Centro educativo en Tallin
Acerca del proyecto
El centro educativo en Tallin es una estructura de cuatro plantas diseñada para reemplazar una instalación obsoleta con un edificio moderno y multifuncional. Con una superficie bruta de 13.566 m², el edificio tiene 18 metros de altura e incorpora una combinación de hormigón, acero y mampostería como materiales principales. El sistema de carga vertical está compuesto principalmente por columnas de hormigón y muros de mampostería, que no solo proporcionan el soporte necesario, sino que también contribuyen a la rigidez global del edificio. Los elementos horizontales portantes consisten principalmente en losas alveolares apoyadas en vigas prefabricadas, con ciertas secciones que utilizan losas planas hormigonadas in situ para soporte estructural adicional.
La cuarta planta y la estructura de cubierta muestran un cambio hacia la construcción en acero, utilizando columnas y vigas de acero para mayor flexibilidad y peso reducido. El edificio está sustentado por 831 pilotes con una longitud total de 21.000 metros, garantizando una cimentación sólida a pesar de las difíciles condiciones del terreno. El volumen total de hormigón utilizado en la estructura, excluyendo los pilotes, asciende a 3.560 m³, y los componentes de acero pesan aproximadamente 430.000 kg.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Architectural visualization of the Educational center}}}\]
Desafíos de ingeniería
Uno de los principales desafíos en este proyecto fue el diseño de una viga castellada de 80,70 metros de longitud. Esta viga necesitaba cubrir grandes vanos en la tercera planta, garantizando un espacio abierto sin columnas según la visión arquitectónica. Además de soportar la integridad estructural de los grandes espacios abiertos, la viga también debía permitir el paso de un sistema de conductos de ventilación a través de su estructura.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Section view on the castellated beam in IFC reader software}}}\]
La complejidad de ingeniería se vio aún más incrementada por la necesidad de soportar seis vanos en toda la planta superior, con el vano más largo alcanzando 27,49 metros. Además, el vano final de la viga fue diseñado como un voladizo, que no solo se extendía hacia afuera, sino que también soportaba una parte de la losa del forjado inferior, añadiendo una carga significativa y requiriendo un meticuloso análisis y diseño estructural.
Tras evaluar todos los datos, los ingenieros del proyecto Martin Truuts y Karl Kimmel determinaron que una viga castellada sería la solución óptima. El diseño de la viga castellada proporciona naturalmente aberturas para que el sistema de conductos pase a través de ella, mientras que su gran altura efectiva permite una capacidad de carga significativa con un uso relativamente mínimo de material.
Elegir la viga castellada fue claramente la mejor opción, pero también introdujo desafíos adicionales, particularmente para garantizar la estabilidad de la estructura frente al pandeo lateral torsional y otras formas de pandeo. Como viga continua, era esencial estabilizar el ala inferior en las zonas apoyadas. Normalmente, se utilizarían riostras diagonales para abordar este problema, pero esta solución no era viable debido a la colocación de los conductos de ventilación y los requisitos arquitectónicos del espacio adyacente a la viga. Como resultado, se utilizaron "vigas secundarias", perpendiculares a la viga castellada, para proporcionar la estabilización necesaria.
Soluciones y resultados
Aviso legal:
Como se mencionó anteriormente, los problemas de estabilidad se abordaron conectando "vigas secundarias" a los lados de la viga castellada. El diseño aprovechó la rigidez a flexión de las vigas secundarias, extendiendo esta rigidez al ala inferior de la viga castellada mediante un diseño de unión robusto. Este enfoque estabilizó eficazmente el ala inferior. En esencia, la unión entre las vigas secundarias y la viga castellada era tan robusta y rígida que hacía que las vigas secundarias en los vanos adyacentes funcionaran como vigas continuas, influyendo así en la distribución de cargas y fuerzas internas, lo que en este caso también significó transferir más carga a las vigas castelladas.
Para abordar los problemas de estabilidad e incorporar la rigidez de la unión en el diseño, los ingenieros integraron el conjunto de aplicaciones de IDEA StatiCa—Checkbot, Member y Connection—en su flujo de trabajo. Los ingenieros Karl Kimmel y Martin Truuts siguieron un enfoque estructurado:
Creación del modelo global: El proceso comenzó con la creación de un modelo global en el software Robot Structural Analysis (RSA), donde se introdujeron las cargas y las combinaciones de cargas.
Integración del enlace BIM: Karl utilizó entonces el enlace BIM para importar toda la estructura, incluidas las fuerzas internas de todas las combinaciones de cargas, a IDEA StatiCa Checkbot.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{The model imported into Checkbot with internal forces}}}\]
Diseño de la unión y cálculo de la rigidez: En IDEA StatiCa Connection, se diseñaron las uniones individuales y se calculó la rigidez de estas uniones. Esta rigidez se reintrodujo en el modelo RSA, influyendo en el diagrama de momentos flectores de la viga castellada y en el comportamiento de las columnas relacionadas.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Connection designs used in the model in Member application}}}\]
Modelado de elementos: El modelo se recreó desde cero en IDEA StatiCa Member. Todas las vigas se modelaron como "elementos analizados", utilizando elementos de lámina para una representación detallada. Las uniones se modelaron y asignaron a las juntas correspondientes, y se aplicaron las cargas críticas al modelo para el análisis final.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Various views on the model in Member application}}}\]
Análisis de elementos: En IDEA StatiCa Member, se identificaron las formas de pandeo y los factores críticos de pandeo correspondientes mediante el Análisis Lineal de Pandeo. Las formas críticas de pandeo se asignaron con imperfecciones iniciales y se analizaron posteriormente mediante el Análisis No Lineal Geométrico y Material con Imperfecciones (GMNIA). Este proceso ayudó a identificar los puntos débiles del diseño, permitiendo los ajustes necesarios. Estos pasos fueron iterativos, con cada ciclo refinando el diseño para mejorar la estabilidad y el rendimiento.
Karl y Martin analizaron aproximadamente seis formas de pandeo, centrándose principalmente en los modos de pandeo global, ya que había pocas formas de pandeo local presentes. Abordaron los posibles problemas de pandeo local en el diseño incorporando rigidizadores para eliminarlos.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Deflections on members from GMNIA analysis}}}\]
Resultados: Una vez que el diseño se refinó a un nivel satisfactorio, el análisis GMNIA confirmó que las deformaciones, tensiones y deformaciones plásticas del diseño final eran aceptables.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualization of the deformation under load}}}\]
Doble verificación y comprobación: Para garantizar la precisión, se compararon las fuerzas internas entre RSA e IDEA StatiCa Member, proporcionando una doble verificación de los resultados.
Los ingenieros aprovecharon las capacidades de la aplicación IDEA StatiCa Member, comenzando con el Análisis Lineal de Pandeo (LBA) y progresando hasta el Análisis No Lineal Geométrico y Material con Imperfecciones (GMNIA), el tipo de análisis más avanzado para cargas estáticas. En el GMNIA, todas las imperfecciones potenciales—como la variación del espesor de la placa, la falta de rectitud, las tensiones residuales, las no homogeneidades del material y el desalineamiento de los apoyos—se representan mediante imperfecciones geométricas equivalentes. Estas imperfecciones se establecen utilizando las formas de los modos de pandeo calculadas por el LBA, con el usuario seleccionando la amplitud máxima de la forma del modo de pandeo para la imperfección.
Además, el ingeniero Karl Kimmel utilizó la aplicación IDEA StatiCa Member para Análisis de Diseño contra Incendios de las vigas, aprovechando todas las capacidades de la herramienta para garantizar que la estructura cumpliera todos los requisitos de seguridad contra incendios. Este análisis exhaustivo ayudó a confirmar el rendimiento de las vigas bajo condiciones de incendio, reforzando aún más el diseño global.
Conclusión
El nuevo proyecto del centro educativo en Tallin es un testimonio del poder de la ingeniería estructural avanzada y el diseño innovador. Al aprovechar las capacidades de IDEA StatiCa, el equipo de ingeniería de EstKonsult fue capaz de superar desafíos significativos y entregar una instalación robusta, flexible y moderna que satisface las necesidades de la comunidad. Este proyecto muestra la importancia de utilizar herramientas y técnicas de vanguardia en combinación con un pensamiento de ingeniería innovador en la ingeniería estructural para lograr ambiciosas visiones arquitectónicas y garantizar la seguridad y funcionalidad de estructuras complejas.
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