Steel structure in Logroño bus station project

SteelStructureinLogroñoBusStationProject MiguelGarcíaManzanos1 ABSTRACT ThesteelstructureofthefuturebusstationLogroñofitswithinuniquestructuresandarchitecturally representativebuildings.Thisstructureispartofanurbancomplexthatallowsintegrationrailroad passingthroughLogroño(beingalreadybuiltitsfirstphase‐RailwayStation‐). Thisstructureissubstantiallysymmetricalfromthepreviouslyexecuted,andincludesacentraldome whichgivespedestriancontinuationovertheparklocatedonbothstations. Theproblemsetoutistogeneratearesistantstructureputinplacebetweentwounrelatedtothe resistantformsurfaces(theupperurbanparkandtheinteriorfinishesstation). Thetridimensionalgeometricdesign,complexityofmodelandmeasuringprocess(thehighnumberof loadpathsunderconsideration)arefactorsthatattributeanextravaluetothestructureandaffirm theiruniqueness. Keywords:Roof/Three‐dimensional/Steel/SpaceTruss/Dome. 1 DepartamentodeEstructuras.TYPSA(ESPAÑA).mgmanz[email protected](Correspondingauthor) 660 Steel roof bus station Logroño Third International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering University of Seville. 24-26 june 2015. 1. DESCRIPCIÓNDELAESTRUCTURA 1.1. IntroducciónyAntecedentes LacubiertadelafuturaEstacióndeAutobusesdeLogroñoformapartedeunconjuntourbanoque permitelaintegracióndelFerrocarrilasupasoporlaCiudad,estandoejecutadoyaensufaseprimera (EstacióndeTrenes).Semuestraenlassiguientesimágeneslaconfiguraciónenplantadelconjunto, tantoaniveldeparquesobreestacionescomoacotadevestíbulodeambasestaciones. Figura1.PlantaacotadevestíbulodelasestacionesdeFFCC(construida.Derecha)yautobuses(izquierda). Figura1.PlantadeparquesobrelasestacionesdeFFCC(construida)yautobuses,conlacúpulacentral Lassiguientesimágenesdesecciónlongitudinalytransversalrespectoalalíneaferroviariaacabande mostrarelesquemadeconjunciónentrelosespaciosedificatorioyurbano. 661 Miguel García Manzanos Figura3.SecciónlongitudinaldelasestacionesdeFFCC(construida)yautobuses. Figura4.SecciónlongitudinaldelaestacióndeautobusesproyectadaycajónFFCCexistente(ejecutadoFaseI). Figura5.SeccióntransversaldelaestacióndeautobusesproyectadaycajónFFCCexistente(ejecutadoFaseI). Vistoloanterior,quedaargumentadalasingularidaddelproyectoenlosnivelesedificatorio, arquitectónico,urbanístico,paisajístico,ydeinfraestructuradeltransporte.Estasingularidad,unidaa lapropiacomplejidadderivadadelacronologíadeejecucióndelasobras,hatenidosuimpactoenla propiaconcepciónyplanteamientodelosmodelosdecálculo. Así,durantelaejecucióndelasobrasdelaFaseIdelaIntegracióndelFerrocarrilenlaCiudadde Logroño,quecomprendíatantolaconstruccióndelcajónferroviariocomolaEstacióndeviajeros, quedaronejecutadas,enprevisión,lascimentacionesdelafuturaEstacióndeAutobuses. Estofuedebido,porunaparte,alaprovechamientodelossistemasconstructivos(empleode maquinariayprocedimientosconstructivosdecimentacionesprofundas‐batachesdepantallasy pilotes‐)y,porotra,alaimposibilidaddeacometeralgunosdeestoselementosluegodefinalizada completamentelafaseIferroviaria(porejemplo:algunasdelascimentacionesprevistasparala 662 Steel roof bus station Logroño Third International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering University of Seville. 24-26 june 2015. estacióndeautobusesquedanintegradasenelrecintointeriordelparkingdelaestaciónde ferrocarril).Resultabaasíevidentequeel solape entre el soterramiento y la futura Estación de Autobuses de Logroño ofrecía la posibilidad de aprovechar las pantallas de contención del soterramiento para la colaboración en el apoyo y sustentación de la estructura de la nueva Estación de Autobuses, así como aprovechar igualmente y como se ha señalado la maquinaria especializada existente en el momento de la obra. Así,loselementosdecimentaciónejecutadosparalafuturaEstacióndeAutobusesdurantelasobras delaFaseIdelaIntegracióndelFerrocarrilconstituyeronelpuntodepartidadelosmodelosde cálculoestructuralescontotalantelaciónrespectoaladefiniciónarquitectónicafinal. Deestemodo,yconuncontroldelasposiblesincertidumbres(derivadassobretododelageometría finalenalzadopordefinirparalacubiertadeAutobuses),seinicióelprocesodeelaboraciónde modelossimplificadosconelobjetivodedeterminarlasreaccionesdelaestructuraaproyectary diseñarconellaslascimentacionesaejecutarporadelantado. Enlassiguientesimágenespuedenverselosprimerosmodelosdecálculoparaeldiseñodelas cimentaciones(datandodejuliode2010). Figura6.Geometríadesuperficiedeparqueparaencajepreliminardecimentaciones Figura7.Modelosdecálculoparaencajepreliminardecimentaciones.ElaboraciónTYPSAm/SAP2000 663 Miguel García Manzanos En estos modelos de cálculo, la principal incertidumbre para la estimación de las reacciones sobre apoyos para el diseño de las cimentaciones procedía de la falta de definición del peralte de la estructura de cubierta, que condicionaba fuertemente la proporción de las reacciones horizontales (véase en las figuras anteriores que la cúpula y la parte final opuesta de la cubierta presentan elevación, mientras que la parte central se modeló completamente plana). De dichos cálculos previos resultó el Proyecto de cimentación hasta cota cero de la nueva Estación de Autobuses de Logroño (mayo de 2011), según el cual quedaban sentadas las bases para el futuro proyecto, al tiempo que se fijaba un gran condicionante de cara a su diseño final. Figura8.CimentacionesejecutadasModelosdecálculoparaencajepreliminardecimentaciones En enero de 2014 se recibe el encargo del cálculo y definición a nivel de Proyecto Constructivo de la estructura de la Estación de Autobuses. Conceptualmente, este hito implicaba el cálculo completo y optimizado de una estructura sensiblemente "gemela"‐enplanta‐alaejecutadaparalaestaciónde viajerosdeFFCC,cuyascimentacionesseencontrabanejecutadasenvirtuddelosencajes previamentereferidos,yañadiendocomoelementossingularalproyectolacúpulacentralde conexiónentreambasestaciones.Puedeverseenelpanelinformativoqueatalefectoelaboróel Promotor.Elpuntodepartidaparaeldiseñodelaestructuradecubiertaycúpulapuedeverse claramenteenlasiguientefotografía. Figura9.FotografíaaéreadelpuntodepartidaparaelproyectodeAutobuses(obradelaFaseIferroviaria) 664 Steel roof bus station Logroño Third International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering University of Seville. 24-26 june 2015. 1.2. Característicastécnicasyplanteamientogeneraldelaestructurasingular Laprincipalcaracterísticadelaestructuraadefinir,modelarycalcular,esquesucarácter tridimensionalharequeridodeuntrabajoespacialdesdeeliniciodelProyecto.Yesqueelespacio urbanosuperior,enformadeparque,seelevarespectoasuentornogenerando,amododesuave promontorio,unespaciointeriorde"gruta"paraalbergarlasestacionesdetrenesyautobuses.Por tanto,existendossuperficies(ladelparqueurbanosuperior,yladeacabadointeriordelaestación) quedelimitan,tridimensionalmente,elespacioparaalbergarlaestructuraresistente.Ambas superficiessonfacetadas,quedandocompuestasporelementostriangulares,conloquecadavértice setraduceenunbinomiodecotasquedelimitanelcantoestructuralmáximo. Portanto,elproblemaplanteadoradicaengenerarunaestructuraresistenteencajadaentredos superficiesnovinculadasalaformaresistente.Paraestepropósito,semantienelaideallevadaa ejecuciónenlacubiertadelaEstacióndeFerrocarril,encuantoalaeleccióndeunatipologíade estructurametálica(aceroS355)generadamediantecelosíasquepermite,además,definirpuntosde controldelasgeometríasfacetadasenloscordonessuperioreinferior. Estascerchasseorganizanenfamiliasortogonalesparaelcuerpoprincipaldelacubiertayradialesy circunferencialesparaelcuerpodelacúpula(manteniendoasílacompatibilidaddelsistema estructuralconsideradoenelcálculodelacubiertaferroviaria,dondeseintrodujeronunasreacciones estimadasparalatransferenciadelacúpuladeacuerdoaloanterior). DeestemodoseconsiguecubrirlahuellatotaldelaEstacióndeAutobuses,queasciendeauna superficiesuperiora11.500m²(delosqueunos3.000m²correspondenalacúpulacentral,conuna luzmáximadetrabajodecasi60m).Aesterespecto,lasdimensionesdelelementocircunferencial exteriordelacúpulacorrespondenalosejesmayor/menordeunaelipse(aprox.)yvalores56/44m. Enanchura,lacúpulaseexpandeconadicionalmentedesdeloscitados44metroshastalos67.Enla siguientefigurapuedeverseelesquemaseguidoporelcuerpoprincipaldelaestacióndeFFCC. Figura10.IlustraciónsistemadecerchasmetálicasenlaEstaciónferroviaria. 665 Miguel García Manzanos 1.3. Concepcióndetalladadelaestructurametálica Talycomosehaseñaladohastaalmomento,existenunoscondicionantespreviosquehandebidoser tenidosencuentadeinicio.Puedenagruparsebajodosepígrafes: ‐ Enprimerlugar,condicionantesdetipogeométrico,derivadosdelafijacióndelosplanos arquitectónicosdefinidosporlassuperficiesfacetadasdefalsotechoyparque,yentrelosque correspondeinscribirelsistemaestructural. ‐ Ensegundolugar,imposicionesrelativasalascondicionesdesustentaciónquematerializala obraferroviariaejecutada;refiriéndoseestepuntoa: olascimentacionesprevistasparalaestructuradecubierta(lógicamentemercedauna estimacióndecargasyreaccionessobreapoyosprevia)yyaejecutadas.Enestecaso, haresultadodeespecialrelevanciareferirsealascondicionesquedeben materializarseenobraparaunacorrectaabsorcióndelasreaccionesporpartedelos elementosejecutados(nosestamosrefiriendo,básicamentealaconexióndelos elementosdecimentacióndelaestructuradeAutobusesconelcajónferroviariopara ladifusióndelasaccioneshorizontalesderivadasdelperaltedelacubierta‐lasmás significativasdeellascorrespondenalasreaccioneshorizontalesdelacúpula‐); olascondicionesdetransferenciadecargaprevistassobrelasalineacionesinicialesde laestructuradelacubiertaferroviariaporpartedelacúpulaquedotadecontinuidad superioralparqueyenlazaconlacubiertadelaEstacióndeAutobuses. Enresumen,lacubiertametálicadelaEstacióndeAutobusesseplanteabajolosdosgruposde condicionantesseñaladosanteriormente:inscripciónenlageometríaqueproporcionanlassuperficies facetadasdefalsotechoyparque,yobraejecutada(cimentacionesprevistasyenlacedelacúpulacon lacubiertadelaestacióndeFerrocarril). Respectoaestasúltimas,esprecisoseñalarquesetratadeelementosdecimentaciónprofunda (batachesdepantallaypilotes),conunadisposiciónenplantaquepermitediferenciarunprimer contornodeelementosqueseacoplaalaslíneasdefachada(norte,suryoeste),yunsegundogrupo debatachesinterioresalrecintodelaestaciónsininvadir,lógicamente,elespacioferroviario.Se remitealafigura8. Estoselementosdecimentaciónpermitendefinir,paraelcuerpodelaestación,dosfamiliasde cerchasmetálicasordenadassobreunosejesortogonales(E‐OyN‐S),siendosucantovariabley adaptadolageometríaarquitectónicaantedicha.LamodulacióndelascerchasN‐S(principales)se encuentraentornoalos10metros.Tantodichointereje,comoelcorrespondientealascerchas secundarias(E‐O)‐queoscilaenelrango4a7m.‐,quedaajustadoparaacoplarsealoselementosde cimentaciónmencionados. Estasfamiliaspresentanundesarrollocontinuoquequedainterrumpidoconlairrupcióndeun lucernariocentral,queseelevaamododelengüeta,sobreelconjuntoyque,aniveldeuso,permite albergarlaterrazadelacafetería. Laintegraciónentrelaplantadeestructuradelcuerpoprincipalylascimentacionespreviamente ejecutadaspuedeverseenlasiguientefigura. 666 Steel roof bus station Logroño Third International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering University of Seville. 24-26 june 2015. Figura11.Plantaestructuraljuntoconlascimentacionespreexistentes. Figura12.Geometríatipodecerchasprincipales(N‐S)ysecundarias(E‐O) Puedeadelantarseenestepuntoquelascondicionesdecontornoaaplicarsobreelmodelo correspondencon: ‐ Empotramientosentodosloselementosdecimentacióninterior:elproyectode cimentacionesacotalasexcentricidadesmáximasporencimadelascualeslaseccióndelos batachesinterioresdejadeestarpermanentementecomprimida(axilresultantefuerade núcleocentral),asícomoeldiagramadeinteracciónaxil‐flectorejefuertehastaelcualpuede asumirflexiónelbatache,siempreycuandosedispongadelcorrespondienteelementode repartodesdelaplacahastaconseguirtraccionartodalaarmaduradelbatache(problema 667 Miguel García Manzanos derivadodeladiferenciadedimensionesentreplacaybatache).Estaúltimaopción, combinadaconelementosdeconexiónalcajónferroviarioquepermitierandifundiry contrarrestarlasaccioneshorizontalesenapoyos,haconstituidolamedidageneralparala utilizacióndeloselementospreviosdecimentación,cuyascargasverticaleshanverificadola cargadehundimientosupuestaconanterioridad. ‐ Empotramientoenlosapoyosdelosperímetrosnorteysur,dondeloselementosde cimentaciónsonrecogidosporvigasdeatado. ‐ apoyossimples(girolibre)enperímetrooeste,condeslizaderas(materializadasmediante agujerosrasgados)endirecciónE‐O,quepermitenalascerchassecundariasdilataciónparala accióntérmicaconsiderada. ‐ Apoyossimplesencordonessuperioreinferiordelperímetroeste(unióndecúpulaconla estructuradecubiertadelaEstaciónFerroviaria) Figura13.Acoplamientodelacúpulaaproyectarconlaestructuraejecutadadelaestaciónferroviaria Porsuparte,lacúpulacentralseorganizatambiéncondicionadaporcompatibilidadconelperímetro deapoyoconlacubiertaferroviariaejecutada,mediantefamiliasdecerchasmetálicasradialesy circunferenciales.Aligualqueenelcasoanterior,lacontinuidadeneltrabajoporformadelacúpula seinterrumpeporlaaparicióndeunóculocentral.Geometríasdecerchasradialesycircunferenciales sonmostradosacontinuación: Figura14.Geometríatipodecerchasradialesycircunferenciales. 668 Steel roof bus station Logroño Third International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering University of Seville. 24-26 june 2015. oSehanmodeladolibresenlauniónconelcordóninferior,aexcepcióndelos montantescomunesadoscerchasoaquellasdiagonalesunidasalcordóninferioren elencuentroentredoscerchas.Setomaunβigualalaunidad. ‐ Porúltimo,paralospilaressehaadoptadouncoeficienteβde0,7. 2.2.4. Accionesconsideradas Acontinuaciónseenuncian,concaráctergeneral,elconjuntodeaccionesconsideradasenlos cálculos: ‐ PesoPropio. ‐ Cargaspermanentessobrecubierta oChapacolaboranteycorreas oFalsotechoeinstalaciones oZonaParque oForjadoeninteriorcafetería oPaneldevidrioencierredecafetería oMuroscortinaenelperímetroN‐Sdelparque oPesodelasfarolas ‐ Sobrecargasdeusoencubierta: oSobrecargadeusoenparque oSobrecargadeusoeninteriorcafetería oSobrecargademantenimientoencierredecúpula ‐ Sobrecargadenieve ‐ Presióndelviento ‐ Accionestérmicas Amododeresumen,seadjuntanlassiguientestablasquereúnenlosvaloresdelascargaspara obtenerunordendemagnituddelasaccionesaplicadas: Tabla1.Cargaspermanentes CARGASPERMANENTES Pesopropioacero78.5kN/m³ Chapacolaboranteycorreas4.0kN/m2 Falsotechoeinstalaciones1.0kN/m² Zonaparque9,0kN/m² Forjadointeriorcafetería5,15kN/m2 Paneldevidrioencierredecafetería 5kN/ml MuroscortinaenelperímetroN‐Sdelparque 5kN/ml Pesodelasfarolas1,5kN 675 Miguel García Manzanos Tabla2.Cargasvariables CARGASVARIABLES Sobrecargadeuso10kN/m² Sobrecargadeusoeninteriorcafetería5kN/m² Sobrecargaescalerascafetería5kN/m² Sobrecargademantenimiento 1,0kN/m² Accióntérmica±10ºC AcciónvientoVariablesegúnparamento Accióndenieve0.6kN/m² 2.2.5. Hipótesisdecargaycombinaciones Lascombinacionesentreaccionesquesehanutilizadoenelmodelosiguenlasprescripcionesdela normativavigente(CTE‐SE).Segúnlascargasdefinidas,existen3tiposdecargasvariables:Sobrecarga deuso,temperaturayviento.Porlotanto,paracadatipodecargaesnecesariocomprobarsu combinaciónconelrestodeaccionesactuandocomoconcomitantesydiferentescoeficientesde combinación.Comoresultado,seobtienen6ecuacionesenEstadoLímiteÚltimodecadasobrecarga. Enestepunto,cabedestacarquedebidoalageometríadelacubierta,losesfuerzosyreaccionesmás desfavorablesnotienenporquécorrespondercontodalacubiertacargada. Estosignificaque,paracargarlacubiertametálicabajolahipótesisdesobrecarga,esnecesario contemplarunsistemadecargasendameroosimilar. Porello,sedecidediscretizarlasuperficiedecubiertaendiferenteszonasatendiendocomocriterio dezonificaciónlasunionesconpilaressegúnelsiguienteesquema: Figura21.Plantadediscretizaciónendamerodelassuperficiesdecarga 676 Steel roof bus station Logroño Third International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering University of Seville. 24-26 june 2015. 2.2.6. Procesodecálculo Elprogramautiliza,paralosesfuerzosdecombinaciónimplementados,unacomprobacióndela seccionesdeaceroestructuraldeacuerdoconelEurocódigo3. Talycomoobservarseenlaimagensiguiente,loselementoshansidoverificadosaflexocompresión (incluyendolainestabildiad)yesfuerzostangenciales. Figura22.Cálculosrealizadosporelsoftwareinformático. 3. ANÁLISISDERESULTADOS Unavezfinalizadalageometríadelmodeloylacaracterizacióndelasaccionesehipótesisdecarga,se ejecutaelmodeloconunnúmerodeelementostipobarrasuperiora5400.Estehechomagnificala necesidaddeoptimizarelprocesodedimensionamientoyeconomizarloscambiosquepuedasufrirel modeloalcambiarlosdiferentesperfilesmetálicos. Comosehacomentado,asuvezesnecesariorealizarundimensionamientocoherenteconlas reaccionesadmisiblesquesoportanlascimentacionesejecutadasytodoelloconjugadoconla uniformidad,enlamedidadelosposible,paraquelaejecucióndelacubiertaseaconstructiva(y económicamenteasumible);esdecir,conciertahomogeneidadenlaconfiguracióndelosmódulosde montajeycambiosdeseccionesresistentes. Paratodoello,sehanintensificadoelusodelmódulode“Design/checkingofstructure”.Enla siguienteimagensemuestraunasalidagráficaduranteelprocesodeevaluacióndelgradode aprovechamientodelosperfiles. 677 Miguel García Manzanos Figura23.Gradosdeaprovechamientoenbarrasdelmodelo. Principalmente,estaherramientasehaempleadoparalocalizarlaszonasconcomportamientono óptimoencuantoalastrayectoriasdecargasseguidasintuidasdeantemano. Unavezidentificadasestaszonas,sehanrealizadocambiosdeseccióneneldiseño;loscuales, lógicamenteafectanaladistribuciónderigidecesgeneraldelaestructuraypuedenvolveraalterar esastrayectoriasdebajadadecargas.Yesprecisamenteeseelprincipalproblemaencontradoenel diseñodelaestructura:suelevadogradodehiperestaticidadylanointuitivacantidaddetrayectorias enqueseconcentraeltrabajoestructural.Notanextensocomoelproverbiochino("elaleteodelas alasdeunamariposapuedeprovocarunTsunamialotroladodelmundo"),perosírepresentandoesa absolutainterrelacióneneltejidoestructuraldiseñado,yporelcualadquiereunagransensibilidada lamodificacióndecualquieradesuselementosindividuales. Portanto,eltrabajoensoftwaredelasopcionesdediseñoqueofreceSAP(“Design/checkingof structure"&“Changedesignsection”)sehasupeditadoalconocimientoindividualdelfuncionamiento delosconjuntosdeelementos(véasefigura15)ycomprobacionesauxiliares;sibien,elajustefinalde laestructuradiseñada(contodaslascombinacionesdediseñoqueimplicalageneracióndelascargas endamero,etc.)harequeridodeunprocesoiterativo. 678 Steel roof bus station Logroño Third International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering University of Seville. 24-26 june 2015. 4. CONCLUSIONES Esteartículopretendemostrarelprocedimientodeoperaciónseguidoenelproyectodeuna estructurametálicaaltamentesingular;porloquelasconclusionesobtenidasadquierenuncarácter expositivo.Elenunciadodelproblemaplanteadoradicabaengenerarunaestructuraresistente encajadaentredossuperficiesnovinculadasalaformaresistente;todoello,enunespacio tridimensional. Portanto,parasuresolución,sehadiscretizadoelespaciodisponible,concentrandolaestructuraen elementostipocercha(demanerasimilaralacubiertaejecutadapreviamenteparaelferrocarril,pero conlacomplejidaddeunacimentaciónejecutadadeantemanoydeunacúpuladeconexión,de grandesluces),loscualeshangeneradounaestructuradondelastrayectoriasquedeterminanla bajadadecargasalacimentación,yendefinitiva,eltrabajoestructural,norespondenalaintuición deuntrabajoporforma;loqueimplicaquelamovilizacióndeenergíapordeformaciónesaltamente sensibleapequeñoscambiosindividualesenelementos.Lógicamente,esteesfuerzoporobteneruna estructuralomásracionalposibleenunsistematansensible,dedisparmovilizacióndeenergíade deformación,redundaenunconsumodematerialqueargumentaigualmentelaelevadasingularidad deltrabajoquesepresenta:unratiodeunos230Kgdeacero(estructuracompleta,incluyendo correas,etc.)pormetrocuadradodesuperficiecubiertaenplanta. AGRADECIMIENTOS Losagradecimientosdelautorparatodosloscompañerosinvolucradosenelproyectoy,enespecial, alequipodelDepartamentodeEstructurasdeTYPSAdelaDirecciónTerritorialdeAragón,Navarray LaRioja:JoséManuelViver,AdolfoGómez,MartaMiguel,AlvarSantamaría,JaimeSanRomán;Daniel Jordán,JorgeNiubó,RicardoCastejón,ManuelBernabé,PatriciaGarcíaKilroy,MiguelDíez,Salvador Fernández,JoséLuisSánchez,FernandoCea. REFERENCIAS [1] Referenciasnormativasvigentes:InstruccióndeHormigónEstructural(EHE‐08),CódigoTécnico delaEdificación(DB‐SE),InstruccióndeAceroEstructural(EAE),Eurocódigos(EC1,EC2,EC3,EC4) [2] Ábalos+SentkiewiczArquitectos(2013).NuevasNaturalezas.LaEstaciónIntermodaldeLogroño. Madrid:Q!estudio. 679