres esquemas estáticos: la cercha se apoya únicamente en las 26 columnas perimetrales (extremo libre); en las columnas y en el muro perimetral, permitiendo el desplazamiento horizontal (deslizante); y en las columnas y en el muro perimetral, permitiendo el libre giro (articulación).
3.2 Estudio de cargas actuantes Las cargas permanentes, que actúan verticalmente sobre las correas y los nudos del reticulado, consideradas en este estudio son: - el peso propio de la cubierta liviana, asumido entre 15 y 20 Kg/m2 - el peso propio de los elementos de las cerchas metálicas Las cargas accesorias consideradas son las producidas por la acción del viento, en distintas direcciones, sobre la cubierta liviana. Dichas cargas actúan en forma perpendicular a la superficie cónica de contacto, inclinada 24,2º respecto a la horizontal, y son transmitidas a la estructura portante por medio de las correas. Como no coincide la posición de las correas con la posición de los nudos del reticulado, dichas cargas generan preso-flexión sobre los elementos del cordón superior de la cercha. Los valores de las tensiones generadas por estas solicitaciones no son de magnitud considerable.
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Figura 3: Esquemas estáticos considerados en la determinación de las solicitaciones admisibles
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Barra
Tipo
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2PNL 60x6 2PNL 60x6 2PNL 60x6 2PNL 45x5 2PNL 45x5 2PNL 45x5 2PNL 45x5 4PNL 60x6 2PNC 100x50x8 2PNL 50x5 2PNC 100x50x8 2PNL 45x6 2PNL 45x6 2PNC 100x50x8 4PNL 60x6 2PNL 50x5 2PNC 100x50x8 2PNL 50x5 2PNL 45x6 2PNC 100x50x8 2PNL 50x5 2PNC 100x50x8 2PNL 50x5 4PNL 60x6 Chapa 150x8 2PNL 50x5 2PNC 100x50x8
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Peso Kg/m 14.0 14.0 14.0 6.7 6.7 6.7 6.7 28.0 21.1 8.0 21.1 8.9 8.9 21.1 28.0 8.0 21.1 8.0 8.9 21.1 8.0 21.1 8.0 28.0 9.5 8.0 21.1
Area cm2 13.82 13.82 13.82 8.60 8.60 8.60 8.60 27.64 27.00 9.60 27.00 10.18 10.18 27.00 27.64 9.60 27.00 9.60 10.18 27.00 9.60 27.00 9.60 27.64 12.00 9.60 27.00
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Longitud de Pandeo Radio de Giro ρx ρy Plano Perp. cm cm cm cm 150 150 1.82 2.77 150 150 1.82 2.77 120 120 1.82 2.77 65 65 1.35 2.16 164 164 1.35 2.16 131 131 1.35 2.16 178 178 1.35 2.16 131 131 2.48 2.48 164 100 3.91 3.71 153 153 1.52 2.35 163 100 3.91 3.71 120 120 1.34 2.18 80 80 1.34 2.18 131 100 3.91 3.71 52 52 2.48 2.48 87 87 1.52 2.35 87 87 3.91 3.71 118 118 1.52 2.35 80 80 1.34 2.18 88 88 3.91 3.71 115 115 1.52 2.35 100 83 3.91 3.71 35 35 1.52 2.35 246 246 2.48 2.48 15 15 4.33 0.24 140 140 1.52 2.35 140 100 3.91 3.71
Esbeltez λy
λx
82 82 66 48 121 97 132 53 42 101 42 90 60 34 21 57 22 78 60 23 76 26 23 99 3 92 36
54 54 43 30 76 61 82 53 27 65 27 55 37 27 21 37 23 50 37 24 49 22 15 99 63 60 27
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wx
wy
2.12 2.12 1.78 1.49 3.24 2.49 3.60 1.56 1.42 2.59 1.41 2.29 1.67 1.33 1.23 1.63 1.24 2.01 1.67 1.24 1.97 1.26 1.24 2.55 1.17 2.36 1.35
1.58 1.58 1.43 1.30 1.98 1.68 2.12 1.56 1.27 1.76 1.27 1.59 1.36 1.27 1.23 1.36 1.25 1.52 1.36 1.25 1.51 1.24 1.20 2.55 1.72 1.67 1.27 Total:
Momento de Inercia
Barra
Ix (cm4) plano 45.6 45.6 45.6 15.7 15.7 15.7 15.7 170.1 412.0 22.0 412.0 18.3 18.3 412.0 170.1 22.0 412.0 22.0 18.3 412.0 22.0 412.0 22.0 170.1 225.0 22.0 412.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Iy (cm4) perp. 106.0 106.0 106.0 40.0 40.0 40.0 40.0 170.1 370.7 53.1 370.7 48.4 48.4 370.7 170.1 53.1 370.7 53.1 48.4 370.7 53.1 370.7 53.1 170.1 0.6 53.1 370.7
Compresiones admisibles en barras (Kg) Principales (σ