Technology to build double curved shells from plane elements

Arquitectos e ingenieros buscan constantemente nuevas soluciones para la creación de espacios envolventes eficientes. La industrialización y el desarrollo del mundo moderno han estimulado inevitablemente la demanda de cubiertas eficientes y capaces de encerrar grandes áreas libres de columnas. Las estructuras espaciales, sin duda, satisfacen dicha demanda y, si son bien diseñadas, requieren un uso mínimo de materiales estructurales. Este proyecto presenta un estudio sobre una nueva tecnología para construir cubiertas de doble curvatura a partir de elementos planos. Este trabajo se ha llevado a cabo en el Instituto de Ingeniería Estructural de la Universidad Tecnológica de Viena, bajo la dirección de O.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Johann Kollegger, y la supervisión de Dipl.Ing. Sonja Dallinger. Este nuevo método de construcción consiste en la transformación de un plato plano, formado por elementos, en una cubierta semiesférica mediante el uso combinado de elementos prefabricados, cables tensionados y un globo neumático. Además, este método no sólo es adecuado para cubiertas de hormigón, sino también para cubiertas de hielo. Diferentes experimentos se han realizado en el Instituto desde el 2005. Las cubiertas delgadas de hormigón son duraderas y demandan un mantenimiento mínimo. Este nuevo sistema mantiene todas las ventajas de las cubiertas de hormigón, pero elimina la necesidad de encofrados temporales y los altos costes asociados a estos. Por lo tanto, este nuevo sistema ofrece una alternativa atractiva a otros sistemas estructurales utilizados en cubiertas de grandes espacios. En las dos primeras secciones se presentan las estructuras semiesféricas. En la primera sección se ofrece una visión general sobre las estructuras semiesféricas: aplicaciones, características generales, clasificación; y una exposición de la teoría general para el análisis de membranas delgadas. La segunda sección se centra en el diseño y análisis de una cúpula. En primer lugar se presenta una visión general de las cúpulas a lo largo de la historia. Su comportamiento estructural, así como las distintas técnicas para la construcción de cubiertas semiesféricas delgadas. Posteriormente en la tercera sección, el nuevo método de construcción basado en el uso combinado de elementos prefabricados, cables tensionados y un globo neumático, se explica en profundidad. Tres experimentos diferentes: una cubierta semiesférica de hormigón en Viena y dos cubiertas semiesféricas de hielo en el Tirol, se analizan y exponen en detalle. La planificación, selección de materiales y elementos utilizados durante el proceso de construcción, se prueban en el laboratorio a fin de garantizar sus propiedades mecánicas y resistentes. En la cuarta sección, se lleva a cabo un análisis analítico y de elementos finitos en la estructura estudiada. Se realiza una modelación numérica de la cubierta semiesférica utilizando el programa de elementos finitos ABAQUS. Los resultados de los modelos numéricos son comparados con los analíticos para asegurar el adecuado comportamiento de la estructura. Por último en la quinta sección, el globo neumático y los cables tensionados utilizados en el proceso de construcción de la estructura, también se estudian en profundidad. Conclusiones y propuestas de mejora de esta tecnología se obtienen a partir de este estudio. __________________________________________________Architects and engineers constantly seek new solutions to the problem of efficient space enclosure. The industrialization and development of the modern world has inevitably spurred demand for efficient and adaptable roofs for enclosing large columnfree areas. Spatial structures without doubt, meet such demand and, if properly designed, require a minimum use of structural materials. This thesis presents a study into a new technology to build double curved shells from plane elements. This work has been carried out the last years by the Institute for Structural Engineering of the Vienna University of Technology, under the management of O.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Johann Kollegger. This new construction method consists on transforming a plate formed by plane elements into a shell with the combined usage of precast elements, post tensioning and pneumatic formworks. Moreover, this method is not only suitable for concrete shells but also for ice shells. Different experiments had been performed in the Institute since 2005. Thin concrete shells are durable and demand minimal maintenance. This new system retains all the benefits of thin concrete shells, but eliminates the need for temporary formwork and the high costs associated. Therefore, the new system offers an attractive alternative to other structural systems for large-span roofs. In the first two sections a general overview about the shell structures, design and analysis of domes is presented; as well as known techniques in the building of thin shells. Then the new construction method based on the combined usage of precast elements, post tensioning and pneumatic formworks, is explained in detail. Three different experiments, one concrete shell in Vienna and two ice shells in Obergurgl, are monitored and deeply exposed. The planning, selection of materials and elements used during the building process are tested in the laboratory in order to ensure their demanded properties. An analytical and finite element analysis is carried out on the structures. A numerical modeling of the hemispherical shells using the finite elements program ABAQUS was undertaken. The numerical modeling results are compared to the analytical ones to ensure the adequate behavior of the structure. Finally the pneumatic formwork and tendons used in the building process of the shell are also studied deeply. Conclusions and improvement proposals for this technology are obtained from this study.Ingeniería Industria