ES1293455U - Metodo de construccion de envolvente estructural - Google Patents

Abstract

Método de construcción de envolvente estructural de una edificación caracterizado por generar un entramado de elementos unifilares resistentes, con una sección cuadrada, rectangular o circular, tanto hueca como llena, o una sección abierta, siempre que el peso de cada elemento unifilar por metro lineal sea inferior a 8 kg. por metro lineal.

Description

DESCRIPCIÓN

MÉTODO DE CONSTRUCCIÓN DE ENVOLVENTE ESTRUCTURAL

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se encuadra en el sector técnico de la edificación y la ingeniería.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un método de construcción que materializa una solución estructural completa y adaptable, que permite resistir y dar forma a un edificio, cuando su envolvente no es totalmente autoportante; incluyendo sus forjados, si los hubiere.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Históricamente en la edificación, las estructuras envolventes realizaban a su vez funciones resistentes. En la actualidad, ese concepto ha ido evolucionando hacia nuevos sistemas en los que se ha ido mejorando cada vez más las propiedades de la envolvente propiamente dicha, despojándola parcialmente, en mayor o menor medida, de su función resistente. El resultado ha dado lugar a elementos planos que reciben las cargas, con una resistencia limitada a la misma, para transmitirlas a la estructura resistente que a su vez los sostiene. La inclusión de elementos envolventes, cada vez más ligeros (sometidos a flexión y limitada resistencia a la misma), ha provocado que la luz de apoyo de los mismos se reduzca considerablemente, de manera que hay que aumentar el número de vigas o pilares que los sustentan, en la estructura resistente subyacente.

El aumento en la repetición del número de elementos unifilares lleva implícita la necesidad de disminuir el peso de cada uno de ellos, con el fin de que no se utilice excesivo material y se desperdicie, pero este hecho se complica aún más si se desean alcanzar luces mayores para crear espacios más diáfanos, lo que obliga a repetir, aún más, los elementos, aumentar su frecuencia, con un peso relativamente elevado por la normalización que traen de fábrica, aumentando el peso total del acero empleado.

El inconveniente tratado del aumento del número de repeticiones y el relativo elevado peso de cada perfil estructural, creó la tendencia de emplear "Steel Frame”, dando lugar a perfiles con menor peso por metro lineal y que ofrecen una relativa facilidad de manejo y montaje. El "Steel Frame”, cada vez más extendido, presenta una serie de inconvenientes según la experiencia de uso (y a menudo no considerados por la falta de experiencia y el desconocimiento del resultado a medio y largo plazo en nuestro país), que podrían resumirse en los siguientes:

• Escasos espesores, de manera que cualquier efecto accidental de corrosión podría ser determinante para que el perfil acabe malogrado.

• La tensión de fallo está muy por debajo de la del límite elástico, en multitud de casos.

• La concentración de tensiones en diferentes puntos que puede resultar peligrosa y pasar desapercibida con facilidad.

• Las piezas y las uniones son especialmente susceptibles a pequeños defectos de ejecución, corte, unión y anclaje, afectando a la integridad estructural y repercutiendo en su comportamiento de una manera no esperada, documentándose multitud de situaciones en este sentido.

• Un sobrecosto y exceso de material empleado, si no se optimiza adecuadamente mediante unos cálculos estructurales más avanzados que para una estructura de perfiles convencionales, o un infradimensionado que da lugar a una aparente ligereza pero que se materializa en un fallo estructural que debiera resistir según las exigencias del código estructural, documentándose multitud de casos en este sentido.

• Otros.

Por otra parte, existen sistemas de entramados estructurales tridimensionales, utilizados para ciertas cubiertas, como en algunos andenes de estaciones de autobuses o grandes marquesinas, donde el empleo de los mismos obedece más a una aplicación estética que a un empleo que persiga una optimización del material utilizado y que entrañe un menor costo y utilidad práctica (más bien suele ser lo contrario). Este sistema no envuelve la totalidad de un edificio y su forjado, solamente suele emplearse en cubiertas, en su caso. A menudo, las propias uniones empleadas, no son lo suficientemente adaptables y prácticas para concebir la envolvente completa de una vivienda y sus forjados, sin alcanzar el límite de sus prestaciones, bien técnicas o bien económicas, que permitan su uso de un modo razonable.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en una metodología constructiva que ha sido concebida para crear estructuras que resistan la totalidad de la envolvente de una edificación (de una o varias plantas), dándole forma, en especial cuando no es autoportante, así como a los forjados interiores, si los hubiere.

Mediante esta metodología se consigue elevar el número de elementos resistentes sin aumentar en paralelo la cantidad de material a emplear, sino redistribuyéndolo adecuadamente de manera optimizada, evitando además el resistir con secciones estructurales que no agotan la resistencia elástica debido a la esbeltez de su escaso espesor frente a sus dimensiones (secciones tipo 4), evitándolas en la mayoría de los casos. Paralelamente, se evitan uniones cuyo precio unitario es elevado y que ofrecen unas limitadas prestaciones, evitando sistematizaciones industrializadas poco flexibles y optando por uniones definidas para cada caso, principalmente mediante soldadura, además del empleo de distribuciones estéticas poco prácticas y económicas, como es el caso de algunas cubiertas de entramado tridimensional presentes en algunas estaciones (entre otros), en las que el ahorro no es el primer objetivo ni la adaptabilidad a la totalidad de una envolvente, al contrario de la solución estructural aquí descrita.

Esta solución se conforma con perfiles estructurales de acero de reducido peso por metro lineal (menos de 8 kg. por metro), y una frecuente repetición, en un entramado tridimensional. La estructura espacial está compuesta por una retícula tridimensional de rectángulos conectados entre sí, que resisten los esfuerzos en colaboración con otros adyacentes, mediante una respuesta estructural espacial compleja. A su vez, se dota de rigidez adicional mediante el uso de diagonales en los mismos, allí donde es requerido por cálculo. La base del sistema es el rectángulo o cuadrado, tanto en planta como en alzado, delimitados por perfiles unidos principalmente por soldadura, de sección llena o hueca y forma cuadrada, redonda o rectangular, sobre los que descansa el elemento a resistir, generalmente liviano (muro, cubierta, forjado, etc).

Modificando las dimensiones del rectángulo y dimensionando el tamaño de las secciones de los elementos, se dará solución a la estructura requerida para resistir y se creará la envolvente, incluidos los huecos de puertas y ventanas. Las dimensiones de los lados de este rectángulo se aumentarán o disminuirán según las necesidades requeridas, en lo referente a:

• Frecuencia natural y comportamiento dinámico a obtener, pudiendo adaptar el forjado y el edificio a un uso u otro.

• Deformación máxima admisible bajo la acción a resistir.

• Resistencia del conjunto estructural frente a las solicitaciones.

• Resistencia de la envolvente resistida y la luz máxima que admite entre apoyos. • Necesidad de adaptarse a huecos de ventana, puertas, etc.

• Necesidad de adaptarse al paso de una instalación.

• Adaptación al reparto más optimizado de material, según tamaño de la perfilería existente, con solo modificar la separación y la dimensión del miembro, respetando la estructura solución.

• Idoneidad de racionalizar el número de uniones y la simplicidad de las mismas.

El sistema requiere de una mayor complejidad en el cálculo estructural para ser proyectado y aprovechado adecuadamente, así como un mayor control en la ejecución de las uniones. Como contrapartida se consigue:

• Variar la dinámica estructural, adaptando la frecuencia natural del edificio al uso requerido, así como evitar resonancias, mediante un reparto adecuado del material.

• Crear espacios diáfanos con amplias luces, sin apoyos intermedios, optimizando el material.

• Facilidad en la construcción del edificio, adaptándose a su forma definitiva.

• Aumento de los espesores frente a la corrosión y un reparto racional del material. • Comportamiento estructural combinado con elementos adyacentes, atenuando y repartiendo esfuerzos.

Con el fin de ayudar a su concepción, adicionalmente, se describe esta metodología por partes:

Se conciben unos pilares compuestos por un entramado plano o tridimensional, constituidos por unos elementos unifilares sometidos principalmente a esfuerzo axil, de manera que se separan a mayor o menor distancia, según la solicitación proveniente del forjado (si existe), o cubierta, de manera que puedan resistirse los momentos si los hubiere y los esfuerzos axiles provenientes de las cargas aplicadas en el espacio entre nudos de cada miembro. Esta separación será modulada también, según los elementos de apoyo longitudinal que resistirán la envolvente (si no se fija directamente esta a los cordones de la estructura resistente), que provocará sobre el pilar un esfuerzo flector adicional provocado por la localización de las cargas en diferentes puntos, así como un axil adicional debido al peso de dicha envolvente, en el caso de que gravite, que será lo más habitual. Todos estos esfuerzos se traducirán en axiles en los miembros unifilares de los pilares, siendo los flectores usualmente de mucha menor relevancia.

Los elementos de apoyo longitudinal de la envolvente del muro, que se fijan a los pilares, estarán sometidos a unos esfuerzos predominantes de flexión, en ambos ejes.

El forjado resistirá las cargas trasladándolas a los bordes, bien unidireccionalmente o bien bidireccionalmente, según convenga por resistencia, desplome y otras consideraciones. El paquete o lámina de solado o de falso techo, descansará sobre los elementos longitudinales que irán de uno a otro "pórtico” resistente, manteniendo la distancia entre ambos (superior e inferior), mediante barras verticales y diagonales, de manera que resistirán las cargas de una manera conjunta.

Se proyecta una estructura resistente que traslada las cargas de los elementos longitudinales que sostienen la evolvente del solado o el falso techo, hasta los bordes y pilares, mediante elementos unifilares perpendiculares a los mismos (u oblicuos). Estos miembros longitudinales superior e inferior (cordones), de la estructura resistente, estarán sometidos principalmente a esfuerzo axil, experimentando también flexión localizada por la aplicación de la carga de los elementos longitudinales sobre los que apoya la envolvente, si estos no coinciden con los nudos. La posición y unión de los cordones de este sistema, tanto en los pilares como en esta estructura horizontal del forjado, se consigue añadiendo miembros perpendiculares a estos dos miembros para materializar su unión, así como de diagonales según el sentido en que resiste el forjado, como se indica, unidireccional, bidireccional o, incluso, multidireccional, según se necesite sostener con dos lados opuestos, o en más lados.

Los elementos longitudinales sobre los que se apoya la envolvente (si no se fija ésta directamente a los cordones de la estructura resistente), irán de una a otra estructura "aporticada” y se combinarán, a su vez, con una diagonal y un elemento resistente superior e inferior, de manera que ambos soporten el solado o cubierta superior (el superior) y el falso techo o envolvente interna de que se trate (el inferior). Los elementos inferiores pueden tener la función de sostener el falso techo.

El sistema podría admitir el fijar la envolvente a la estructura resistente omitiendo los elementos longitudinales superior y/o inferior, dependiendo este resultado de la configuración y resistencia del elemento envolvente a soportar. Una configuración variante admitida, a su vez, consistiría en la supresión de los elementos longitudinales inferiores, manteniendo los superiores. En este caso hay que adaptar el dimensionado del miembro superior al nuevo escenario, por cuanto el esfuerzo que tendría que soportar en esta nueva situación sería casi exclusivamente de flexión, limitando la separación máxima entre sus homólogos y la longitud libre del mismo.

El sistema contraviento en las paredes de la edificación expuestas al exterior, que no recibirán cargas gravitatorias de importancia (muros que no son principales de cara porque el forjado trabaje principalmente de manera unidireccional), estará compuesto por unas estructuras similares a los pilares principales que sí reciben la carga de forjado y cubierta en la dirección de trabajo, adaptados a este escenario en el que las cargas que gravitan de forjados y cubiertas son más reducidas y el esfuerzo de la envolvente vertical (muro), es el principal a resistir, con su peso y sus solicitaciones de viento. Esta envolvente podrá ser recibida por estas estructuras, directamente, o por elementos longitudinales como ocurre en los muros de carga.

En los muros laterales (que no son los de carga), por su mayor simplicidad de esfuerzos a solicitar, podrían ser sustituidos por un único elemento unifilar y no un entramado, a elección del proyectista, según la idoneidad del proceder para este caso.

La cubierta del edificio se proyectará de igual forma que el forjado, adaptando el canto de la misma y la separación de los miembros a la nueva situación de carga (usualmente inferior), constituyéndose como una superficie plana, o como dos superficies planas que confluyen, en el caso de dos aguas (pudiendo ser constituida por tantas superficies como sea necesario), dándoles la inclinación necesaria (pudiendo ser constituida por tantas superficies como sea necesario), incluso variándolos en búsqueda de la curvatura.

La apertura de huecos donde proceda, se realizará distanciando lo necesario los elementos resistentes (pilares), de manera que quede insertada la puerta, ventana o elemento que fuere. Será necesaria también la omisión de los elementos longitudinales sobre los que reposa la envolvente en toda la superficie del hueco que sea necesaria, si los hubiere. Este hecho lleva implícita una sobrecarga adicional en los pilares contiguos y la necesidad de una estructura auxiliar, que se fijará a los pilares verticales, a ambos lados de la misma, así como a la base, que contenga el hueco para acople de la puerta, la ventana, etc y que traslade las cargas que correspondería soportar a esa estructura resistente que ha sido omitida.

La estructura auxiliar consistirá en un entramado con elementos verticales, diagonales y horizontales, con repetición, separación y espaciamientos obtenidos según la necesidad de cálculo. Contendrán y sostendrán las ventanas y las puertas.

El encuentro de la cubierta o forjado con el muro, admite dos tipos de uniones: la que transmite la tendencia al giro parcial o totalmente, haciendo reaccionar al pilar en consecuencia, y aquella en la que se apoya la cubierta o forjado sobre los pilares, evitando la traslacionalidad de la estructura, pero no coaccionado el giro del extremo (apoyada). Se dotará a la estructura de algunos arrastramientos interiores que estabilizarán frente a cualquier esfuerzo horizontal que tienda a provocar un desplazamiento en el entramado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

• La figura 1, muestra la totalidad de la estructura solución, sin huecos para puertas o ventanas.

• La figura 2, muestra el alzado resistente de una edificación de 2 plantas en uno de los extremos, lado corto.

• La figura 3, muestra el alzado resistente de una edificación de 2 plantas en uno de los extremos, lado largo.

• La figura 4, muestra la sección resistente de una edificación de 2 plantas en un plano interior del edificio, lado corto.

• La figura 5, muestra la sección resistente de una edificación de 2 plantas en un plano exterior del edificio, lado largo.

• La figura 6, muestra la vista tridimensional de la estructura resistente del forjado y la cubierta plana.

• La figura 7, muestra la vista en planta de la estructura resistente del forjado y la cubierta plana, tanto la cara superior como la inferior.

• La figura 8, muestra la vista en perspectiva de la estructura auxiliar para el hueco de la ventana.

• La figura 9, muestra la vista en perspectiva de la estructura auxiliar para el hueco de la puerta.

• La figura 10, muestra las secciones de los perfiles estructurales a emplear, tanto huecas como llenas, según la conveniencia del proyecto.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Sin ningún carácter limitativo en cuanto al ámbito de la invención que se describe, sino a efectos de complementar mejor el entendimiento de su concepción, seguirá una exposición más detallada de una forma de realización preferente, recurriendo a la ayuda de las figuras anexas. A modo de ejemplo, se reproduce en tales figuras una envolvente estructural de un edificio (1), cuya envolvente de la cubierta y el solado del forjado, son sustentados por el rectángulo (2a), que soporta las cargas y las transmite a través del entramado (2b), a la estructura resistente (3) que, a su vez, transmite las cargas hasta el pilar de entramado (4). En los muros del edificio, se sustentan las envolventes exterior e interior sobre los elementos longitudinales (6), que se fijan a los pilares (4). El edificio resiste los esfuerzos del viento en el muro que no es principal de carga (si el forjado trabaja en una única dirección), mediante un entramado (7), y se refuerza la estabilidad horizontal en todos los muros con diagonales (8), en todas las superficies que se necesita. Los elementos longitudinales (6) no se utilizan en la fachada, si la envolvente se fija directamente sobre los pilares (7) y (4) (utilizándose los elementos longitudinales (6) en caso contrario).

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   Método de construcción de envolvente estructural de una edificación caracterizado por generar un entramado de elementos unifilares resistentes, con una sección cuadrada, rectangular o circular, tanto hueca como llena, o una sección abierta, siempre que el peso de cada elemento unifilar por metro lineal sea inferior a 8 kg. por metro lineal.

   Método de construcción de envolvente estructural de una edificación, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el entramado está conformado por rectángulos estructurales, dimensionados y distribuidos según las necesidades resistentes de la edificación y de la envolvente sostenida por la estructura.

   Método de construcción de envolvente estructural de una edificación, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque las uniones entre elementos se llevan a cabo, preferentemente, mediante soldadura.