Análisis estructural de las portadas de la feria de Sevilla: dimensionado, validación experimental y optimización

Las portadas de Feria de Sevilla son un elemento clave de la tradición festiva sevillana. Año tras año los habitantes de la ciudad esperan con impaciencia el descubrimiento de la Portada que habrá de representar simbólicamente algunos de los edificios más emblemáticos de la ciudad. No es una costumbre recientemente adquirida, es un hito simbólico que se remonta al siglo XIX y que ha ido conformando su carácter a través de los tiempos hasta convertirse en símbolo de nuestra Feria más universal. Su definición constructiva también se ha modificado con el paso de los años, constituyéndose hoy por hoy como una estructura tubular metálica revestida de tablones madera en vivos colores y atirantada mediante cables para ser estabilizada debido a su considerable altura. Desde el punto de vista estructural, se pretende en el presente trabajo realizar un modelo de análisis apropiado a dicha definición constructiva que permita su optimización, lo que evidentemente se habrá de traducir en una reducción del presupuesto económico. Para validar el modelo de análisis inicialmente propuesto se han llevado a cabo una serie de ensayos experimentales con los que confirmar las hipótesis preliminares establecidas. Sin embargo, el verdadero interés del presente trabajo no es sólo el lograr una reducción presupuestaria en la ejecución de las portadas de Feria, sino que se trata de ir más allá y extraer una serie de conclusiones de la validación de dicho modelo de análisis que puedan ser de aplicación en otras estructuras de carácter similar, refiriéndonos en particular a las estructuras recíprocas o nexoradas, un campo de aplicación que hoy por hoy está ampliamente trabajado desde el punto de vista teórico, pero en el que todavía existen grandes incertidumbres a la hora de realizar modelos numéricos. Los objetivos fundamentales del presente trabajo de investigación son los siguientes: - Elaboración de un modelo numérico ajustado a la realidad, que nos permita: - Garantizar la seguridad de la estructura que nos ocupa. - Optimizar el modelo estructural correspondiente. - Realización de ensayos experimentales que nos permitan actualizar y validar dicho modelo numérico, bien mediante ensayos de vibración ambiental, a través de la identificación de los parámetros modales más representativos del comportamiento estructural, o bien mediante ensayos en túnel de viento. - Por tanto, de forma implícita, otro de los objetivos del presente trabajo es la adquisición de experiencia práctica a nivel de realización de ensayos dinámicos en estructuras de grandes dimensiones. Para alcanzar los objetivos anteriores se realizaron las siguientes tareas: 1. En primer lugar se plantea la generación automática de mallas de barras espaciales utilizando para ello el plugin paramétrico Grasshopper del software Rhinoceros, de manera que sea posible construir con rapidez y eficacia tantas configuraciones geométricas como se deseen sin incurrir en un desgaste de tiempo excesivo. 2. Seguidamente, se investiga acerca de la influencia de la definición geométrica sobre el comportamiento estructural de las mallas de barras espaciales que constituyen las portadas de Feria, centrando la atención en la dirección de diagonalización del módulo prismático que constituye dichas mallas espaciales pero respetando siempre los límites impuestos por el propio sistema constructivo. En primer lugar se analizan las propuestas de diagonalización ejecutadas en los años considerados para así estudiar su evolución y detectar las mejoras adoptadas con el transcurso del tiempo. En segundo lugar, mediante diferentes técnicas propuestas, se pretende obtener las direcciones óptimas de diagonalización para su posterior comparación con las propuestas realmente ejecutadas. Dichas técnicas alternativas estarán basadas en procesos más tradicionales, como la asimilación a medio continuo de mallas de barras espaciales propuesta por los arquitectos J. Margarit y C. Buxadé en el año 1972 mediante la publicación de un texto fundamental para el análisis de mallas de barras en un momento en que la capacidad de los equipos informáticos era muy reducida, o en procesos más novedosos, mediante la utilización del simulador de físicas 3D ¿Kangaroo¿ para el plugin paramétrico Grasshopper. 3. Se procede seguidamente a la ejecución del análisis estático lineal del modelo de análisis propuesto mediante el software SAP2000 v.14, según el proceso empleado actualmente para el dimensionado de las portadas de Feria, para analizar la distribución y magnitud de los esfuerzos que se generan así como los desplazamientos obtenidos. Se desarrolla también a continuación el análisis modal del modelo numérico considerado inicialmente para obtener sus propiedades dinámicas fundamentales. 4. Se realiza a continuación una breve introducción a los principales métodos de identificación estocásticos basados en la respuesta de las estructuras ante acciones ambientales. Son descritos dos métodos de identificación en el dominio de la frecuencia, el método de selección de picos (PP) y el método de descomposición en el dominio de la frecuencia (FDD), así como su versión mejorada (EFDD). Por otra parte, se pretende lograr la familiarización con la utilización del software comercial Artemis Extractor 5.3 para la aplicación de los métodos de identificación estocásticos descritos anteriormente. Seguidamente, se describen los ensayos de vibración ambiental realizados sobre las portadas de Feria correspondientes a los años 2010, 2011 y 2012, así como las dificultades encontradas para la realización de los mismos. A partir de los resultados obtenidos en la realización de los ensayos descritos se identifican experimentalmente los parámetros modales del modelo estructural mediante los diferentes métodos de identificación estocásticos descritos anteriormente. 5. Igualmente se describe el ensayo realizado en túnel de viento en el túnel aerodinámico A9 del Laboratorio de Aerodinámica del Instituto Universitario ¿Ignacio da Riva¿ de la Universidad Politécnica de Madrid (IDR/UPM) para un modelo correspondiente a la portada de la Feria de Sevilla del año 2011, con el que se pretende validar la acción de viento a considerar en el modelo de análisis. 6. Posteriormente, se procede a la descripción de las hipótesis preliminares establecidas en el modelo de análisis propuesto tanto para los diferentes elementos que constituyen la estructura de forma individual como para el conjunto de la misma, realizándose para ello diferentes análisis comparativos para así estudiar la influencia de dichas hipótesis preliminares adoptadas sobre determinados valores de resultados obtenidos, fundamentalmente sobre las propiedades dinámicas fundamentales de la estructura. 7. Finalmente, se procede a la validación del modelo de elementos finitos anteriormente desarrollado mediante la evaluación de las hipótesis preliminares anteriormente establecidas. 8. Por último, sobre el modelo de análisis definitivo correctamente validado se procederá a su dimensionado u optimización para verificar si el ajuste realizado sobre dicho modelo de análisis permite la optimización del mismo, considerando como función objetivo la reducción del peso propio estructural. Para la realización del presente trabajo se ha consultado extensa bibliografía referente a los siguientes campos: historia de las portadas de Feria de Sevilla, mallas de barras, ensayos en túnel de viento, OMA,..