Optimización de mallas estructurales de acero envolventes de edificios en altura. Análisis de las direcciones principales identificadas por sus líneas isostáticas

Abstract

The Dissertation's main aim is to establish a procedure for the optimization of space grid as a framed tube (spatial mesh) structural typology envelope for tall buildings given the increasing interest in this recent constructive and architectural trend. As to accomplish this aim, a comparative structural study is driven, rooted in the analysis of the principal stresses, to determine whether spatial mesh envelopes for tall buildings are more optimal and efficient if their design is adapted to the principal stress directions. Thus, meaning when the design of this structural typology is based on the isostatic lines of their equivalent continuous structural elements according to their solicitations. This approach requires to establish, previously, the fundamental relationship formed by the basic concepts of geometry, shape and structural function. The first chapter, therefore, is a deep overview oft hese concepts. The chapter outlines the historical knowledge to determine the state-of-the-art according to their use in the design and analysis of architectural projects, based on a documentary compilation in which the baseline is to seek of understanding structural. Hence, allowing to establish a basic historical conceptual thread that in the course of its evolution shells the various formal aspects of the function-form relationship. In chapter 2, a basic comparative study is performed, in two dimensions, around different triangulations of lattice girder to determine the relationship between structural efficiency and the arrangement of the bars that make up the trusses, as adapted to the isostatic lines trajectory of their equivalent continuous structural elements, previously mentioned. The basic study, around efficiency and structural behavior, is implemented later in the analysis of more complex spatial structures, which are the main object of this research. Matter of factly, this concept of structural optimization, used according to the form, allows this research to address the study of skyscrapers based on spatial mesh as a framed tube resistant system in the field of architecture. As justified in the third chapter and more thoroughly discussed in chapter 4 this current trend is frequently used. lts use is due to the high architectural and structural features offered by this structural type, which is characterized by the close relationship of the binomial that conform the architectural design and structural concept. In chapter 5, a proposal is outlined according to the final structural comparative studies. by presenting an architectural proposal that includes the so-called concept "structural aesthetics" that emerges from the binary concept previously mentioned, which is widely used in the design and analysis of architectural structures. Chapter 6 is devoted to the analysis of the data, the findings of the comparative studies conducted, in accordance with the structural efficiency, are presented. These results will determine if the mesh or framed tube structures are more efficient if they adopt the isostatic lines trajectory generated by the main and dominant lateral load, in the high-rise buildings case, the wind. Conjointly, in this chapter the possible future research lines derived from the above conclusions are outlined .

L’objectiu fonamental d’aquesta Tesi és establir un procediment per a la optimització de malles estructural d’acer, envolupants d’edificis en alçada, com a tipologia estructural d’entramat en tub (malles espacials), donat el creixent interès en aquesta tendència constructiu-arquitectònica. Per a això, es realitza un estudi comparatiu estructural en base a l’anàlisi de les tensions principals, per determinar si les malles espacials, envolupants d’edificis en alçada, són més òptimes i eficients quan el seu disseny s’adapta a les direccions de les tensions principals i, en definitiva, a la trajectòria de les línies isostàtiques dels elements estructurals d’ànima plena equivalents, sota les accions sol•licitants. Aquest enfocament requereix que prèviament s’estableixi la relació fonamental que conformen el conceptes bàsics geometria, forma i funció estructural. Concepció, aquesta, que s’aborda de forma àmplia en el capítol 1, per a constituir un estat del coneixement historicista d’acord a la seva utilització en el disseny i l’anàlisi dels projectes arquitectònics, en base a una exhaustiva recopilació documental que s’inicia en la recerca de la comprensió estructural. La qual permet establir inicialment un fil conceptual bàsicament històric que en el transcurs de la seva evolució vagi desgranant les diferents vessants formals d’aquesta relació funció-forma. En el capítol 2 s’aborda un estudi comparatiu bàsic, en dues dimensions, de diferents triangulacions de bigues de gelosia planes, per determinar la relació entre la seva eficiència estructural i la disposició de les barres que conformen l’entramat de les armadures, segons la seva adaptació a la trajectòria de les línies isostàtiques dels elements resistents d’ànima plena equivalents, prèviament esmentats. L’estudi bàsic realitzat, de rendiment i comportament estructural, s’implementa posteriorment en l’anàlisi d’estructures espacials de major complexitat, les quals són l’objecte principal d’estudi del present treball de recerca. Efectivament, aquest concepte d’optimització estructural utilitzat, d’acord amb la forma, permet abordar l’estudi en edificis en alçada en base a les malles espacials com a sistema resistent d’entramat en tub en l’àmbit de l’arquitectura, d’ús assidu com és justifica en el tercer capítol, i es tracta en el capítol 4. El seu ús es deu a les elevades prestacions arquitectònic-estructurals que ofereix aquesta tipologia estructural, la qual es caracteritza per l’estreta relació del binomi que conformen el disseny arquitectònic i el concepte estructural. En el capítol 5, d’acord amb els estudis comparatius estructurals finals realitzats, atenent al procés d’optimització proposat, es conclou amb una proposta arquitectònica que engloba el concepte de «estètica estructural» que es desprèn de la concepció del binomi mencionat, àmpliament utilitzat en el disseny i l’anàlisi d’estructures arquitectòniques. En el capítol 6, dedicat a l’anàlisi dels resultats obtinguts, s’extrauran les conclusions dels estudis comparatius realitzats d’acord amb l’eficiència estructural. Amb això, es determinarà si les malles o estructures d’entramat en tub milloren la seva eficiència quan s’identifiquen amb la trajectòria de les línies isostàtiques generades per les accions actuants, en el cas que s’ocupa d’edificis en alçada, considerant l’acció lateral principal en aquest tipus de construcció, el vent. Així mateix, en aquesta capítol es formulen les possibles línies d’investigació que es deriven de les conclusions exposades.

El objetivo fundamental de esta Tesis es establecer un procedimiento para la optimización de mallas estructurales de acero, envolventes de edificios en altura, como tipología estructural de entramado en tubo (mallas espaciales), dado el creciente interés en esta tendencia constructivo-arquitectónica. Para ello, se realiza un estudio comparativo estructural en base al análisis de las tensiones principales, para determinar si las mallas espaciales, envolventes de edificios en altura, son más óptimas y eficientes cuando su diseño se adapta a las direcciones de las tensiones principales y, en definitiva, a la trayectoria de las líneas isostáticas de los elementos estructurales de alma llena equivalentes, bajo las acciones solicitantes. Este enfoque requiere que previamente se establezca la relación fundamental que conforman los conceptos básicos geometría, forma y función estructural. Concepción, ésta, que se aborda de forma amplia en el capítulo 1, para constituir un estado del conocimiento historicista de acuerdo a su utilización en el diseño y el análisis de proyectos arquitectónicos, en base a una exhaustiva recopilación documental que se inicia en la búsqueda de la comprensión estructural. La cual permite establecer inicialmente un hilo conceptual básicamente histórico que en el transcurso de su evolución vaya desgranando las distintas vertientes formales de dicha relación función-forma. En el capítulo 2 se aborda un estudio comparativo básico, en dos dimensiones, de distintas triangulaciones de vigas de celosía planas, para determinar la relación entre su eficiencia estructural y la disposición de las barras que conforman el entramado de las armaduras, según su adaptación a la trayectoria de las líneas isostáticas de los elementos resistentes de alma llena equivalentes, previamente mencionados. El estudio básico realizado, de rendimiento y comportamiento estructural, se implementa posteriormente en el análisis de estructuras espaciales de mayor complejidad, las cuales son el objeto principal de estudio del presente trabajo de investigación. Efectivamente, este concepto de optimización estructural utilizado, de acuerdo a la forma, permite abordar el estudio en edificios en altura en base a las mallas espaciales como sistema resistente de entramado en tubo en el ámbito de la arquitectura, de uso asiduo como se justifica en el tercer capítulo, y se trata en el capítulo 4. Su uso se debe a las elevadas prestaciones arquitectónico-estructurales que ofrece esta tipología estructural, la cual se caracteriza por la estrecha relación del binomio que conforman el diseño arquitectónico y el concepto estructural. En el capítulo 5, de acuerdo a los estudios comparativos estructurales finales realizados, atendiendo al proceso de optimización propuesto, se concluye con una propuesta arquitectónica que engloba el concepto de «estética estructural» que se desprende de la concepción del binomio mencionado, ampliamente utilizado en el diseño y el análisis de estructuras arquitectónicas. En el capítulo 6, dedicado al análisis de los resultados obtenidos, se extraerán las conclusiones de los estudios comparativos realizados conforme a la eficiencia estructural. Con ello, se determinará si las mallas o estructuras de entramado en tubo mejoran su eficiencia cuando se identifican con la trayectoria de las líneas isostática generadas por las acciones actuantes, en el caso que se ocupa de edificios en altura, considerando la acción lateral principal en este tipo de construcción, el viento. Así mismo, en este capítulo se formulan las posibles futuras líneas de investigación que se derivan de las conclusiones expuestas.