César Enrique Villar Guerra - Repositorio Universidad Nacional

Extensión para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en SAP2000 con

paneles solares integrados a la cubierta

César Enrique Villar Guerra

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Arquitectura

Maestría en Construcción

Medellín, Octubre de 2017

Extensión para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en SAP2000 con

paneles solares integrados a la cubierta

César Enrique Villar Guerra

Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:

Magíster en Construcción

Director (a):

Ing. Mónica María Montoya Vélez

Línea de Investigación:

Estructuras

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Arquitectura

Maestría en Construcción

Medellín, Octubre de 2017

Dedicatoria

A mi Señora Madre Margot Guerra Gutiérrez

por su constante aliento y apoyo en mis tareas

de investigación y a mi Abuelita Elena

Gutiérrez Alcázar, quien desde el cielo guía

mis pasos.

Agradecimientos

Mi infinito agradecimiento a la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín;

específicamente, a la profesora Mónica Montoya Vélez y al profesor John Muñoz

Echavarría, por su constante apoyo y voluntad. También al profesor Julio César Sánchez

Henao, quien me brindó valioso apoyo a mi llegada e ingreso al programa de Maestría.

Resumen y Abstract V

Resumen Esta investigación tiene como finalidad investigar la programación de Sap 2000 a través

de una interfaz de entrada de datos para diseño estructural, para el modelamiento, análisis

y diseño automatizado de techos retráctiles, tipo rígido, de movimiento paralelo. La

programación para aplicaciones de Sap2000 se realiza con un lenguaje de programación

que sea capaz de implementar una interfaz orientada a objetos; entre estos lenguajes se

tiene: Visual Basic para Aplicaciones (VBA) – Visual Studio 2015.

La importancia de esta Investigación radica en el aporte académico de un

programa/interfaz aplicativo específico de diseño estructural de techos retráctiles

aprovechando la posibilidad de la programación de aplicaciones de Sap2000, disponible

desde su versión 11.0. Así mismo, la investigación aportará una alternativa de solución al

desaprovechamiento del espacio generado por las coberturas finales en techos

tradicionales; en este caso, a través de una estructura de techo retráctil de movimiento

paralelo con paneles solares integrados en la cobertura final, para así aprovechar espacio

y permitir ahorro de energía.

Esta investigación, además de ser un aporte a la construcción en la etapa de proyecto,

promoverá indirectamente la propuesta para construcción de edificaciones con capacidad

de movimiento, a través del uso de este tipo de estructuras dinámicas (techos retráctiles

de movimiento paralelo) para la realización de cambios de forma y de espacio en el tiempo

con fines de adaptación.

Palabras clave:

Adaptabilidad, flexibilidad, estructura retráctil, programación orientada a objetos.

VI Título de la tesis o trabajo de investigación

Abstract

This research aims to study the programming of Sap 2000 through a data entry interface

for structural design for the modeling, analysis and automated design of parallel type rigid

retractable roofs. The programming is done in the Programming Interface for Sap2000

Applications, with a programming language that is able to implement an object oriented

interface, among these programming languages: Visual Basic for Applications (VBA) -

Visual Studio 2015.

The importance of this research is the academic contribution of a specific program /

application interface of Structural Design of Retractable Roofs, taking advantage of the

possibility of programming applications Sap2000, available since its version 11.0. Also, the

research will provide an alternative solution to the wastage of the space generated by the

final coverings in traditional roofs; in this case, through a retractable roof structure of

parallel movement with integrated solar panels in the final covering; a building will take

advantage of space and allow energy savings.

This research in addition, will be a contribution to the construction in the project stage; it

will promote the approach for the construction of buildings with capacity of movement

through the use of this type of dynamic structures (shrinking roofs of parallel movement) to

make changes in form, space and adaptive purposes.

Keywords:

Adaptability, flexibility, retractable structure, object oriented programming.

Contenido VII

Contenido

Pág.

Resumen ............................................................................................................................ V

Lista de figuras .................................................................................................................. X

Lista de fotografías ........................................................................................................ XIII

Lista de tablas ................................................................................................................ XV

Introducción ...................................................................................................................... 1

1. Formulación de investigación y marco teórico ...................................................... 5 1.1 Problemática de investigación .......................................................................... 5

1.1.1 Descripción ............................................................................................. 5 1.1.2 Elementos del problema ......................................................................... 6

1.2 Preguntas de investigación ............................................................................... 7 1.3 Justificación ....................................................................................................... 7 1.4 Objetivos ........................................................................................................... 8

1.4.1 Objetivo General .................................................................................... 8 1.4.2 Objetivos Específicos ............................................................................. 8

1.5 Diseño metodológico ......................................................................................... 8 1.6 Delimitación, ámbito y tiempo de aplicación ................................................... 10 1.7 Selección de la población a investigar ............................................................ 11 1.8 Procesamiento de la información .................................................................... 12 1.9 Antecedentes .................................................................................................. 13 1.10 Marco teórico .................................................................................................. 14

1.10.1 Arquitectura Dinámica .......................................................................... 14 1.10.2 Estructuras compuestas por elementos tipo cercha ............................ 15 1.10.3 Techo retráctil ....................................................................................... 22 1.10.4 Programación API-SAP2000 ................................................................ 28 1.10.5 Sistema solar fotovoltaico .................................................................... 29

2. Consideraciones de diseño de un techo retráctil ................................................. 35 2.1 Consideraciones generales ............................................................................. 35

2.1.1 Planeación preliminar ........................................................................... 35 2.1.2 Plan de prevención de desastres y evacuación ................................... 36 2.1.3 Mantenimiento y manejo, control del apertura y cierre ........................ 37

2.2 Consideraciones en diseño estructural ........................................................... 40 2.2.1 Generalidades ...................................................................................... 40 2.2.2 Configuración estructural del techo retráctil C.C. Santa Fe Medellín ... 44

VIII Extensión para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en SAP2000 con paneles solares integrados a la cubierta

2.2.3 Configuración estructural del techo retráctil de la Plaza de Toros La Macarena ............................................................................................................ 50 2.2.4 Materiales estructurales ....................................................................... 59 2.2.5 Consideraciones de carga .................................................................... 59 2.2.6 Consideraciones de diseño .................................................................. 69

3. Programación API SAP 2000 .................................................................................. 77 3.1 Consideraciones generales ............................................................................. 77 3.2 Lenguaje de programación ............................................................................. 77 3.3 Programación orientada a objetos .................................................................. 77

3.3.1 Clase .................................................................................................... 78 3.3.2 Herencia ............................................................................................... 78 3.3.3 Objeto ................................................................................................... 78 3.3.4 Método ................................................................................................. 78 3.3.5 Evento .................................................................................................. 79 3.3.6 Atributos ............................................................................................... 79 3.3.7 Mensaje ................................................................................................ 79 3.3.8 Estado interno ...................................................................................... 79 3.3.9 Componentes de un objeto .................................................................. 80 3.3.10 Identificación de un objeto .................................................................... 80

3.4 Microsoft visual studio professional 2015 ....................................................... 80 3.4.1 Visual basic- Visual studio 2015 ........................................................... 80 3.4.2 Visual C# .............................................................................................. 81

3.5 Matlab como lenguaje de programación ......................................................... 81 3.6 Sap2000 V18.0.0 ............................................................................................ 82

3.6.1 Interfaz de Programación para Aplicaciones de Sap2000 ................... 82 3.6.2 Instalación API Sap2000 ...................................................................... 83

3.7 Programación en Visual Basic-Visual Studio 2015 con API Sap2000 ............ 83 3.7.1 Integrar API Sap2000 a Visual Basic-Visual Studio 2015 .................... 83 3.7.2 Implementar interfaz de Sap2000 en un objeto ................................... 84 3.7.3 Acceder al objeto que implementa la interfaz ...................................... 84

3.8 Programar en visual C# con API Sap2000 ..................................................... 87 3.8.1 Integrar API Sap2000 a Visual Studio- Visual C# ................................ 87 3.8.2 Implementar interfaz de Sap2000 en un objeto ................................... 87 3.8.3 Acceso al objeto que implementa la interfaz ........................................ 87

3.9 Programar en Matlab ...................................................................................... 88 3.9.1 Integrar API Sap2000 a Matlab ............................................................ 88 3.9.2 Implementar interfaz de Sap2000 en un objeto ................................... 89 3.9.3 Inicializar un archivo nuevo .................................................................. 90

3.10 Descripción del programa RETRÁCTIL 1.0 .................................................... 92

4. Aplicación de techo RETRÁCTIL 1.0 ...................................................................... 95 4.1 Geometría general del techo retráctil a diseñar .............................................. 95 4.2 Datos de ingreso en techo RETRÁCTIL 1.0 ................................................... 96

4.2.1 Propiedades de materiales de los elementos estructurales ................. 96 4.2.2 Ingreso de la geometría general .......................................................... 97 4.2.3 Definición de parámetros sísmicos .................................................... 100 4.2.4 Definición de parámetros de viento .................................................... 101 4.2.5 Ingreso de cargas verticales .............................................................. 102

4.3 Ejecución de la Extensión ............................................................................. 104

Contenido IX

4.4 Resultados en techo RETRÁCTIL 1.0 .......................................................... 105

4.4.1 Verificaciones de valores de ingreso .................................................. 105 4.4.2 Modelamiento matemático estructural ............................................... 106 4.4.3 Asignación automática de cargas verticales ...................................... 108 4.4.4 Asignación automática de cargas sísmicas y de viento ..................... 109 4.4.5 Definición de cargas y combinaciones de carga ................................ 112 4.4.6 Visualización del código LRFD de diseño en acero estructural ......... 114 4.4.7 Otros ................................................................................................... 115

5. Instalación solar fotovoltaica sobre un techo retráctil ...................................... 123 5.1 Consideraciones generales ........................................................................... 123 5.2 Instalación mecánica estructural ................................................................... 126

5.2.1 Estructura de soporte – rieles ............................................................ 126 5.2.2 Fijación de los módulos fotovoltaicos ................................................. 131 5.2.3 Instalación de conectores flexibles y fijos .......................................... 133 5.2.4 Instalación de tuercas deslizantes en ranura ..................................... 133 5.2.5 Instalación mecánica de los módulos fotovoltaicos ............................ 134 5.2.6 Sistemas de inserción ........................................................................ 135 5.2.7 Instalación de abrazaderas de presión .............................................. 136 5.2.8 Instalación usando marco con pernos de montaje ............................. 137 5.2.9 Montaje en un patrón cruzado ............................................................ 138 5.2.10 Instalación de tapas ........................................................................... 138

5.3 Instalación eléctrica ....................................................................................... 139 5.3.1 Esquema eléctrico .............................................................................. 139 5.3.2 Conexión para la matriz fotovoltaica .................................................. 142 5.3.3 Instalación del inversor ....................................................................... 144 5.3.4 Puesta a tierra .................................................................................... 145

5.4 Diseño eléctrico del campo fotovoltaico y análisis comparativo. .................. 145 5.4.1 Diseño eléctrico del campo fotovoltaico Retráctil 1.0 ......................... 145 5.4.2 Análisis comparativo para diseño ....................................................... 148

6. Lineamientos de mejora e investigación futura .................................................. 151 6.1 Mejoramiento de Retráctil 1.0 ....................................................................... 151 6.2 Investigación en domótica ............................................................................. 152 6.3 Módulos solares en fachadas ....................................................................... 153 6.4 Extensión visual para el modelamiento y diseño estructural energético de aerogeneradores ...................................................................................................... 154

7. Conclusiones y recomendaciones ....................................................................... 157 7.1 Conclusiones ................................................................................................. 157 7.2 Recomendaciones ........................................................................................ 158

A. Anexo: Código de programación VB ................................................................... 161

Bibliografía .................................................................................................................... 163

X Extensión para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en SAP2000 con paneles solares integrados a la cubierta

Lista de figuras Pág.

Figura 1-1: Análisis estructural básico de cerchas ..................................................... 17 Figura 1-2: Cercha Pratt ............................................................................................. 18 Figura 1-3: Análisis básico de esfuerzos .................................................................... 18 Figura 1-4: Cercha simple .......................................................................................... 19 Figura 1-5: Constitución de cercha simple ................................................................. 19 Figura 1-6: Cerchas compuestas ............................................................................... 20 Figura 1-7: Cerchas complejas .................................................................................. 20 Figura 1-8: Identificación de miembros con fuerza cero ............................................ 21 Figura 1-9: Techo retráctil de movimiento paralelo (Overlapping System) ................ 22 Figura 1-10: Partes básicas del techo retráctil de movimiento paralelo ....................... 23 Figura 1-11: Base, soporte y mecanismo de avance del techo retráctil ....................... 28 Figura 1-12: Software Sap 2000 .................................................................................. 29 Figura 1-13: Software Visual Studio ............................................................................. 29 Figura 1-14: Energía solar fotovoltaica ........................................................................ 30 Figura 1-15: Módulo solar fotovoltaico ......................................................................... 31 Figura 1-16: Componentes de una instalación solar fotovoltaica (sistema PV) ........... 31 Figura 2-1: Estructura de techo retráctil ..................................................................... 46 Figura 2-2: Sección transversal de la viga cercha ..................................................... 47 Figura 2-3: Arriostramiento de techo retráctil ............................................................. 49 Figura 2-4: Soporte de techo retráctil ......................................................................... 49 Figura 2-1: Planta de estructura de techo retráctil Plaza de Toros, La Macarena ..... 52 Figura 2-2: Isométrico viga cercha Plaza de Toros, La Macarena ............................. 53 Figura 2-3: Techo panel móvil Plaza de Toros la Macarena, Medellín ...................... 56 Figura 2-4: Zonas de amenaza eólica de Colombia ................................................... 62 Figura 2-5: Coeficiente de presión externa de cubiertas abovedadas ....................... 63 Figura 2-6: Coeficiente de presión externa en cubiertas en domos ........................... 64 Figura 2-7: Zonas de amenaza sísmica en Colombia ................................................ 66 Figura 2-8: Reacciones verticales en los rieles .......................................................... 70 Figura 2-9: Reacciones horizontales en los rieles ...................................................... 71 Figura 2-10: Bogie de apoyo ........................................................................................ 72 Figura 2-11: Apoyo de estructura sobre apoyo articulado ........................................... 73

Contenido XI

Figura 2-12: Carga en placa superior ........................................................................... 74 Figura 2-13: Presiones sobre el riel ............................................................................. 75 Figura 3-1: Referencias en Visual Basic-Visual Studio 2015 ..................................... 83 Figura 3-2: Definición de nuevo Script Matlab desde menú EDITOR ........................ 89 Figura 3-3: Definición de nuevo Script Matlab desde menú HOME ........................... 89 Figura 3-4: Código de programación en Script Matlab ............................................... 91 Figura 3-5: Entorno principal RETRÁCTIL 1.0 ........................................................... 92 Figura 3-6: RETRÁCTIL 1.0 – Menú Datos ................................................................ 93 Figura 3-7: RETRÁCTIL 1.0 – Menú Cargas ............................................................. 93 Figura 3-8: RETRÁCTIL 1.0 – Menú Cálculos ........................................................... 93 Figura 3-9: RETRÁCTIL 1.0 – Menú Info ................................................................... 93 Figura 3-10: Diagrama de flujo RETRÁCTIL 1.0 .......................................................... 94 Figura 4-1: Pórtico principal en elevación (unidad de medida en metros) ................. 95 Figura 4-2: Elementos de viga de pórtico principal .................................................... 96 Figura 4-3: Definición de propiedades de material ..................................................... 96 Figura 4-4: Elementos estructurales generales de pórtico de techo retráctil ............. 97 Figura 4-5: Secciones de cada elemento estructural del techo retráctil ..................... 98 Figura 4-6: Ventana de definición de las secciones de los elementos estructurales . 99 Figura 4-7: Ventana definición de dimensiones en elevación del techo retráctil ...... 100 Figura 4-8: Ingreso de valores sísmicos .................................................................. 101 Figura 4-9: Ventana de ingreso de parámetros de viento ........................................ 101 Figura 4-10: Cobertura Policarbonato celular o alveolar ............................................ 102 Figura 4-11: Cobertura de techo retráctil – módulos fotovoltaicos integrados a la cobertura de policarbonato celular o alveolar ................................................................. 103 Figura 4-12: Especificaciones de módulo fotovoltaico ............................................... 103 Figura 4-13: Definición de cargas verticales .............................................................. 104 Figura 4-14: Mensaje de error por falta de datos de ingreso ..................................... 105 Figura 4-15: Mensaje de error por datos inconsistentes ............................................ 106 Figura 4-16: Modelamiento 3D de pórtico principal .................................................... 106 Figura 4-17: Modelamiento 3D de techo retráctil movimiento paralelo ...................... 107 Figura 4-18: Visualización de releases ...................................................................... 107 Figura 4-19: Asignación de carga muerta .................................................................. 108 Figura 4-20: Asignación de carga viva ....................................................................... 108 Figura 4-21: Asignación de carga de sismo en X ....................................................... 109 Figura 4-22: Asignación de carga de sismo en Y ....................................................... 110 Figura 4-23: Asignación de carga de viento1 ............................................................. 111 Figura 4-24: Asignación de carga de viento2 ............................................................. 112 Figura 4-25: Definición automática de patrones de cargas en Sap 2000 .................. 112 Figura 4-26: Definición automática de combinaciones de carga ............................... 113 Figura 4-27: Definición de parámetros de diseño para acero estructural .................. 114 Figura 4-28: Definición de combinación de cargas para diseño ................................ 115 Figura 4-29: Deformada de la estructura para cargas muertas ................................. 116 Figura 4-30: Diagrama de cargas axiales .................................................................. 116 Figura 4-31: Diagrama de momentos flectores .......................................................... 117

XII Extensión para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en SAP2000 con paneles solares integrados a la cubierta

Figura 4-32: Diagrama de cortantes ........................................................................... 118 Figura 4-33: Diseño de la estructura para el código LRFD ........................................ 119 Figura 4-34: Resumen de diseño para correa metálica ............................................. 120 Figura 4-35: Reacciones para diseño de apoyo ......................................................... 121 Figura 5-1: Esquema de instalación de un sistema PV en un techo retráctil ........... 125 Figura 5-2: Perfil Mecano – propiedades típicas ...................................................... 126 Figura 5-3: Esquema de estructura soporte y montaje de módulos fotovoltaicos .... 128 Figura 5-4: Especificaciones técnicas de módulo fotovoltaico ................................. 130 Figura 5-5: Detalle de abrazadera central ................................................................ 131 Figura 5-6: Detalle de bracket de fijación ................................................................. 131 Figura 5-7: Esquema de conexión de módulo fotovoltaico a riel con platina ........... 132 Figura 5-8: Esquema de conexión de módulo fotovoltaico a riel con bracket fijador 133 Figura 5-9: Esquema de conexión tuercas deslizantes en ranura ........................... 134 Figura 5-10: Ventilación de módulos fotovoltaicos ..................................................... 134 Figura 5-11: Conexión de abrazadera intermedia módulo a modulo fotovoltaico a riel ........ 135 Figura 5-12: Conexión por inserción de módulo ........................................................ 136 Figura 5-13: Conexión abrazadera a presión ............................................................. 137 Figura 5-14: Conexión con pernos de montaje .......................................................... 138 Figura 5-15: Conexión montaje en patrón cruzado .................................................... 138 Figura 5-16: Conexión de tapas metálicas en los extremos de los rieles .................. 139 Figura 5-17: Planta de cobertura del techo retráctil con paneles solares .................. 140 Figura 5-18: Esquema eléctrico del sistema PV y simbología para el techo retráctil . 141 Figura 5-19: Esquema de conexión del cableado de los módulos fotovoltaicos ........ 143 Figura 5-20: Acceso al Menú Paneles Solares .......................................................... 146 Figura 5-21: Ventana de diseño paneles solares ....................................................... 146 Figura 5-22: Diseño del campo fotovoltaico ............................................................... 147 Figura 5-23: Data de módulos fotovoltaicos ............................................................... 148 Figura 5-24: Ventana de diseño paneles solares-análisis comparativo ..................... 149 Figura 6-1: Techo retráctil Estadio Nacional de Singapur ........................................... 152 Figura 6-2: Fachada retráctil ........................................................................................ 152 Figura 6-3: Domótica ................................................................................................... 153 Figura 6-4: Módulos fotovoltaicos en fachada ............................................................. 154 Figura 6-5: Aerogenerador ........................................................................................... 155

Contenido XIII

Lista de fotografías Pág.

Fotografía 1-1: Techo retráctil de movimiento paralelo C. C. Santa Fe, Medellín, Colombia. .......................................................................................................................... 11 Fotografía 1-2: Interior del techo retráctil del Centro Comercial Santa Fe, Medellín, Colombia. .......................................................................................................................... 12 Fotografía 1-3: Plaza de Toros la Macarena, Medellín, Colombia. ................................. 12 Fotografía 1-4: Techo retráctil del Centro Comercial Santa Fe, Medellín, Colombia. ..... 15 Fotografía 1-5: Techo retráctil, método de avance: ruedas sobre rieles – C.C. Santa Fe, Medellín. ............................................................................................................................ 24 Fotografía 1-6: Techo retráctil: Apoyo móvil – C.C. Santa Fe, Medellín. ........................ 25 Fotografía 1-7: Techo retráctil: Suministro de poder en apoyo móvil – C.C. Santa Fe, Medellín. ............................................................................................................................ 25 Fotografía 1-8: Techo retráctil: Bloqueo de apoyo móvil – C.C. Santa Fe, Medellín. ...... 26 Fotografía 1-9: Techo retráctil: Tope de movimiento neopreno – C.C. Santa Fe, Medellín. .......................................................................................................................................... 26 Fotografía 1-10: Techo retráctil: Sensor de movimiento – C.C. Santa Fe, Medellín. ...... 27 Fotografía 1-11: Techo retráctil: Sensor de movimiento activado – C.C. Santa Fe, Medellín. ............................................................................................................................ 27 Fotografía 2-1: Tablero de control de sensores – C.C. Santa Fe, Medellín. ................... 38 Fotografía 2-2: Diagrama de señales y potencias – C.C. Santa Fe, Medellín. ................ 39 Fotografía 2-3: Planta de sensores y cableado – C.C. Santa Fe, Medellín. .................... 40 Fotografía 2-4: Planta de techos retráctiles – C.C. Santa Fe Medellín. .......................... 45 Fotografía 2-5: Viga cercha de Techo retráctil – C.C. Santa Fe, Medellín. ..................... 46 Fotografía 2-6: Encuentro de viga cercha con columna – C.C. Santa Fe, Medellín. ....... 47 Fotografía 2-7: Arriostramiento lateral de techo retráctil – C.C. Santa Fe, Medellín. ...... 48 Fotografía 2-8: Apoyo móvil de columna de techo retráctil – C.C. Santa Fe, Medellín. . 50 Fotografía 2-9: Plaza de Toros la Macarena, Medellín. ................................................... 51 Fotografía 2-10: Viga cercha Plaza de Toros la Macarena, Medellín. ............................. 53 Fotografía 2-11: Conexiones rígidas en Estructura de Techo Retráctil Plaza de Toros la Macarena, Medellín. .......................................................................................................... 54

XIV Extensión para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en SAP2000 con paneles solares integrados a la cubierta

Fotografía 2-12: Conexiones rígidas a momento en brida de viga cercha Plaza de Toros la Macarena, Medellín. ...................................................................................................... 54 Fotografía 2-13: Techo retráctil en un estado cerrado Plaza de Toros la Macarena, Medellín. ............................................................................................................................ 55 Fotografía 2-14: Techo retráctil en apertura Plaza de Toros la Macarena, Medellín. ..... 56 Fotografía 2-15: Apoyo móvil de techo retráctil Plaza de Toros la Macarena, Medellín.. 57 Fotografía 2-16: Tablero de control del techo retráctil Plaza de Toros la Macarena, Medellín. ............................................................................................................................ 57 Fotografía 2-17: Apoyo conexión de perfiles secundarios a vigas de concreto armado Plaza de Toros la Macarena, Medellín. ............................................................................. 58 Fotografía 2-18: Apoyo conexión de bridas de viga cercha principal en vigas de concreto armado Plaza de Toros la Macarena, Medellín. ............................................................... 58 Fotografía 2-19: Apoyo móvil de techo retráctil C.C. Santa Fe, Medellín. ....................... 70 Fotografía 4-1: Apoyo móvil de columna con moto reductor– C.C. Santa Fe, Medellín. ........................................................................................................................................ 121 Fotografía 5-1: Cableado retráctil de los módulos por cajas de paso. .......................... 144 Fotografía 6-1: Cúpula retráctil - Centro Comercial Santa Fe, Medellín. ....................... 151

Contenido XV

Lista de tablas Pág.

Tabla 1-1: Matriz de diseño metodológico .................................................................... 10 Tabla 1-2: Clasificación de techos retráctiles ............................................................... 23 Tabla 1-3: Métodos de avance. .................................................................................... 24 Tabla 2-1: Plan Estructural del Ohita Stadium. ............................................................. 42 Tabla 2-2: Configuración estructural típica de techo retráctil rígido. ........................... 44 Tabla 2-3: Consideraciones concernientes a sismos. .................................................. 65 Tabla 5-1: Descripción de elementos de la estructura soporte de los módulos fotovoltaicos integrados a un techo retráctil. ................................................................... 129

Contenido XVI

Introducción El avance del desarrollo económico y comercial de Colombia en los últimos años ha

implicado el desarrollo en la infraestructura social, comercial y urbana dentro de los

panoramas urbanos, dándoles una vista moderna y atractiva. Es en este contexto donde

se generan nuevas demandas en el diseño de edificios o espacios arquitectónicos y

urbanos, con la necesidad de adaptabilidad y flexibilidad arquitectónica a partir de

estructuras móviles o adaptables.

Dentro del proceso de globalización y creciente necesidad de construcción de

edificaciones que respondan a los cambios y exigencias funcionales, renombrados

arquitectos, como Santiago Calatrava, Mario Botta o Renzo Piano, consideran que las

edificaciones deben ser capaces de ser transformadas de acuerdo a los propósitos de

uso, cambios de tiempo o condiciones ambientales (Ishii, 2000). Una de las principales

demandas actuales de uso social de los espacios públicos y privados es la exigencia de

capacidad de adaptación, el edificio debe ser adaptable, móvil, transformable en el

sentido de que cualquiera que sea el uso que desee darle el usuario o grupo social, sea

siempre posible y realizable, sin que la arquitectura presente obstáculos a las

transformaciones resultantes (Franco, 2010). Es aquí donde los sistemas estructurales

móviles juegan un papel importante, ya que se proyectan hoy como una de las formas

más eficientes para producir respuestas adaptativas arquitectónicas. Por tanto, los

techos retráctiles representan una solución efectiva; un techo puede ser movido,

desplegado o retraído en un corto periodo de tiempo sobre un área determinada, de

modo que la edificación pueda ser usada en un estado abierto o cerrado, garantizándose

la funcionabilidad continua del espacio y procurando que los espacios fluyan, se

combinen, transformen y evolucionen en cambio continuo, como respuesta a la forma

de vida actual. Así mismo, la construcción de techos retráctiles representa también uso

de estructuras que pueden aprovechar las energías renovables, a través de la

instalación de paneles solares integrados en sus coberturas, para el aprovechamiento

de la radiación del sol y la obtención por conversión de energía; así se evitará

desperdiciar el espacio superior que genera una cobertura final convencional.

2

Introducción

La demanda en el diseño y construcción de techos retráctiles de acero implica el

problema de su laborioso diseño (modelamiento espacial, análisis estructural, etc.).

Todo modelamiento “manual” de estas estructuras espaciales implica la técnica que,

aparte de consumir enormes cantidades de tiempo, es muy dada a la propagación de

errores en el diseño (Coloma, 2008); los cuales, acaban apareciendo en la fase de

producción de obra. De manera similar, en la actualidad se tiene la inexistencia de un

programa/software especializado y específico para el diseño de techos retráctiles. Hasta

el momento se tienen programas genéricos de diseño estructural en acero como CSI

Sap2000, Tekla Xsteel Structures, Robot Millenium, CYPECAD, etc; los cuales, sin bien

diseñan estructuras de acero, no cuentan con librerías y/o plantillas predefinidas para

diseño estructural específico de techos retráctiles. La falta de un programa especializado

en diseño estructural de techos retráctiles actualmente afecta las tareas del diseño

estructural, la verificación rápida de diseños estructurales y el planteamiento de

espacios/edificios transformables. De la misma manera la construcción de estructuras

metálicas necesita de la facilidad para rastrear revisiones y cambios a la estructura

diseñada. Así mismo, los planteamientos tradicionales para la construcción de

coberturas conllevan el desperdicio de los espacios que genera toda cobertura final

convencional; esto representa un problema de pérdida o desaprovechamiento de

espacio. Especialmente en coberturas que no son horizontales, estos espacios finales

(cobertura) deberían ser aprovechados.

La presente investigación tiene como objetivo principal la programación de Sap 2000 a

través de una interfaz de entrada de datos destinada al diseño estructural para el

modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles tipo rígido de

movimiento paralelo, cuya estructura de acero está constituida por dos vigas-cercha de

acero, que se conectan por perfiles de acero donde las correas metálicas soportan la

cobertura. Las correas metálicas son soportadas por vigas cercha y estas, a su vez, son

soportadas por columnas metálicas armadas soportadas con apoyos rodantes

paralelos, para obtener una estructura espacial definida como techo rodante, el cual se

mueve a través de un camino(rieles paralelos) y puede configurarse para ser adaptable

a una variedad de instalaciones grandes y pequeñas(Ishii, 2000). La programación se

realizó en la interfaz de programación para aplicaciones de Sap2000, con un lenguaje

de programación capaz de implementar una interfaz orientada a objetos, como el Visual

Basic para Aplicaciones (VBA) – Visual Studio 2015.

Introducción 3

La importancia de esta Investigación radica también en el aporte de un

programa/interfaz aplicativo específico de diseño estructural de techos retráctiles,

aprovechando la posibilidad de programar de aplicaciones de Sap2000, disponible

desde su versión 11.0. Esta interfaz permite automatizar los procedimientos en la

creación del modelo, el análisis y diseño de techos retráctiles típicos de movimiento

paralelo, que constituirá una herramienta fundamental para el diseño estructural. Así

mismo, la investigación aporta una alternativa de solución al desaprovechamiento del

espacio generado por las coberturas finales en techos tradicionales; en este caso, a

través de una estructura de techo retráctil de movimiento paralelo con paneles solares

integrados en la cobertura final, para así aprovechar espacio y permitir el ahorro de

energía.


se espera que fomente la construcción de edificaciones con capacidad de movimiento

a través del uso de este tipo de estructuras dinámicas (techos retráctiles de movimiento

paralelo) para la realización de cambios de forma, de espacio y de tiempo con fines

adaptativos.

Con el fin de alcanzar el objetivo propuesto en esta investigación, en el primer capítulo

se desarrolla la definición del problema, objetivos, justificación, marco teórico, hipótesis;

y se describe la metodología de investigación utilizada. Esta sección incluye el diseño

metodológico empleado, la recolección de datos teóricos no probabilísticos que hay al

respecto del tema de investigación (reportes, libros, artículos, papers electrónicos, etc)

más la obtención de información de techos retráctiles ejecutados en la ciudad de

Medellín, para su mejor comprensión, filtración y organización final y así responder a las

preguntas de investigación planteadas.

En el segundo capítulo se presenta una revisión teórica de los conceptos matemáticos

involucrados para el diseño estructural de este tipo de estructuras (las consideraciones

de diseño estructural de techos retráctiles).

Para el tercer capítulo se muestra la utilidad y desarrollo de la interfaz de programación

para aplicaciones (Application Programming Interface A.P.I) de Sap2000, creando una

aplicación concreta; para ello, se presentarán códigos de programación en lenguaje

Visual Basic para Aplicaciones (VBA) – Visual Studio 2015.

4

Introducción

En el cuarto capítulo se desarrolla un ejemplo completo de ingreso de datos para la

aplicación desarrollada en esta investigación, así como la obtención de resultados: El

análisis de miembros a solicitación de flexo-compresión y el diseño de los soportes de

las cerchas móviles.

En el quinto capítulo trata sobre la instalación solar fotovoltaica integrada a la cubierta

de un techo retráctil de movimiento paralelo, cuya cubierta siempre estará expuesta

como solución al desaprovechamiento de espacio superior generado en las coberturas

por planteamientos tradicionales. Se desarrolla la instalación mecánica estructural como

son las conexiones de rieles como soporte de los módulos solares a las viguetas del

techo retráctil, conexiones entre los rieles soporte, conexiones del módulo fotovoltaico

al riel, etc. Así mismo, se proponen esquemas eléctricos de conexión del cableado DC

(corriente continua) al inversor y el cableado A.C. (corriente alterna) del sistema

fotovoltaico PV. Todo esto para una estructura móvil que es en sí un techo retráctil. Así

mismo, se realiza un análisis comparativo del uso del área total de la cubierta del techo

retráctil para el área de colocación de paneles fotovoltaicos respecto al área de

iluminación (cobertura traslúcida) exigida por diseño.

Finalmente, teniendo en cuenta el análisis realizado en la secciones anteriores e

interrelacionando los resultados obtenidos con los elementos explorados en el marco

teórico, se obtienen los lineamientos de mejora y las conclusiones, las cuales servirán

de apoyo y referencia en futuras investigaciones relacionadas con el diseño estructural

de techos retráctiles y desarrollo de aplicaciones API SAP 2000.

1. Formulación de investigación y marco teórico

1.1 Problemática de investigación

1.1.1 Descripción

El avance del desarrollo económico comercial de Colombia en los últimos años ha

implicado un desarrollo en la infraestructura social, comercial y urbana dentro de los

panoramas urbanos, que han logrado una vista moderna y atractiva. Este desarrollo genera

nuevas demandas en los conceptos de diseño de edificios o en espacios arquitectónicos;

surge la necesidad de que un edificio y/o espacio responda a los cambios sociales,

culturales, económicos, funcionales, espaciales, estéticos, formales y ambientales con

flexibilidad, capacidad para cambiar de aspecto y forma, a través de un planteamiento que

tenga como eje central la incursión del movimiento. Así mismo, el país de Colombia, al

ubicarse en zona ecuatorial y contar con climas y ecosistemas variados, cuenta con gran

potencial para desarrollar energías limpias a partir del sol; lo cual, representa un atractivo

importante para su aprovechamiento en las edificaciones.

Reconocidos arquitectos como Santiago Calatrava, Mario Botta o Renzo Piano consideran

que las edificaciones deben ser capaces de transformarse de acuerdo a propósitos de uso,

cambios de tiempo o condiciones ambientales (Ishii, 2000). En los últimos 15 años, en la

ciudad de Medellín, Colombia, se ha dado inicio de planteamientos y construcción de

techos retráctiles como la Plaza de Toros La Macarena y el Centro Comercial Santa Fe.

Se demuestra así la necesidad de crear espacios transformables; el diseño y la

construcción de techos retráctiles es una de las soluciones más funcionales, estéticas,

ambientales, etc. Así mismo, las propuestas de techos con coberturas funcionales, como

el proyecto del Arq. Renzo Piano en el Museo Academy of Science de California, Estados

6 Extensión para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos

retráctiles en SAP2000 con paneles solares integrados a la cubierta

Unidos, abre el camino para el aprovechamiento de las energías renovables a través de la

instalación de paneles fotovoltaicos integrados en los techos de las edificaciones.

La demanda en el diseño y construcción de techos retráctiles de acero implica el problema

de su laborioso modelamiento espacial manual tradicional; la cual, conlleva consumir

enormes cantidades de tiempo y la propagación de errores en el diseño, que afectarán la

construcción (Coloma, 2008); errores que, aparecerán en la fase de producción de obra.

Este problema afecta fundamentalmente los trabajos de diseño estructural con este tipo de

estructuras, por su laboriosidad y complejidad; y también, la posible propagación de errores

(en el diseño), que luego afectarán la construcción.

La ausencia de un programa especializado en diseño estructural de techos retráctiles

afecta las tareas de:

-Diseño estructural.

-Verificación rápida de diseños estructurales.

-Planteamiento de espacios/edificios transformables.

-Solución de errores provenientes de la etapa de diseño por propagación y en la fabricación

de los perfiles estructurales que afectarán la construcción.

Los planteamientos tradicionales de techos mayormente traen el problema del desperdicio

de los espacios que genera toda cobertura final convencional, especialmente en

coberturas finales que no son horizontales.

1.1.2 Elementos del problema

La demanda de espacios transformables en Colombia y Latinoamérica en los últimos años

implica que los nuevos edificios deben poseer espacios que requieran adaptación, ya no

un espacio específico para cada cosa.

La ausencia de un programa especializado en el diseño estructural de techos retráctiles

exige una limitación en el cálculo de este tipo de estructura espacial compleja, porque,

consume demasiado tiempo y propaga errores en el diseño, lo que después afectará la

construcción (Coloma, 2008).

Capítulo 1 7

El planteamiento de estructuras tradicionales como techos convencionales con coberturas

curvas o en pendiente siempre representa un desperdicio en la funcionabilidad de sus

cubiertas, así como, no ser capaces de dar respuesta a los requerimientos de energía;

esto significa aminorar sobre la eficiencia energética en los edificios y la utilización de

fuentes de energía renovable (Fernández, 2008).

1.2 Preguntas de investigación

¿Cuáles son las consideraciones para el diseño estructural de techos retráctiles?

¿Cómo automatizar el diseño estructural de techos retráctiles a través de la programación

de Sap2000?

¿Cómo aprovechar la cobertura de techo retráctil de movimiento paralelo

permanentemente expuesto?

1.3 Justificación

El incremento de las demandas de transformación de uso social actual en todo espacio

específico hace que el estudio y aplicación de un techo retráctil constituya la respuesta a

los cambios sociales, culturales, económicos, funcionales, espaciales, estéticos, formales

y ambientales; una respuesta sensorial, flexible, con capacidad de cambio en aspecto y

forma.

Esta investigación se realiza para aportar un programa específico de diseño estructural de

techos retráctiles; la cual constituirá una herramienta fundamental para el diseño y

promoción de uso de este tipo de estructuras. El desarrollo de una interfaz de

programación permitirá automatizar Sap2000 en los procedimientos para la creación del

modelo, el análisis y diseño de techos retráctiles.


promoverá indirectamente la construcción de edificaciones con capacidad de movimiento

a través del uso de este tipo de estructuras futuristas (techos retráctiles), perspectiva

innovadora que combina ciencia, arquitectura, lo último en tecnología y diseño según el

código de diseño LRFD (Load Resistance Factor Design).



Esta investigación aporta una solución al desaprovechamiento del espacio generado por

la cobertura final en techos tradicionales; en este caso, propone una estructura tipo techo

retráctil de movimiento paralelo, con paneles solares integrados en la cobertura final; para

así aprovechar espacio y permitir el ahorro de la energía y su gestión eficiente.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo General

- Elaborar un programa/extensión visual aplicativo para el modelamiento, análisis y diseño

automatizado de techos retráctiles en SAP2000, con paneles solares integrados a la

cubierta.

1.4.2 Objetivos Específicos

-Obtener las consideraciones de diseño estructural de techos retráctiles tipo rígido de

movimiento paralelo (OVERLAPPING SYSTEM).

-Mostrar la utilidad de la interfaz de programación para aplicaciones (Application

Programming Interface A.P.I) de Sap2000 con la creación de una aplicación concreta.

- Proponer el aprovechamiento de la cobertura de un techo retráctil permanentemente

expuesto, con paneles solares fotovoltaicos integrados a la cubierta, para el ahorro de

energía eléctrica.

1.5 Diseño metodológico

Para obtener respuestas a las interrogantes propuestas en esta investigación se utilizó

como estrategia un diseño metodológico que se caracteriza por ser un enfoque cualitativo

– descriptivo. Quiere decir que la investigación se basará principalmente en la recolección

de datos no probabilísticos, sin medición numérica (conocimiento/información teórica) que

hay respecto al tema de investigación. La recolección de datos no se hará con el propósito

de medir variables para llevar inferencias y análisis estadístico; sin embargo, se utilizará

datos cuantitativos sobre variables de magnitudes numéricas con datos tipo carga,

propiedades de materiales de acero, dimensiones-características geométricas del techo

Capítulo 1 9

retráctil, secciones de perfiles de acero, corriente, numero de módulos fotovoltaicos, etc.,

los cuales serán utilizados en el programa aplicativo desarrollado en esta tesis.

El agente de recolección de datos a considerar será el propio investigador, a través de la

revisión de documentación especializada (investigación documental), documentos

preparados para fines profesionales (reportes, libros, artículos, papers electrónicos, etc.);

y obtención de información sobre techos retráctiles ejecutados en la ciudad de Medellín,

para su comprensión, filtración y organización, para soporte teórico y técnico del programa

aplicativo a desarrollar. Así mismo, como herramienta se utilizará la programación

orientada a objetos, con códigos de programación en lenguaje Visual Basic para

aplicaciones (VBA) – Visual Studio 2015 para la creación de un programa aplicativo

específico para diseño estructural, utilizando la Interfaz de Programación para Aplicaciones

(Application Programming Interface A.P.I) de Sap2000.

Finalmente, con la creación del programa aplicativo y generación de la automatización de

los procedimientos en la creación del modelo, análisis y diseño de una estructura espacial

compleja se responderá a todas las preguntas de investigación; y así se culminará con el

reporte de resultados para ofrecer la respuesta al planteamiento del problema.



Tabla 1-1: Matriz de diseño metodológico

Fuente: Elaboración propia.

1.6 Delimitación, ámbito y tiempo de aplicación

Esta investigación se desarrolló teniendo en cuenta cuatro delimitaciones:

1. Una delimitación tipológica, pues se tomó como referencia para el desarrollo de esta

investigación el estudio-análisis de un techo retráctil de acero tipo rígido de movimiento

paralelo. Así mismo, para delimitación de la tipología a proponer de módulos solares

integrados a la cubierta del techo retráctil, se propondrá módulos fotovoltaicos Policristalino

o Monocristalino.

2. Una delimitación regional, ya que el campo de estudio para tomar los datos necesarios

para desarrollar esta investigación fue la ciudad de Medellín, Colombia, específicamente

en obras ejecutadas por el sector privado.

PREGUNTAS OBJETIVOS ESPECIFICOS CATEGORIAS VARIABLES INSTRUMENTOS

Software para diseño estructural.

¿Cómo aprovechar una cobertura de techo retráctil de movimiento paralelo permanentemente expuesto?

-Proponer el aprovechamiento de la cobertura de un techo retráctil permanentemente expuesto, con paneles solares fotovoltaicos integrados a la cubierta, para el ahorro de energía eléctrica.

Energías renovables

1. Área de iluminación

Norma de Construcción NSR-10, libros-publicaciones especializadas.

2. Área de colocación de los paneles fotovoltaicos

3. Corriente instalada

Objetivo general:

¿Cómo automatizar el diseño estructural de techos retráctiles a través de la programación de Sap2000?

-Mostrar la utilidad de la interfaz de programación para aplicaciones (Application Programming Interface A.P.I) de SAP2000 con la creacion de una aplicación concreta.

Programación aplicativa

Datos de ingreso para cálculo estructural

Elaborar un programa/extensión visual aplicativo para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en SAP2000, con paneles solares integrados a la cubierta.

¿Cuáles son las consideraciones de diseño estructural de techos retráctiles?

-Obtener las consideraciones de diseño estructural de techos retráctiles tipo rígido de movimiento paralelo.

Diseño Estructural

1. Cargas de diseño Libros y

publicaciones especializadas2. Configuración

estructural

Capítulo 1 11

3. Una delimitación teórica, establecida por la literatura concerniente a diseño estructural

de techos retráctiles, la cual se centra en las consideraciones de diseño estructural por el

método LRFD (Load and Resistance Factor Design). Se profundizó específicamente en los

temas de tipología, estructuración, cargas y fuerzas externas, materiales y factores de

seguridad, mecanismos de soporte y de manejo. Así mismo, se tomó en cuenta las

consideraciones de programación en el desarrollo de la Interfaz de Programación para

Aplicaciones (Application Programming Interface, A.P.I) de Sap2000, para su aplicación y

desarrollo concreto en esta Investigación.

4. Una delimitación respecto al lenguaje de programación, referido a la programación

orientada a objetos en Visual Basic para Aplicaciones (VBA) – Visual Studio 2015, para la

creación de la Interfaz de Programación para Aplicaciones (Application Programming

Interface A.P.I) de Sap2000, para una aplicación concreta.

1.7 Selección de la población a investigar

Para la realización del estudio se tuvo en cuenta la tipología de techo retráctil de acero tipo

rígido de movimiento paralelo; la cual, por su tipicidad, es de futura diversificación de uso

en Colombia, debido a su registrada inicial aplicación en obras privadas como centros

comerciales y/o lugares públicos con planteamientos de adaptabilidad-flexibilidad con

capacidad de cambio en aspecto y forma. Específicamente, se consideró el tipo de techo

retráctil como el construido para el Centro Comercial Santa Fe, por su actual

representatividad en la ciudad de Medellín y para propósitos buscados en esta

investigación.

Fotografía 1-1: Techo retráctil de movimiento paralelo C. C. Santa Fe, Medellín, Colombia.

Fuente: Obtención propia.



Fotografía 1-2: Interior del techo retráctil del Centro Comercial Santa Fe, Medellín,

Colombia.


Adicionalmente, se considera en forma secundaria al techo retráctil de la Plaza de Toros

La Macarena, compuesta de dos paneles móviles sobre cerchas rieles.

Fotografía 1-3: Plaza de Toros la Macarena, Medellín, Colombia.


1.8 Procesamiento de la información

Primeramente se seleccionaron fuentes de información como reportes, libros, artículos,

papers electrónicos, etc. Simultáneamente se procedió a obtener información de techos

Capítulo 1 13

retráctiles ejecutados en la ciudad de Medellín; la toma de información de estas estructuras

se caracterizó por ser exploratoria, inductiva y descriptiva.

Seguidamente se organizó, filtró y depuró la información correspondiente, para obtener

una coherente organización de las características de diseño estructural de techos

retráctiles, según la filosofía de diseño LRFD (Load and Resistance Factor Design),

conforme al Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10, TÍTULO

F ESTRUCTURAS METÁLICAS) y así cumplir con el objetivo (especifico) planteado en

esta investigación.

Finalmente, con la organización del soporte teórico normativo para el diseño de techos

retráctiles se procedió a la programación en Visual Basic para Aplicaciones (VBA) – Visual

Studio 2015, para la creación de la interfaz de ingreso de datos para la creación del modelo,

análisis y diseño de techos retráctiles en Sap2000. Para la estructura específica definida

en esta investigación, el usuario solamente define argumentos generales de la estructura:

dimensiones, secciones de elementos, cargas verticales, calidad del material y

consideraciones para cargas horizontales sísmicas; luego la extensión se encarga

automáticamente de modelar la estructura: establece los materiales utilizados, los

elementos estructurales, los tipos de cargas, los tipos de análisis, las combinaciones de

cargas y las consideraciones sobre la masa de la estructura, las condiciones de contorno,

la asignación de las cargas, etc. Los resultados deben ser consultados en el mismo entorno

de Sap2000 que la extensión crea y ejecuta automáticamente, los cuales son analizados

con las normas LRFD-Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-

10, TÍTULO F, ESTRUCTURAS METÁLICAS.

1.9 Antecedentes

-Respecto a la arquitectura dinámica, Castro (2004) presenta los conceptos de arquitectura

móvil y dinámica, como análisis de flujos, movilidad, superficie, pliegue, pisos móviles y

vivienda temporal.

-Respecto al diseño estructural de techos retráctiles, Ishii (2000) presenta las

consideraciones de Diseño Estructural de techos retráctiles.



-Respecto al diseño estructural de techos retráctiles, Cai (2013) presenta las

consideraciones para diseño estructural de un techo retráctil basado en estructura de vigas

cuerda.

-Respecto al diseño estructural de techos retráctiles, Fan (2010) presenta las

consideraciones para diseño estructural de un techo retráctil.

-Respecto al diseño estructural de techos retráctiles, Mao y Yaozhi (2008) presentan las

consideraciones para el análisis y diseño de un techo retráctil radial.

-Respecto a la programación de la Interfaz de Programación para Aplicaciones (Application

Programming Interface A.P.I) de Sap2000, en el XVII CONGRESO NACIONAL DE

INGENIERIA CIVIL-XVII CONIC PERÚ, Canchari (2009) presentó la

ponencia/investigación Extensión para el Modelamiento, Análisis y Diseño Automatizado

de Reservorios Circulares en Sap 2000, investigación que consistió en la creación de una

extensión interfaz de programación para aplicaciones (Application Programing Interface

A.P.I) de Sap 2000, como aplicación concreta (creación de modelo, análisis y diseño de

reservorios circulares de concreto armado).

-Sobre el tema instalación de paneles solares sobre techos de edificaciones, Reichel

(2015) presenta en la publicación Solar Power for Your Home los criterios y

recomendaciones para la instalación de un arreglo solar para ser montado en el techo o

integrado a una edificación.

1.10 Marco teórico

1.10.1 Arquitectura Dinámica

Es el tipo de arquitectura que estudia el movimiento, con sentido, de los objetos que

constituyen los edificios o espacios arquitectónicos y urbanos.

“El concepto de arquitectura dinámica tiene como eje central la incursión del

movimiento en la arquitectura; es esta expresión la que nos permite visualizar edificios

y espacios que varían con el fin de responder a los cambios sociales, culturales,

económicos, funcionales, espaciales, estéticos, formales y ambientales” (Juan Camilo

Castro, 2004, p. 22).

Capítulo 1 15

“Las características principales de la arquitectura dinámica son el movimiento,

flexibilidad, capacidad de cambio en aspecto-forma y sensorial” (Juan Camilo Castro,

2004 p. 24).

Fotografía 1-4: Techo retráctil del Centro Comercial Santa Fe, Medellín, Colombia.


1.10.2 Estructuras compuestas por elementos tipo cercha

Concepto

Las cerchas son estructuras que tienen la característica de ser muy livianas y con una gran

capacidad de soportar cargas; se utilizan principalmente en construcciones con luces

grandes, como techos de bodegas, almacenes, iglesias y en general edificaciones con

grandes espacios en su interior. Las cerchas también se usan en puentes, aunque para

este tipo se tiene estructuras de puentes atirantados, colgantes (cables), puentes en vigas

de alma llena (ya sea vigas armadas soldadas) y puentes en concreto pre esforzado; los

cuales se han desarrollado tanto que resultan ser sistemas más atractivos para el

diseñador.

Existen diferentes tipos de cerchas, de acuerdo con la solución estructural que se requiere.

Su construcción o ensamble se lleva a cabo uniendo elementos rectos, que

primordialmente trabajan a esfuerzos axiales, en unos puntos llamados nudos y



conformando una geometría tal que el sistema se comporta establemente cuando recibe

cargas aplicadas directamente en los nudos.

De acuerdo con el uso se tienen cerchas para techos, para puentes o simplemente para

vigas pertenecientes a un sistema de piso. En las cerchas utilizadas para techos se busca

que su geometría conforme o supla la forma del techo. Por lo general el cordón superior

conforma las pendientes del techo y el inferior es un tensor horizontal; en techos con luces

grandes esto obliga a tener una cercha muy alta en el centro haciendo la cuerda inferior

inclinada.

En el caso de vigas simples cargadas por la parte superior, donde el sistema trabaja como

un todo a flexión, se pueden construir los diagramas de momento y cortante

comparándolos con los de una viga de alma llena; se constata que los momentos internos

que producen esfuerzos de compresión y tracción en la viga se descomponen en un par

de fuerzas en la cercha produciendo esfuerzos de compresión en el cordón superior y

esfuerzos de tracción en el cordón inferior; las diagonales resisten esfuerzos cortantes

como también parte de los momentos y sirven de unión entre el elemento superior y el

inferior.

Capítulo 1 17

Figura 1-1: Análisis estructural básico de cerchas

Fuente: Elaboración propia

Se tiene la semejanza de los diagramas entre uno y otro; cuando los nudos son más

seguidos los brincos en los diagramas son menores y la semejanza es mayor. La misma

semejanza se puede tener con una viga que se carga en la parte inferior. La viga cargada

en la parte inferior requiere de elementos internos que soporten esa tracción; es decir,

como si la carga estuviera colgada y por tanto se necesitará tirantes internos que

transmitan esa carga a la zona superior.

Tipos de cerchas

Existen muchos tipos de cerchas de acuerdo con su uso, estos tipos de cercha tomaron el

nombre de la primera persona que las analizó o construyó; una de ellas es la Pratt para

puentes y para techos:



Figura 1-2: Cercha Pratt


En esta cercha las diagonales trabajan a tensión; el análisis básico consiste en comparar

los esfuerzos internos en una viga simplemente apoyada, momento positivo y cortante

positiva:

Figura 1-3: Análisis básico de esfuerzos


En cerchas simplemente apoyadas, de acuerdo con la orientación de las diagonales, estas

trabajan a tracción o a compresión; se deberá analizar la orientación de las diagonales y

concluir sobre su forma de trabajo, tracción o compresión.

Según su conformación, las cerchas se clasifican en: cerchas simples, compuestas y

complejas.

-Cerchas simples: Son aquellas construidas a base de la figura mínima estable (triángulo)

y, a partir de ahí, por cada dos barras agregadas se agrega un nudo, de tal manera que:

Capítulo 1 19

Figura 1-4: Cercha simple


Las cerchas simples siempre empiezan por un triángulo y se construyen agregando 2

barras unidas a un nudo común, que pueden dar origen a figuras que no son triángulos;

por su manera de construir una cercha simple siempre será estable internamente.

Figura 1-5: Constitución de cercha simple


-Cerchas compuestas: Son aquellas construidas por la unión de dos cerchas simples,

usando una barra de unión adicional y un nudo común, o tres barras adicionales, o

sustituyendo elementos de una estructura principal por cerchas o armaduras secundarias.



Figura 1-6: Cerchas compuestas


-Armaduras complejas: No son simples ni compuestas; para determinar su estabilidad se

requiere verificar: m+r < 2j

donde:

m: es el número de barras

r: número de reacciones

Figura 1-7: Cerchas complejas


Capítulo 1 21

Análisis de cerchas

Para identificar si las cerchas son estables, estáticamente determinadas o indeterminadas

se analiza su estabilidad y determinación. El análisis de las cerchas tiene como objetivo

encontrar las fuerzas en cada uno de los elementos y las deformaciones de todo el

conjunto. En cerchas estáticamente determinadas se utilizan métodos analíticos y

métodos gráficos. Entre los métodos analíticos se tiene: el método de los nudos y el

método de las secciones.

Figura 1-8: Identificación de miembros con fuerza cero


-Método de los nudos: Consiste en separar los nudos de toda la cercha y realizar el

diagrama de cuerpo libre de cada uno, se aplican dos ecuaciones de equilibrio de traslación

por nudo. Se debe empezar la solución por aquel nudo que tenga solo dos incógnitas.

-Método de las secciones: Se corta la estructura de tal manera que queden tres fuerzas

de barras como incógnitas y luego aplicar equilibrio a cada sección.

En general, para el análisis se pueden combinar el método de los nudos y las secciones,

haciendo que la rapidez con que se llegue a la solución dependa de la pericia y experiencia

del diseñador. Así mismo, debido a que las barras solo trabajan a esfuerzos axiales, se

sigue la siguiente convención: barras traccionadas tienen fuerzas positivas (+) y barras

comprimidas tienen fuerzas negativas (-).



1.10.3 Techo retráctil

“Un techo retráctil es un tipo de estructura en la cual una parte de toda la estructura del

techo puede ser movida o retraída en un corto periodo de tiempo de modo que toda la

edificación pueda ser usada en un estado abierto o cerrado del techo” (Kazuo Ishii, 2000

p. 3).

Figura 1-9: Techo retráctil de movimiento paralelo (Overlapping System)

Fuente: http://estructuras.eia.edu.co/estructurasI/cerchas/cerchas.htm

El sistema de techo retráctil puede ser clasificado en dos tipos:

-Techo retráctil rígido, donde la estructura es un sistema aporticado de cerchas

compuestas de tubos de acero, organizados en un patrón triangular espacial usado como

soporte principal del techo; y materiales de cobertura como vidrio, plásticos, materiales

membrana que son instaladas sobre la estructura.

-Techos retráctiles hechos de materiales membrana, donde los techos son abiertos y

cerrados por desplegar materiales tipo membrana.

Capítulo 1 23

De acuerdo al método de apertura y cierre, los techos retráctiles pueden ser:

Tabla 1-2: Clasificación de techos retráctiles

Fuente: Traducido de Kazuo Ishii (2000:5)

Para cubrir áreas/longitudes de consideración, es más sugerido el uso de techos retráctiles

de estructuras aporticadas metálicas de soporte, por su resistencia a grandes luces; así

como su mayor resistencia ante las acciones climáticas. Los techos retráctiles hechos de

materiales membrana son recomendables para pequeñas luces y/o áreas.

Las partes de un techo retráctil de movimiento paralelo son:

Figura 1-10: Partes básicas del techo retráctil de movimiento paralelo

Fuente: Elaboración propia, basado en Kazuo Ishii (2000:82) Structural Design of Retractable Roof

Structures.

El techo es abierto por movimiento horizontal/sobreponiendose elementos del techo.

Sistema de movimiento paralelo. Estructura frame tipo fija.

Sistema de movimiento rotacional. Estructura frame tipo movible.

El techo es abierto por movimiento vertical/sobreponiendose elementos del techo.

Sistema de movimiento paralelo. Estructura frame tipo fija.

Sistema de movimiento rotacional. Estructura frame tipo movible.

Pivoted moving system El techo es abierto por rotacion de paneles en sus ejes.

La superficie del techo es desplegada usando varios metodos de despliegue.

Horizontal folding tipe Estructura frame tipo fija.

Rotary folding type

Vertical folding type Estructura frame tipo movible.

Expandable system Cerchas frame que son expandibles/retractiles.

Combined system Combinacion de los sistemas de arriba.

Sliding system

Folding system



Mecanismo de avance (driving mechanism): Es todo mecanismo que soporta,

apertura y cierra un techo retráctil. Los techos retráctiles no siempre se mueven sobre

rieles horizontales; en muchos casos se mueven en curvas con rieles ascendentes y

descendientes. Dependiendo del diseño del sistema de techo retráctil, varios métodos

de manejo son adoptados:

Tabla 1-3: Métodos de avance.

Self‐running wheel method Ruedas móviles corren sobre rieles horizontales.

Cable traction method Ruedas corren sobre rieles tirados por cables.

Rack and pinion method Patines de manejo corren en rieles los cuales

tienen partes convexas y cóncavas. (Rack and gear method)

Jack method Gatas mecánicas son usadas para transmitir

movimiento.


Fotografía 1-5: Techo retráctil, método de avance: ruedas sobre rieles – C.C. Santa Fe, Medellín.

Fuente: Obtención propia

Capítulo 1 25

Dispositivo de movimiento (running device): Dispositivo que directamente soporta

el techo retráctil y lo mueve o rota entre los instrumentos del mecanismo de avance.

Fotografía 1-6: Techo retráctil: Apoyo móvil – C.C. Santa Fe, Medellín.


Dispositivo de poder (driving device): Mecanismo de poder y de transferencia de

poder.

Fotografía 1-7: Techo retráctil: Suministro de poder en apoyo móvil – C.C. Santa Fe, Medellín.




Dispositivos de bloqueo (locking devices): Dispositivos que fijan/bloquean al techo

para prevenir movimiento de carrera y en la dirección de la carga de ascenso en

cualquier estado.

Fotografía 1-8: Techo retráctil: Bloqueo de apoyo móvil – C.C. Santa Fe, Medellín.


Buffer: Dispositivo usado para absorber el shock causado por la colisión del terminal

del track del techo retráctil al stopper (tope).

Fotografía 1-9: Techo retráctil: Tope de movimiento neopreno – C.C. Santa Fe, Medellín.


Capítulo 1 27

Control de posición: Sistema de control que continuamente monitorea la posición del

techo durante su estado de movimiento; se usan sensores rotatorios para prevenir el

pandeo del techo y registrar la posición del techo retráctil.

Fotografía 1-10: Techo retráctil: Sensor de movimiento – C.C. Santa Fe, Medellín.


Fotografía 1-11: Techo retráctil: Sensor de movimiento activado – C.C. Santa Fe, Medellín.




Estructura soporte: Parte de la estructura, la cual directamente soporta el techo

retráctil y el techo fijo (fixed roof).

Estructura base: Parte de la edificación, la cual sostiene a la estructura soporte,

incluyendo la cimentación.

Figura 1-11: Base, soporte y mecanismo de avance del techo retráctil


1.10.4 Programación API-SAP2000

Sap2000 es un programa desarrollado por la empresa Computers and Structures Inc., para

la creación del modelo, análisis y diseño de estructuras; desde su versión 11.0.0 este

programa cuenta con una interfaz de programación para aplicaciones (Application

Programming Interface API); la cual, permite acceder al programa (Sap2000) desde

aplicaciones externas (programación orientada a objetos) con la finalidad de implementar

extensiones que dependen de las necesidades planteadas por el usuario.

Capítulo 1 29

Figura 1-12: Software Sap 2000

Fuente: Sap2000 (versión 16)

La interfaz de programación para aplicaciones de Sap2000 se utiliza desde cualquier

lenguaje de programación que sea capaz de implementar una interfaz (GUI-Graphical Use

Interface, form, etc). Entre los lenguajes de programación se tiene: Visual Basic para

Aplicaciones (VBA), Visual Basic .net, Visual C++, Visual C#, Java, Intel Visual Fortran v9,

Matlab, etc.

Figura 1-13: Software Visual Studio

Fuente: Visual Studio 2015 (2015)

1.10.5 Sistema solar fotovoltaico

Un sistema solar fotovoltaico es un sistema que convierte la radiación en electricidad. Un

sistema solar fotovoltaico es un mecanismo de obtención de energía renovable de

características inextinguibles, libre de emisiones, sin efectos ambientales ni peligros.



Figura 1-14: Energía solar fotovoltaica


La fotovoltaica integrada en edificios puede ser incorporada como fuente de energía

eléctrica principal o secundaria de construcciones como edificaciones unifamiliares,

multifamiliares, centros comerciales, industriales, etc. Las instalaciones fotovoltaicas en

edificaciones pueden ser instaladas en los techos; o bien, integradas en elementos de la

propia estructura del edificio.

El panel solar

El panel solar o módulo fotovoltaico está formado por un conjunto de células solares de

Silicio (entre 36 y 96), conectadas en serie eléctricamente, encapsuladas y montadas sobre

una estructura de soporte o marco. Proporciona en su salida de conexión una tensión

continua y se diseña para valores específicos de tensión (6 V, 12 V, 24 V…) que definirán

la tensión a la que va a trabajar el sistema fotovoltaico.

Capítulo 1 31

Figura 1-15: Módulo solar fotovoltaico


Las principales partes de una instalación solar fotovoltaica son:

Figura 1-16: Componentes de una instalación solar fotovoltaica (sistema PV)




Módulo fotovoltaico PV: Un módulo fotovoltaico es la fuente de poder en un sistema

PV. Ellos producen electricidad DC (corriente continua), la cual, es guardada en bancos

de batería; sin embargo, a esta energía se necesita volverla en electricidad AC vía un

inversor. La mayor parte de los módulos fotovoltaicos posee entre 36 y 96 células

conectadas en serie (Moro, 2010). Además de las células propiamente dichas, el panel

debe contar con una serie de elementos adicionales, como un aislamiento adecuado

para proteger las células frente a los agentes atmosféricos y evitar su daño o se

degraden; y una consistencia mecánica que permita manipular el conjunto y

proporcionarle adecuada solidez. Los módulos PV están siempre conectados a

componentes como desconectadores, invertidores y controladores de carga. Los

paneles PV son siempre usados intercambiablemente en arreglos; los términos más

usados para estos arreglos son:

- El módulo es una simple unidad consistente de celdas PV contenidas en un empaque

ambientalmente seguro.

- El panel es un grupo de módulos asegurados y cableados.

- El arreglo (array) es un grupo de módulos (y paneles) y componentes rack usados

para producir electricidad DC.

Banco de baterías: Las baterías proporcionan energía a la instalación durante los

periodos sin luz solar o sin suficiente luminosidad (Pareja, 2010); y acumula energía

para la instalación. El banco de baterías está típicamente instalado en un contenedor

que mantiene seguras las baterías. El banco de batería es conectado al inversor para

proveer poder a las cargas AC si el sistema también usa cargas DC (corriente continua);

el banco de baterías es cableada a un centro de carga DC.

Regulador de carga: El regulador es un elemento exclusivo de los sistemas PV

autónomos, con acumulación (imprescindible salvo en aplicaciones de muy poca

potencia); su función primaria es controlar la carga entrante en el banco de batería

desde el arreglo PV (Asociación de la Industria Fotovoltaica, 2010). Los controladores

pueden variar desde una pequeña unidad intentada para conectar un particular módulo

PV a una batería sola, hasta un controlador diseñado para conectar un arreglo múltiple

Kilowatt PV a un banco grande de baterías.

Capítulo 1 33

Invertidor (Inversor): Los inversores convierten el poder DC (corriente continua)

producido por los arreglos PV y guardados por los bancos de baterías en poder AC en

las edificaciones.



2. Consideraciones de diseño de un techo retráctil

2.1 Consideraciones generales

2.1.1 Planeación preliminar

El proyecto de un techo retráctil preliminarmente comprende el establecimiento de los

objetivos de uso, necesidades del usuario, ambiente, condiciones del sitio y escala. Así

también se deben tomar en cuenta los problemas específicos que involucran edificaciones

con techos retráctiles que no son propios de edificaciones convencionales, como la

seguridad en la conversión del estado cerrado de la edificación al estado abierto de éste,

la velocidad de sobrecambio, el ángulo de apertura, la flexibilidad de uso en cualquier

modo, el efecto de sombra del techo retraído, el ambiente ocupacional en cualquier modo,

la seguridad ante el fuego, problemas de confiabilidad del método de apertura/cerrado, etc.

Los puntos básicos que deben ser considerados en la planeación son la estabilidad

estructural, el método de apertura y cerrado, el mecanismo de manejo, el tiempo requerido

de apertura y cerrado, el ángulo de apertura, la durabilidad, el mantenimiento y manejo,

la flexibilidad en uso, la sombra del techo retraído, los efectos del viento debido al techo,

resistencia al fuego, etc (Ishii, 2000).

Selección del método de apertura y cierre

El método de apertura y cierre debe ser elegido tomando varios factores en consideración:

funciones y propósitos de la estructura, condiciones ambientales, condiciones del sitio,

manejo y condiciones de operación.



Clarificación de las condiciones de uso

En el diseño de un techo retráctil deben ser establecidas las condiciones bajo las cuales

el techo es abierto y cerrado; así también para cuando la estructura es usada en un estado

semiabierto, la posición del techo debe ser establecido. Las condiciones de uso implican

el análisis de los estados cerrado y abierto para el caso de un evento específico o cuando

el clima es inclemente.

Puntos considerados de apertura y cierre del techo

Un apropiado plan debe desarrollarse tomando en consideración la acción del viento,

iluminación, calor y consideraciones de sonido, todos los cuales afectan los eventos y

deportes. En particular, la ubicación del techo y dirección, altura y dirección de

apertura/cierre deben ser determinadas según consideraciones meteorológicas como la

posición del sol en el lugar. Un techo retráctil opera principalmente en un estado abierto

bajo un cielo despejado y bajo gran cantidad de luz solar; añade una sensación de aire

libre con el techo abierto (Frazer, 2004), para así aumentar considerablemente la

iluminación y crear circulación de aire en la edificación.

Las consideraciones para la apertura y cierre del techo que deben ser tomadas son

consideraciones de seguridad, definición del método de apertura/cierre, definición del

mecanismo de manejo, definición de los tipos de eventos en la vida útil de la edificación,

consideraciones de uso, influencia de la sombra del techo sobre el techo retraído, tiempos

de apertura y cierre, influencia del viento, definición del sistema de ventilación, elección y

ubicación de sistemas de sonido, ubicación de letreros colgantes, luminarias, etc.

2.1.2 Plan de prevención de desastres y evacuación

El plan de prevención de desastre para techos retráctiles es el mismo que para techos

fijos; quiere decir, las mismas previsiones deben ser dadas para la prevención del fuego,

prevención de expansión del fuego, detección del fuego y planes de evacuación; sin

embargo se afronta problemas específicos para techos retráctiles (Ishii, 2000), como los

siguientes:

-Problemas de prevención de desastres y evacuación en los estados abierto y cerrado,

los cuales deben ser investigados con el desarrollo de un plan para cada estado.

Capítulo 2 37

-Problema del smoke: cuando el techo está abierto, parte de la edificación se vuelve un

espacio a la intemperie y dispersa al aire externo. Sin embargo, cuando el viento actúa el

flujo del smoke va a ser disturbado y podría afectar la evacuación de los usuarios; por

tanto el disturbio debido al viento externo debe ser predicho por simulaciones, y asegurarse

que cualquier acumulación no dificulte la evacuación. Cuando el techo está cerrado, la

acumulación del smoke en la parte superior de la edificación, debido a lo alto del techo,

debe ser prevista por el establecimiento de un mecanismo de expulsión.

Los planes de prevención de desastres difieren con el objetivo de la edificación con techo

retráctil, su estructura, el método de apertura y cerrado, tamaño, capacidad (número de

personas acomodadas), construcción del lugar y el ambiente. En un estado cerrado, el

plan de prevención de desastres no es muy diferente de edificaciones ordinarias. En

general, el plan básico de prevención de desastres y evacuación para edificaciones con

techo retráctil debe considerar la elección de un sistema de evacuación, un plan de acción

durante los juegos, el control de fumadores, monitoreo de la edificación en un centro de

prevención de desastre, sistemas contra incendios, señalización de emergencias, etc.

2.1.3 Mantenimiento y manejo, control del apertura y cierre

Considerando la frecuencia de apertura y cierre, como de 3 o 6 veces por día, y la

velocidad de retracción baja (5-6m/min), el manejo de la seguridad y control de apertura y

cierre debe ser planeado y mejorado apropiadamente. Un salón de control desde el cual

el ambiente principal y todos los usuarios puedan ser observados debe ser incluido en la

edificación. Debe proyectarse también un salón de control, para revisar la apertura y cierre

del techo; prever facilidades de monitoreo y dispositivos de detección de condiciones

meteorológicas.



Fotografía 2-1: Tablero de control de sensores – C.C. Santa Fe, Medellín.


Capítulo 2 39

Fotografía 2-2: Diagrama de señales y potencias – C.C. Santa Fe, Medellín.




Fotografía 2-3: Planta de sensores y cableado – C.C. Santa Fe, Medellín.


2.2 Consideraciones en diseño estructural

2.2.1 Generalidades

Un sistema estructural se define como el conjunto ordenado de elementos jerárquicos e

interactuantes que son capaces de recibir, soportar y transmitir cargas y fuerzas para el

principal objetivo que es resguardar y proteger la vida (Franco,2010). El concepto de

estructuras adaptables amplía necesariamente estas funciones básicas; los sistemas

estructurales adaptables deben ser capaces de reacomodarse posibilitando los cambios

formales y espaciales, en procura de albergar nuevos usos, necesidades o funciones;

dialogar e interactuar con su entorno físico y cultural haciendo uso del concepto de

retroalimentación aprovechando condiciones propias de su medio para beneficio y confort

de los usuarios.

Capítulo 2 41

Esta investigación trata de techos retráctiles rígidos de movimiento paralelo, cuyo soporte

estructural son sistemas aporticados, compuestos consistentes de estructuras cercha

compuestas por tubos de acero organizados en un patrón triangular; estas estructuras de

soporte a su vez, poseen paneles de techo subdivididos en partes. Así mismo, los sistemas

aporticados compuestos usados en estos techos retráctiles (Ishii ,2000) se caracterizan

por:

-Poseer un efecto total estructural complejo porque cada techo retráctil móvil tiene una

estructura independiente.

-Se tienen diferencias en el comportamiento de los techos retráctiles debido a las diferentes

cargas y fuerzas externas llevadas por cada techo retráctil móvil. Sin embargo, aunque los

techos retráctiles son estructuras independientes, pueden compartir la misma estructura

soporte, lo cual podría afectar la respuesta de los techos adyacentes.

-Sellado de los espacios de separación de los techos retráctiles “independientes”. En

algunas estructuras los sellos flexibles son requeridos para llenar los espacios entre los

techos en la posición cerrada. Estos sellos deben tener suficiente rigidez para transferir

cargas desde un panel a otro.

Los paneles techo o techos retráctiles deben ser establecidos por el Ingeniero Estructural,

así como, el planteamiento del plan estructural, tomando en cuenta la construcción y

tolerancias de movimiento que permitan a los paneles moverse seguramente. De igual

manera, tomar en cuenta las posibles deformaciones diferenciales de dos paneles o techos

adyacentes debido a los efectos de servicio, sismo, nieve, desajuste de conexiones, etc.;

los cuales afectarían las dimensiones de los espacios y la trabajabilidad de los

mecanismos de sellado, si estos son incluidos.



Tabla 2-1: Plan Estructural del Ohita Stadium.

Pórtico superior

El marco techo es una estructura de acero esférica consistente de un marco en forma de arco con un ancho máximo de 270 m en su parte central y marcos cruzados organizados a 40m de intervalos en la dirección perpendicular, la cual es la dirección del movimiento del techo. También en esta dirección, los marcos que conectan a tensión las vigas anillo con el marco arco son organizados en orden de asegurar una apropiada operación del techo retráctil.

El marco arco es una estructura cercha compuesta por tubos de acero organizados como un patrón triangular de modo que alta rigidez y alta fuerza contra la flexión lateral y torsión son alcanzados, mientras las consideraciones de la eficiencia económica es alcanzada por el reducción del peso de los marcos de acero.

Características como pasarelas son incorporados en los espacios vacíos de la cercha para una despejada apariencia del interior de la estructura; en la base, el acero reforzado de concreto y el acero refractario son usados para mejorar la resistencia contra el fuego.

El Titanio es usado como el material para el techo rígido y el marco, es una celosía hell triangular la cual soporta el techo y asegura la planeada alta rigidez del material.

Sistema techo retráctil

El techo retráctil se mueve sobre el techo fijo a lo largo de la superficie esférica durante apertura y cerrado sin el deterioro del paisaje.

Un máximo de 20 min es requerido para apertura o cerrado a una máxima velocidad del viento de 20 m/seg.

Un confiable mecanismo de manejo por cable‐tracción es adoptado en orden de reducir el manejo manual requerido para mantenimiento y manejo, este método ha sido aplicado en muchos ejemplos prácticos.

Cuando las condiciones del clima son muy severas que permitan un evento (condiciones de tormentas), el techo retráctil el techo retráctil debería ser retraído de modo que cubra al techo fijo en orden de reducir las cargas de viento por minimización del área expuesta al viento. También, en la posición retraída, un bloqueo entre el panel fijo y el panel movible de la parte central de 40m es activado para reducir el momento de flexión causado por el viento; este instrumento puede obtener un marco ligero de peso del techo retráctil.

Si un sismo o apagón eléctrico ocurre durante un evento, la situación dentro del domo es monitoreado desde el salón de monitoreo por varias cámaras, y si es profundamente necesario, un cuarto paso del sistema de seguridad consistente de un absorvedor de shock, dos sistemas de frenado (drive‐braking) y cortes de las vías es activada para reforzar la seguridad de la estructura.

Techo membrana

Un techo de membrana retráctil con un marco celosía triangular shell la cual tiene una alta rigidez en plano adoptada.

Para el material membrana se tiene un material fabricado con 25% de translucencia.

Para la contracción de la membrana, un panel romboidal, que tiene una alto ratio de rendimiento y factor de resistencia al viento es adoptado.

Pórtico inferior Las tribunas y la base de estructura forman una estructura de concreto con alta rigidez y resistencia, materiales prefabricados son usados para vigas y pasos en orden de asegurar alta calidad y seguridad durante la construcción.

Capítulo 2 43

El techo y las tribunas son soportados por el rígido y firme terreno, en la parte cortada, ellos son soportados por bases, y áreas cubiertas en pilas planas prefabricadas.

La confiabilidad del pie del marco arco es tratada por resistencia friccional en la dirección base, y por la resistencia horizontal de la pila base. En orden de afrontar con los diferentes métodos de tratamientos para la confianza de las diferentes bases, y el ingreso de fase diferencia en la propagación de la onda sísmica, tensión de las vigas anillo la cuales conectan cada base al arco son instalados para incrementar el ángulo de seguridad contra sismos.

Confirmación de seguridad

Por mejora en el test de túnel de viento usando un modelo 1//500, las máximas cargas de viento deberían ser determinadas con consideraciones dadas del aire nor‐este común al sitio de Ohita Dome.

En el análisis estructural, un modelo completo en la cual los miembros son representados por líneas ha sido adoptado; basado en el análisis de cargas, cargas sísmicas, cargas de viento y cargas de temperaturas, miembros que proveen suficiente margen de seguridad contra deformación y esfuerzo son identificados. También, la flexibilidad del techo retráctil para acomodar la deformación de los marcos ha sido confirmada.

Para el caso de cada sismo fuerte, la seguridad de miembros secundarios ha sido confirmada.

Para el techo retráctil, en adición a la seguridad de los marcos, la adecuada tolerancia de resistencia de los materiales membrana ha sido confirmada.

Un test de fabricación fue mejorado para confirmar la seguridad del material Titanio del techo fijo contra deformación y esfuerzo.

La viga pie es una resistencia al fuego estructura de acero reforzado de concreto, eliminando la necesidad de otros tipos de ignífugos, la estructura puede también soportar las fuerzas axiales que podrían ser inducidas durante un sismo fuerte.

La máxima confianza aplicada por el arco estructura es de aproximadamente 800 tons; un suficiente nivel de seguridad en términos de resistencia friccional de las directas bases y resistencia horizontal, la deformación y esfuerzo de las pilas han sido confirmadas.

Fuente: Traducido de Kazuo Ishii (2000:2).

Lo mencionado por Kazuo Ishii (2000:2) como plan estructural, es una configuración

estructural típica de los techos retráctiles con estructura soporte techo rígido y marcos

móviles hechas de titanio; sin embargo, para las condiciones de Colombia, que considera

esta investigación, se propondrá materiales según F.4.1.2 — MATERIALES del Título F

Estructuras Metálicas del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-

10. El Plan Estructural del Ohita Stadium podría resumirse para un techo retráctil rígido,

típico de movimiento paralelo:



Tabla 2-2: Configuración estructural típica de techo retráctil rígido.

Pórtico

El marco techo es una estructura de acero esférica consistente de un marco en forma de arco y arriostres cruzados organizados a intervalos definidos en la dirección perpendicular; la cual, es la dirección del movimiento del techo.

El marco arco es una estructura cercha compuesta por tubos de acero organizados como un patrón triangular de modo que alta rigidez y alta fuerza contra la flexión lateral y torsión.

El Acero Estructural tipo A572 o A36 será el principal material o según lo establecido en la F.4.1.2 — MATERIALES del Título F Estructuras Metálicas del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR‐10. Este material será usado como el material para el techo rígido.

El sistema techo retráctil

El techo retráctil se desplazará sobre rieles metálicos anclados a una superficie rígida. Los apoyos de las columnas del pórtico espacial de soporte del techo, se los considerara como apoyo “móvil” solo en la dirección de movimiento del techo.

El tiempo máximo de 20 min será requerido para apertura o cerrado a una máxima velocidad del viento de 20 m/seg.

Un mecanismo de poder por moto reductores es adoptado en orden de reducir el manejo manual requerido para mantenimiento y manejo. Se considera la instalación de un moto reductor por cada columna.

Cuando las condiciones del clima son muy severas que permitan un evento (condiciones de tormentas), el techo retráctil el techo retráctil debe ser retraído de modo que cubra al techo fijo en orden de reducir las cargas de viento por minimización del área expuesta al viento.

Cobertura de techo Para el material de cobertura se plantea un material fabricado con 25% de translucencia.

Confirmación de seguridad

Se recomienda realizar pruebas‐test de túnel de viento usando un modelo a escala.

En el análisis estructural, el modelo matemático y sus miembros son representados por líneas y se debe considerar las cargas verticales (muerta y viva), cargas sísmicas y cargas de viento.


2.2.2 Configuración estructural del techo retráctil C.C. Santa Fe Medellín

La configuración estructural del techo retráctil de movimiento paralelo principalmente

investigada en esta tesis es del Centro Comercial Santa Fe, Medellín, ubicado en la Av. El

Poblado #7, Medellín, Colombia, cuyas estructuras soporte es un pórtico cercha móvil de

acero consistente de un marco en forma de arco con un ancho horizontal con perfiles

cruzados organizados a intervalos establecidos en la dirección perpendicular; así como,

con riostras rígidas en los costados laterales, orientados en la dirección del movimiento del

techo. Este tipo de configuración estructural tiene la siguiente planta típica:

Capítulo 2 45

Fotografía 2-4: Planta de techos retráctiles – C.C. Santa Fe Medellín.


La estructura de soporte cercha está compuesta por tubos de acero organizados con un

patrón triangular, de modo que alta rigidez y alta fuerza contra la flexión lateral y torsión

sean alcanzados, mientras las consideraciones de la eficiencia económica es alcanzada

por la reducción del peso de los marcos de acero.



Figura 2-1: Estructura de techo retráctil


La viga soporte de esta estructura móvil consiste en una viga compuesta de bridas

inferiores y superiores con diagonales de unión; todos los elementos están conectados por

uniones rígidas:

Fotografía 2-5: Viga cercha de Techo retráctil – C.C. Santa Fe, Medellín.


Capítulo 2 47

Figura 2-2: Sección transversal de la viga cercha


Fotografía 2-6: Encuentro de viga cercha con columna – C.C. Santa Fe, Medellín.


El arriostramiento lateral con riostras diagonales resulta necesario para que la estructura

pueda soportar las acciones horizontales (principalmente las acciones del sismo y viento)

y para coaccionar los elementos. El arrostramiento concéntrico de los pórticos cercha se

debe proyectar correctamente para proporcionar a esta estructura la resistencia y una

rigidez adecuada a la que puedan unirse las correas, de modo que, a su vez, aporten

estabilidad provisional durante el montaje.



Fotografía 2-7: Arriostramiento lateral de techo retráctil – C.C. Santa Fe, Medellín.


De acuerdo con la norma del Título F Estructuras Metálicas del Reglamento Colombiano

de Construcción Sismo resistente NSR-10, el arriostramiento debe cumplir los requisitos

de los apartados F.2.20, arriostramiento de columnas y vigas en relación con la resistencia

y la rigidez mínimas requeridas por elementos usados para arriostramiento, de manera que

sean efectivos para generar puntos arriostrados. El sistema de arriostramiento adoptado

en techos retráctiles de movimiento paralelo posee las siguientes características:

· Perfiles tubulares dispuestos en diagonal en la viga cercha.

· Perfil tubular de acero de resistencia a carga sísmica de acuerdo a F.3.1.4.2 del Título F

Estructuras Metálicas del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-

10.

· Perfiles tubulares en “X”

· Conexiones rígidas.

Capítulo 2 49

Figura 2-3: Arriostramiento de techo retráctil


La estructura denominada soporte es la parte que directamente distribuye el peso del techo

retráctil a la estructura base. Debido a que las estructuras de acero son generalmente

usadas en el mecanismo de avance (driving mechanism), la cual es posicionada justo

encima de la estructura de soporte, las estructuras de acero son también usadas en la

estructura soporte.

Figura 2-4: Soporte de techo retráctil




Fotografía 2-8: Apoyo móvil de columna de techo retráctil – C.C. Santa Fe, Medellín.


Las estructuras base son compuestas de concreto armado; para este material base de

estructura se considera una estructura de concreto con alta rigidez y resistencia.

Debido a las deformaciones posibles de las estructuras soporte y base que afectarían el

movimiento del techo retráctil, los materiales estructurales deberían ser seleccionados con

factores de seguridad determinados para la confirmación de esfuerzos; así también, por

verificaciones de cambio de temperatura, creep y contracción, en casos que se use

concreto reforzado.

2.2.3 Configuración estructural del techo retráctil de la Plaza de Toros La Macarena

Complementariamente en esta investigación, se consideró la visita académica a las

estructuras del techo retráctil de la Plaza de Toros La Macarena; esta, es una plaza de

toros de primera categoría, ubicada en Medellín, Colombia; inaugurada el 4 de marzo de

1945 (72 años a la fecha de esta investigación). Tiene una capacidad para 12.865

espectadores, ubicados en los tendidos bajos y altos. El techo retráctil tiene un tiempo de

Capítulo 2 51

uso de 12 años; es diseñado, fabricado y montado por Estaco S.A. La configuración

funcional del techo retráctil consiste en dos paneles (norte y sur) del techo, que se

desplazan en el lado norte y sur respectivamente, sobre rieles instalados sobre vigas

cerchas estructurales; tiempo promedio apertura/cierre es de 3.80 minutos.

Fotografía 2-9: Plaza de Toros la Macarena, Medellín.


La configuración estructural planteada para este tipo de techo retráctil tiene las siguientes

características:

-En general, de acuerdo al diámetro total de la Plaza de Toros La Macarena, la estructura

del techo en planta tiene como dimensión general 68m de longitud; la estructura del techo

consiste en vigas cercha, tijerales, viguetas y diagonales de acero estructural A36.

-La estructura del techo metálico es soportada en todo el perímetro de la plaza por vigas y

columnas de concreto armado; de modo que los elementos estructurales de acero se

anclan a la estructura de concreto armado mediante planchas base A36, con pernos

estructurales de anclaje.



-El techo retráctil consiste de una estructura de cuatro vigas cercha principales que

soportan a cerchas, correas y perfiles secundarios; dos de estas vigas cercha constituyen

el apoyo o soporte de los rieles de los dos paneles de techo móviles.

-Las vigas cercha principales son de perfiles tubulares estructurales A36, de 0.25 y 0.20m

de diámetro; estas vigas espaciales son arriostradas en su longitud por otras cerchas

menores a través de conexiones rígidas. Estas vigas cercha poseen diagonales tubulares

de sección de 10 y 15 cm de diámetro.

-El techo retráctil consiste en sí de dos paneles móviles: Techo sur y norte; cada panel

tiene como dimensiones en planta 37x17.9 metros.

-Cada viga cercha tiene una sección transversal de 0.90xhvariable; el valor de esta hvariable

va entre 0.6 y 2.20m.

Figura 2-1: Planta de estructura de techo retráctil Plaza de Toros, La Macarena


Capítulo 2 53

Figura 2-2: Isométrico viga cercha Plaza de Toros, La Macarena


Fotografía 2-10: Viga cercha Plaza de Toros la Macarena, Medellín.


-Todas las conexiones metálicas son rígidas en todas las uniones de los miembros

estructurales.



Fotografía 2-11: Conexiones rígidas en Estructura de Techo Retráctil Plaza de Toros la

Macarena, Medellín.


Fotografía 2-12: Conexiones rígidas a momento en brida de viga cercha Plaza de Toros

la Macarena, Medellín.


Capítulo 2 55

Fotografía 2-13: Techo retráctil en un estado cerrado Plaza de Toros la Macarena, Medellín.


-Cada panel móvil es una estructura independiente, compuesta por vigas cercha

organizadas y conectadas en todo su perímetro. La sección transversal de estas vigas

cercha es triangular, conformado por miembros tubulares organizados en un patrón

espacial reticulado, siendo las dimensiones de esta sección transversal de 1.0x1.20m; esta

viga cercha posee diagonales de acero con sección tubular de 3 pulg de diámetro, bridas

superiores (dos) e inferior (una) con sección de 4 pulg de diámetro. Cada panel

internamente contiene cerchas simples y diagonales para el soporte de la cobertura y

rigidización de todo el panel móvil en su integridad.



Figura 2-3: Techo panel móvil Plaza de Toros la Macarena, Medellín


Fotografía 2-14: Techo retráctil en apertura Plaza de Toros la Macarena, Medellín.


-Los apoyos móviles están basados en ejes rotatorios energizados por moto reductores,

los cuales desplazan el techo (panel) por el riel metálico instalado sobre las vigas cerchas

Capítulo 2 57

principales; estos apoyos móviles están espaciados cada 1.50m, con un moto reductor

respectivamente en cada uno.

Fotografía 2-15: Apoyo móvil de techo retráctil Plaza de Toros la Macarena, Medellín.


-El tablero de control de todo el sistema retráctil para el movimiento de los paneles móviles

contiene dos reguladores de velocidad y los switchers respectivos para energizar los moto

reductores.

Fotografía 2-16: Tablero de control del techo retráctil Plaza de Toros la Macarena, Medellín.




Fotografía 2-17: Apoyo conexión de perfiles secundarios a vigas de concreto armado

Plaza de Toros la Macarena, Medellín.


Fotografía 2-18: Apoyo conexión de bridas de viga cercha principal en vigas de concreto armado Plaza de Toros la Macarena, Medellín.


Capítulo 2 59

2.2.4 Materiales estructurales

La elección de los materiales para los elementos de la estructura del techo retráctil implica

usar materiales que consideren factores de seguridad apropiados para la frecuencia de

apertura y cierre del techo retráctil.

El planteamiento de los materiales estructurales y factores de seguridad de techos

estructuras fijas también pueden ser adoptados para estructuras de techos retráctiles (Ishii,

2000); sin embargo, cuando las frecuencias de apertura y cierre son altas, o cuando la

velocidad de retracción es extremadamente alta, medidas especiales deberían ser

tomadas; en tales casos la opción es adoptar el diseño standard para estructuras grúas de

acero, con factores de seguridad ligeramente más altos, debido a sus condiciones de uso

(repetición de cargas e impacto de cargas); particularmente para las características de los

proyectos en Colombia se seguirá la consideración de Kazuo Ishii respecto a los factores

de seguridad.

Para los perfiles metálicos conformantes de la estructura, los materiales a utilizar para los

perfiles metálicos según F.4.1.2 — MATERIALES, del Título F Estructuras Metálicas, del

Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10, se plantea el uso de

acero de calidad estructural:

-ASTM A36/A36M, acero estructural al carbono.

-ASTM A242/A242M, acero estructural de alta resistencia y baja aleación.

-ASTM A572, aceros de alta resistencia y baja aleación con colombio y vanadio, de calidad

estructural.

-ASTM A588/A588M), acero estructural de alta resistencia y baja aleación.

Para los arriostramientos circulares se prefiere perfiles tubulares estructurales (PTE) ASTM

A500 (grado B o C).

2.2.5 Consideraciones de carga

En general, para la definición de las acciones que soportan los techos retráctiles se debe

tener en cuenta varios tipos de cargas y fuerzas externas, las cuales, deben ser evaluadas

en estado abierto, estado cerrado, estado semi abierto y estado móvil.



Efectos de cargas repetidas

Son ejercidas fundamentalmente por estructuras de soporte y base, debido a las repetidas

aperturas y cierres del techo; esfuerzos de movimientos son inducidos por las cargas

móviles; por tanto, la fatiga estructural debería ser analizada en el diseño respectivo.

En las estructuras de acero, la concentración de esfuerzo se da en orificios, pernos o

remaches y en partes soldadas cuyas formas geométricas rápidamente cambian. Las

grietas estructurales generadas a estas partes podrían ser transferidas a los nudos de una

entera sección transversal de los miembros ensamblados. Por tanto, en el diseño de nudos

de miembros que reciben esfuerzos repetidos, además de adoptar juntas soldadas o juntas

con alta resistencia de pernos de fricción, la previsión de detalles estructurales que

prevengan la generación de falla por fatiga debida a la concentración de esfuerzo es

importante, mientras simultáneamente se debe prestar atención al desarrollo de la flexión

secundaria, entre la disolución y formas de cordones de soldadura.

La fatiga estructural debe ser evaluada considerando el grado de esfuerzos, sus

frecuencias de ocurrencia y el número de veces de apertura y cierre, el número de puntos

de soporte, condiciones de vías (tracks) irregulares y rigidez de la estructura base.

Las cargas móviles generadas durante la apertura y cierre del techo podrían generar

vibración o sonidos en la superestructura, la estructura soporte o la base estructura; estas

vibraciones y sonidos son generados debido a la propagación de sonido desde la

estructura soporte, cambio de deformación en los miembros secundarios como

deformación de cada parte estructural, distorsión en cada parte estructural por cambio de

temperatura, y la inapropiada interacción entre el mecanismo de avance (driving

mechanism) y la estructura soporte.

El método de retracción seleccionado no debería inducir a problemas estructurales o

dificultad con el uso objetivo (Ishii, 2000); el cual, de acuerdo a las condiciones de

operación en Colombia, donde las operaciones de apertura y cierre son realizadas a

velocidades bajas (entre 4 y 8 minutos), no se deberían tener problemas significativos por

apertura o cierre. En adición, la perjudicial vibración y sonido debería ser prevenido por

Capítulo 2 61

medidas propias como ajuste de frecuencias naturales de miembros, mientras se considera

la frecuencia característica de vibración.

Cargas muerta y viva

La carga muerta es calculada acorde a las condiciones planteadas en el proyecto,

principalmente el peso propio de la estructura, el peso de la cobertura y acabados. Los

valores de carga muerta deberán ser compatibles con la tabla B.3.4.1-4, cargas muertas

mínimas de elementos no estructurales horizontales – cubiertas del capítulo B.3 – cargas

muertas del título B – cargas del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo

resistente NSR-10.

La carga viva del techo debe considerar las condiciones de uso, básicamente la carga por

mantenimiento del techo o cargas para reparación del techo retráctil (establecidas según

el plan de mantenimiento promedio). La carga viva mínima sobre toda la superficie del

techo debe ser de 45 kg/m2, valor compatible a la tabla B.4.2.1-2, cargas vivas mínimas

en cubiertas del capítulo B.4 – cargas vivas del título B – cargas del Reglamento

Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10.Finalmente, las cargas de

luminarias, letreros colgantes y equipo de audio en la superficie del techo deben ser

considerados.

Carga de viento

Se refiere a la acción de las fuerzas del viento, con las cuales debe diseñarse una

resistencia en la edificación con techo retráctil en sus diferentes estados: abierto, semi-

abierto y cerrado. Usualmente el estado abierto o semi-abierto es considerado para ser

usado cuando la velocidad del viento es baja, y el estado cerrado durante vientos fuertes;

por lo que la velocidad marginal del viento debe ser claramente determinada. Para

determinar la velocidad del viento es necesario asumir vientos fuertes no predichos por

una ordinaria estación climatológica, asumir una velocidad del viento más alta que los

fuertes vientos que se espera ocurran.

En los techos retráctiles las cargas de viento para los estados abierto, cerrado, semiabierto,

y durante la apertura y cierre son diferentes (Ishii, 2000); si la estructura es diseñada con

la máxima carga de viento en cada uno de estos estados, el costo efectividad decrece

mientras se incrementa el tamaño de la estructura. Esta recomendaciones de diseño deben



ser tomadas en cuenta, basándose también en las especificaciones de viento para cada

Departamento del país, según la el ítem B.6.5.4 del capítulo B-6-Fuerzas de viento del

título B – Cargas del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10.

La velocidad del viento usada en la determinación del viento de diseño se tomará en cada

zona:

Figura 2-4: Zonas de amenaza eólica de Colombia

Fuente: Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10 cap.B-6 (B-39)

Para el cálculo de la acción del viento, se debe precisar las consideraciones de diseño del

capítulo B.6 – Fuerzas de viento del título B – Cargas del Reglamento Colombiano de

Construcción Sismo resistente NSR-10.

Capítulo 2 63

Figura 2-5: Coeficiente de presión externa de cubiertas abovedadas

Fuente: Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10, cap.B-6 (B-52)



Figura 2-6: Coeficiente de presión externa en cubiertas en domos

Fuente: Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10, cap.B-6 (B-66)

Carga sísmica

En zonas de amenaza sísmica, donde las consideraciones de sismos son necesarias, los

techos retráctiles deben ser sismo resistentes en completo estado abierto o completo

estado cerrado.

La estructura general del techo retráctil en movimiento debe ser capaz de detenerse

cuando un sismo de una específica magnitud sea detectado, a través de un freno u otro

instrumento que detenga el deslizamiento de las ruedas, excepto en el caso de un sismo

severo. Debido a que la probabilidad de que un sismo severo ocurra durante el avance de

un techo retráctil es considerada extremadamente baja, la carga de sismo en condición de

movimiento puede ser reducida. Cuando no hay suficiente información, este valor podría

establecerse del 50% de la carga normal de sismo como adecuada (Ishii, 2000). Sin

embargo, debido a que en Colombia la ocurrencia de que un sismo ocurra mientras se

apertura o cierre un techo retráctil es baja, el análisis estructural sísmico de un techo

retráctil se realizará como estructura fija sometida a acciones sísmicas, considerando la

independencia estructural del resto de las estructuras soporte.

Capítulo 2 65

El comportamiento sísmico esperado en la estructura de un techo retráctil considerado en

muchos códigos de diseño, puede variar:

-Para el nivel I del movimiento sísmico, el cuerpo estructural debería comportarse dentro

del rango elástico.

-Para el nivel 2 del movimiento sísmico, el cuerpo estructural debería bajarse al

comportamiento elástico o plástico; si la estructura colapsara con el colapso de la

estructura entera, el descarrilamiento o movimiento desestabilizador y la caída de otras

partes de la edificación deberían ser prevenidos.

Tabla 2-3: Consideraciones concernientes a sismos.

Comportamiento de

paneles movibles

Cuando las vibraciones características de cada panel son diferentes, los

paneles del techo vibran en diferentes maneras; los efectos de las

vibraciones deberían ser considerados.

Durante el

movimiento de los

paneles

Sismómetros deberían ser instalados a lo largo de las estructuras del

retráctil; cuando la detención del movimiento sísmico es de mayor nivel,

las partes movibles deberían ser inmediatamente detenidas por medios,

frenos u otras medidas. En ocasiones estas medidas deberían proceder

a las ruedas en deslizamiento en caso de pequeños sísmicos, cuya

probabilidad es alta.

Seguridad contra

descarrilamiento

La prevención del descarrilamiento debido a cargas laterales causadas

por un sismo durante el movimiento es necesaria.


Adicionalmente a las consideraciones dadas en la tabla 2-2, por efectos conservadores en

el cálculo de la fuerza sísmica, se considerará el método estático (método de la fuerza

horizontal equivalente), que considera el efecto de la fuerza provocada por el movimiento

sísmico directamente proporcional al peso muerto de la estructura; así calcular el cortante

sísmico en la base Vs el equivalente a la totalidad de los efectos inerciales horizontales

producidos por los movimientos sísmicos de diseño.

Para efectos del diseño sísmico de las estructuras en Colombia, se define inicialmente la

localización del proyecto dentro de una de las zonas de amenaza sísmica baja, intermedia

o alta; se utilizará los movimientos sísmicos de diseño definidos en el Título A — Requisitos

generales de diseño y construcción sismo resistente, del Reglamento Colombiano de

Construcción Sismo resistente NSR-10, los cuales se pueden expresar por medio del



espectro elástico de diseño definido o por medio de familias de acelerogramas que

cumplan los requisitos establecidos.

Figura 2-7: Zonas de amenaza sísmica en Colombia

Fuente: Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10 cap.B-6 (B-66)

De acuerdo al Capítulo A.3 Requisitos Generales de Diseño Sismo Resistente del

Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10, la forma del espectro

de aceleración Sa, expresada como fracción de la gravedad para un coeficiente critico de

cinco por ciento (5%) del amortiguamiento crítico, se debe utilizar en diseño, se define:

Sa = 1.2AvFvI / T

Donde:

-Av, coeficiente de aceleración que representa la velocidad horizontal pico efectiva, para

diseño.

Capítulo 2 67

-Fv, coeficiente de amplificación

-I, coeficiente de importancia

-T, período fundamental del edificio

Para el cálculo de las fuerzas sísmicas actuantes en las estructuras retráctiles se utiliza lo

establecido en A.4.3-Fuerzas sísmicas horizontales, del Título A — Requisitos generales

de diseño y construcción sismo resistente del Reglamento Colombiano de Construcción

Sismo resistente NSR-10:

-Cortante sísmico basal: Vs = Sa x g x M

_Fuerza sísmica: Fx = Cv x Vs

-g , valor de la gravedad

-M, masa de la estructura

-Cvx, coeficiente definido en A.4.3 (Capítulo A.4 Método de la fuerza horizontal

equivalente, NSR-10)

La presente tesis considerará la expresión del valor total del coeficiente sísmico basal, el

cual es similar a lo definido por la Norma Sismo Resistente Colombiana NSR-10, ítem.

A.4.3.1, a través del método de la fuerza horizontal equivalente:

Fuerza sísmica base = KxPeso,

donde:

-K, coeficiente sísmico del cortante basal

-W, peso de la edificación = 100%Wmuerta+ %Wviva

Estas cargas sísmicas se asignarán en todos los nodos del modelo matemático de la

estructura del techo retráctil, a ubicarse en el nivel correspondiente al inicio de la curvatura

del techo, en ambos sentidos X e Y.

Carga de granizadas

Se refiere a la acumulación de granizada o nieve esperada en un techo retráctil producida

durante la estación de precipitaciones o nieve; este estado del techo debería ser

determinado en ambos estados (abierto y cerrado), porque el movimiento del techo donde

la granizada o nieve esta acumulada es peligroso. Considerando la seguridad y grado de

realización, se recomienda que el techo permanezca en un estado cerrado durante la

estación de granizada o nieve.



Efectos de cambio de temperatura

Los materiales de acero son usados en las partes del techo retráctil, así como los

mecanismos de apertura y cierre son generalmente largos, porque podría haber largas

deformaciones causadas por el calor de la luz solar; por lo que es necesario dar suficiente

consideración al esfuerzo causado por cambios de temperatura. Además se esperan

pequeños esfuerzos y deformaciones en las partes, causadas por los cambios de

temperatura resultantes de la anormal operación de los mecanismos de apertura/cierre,

como tocamiento, chirrido o atasco.

Otras cargas

La estructura general de los techos retráctiles poseer la particularidad de estar sometida a

cargas que estructuras convencionales no soportan, cargas como las fuerzas en las rieles,

fuerzas causadas por las juntas de los rieles, fuerzas de inercia, fuerzas de frenado e

impacto; estas cargas acompañan durante el movimiento del techo; por tanto deberían ser

tomadas en consideración para el diseño de los elementos involucrados (estructuras

soporte).

Las cargas consideradas en las estructuras soporte del techo retráctil (Ishii, 2000) son:

-Cargas dinámicas debido a la aceleración y desaceleración durante las operaciones

normales (cargas horizontales durante la apertura/cierre del techo y fuerzas durante

apertura/cierre del techo).

-Cargas dinámicas debido a la emergencia de detenimiento del techo (fuerzas de inercia y

fuerzas de frenado).

-Efectos de torcimiento por el movimiento lineal de los paneles en vías paralelas.

-Variación de las condiciones de soporte debido a las tolerancias de construcción de la

vía.

-Cambio de la rigidez de las condiciones de soporte durante el movimiento de los paneles.

-Los efectos dinámicos del techo (y subestructuras) por colisión del panel techo y un

posible buffer (fuerza de impacto).

-La carga desplazamiento debida a la irregularidad de las vías (tracks).

Capítulo 2 69

2.2.6 Consideraciones de diseño

Diseño del pórtico cercha soporte

El techo retráctil de movimiento paralelo es una estructura tridimensional soportada por

arcos de cercha compuesta, conectados a las columnas compuestas; las cuales son

soportadas por pedestales conectados bogies móviles a través de conexiones “pin”

(articuladas). Los bogies realizan un movimiento paralelo en dirección de los rieles

instalados sobre vigas carril de concreto armado.

El diseño estructural de esta estructura tridimensional de acero está basado en las

disposiciones indicadas en el Título A — Requisitos generales de diseño y construcción

sismo resistente, Título B — Cargas, Título F — Estructuras metálicas y Título J —

Requisitos de protección contra el fuego en edificaciones. Sin embargo se deberá tomar

en cuenta para diseño estructural las siguientes previsiones:

a) Consideración de la fuerza tridimensional:

Tomando en cuenta las características del pórtico tridimensional soporte con forma

de arco, la modelación tridimensional debe ser utilizada en los análisis estático y

dinámico.

b) Seguridad de resistencia sísmica:

El objetivo del diseño primario es seleccionar el suficiente esfuerzo permisible

elástico (equivalente o sobre el necesario esfuerzo permisible horizontal en el

diseño secundario para edificaciones ordinarias). Así mismo, las conexiones deben

poseer y transmitir resistencia de esfuerzo permisible en caso de acción sísmica.

c) Consideración del movimiento sísmico vertical:

Para techos retráctiles de longitud grande es necesario considerar movimientos

verticales en caso de sismo. El diseño considera la fuerza vertical sísmica

equivalente igual a la mitad de la fuerza horizontal sísmica en el análisis estático y

dinámico (Ishii, 2000). Sin embargo, esta consideración planteada por Kazuo Ishii

no será tomada en cuenta en esta investigación, debido a la localización de

Medellín-Antioquia, calificada como medianamente sísmica (Reglamento

Colombiano de Construcción Sismo resistente NSR-10 cap.B-6, B-66).



d) Diseño de resistencia al viento:

La presión del viento actuante en la superficie del techo resulta en una complicada

distribución, debido a posibles edificaciones existentes y variaciónes de la forma

cuando se abre o cierra el techo. Es sugerido realizar un test de túnel del viento

bajo condiciones cerradas y abiertas, con un modelo rígido a escala, para obtener

la distribución del coeficiente de fuerza del viento con las dos direcciones del viento.

e) Verificación de la seguridad de la operación de apertura y cierre durante el sismo:

En las condiciones abierta o cerrada, los pedestales del pórtico soporte son

soportados en dos direcciones (horizontal y vertical) por el mecanismo de bloqueo.

f) Mantenimiento como estructura independiente:

El diseño debe ser hecho de modo que la estructura del techo tenga una suficiente

claridad con el techo existente y no exista mutua interferencia entre cada estructura.

Diseño del sistema de avance (driving system)

La acciones (fuerzas y momentos) provenientes del pórtico superior son transmitidas a los

mecanismo de avance y estos a su vez, a los rieles metálicos.

Fotografía 2-19: Apoyo móvil de techo retráctil C.C. Santa Fe, Medellín.


Figura 2-8: Reacciones verticales en los rieles

Capítulo 2 71


Figura 2-9: Reacciones horizontales en los rieles


Para el cálculo de las reacciones por el sistema de carga de la estructura superior, debe

tomarse en cuenta las consideraciones para estructuras grúa con movimiento horizontal



(Crane Structural Standards). Esquemáticamente la estructura de apoyo se analiza con la

ilustración:

Figura 2-10: Bogie de apoyo


Respecto al diseño estructural del aparato de apoyo, se requiere las comprobaciones de

sus partes fundamentales:

-Rótula o articulación B

-Ruedas D

-Placa superior C

-Riel inferior E

En el diseño de la rótula B, las rótulas cilíndricas se dimensionarán de modo que la presión

máxima p* en la superficie de contacto cumpla la condición siguiente:

∗ 19.166 1

5xσu

Donde:

-R: reacción vertical característica.

-H: empuje característico paralelo a las generatrices de la superficie cilíndrica.

-γs: coeficiente de ponderación medio = 1.33

-h: distancia entre el punto de aplicación de H y la generatriz de la rótula (cm).

-L: longitud real de generatriz de contacto (cm).

-r: radio de curvatura de la superficie cilíndrica (cm).

-σu: tensión de cálculo del acero = 2.6 ton/cm2 (valor referencial).

Capítulo 2 73

Para llevar a cabo la comprobación, se deberá proponer al menos dos de las variables

desconocidas (h y L) y así determinar el valor del radio mínimo, redondear este a un valor

mayor y volver a realizar la verificación de los esfuerzos nuevamente.

Figura 2-11: Apoyo de estructura sobre apoyo articulado


En caso de plantear una articulación en B, para su diseño se deberá realizar comprobación

del bulón a corte y la comprobación del aplastamiento de la chapa/plancha contra la espiga

del bulón.

Respecto al diseño de las ruedas podría considerárselas como rodillos de ancho definido;

en esta investigación se considerara el caso de 4 ruedas de apoyo con posibilidad de

desplazamiento horizontal “v”, por lo que la presión máxima p* en la superficie de contacto

deberá cumplir la condición:

∗ 19.16

12 6 1

5xσu

donde:

-R: reacción vertical característica.

-H: empuje característico paralelo.

-h: distancia entre el punto de aplicación de H y la generatriz del rodillo (cm.).

-L: longitud real de generatriz del rodillo (cm.).

-r: radio del rodillo(cm.).



-n: número de rodillos = 4

-v: máximo desplazamiento horizontal previsto (cm).

-c: distancia entre ejes de los rodillos extremos (cm).

Para llevar a cabo la comprobación se deberá proponer al menos las variables h y L y así

determinar el valor del radio mínimo, redondear este valor a un valor mayor y volver a

realizar la verificación de los esfuerzos nuevamente.

Para el diseño de la placa superior C, considerar que esta placa se apoya sobre los rodillos

como una viga continua sometida a una carga puntual; se comprueba entonces que la

sección a-a de altura mínima hc no presente problemas de agotamiento resistente como

consecuencia del momento flector.

Figura 2-12: Carga en placa superior


Suponiendo que el desplazamiento de los rodillos (ruedas) es nulo (v=0) y bajo la hipótesis

de que todos los rodillos soportan la misma carga, se obtiene el valor del momento flector:

Mcmax = (R*/2) x (c/3)

Para que la placa sea resistente deberá tener una altura mínima hc:

h6

σu

donde:

bc: ancho (cm).

Respecto al diseño del riel inferior E, debido a la carga descendente vertical (originado por

el desplazamiento “v” del apoyo) y al empuje del viento H (también podría considerarse el

Capítulo 2 75

sismo, aunque esta es una acción momentánea), la compresión que transmite el riel a la

estructura inferior a esta no es uniforme; resulta un valor máximo:

σ ,6 6

Donde:

-aE: longitud de la placa base

-bE: anchura de la placa base

-MH = H h’: momento provocado por el empuje H al nivel inferior de la placa asiento

Se deberá proponer valores de aE, bE y h’ (asumiendo un espesor para la placa) para

obtener el momento MH para obtener la presión máxima sobre el hormigón σh,max y se la

compara con el valor esfuerzo del hormigón; en caso de que la presión máxima σh,max sea

mayor, se deberá aumentar las dimensiones del riel. En el diseño del riel, también se

considera que está sometido a la reacción del hormigón; por tanto su altura se calculará

considerándola como una viga apoyada en los rodillos y sometida a cargas repartidas en

toda su longitud con distribución trapecial, donde el máximo valor es σh,max y el mínimo

σh,min:

Figura 2-13: Presiones sobre el riel


El espesor del riel deberá ser como mínimo:

h6σu

Finalmente, en general el mecanismo de avance (motores, engranajes, tambores, bogies,

ruedas, ejes de rueda, etc.) debe ser diseñado para tener mayor seguridad que la

estructura del techo.



La fuerza de avance debe tener una capacidad de apertura y cierre de los paneles techo,

incluso ante la acción máxima del viento de diseño.

Los dispositivos de bloqueo deben ser provistos para la prevención de mal recorrido y

levante en las posiciones abiertas y cerradas.

Las partes del mecanismo de avance deben caracterizarse por su capacidad de ser

reemplazadas sin influenciar al resto de equipamiento. Así mismo, el sistema de control de

viaje puede ser operado automáticamente desde un tablero de operación en un salón de

control.

3. Programación API SAP 2000


Para el desarrollo de la extensión se utilizará el editor Microsoft Visual Studio

Professional 2015, con el lenguaje de programación Visual Basic 2015, con el cual se

integra la interfaz de Programación para Aplicaciones Sap 2000. Con las órdenes

adecuadas se utilizará los métodos-soporte para manipular Sap2000 a través de Visual

Basic, a través de los mismos comandos utilizados en Sap2000, de manera organizada

y automatizada, mediante un lenguaje de programación. Se describirá la sintaxis de

programación de esta investigación con los lenguajes Visual Basic-Visual Studio 2015,

Visual C# y Matlab.

3.2 Lenguaje de programación

Es un lenguaje diseñado para realizar procesos ejecutados por máquinas como las

computadoras. Los lenguajes de programación, asi como los lenguajes naturales

escritos, no son más que una serie de normas para transmitir conceptos. Mientras el

lenguaje escrito sirve para que los seres humanos se comuniquen entre ellos, los

lenguajes de programación se crearon para comunicarse con los ordenadores

mediante una serie finita de claves.

Los lenguajes de programación tienen gramática y léxico más simples que un idioma

de habla humana. Los seres humanos estamos educados para convertir palabras y

frases escritas en sonidos. Los ordenadores están dotados de un método para convertir

el código implementado en un lenguaje de programación con órdenes que puedan ser

cumplidas.

3.3 Programación orientada a objetos

La programación orientada a objetos (POO, u OOP según sus siglas en inglés) es un

paradigma de programación que usa objetos en sus interacciones para diseñar



aplicaciones y programas informáticos (Álvarez, 2001). La POO es una forma de

programar que introduce nuevos conceptos, que superan y amplían conceptos antiguos

ya conocidos. Entre ellos, se destacan los siguientes:

3.3.1 Clase

Una clase es un objeto, que tiene propiedades, funciones y métodos (Celis, 2011).

3.3.2 Herencia

Una herencia de la clase C a la clase D, es la facilidad mediante la cual la clase D

hereda en ella cada uno de los atributos y operaciones de C, como si esos atributos y

operaciones hubiesen sido definidos por la misma D. Por tanto puede usar los mismos

métodos y variables públicas declaradas en C. Los componentes registrados como

"privados" (private) también se heredan, pero como no pertenecen a la clase, se

mantienen escondidos al programador y sólo puede acceder a ellos a través de otros

métodos públicos. Esto es así para mantener hegemónico el ideal de POO.

3.3.3 Objeto

Un objeto es una entidad provista de un conjunto de propiedades o atributos (datos) y

de comportamiento o funcionalidad (métodos), los mismos que consecuentemente

reaccionan ante eventos; se corresponden con los objetos reales del mundo que nos

rodea, o con objetos internos del sistema (del programa).

Para el contexto del Enfoque Orientado a Objetos (EOO) un objeto es una entidad que

encapsula datos (atributos) y acciones o funciones que los métodos manejan (Carballo,

2007). También para el EOO un objeto se define como una instancia o parte de una

clase. Los servicios ofrecidos por los objetos son de dos tipos:

1.- Los datos, que se definen como los atributos.

2.- Las acciones o funciones, que se denominan métodos.

3.3.4 Método

Es un algoritmo asociado a un objeto (o a una clase de objetos), cuya ejecución se

desencadena tras la recepción de un "mensaje". Desde el punto de vista del

comportamiento, es lo que el objeto puede hacer. Un método puede producir un cambio

Capítulo 3 79

en las propiedades del objeto, o la generación de un "evento" con un nuevo mensaje

para otro objeto del sistema.

3.3.5 Evento

Es un suceso en el sistema (tal como una interacción del usuario con la máquina, o un

mensaje enviado por un objeto). El sistema maneja el evento enviando el mensaje

adecuado al objeto pertinente. También se puede definir como evento la reacción que

puede desencadenar un objeto; es decir, la acción que genera.

3.3.6 Atributos

Son las características que tiene la clase. Los atributos son los datos o variables que

caracterizan al objeto y cuyos valores en un momento dado indican su estado (Carballo,

2007). Un atributo es una característica de un objeto. Un atributo consta de un nombre

y un valor. Cada atributo está asociado a un tipo de dato, que puede ser simple (entero,

real, lógico, carácter, string) o estructurado (arreglo, registro, archivo, lista, etc.)

Su sintaxis algorítmica es: <Modo de acceso> <Tipo de dato> <Nombre del atributo>

Los modos de acceso son:

- Público: Atributos (o métodos) que son accesibles fuera de la clase. Pueden ser

llamados por cualquier clase, aun si no están relacionadas con ella.

- Privado: Atributos (o métodos) que sólo son accesibles dentro de la implementación

de la clase.

- Protegido: Atributos (o métodos) que son accesibles para la propia clase y sus clases

hijas (subclases).

3.3.7 Mensaje

Una comunicación dirigida a un objeto, que le ordena que ejecute uno de sus métodos

con ciertos parámetros asociados al evento que lo generó.

3.3.8 Estado interno

Es una variable que se declara privada, que puede ser únicamente accedida y alterada

por un método del objeto; se utiliza para indicar distintas situaciones posibles para el

objeto (o clase de objetos). No es visible al programador que maneja una instancia de

la clase.



3.3.9 Componentes de un objeto

Se refieren a los atributos, identidad, relaciones y métodos de un objeto. Hay muchas

clases de objetos (Celis, 2011); por tanto, puede llegar a haber tantos métodos, eventos

y propiedades distintas como objetos diferentes hay.

3.3.10 Identificación de un objeto

Un objeto se representa por medio de una tabla o entidad que esté compuesta por sus

atributos y funciones correspondientes. Cada control u objeto en Visual Basic debe

tener un nombre, por medio del cual se puede hacer referencia a dicho objeto en la

aplicación (Rodríguez, 2008); el nombre (name) puede ser el que el programador

designe; incluso Visual Basic proporciona nombres por defecto para los diversos

controles; estos nombres por defecto hacen referencia al tipo de control y van seguidos

de un número, que se incrementa a medida que se van introduciendo más controles

del mismo tipo en el formulario.

3.4 Microsoft visual studio professional 2015

Es un entorno de desarrollo de última generación, conjuntamente con el compilador de

uno de los lenguajes de programación más avanzados que existe en la actualidad. Así

mismo, es un completo entorno de desarrollo integrado para crear aplicaciones para

Windows, Android e iOS, además de aplicaciones web y servicios de nube innovadores.

3.4.1 Visual basic- Visual studio 2015

Es un lenguaje de programación orientado a objetos; se considera una evolución de

Visual Basic implementada sobre el framework.NET. El manejo de las instrucciones es

similar a versiones anteriores de Visual Basic, para facilitar el desarrollo de aplicaciones

más avanzadas con herramientas modernas, para mantener eficacia en el desarrollo

de las aplicaciones. La gran mayoría de programadores de VB.NET utilizan el entorno

de desarrollo integrado Microsoft Visual Studio en alguna de sus versiones (desde el

primer Visual Studio .NET hasta Visual Studio .NET 2015, que es la última versión de

Visual Studio para la plataforma .NET), aunque existen otras alternativas, como

SharpDevelop (que además es libre).

Al igual que con todos los lenguajes de programación basados en .NET, los programas

escritos en VB .NET requieren el Framework .NET o Mono para ejecutarse. NET

Capítulo 3 81

Framework es un entorno para construir, instalar y ejecutar servicios Web y otras

aplicaciones (eBook Microsoft.NET Framework 2002); se compone de tres partes

principales: el Common Language Runtime, las clases Framework y ASP.NET.

Visual Basic- Visual Studio 2015 permite trabajar con los frameworks:

.NET Framework 2.0

.NET Framework 3.0

.NET Framework 3.5

.NET Framework 4.0

.NET Framework 4.5

.NET Framework 4.5.1

.NET Framework 4.5.2

.NET Framework 4.6

3.4.2 Visual C#

Es un lenguaje moderno, potente, flexible y orientado a objetos. C# combina las

mejores ideas de lenguajes como C, C++ y Java. En Visual C# es necesario precisar

los siguientes conceptos:

-Clase: Una clase es una colección de código y de variables; las clases gestionan el

estado las variables que contienen; y comportamientos, según los métodos que

contienen. Sin embargo una clase es solo una plantilla desde donde se crean objetos.

-Objeto: Visual C# es un lenguaje orientado a objetos; los objetos son instancias de

una clase.

-Interfaz: Una interfaz de C# es un conjunto de firmas de métodos, propiedades,

eventos o indizadores agrupadas con un nombre común. Las interfaces funcionan

como conjunto de funciones definidas que pueden implementarse en una clase o

estructura de Visual C#.

-Espacio de nombre: Sirve de ayuda para organizar colecciones de clases en

agrupaciones lógicas.

3.5 Matlab como lenguaje de programación

Matlab es un lenguaje de programación, un conjunto de reglas para escribir programas

de ordenador; Matlab esta orientado al cálculo numérico. Matlab cuenta con una



extensa biblioteca de funciones que cubren casi todas las disciplinas de la ciencia y la

ingeniería extensamente documentada.

En muchos lenguajes de programación como C o Fortran es imprescindible declarar

cada variable; la definición estricta de declaración es para identificar un determinado

espacio en la memoria del ordenador con un nombre. En Matlab como lenguaje

dinámico no existen declaraciones, porque el concepto de variable es distinto; ya no es

el nombre que se asocia a un espacio en la memoria, es el nombre de un valor. De esta

manera la variable tiene un sentido mucho más natural, más matemático.

La ventaja principal de MATLAB es el uso de familias de comandos de áreas

específicas llamadas toolboxes (Esqueda, 2012). Los toolboxes son grupos de

comandos de MATLAB (archivos M) que extienden el ambiente de MATLAB para

resolver problemas de áreas específicas de ciencia e ingeniería. Los archivos M o M-

files tienen una extensión “.m”; estos son simples archivos ASCII o Scripts, y como tales

pueden ser creados y modificados desde cualquier editor de texto. Matlab incluye un

editor de archivos M, orientado a la programación de este software; si se optara por

otro editor, se debería vigilar siempre que los archivos escritos se guarden con esta

extensión; según como se definan, estos archivos pueden separarse en dos tipos:

archivo de comandos y de funciones.

3.6 Sap2000 V18.0.0

Programa general para crear el modelo, el análisis y diseño de estructuras.

3.6.1 Interfaz de Programación para Aplicaciones de Sap2000

Es una poderosa herramienta que permite a los usuarios automatizar mucho los

procesos requeridos para construir, analizar y diseñar modelos y obtener análisis

configurados y resultados de diseño. También permite a los usuarios unir SAP200 con

un Software externo a través de un path (camino) o con intercambio de información de

modelos con otros programas. Sap2000 utiliza la tecnología COM (Component Object

Model) de Microsoft para permitir la comunicación de los componentes del software de

forma programable por el ingeniero.

Capítulo 3 83

3.6.2 Instalación API Sap2000

La interfaz de programación para aplicaciones de Sap2000 se instala por defecto con

cualquier distribución, desde su versión 11.0.0. Es posible ampliar las capacidades de

Sap2000 mediante programas creados por sus usuarios, definiendo estructuras

parametrizadas o repetitivas y generando una norma de diseño específica, etc.

3.7 Programación en Visual Basic-Visual Studio 2015 con API Sap2000

Se realiza la descripción general para integrar la interfaz de programación para

aplicaciones de Sap2000 en el entorno de desarrollo integrado Microsoft Visual Studio,

específicamente programando en el lenguaje Visual Basic-Visual Studio, para lo cual

es necesario crear una aplicación windows.

3.7.1 Integrar API Sap2000 a Visual Basic-Visual Studio 2015

En Visual Basic-Visual Studio 2015 se inicia con el Menú Proyecto, haciendo click en

“Agregar referencia...” Luego se muestra la ventana “agregar referencia” entre las

opciones mostradas; se elige la pestaña etiquetada COM, para después, entre los

muchos componentes existentes, elegir Sap2000 como indica la figura:

Figura 3-1: Referencias en Visual Basic-Visual Studio 2015




Agregando esta referencia, se establece que Microsoft Visual Basic-Visual Studio 2015

trabaje con la Interfaz Sap2000.SapObject; en este punto Microsoft Visual Studio se

encargará de integrar absolutamente todos los contenidos de la Interfaz

Sap2000.SapObject.

3.7.2 Implementar interfaz de Sap2000 en un objeto

Para establecer la utilización de órdenes que contiene la interfaz, se opta por

implementarlo en un objeto desde el lenguaje de programación Microsoft Visual Basic-

Visual Studio 2015; desde este punto son visibles los métodos de la interfaz a través

del objeto. Es una manera de implementar la interfaz de Sap2000 en un objeto de Visual

Basic-Visual Studio 2015.

1 // Implementa la interfaz de Sap2000 a un objeto

2 Sap2000.SapObject SapObjeto;

3 // inicializa el objeto

4 SapObjeto = new Sap2000.SapObject ();

3.7.3 Acceder al objeto que implementa la interfaz

El objeto que contendrá la interfaz se debe declarar, de modo que sea visible en todo

el proyecto y mediante código se debe invocar a este objeto para todos los propósitos.

Creado el objeto que contiene la aplicación, el siguiente paso es proporcionarle el

archivo Sap2000 correspondiente; se puede hacer inicializando un nuevo archivo o

apoderándose de uno existente.

Es posible desde Visual Basic-Visual Studio 2015 inicializar el programa Sap2000; el

siguiente programa inicializa un nuevo entorno en Sap2000 y dibuja un pórtico 2D en

su espacio modelo, asignando propiedades por defecto.

1 Sub MyProgram

2 'variables

3 Dim SapObject As Sap2000.SapObject

4 Dim SapModel As cSapModel

5 Dim ret As Long

6 'creación de una instancia de Sap2000 object

7 Set SapObject = New Sap2000.SapObject

8 'inicio de la aplicación Sap2000

9 SapObject.ApplicationStart

Capítulo 3 85

10 ‘creación del objeto SapModel

11 Set SapModel = SapObject.SapModel

12 'inicializa modelo

13 ret = SapModel.InitializeNewModel

14 'llama a las funciones Sap2000 API para ejecutar las tareas deseadas.

15 'se crea un pórtico 2D desde un template

16 ret = SapModel.File.New2DFrame(PortalFrame, 3, 124, 3, 200)

17 End Sub

El siguiente código, define las combinaciones de carga para el código LRFD (Load

Resistance Factor Design):

COMB1 = 1.4DEAD

COMB2 = 1.2DEAD+1.6VIVA

COMB3 = 1.2DEAD+1.3VIENTO1+0.5VIVA


COMB5 = 1.2DEAD+1.0SISMOX+0.5VIVA

COMB6 = 1.2DEAD-1.0SISMOX+0.5VIVA

COMB7 = 1.2DEAD+1.0SISMOY+0.5VIVA

COMB8 = 1.2DEAD-1.0SISMOY+0.5VIVA

COMB9 = 0.9DEAD+1.0SISMOX

COMB10 = 0.9DEAD-1.0SISMOX

COMB11 = 0.9DEAD+1.0SISMOY

COMB12 = 0.9DEAD-1.0SISMOY

1 'Definicion de patrones de carga

2 ret = SapModel.LoadPatterns.Add("VIVA", LTYPE_LIVE, 0)

3 ret = SapModel.LoadPatterns.Add("VIENTO1", LTYPE_WIND, 0)

4 ret = SapModel.LoadPatterns.Add("VIENTO2", LTYPE_WIND, 0)

5 ret = SapModel.LoadPatterns.Add("SISMOX", LTYPE_QUAKE, 0)

6 ret = SapModel.LoadPatterns.Add("SISMOY", LTYPE_QUAKE, 0)

7 ret = SapModel.LoadPatterns.SetSelfWTMultiplier("DEAD", 1)

8 'Definicion de combinaciones

9 ret = SapModel.RespCombo.Add("COMB1", 0)














21 'Definicion de combinaciones factores de mayoracion

22 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB1", LoadCase, "DEAD", 1.4)


24 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB2", LoadCase, "VIVA", 1.6)


26 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB3", LoadCase, "VIENTO1", 1.3)



29 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB4", LoadCase, "VIENTO2", 1.3)



32 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB5", LoadCase, "SISMOX", 1)



35 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB6", LoadCase, "SISMOX", -1)



38 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB7", LoadCase, "SISMOY", 1)



41 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB8", LoadCase, "SISMOY", -1)



44 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB9", LoadCase, "SISMOX", 1)


46 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB10", LoadCase, "SISMOX", -1)


48 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB11", LoadCase, "SISMOY", 1)


50 ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB12", LoadCase, "SISMOY", -1)

51 ‘Definicion de combinación de carga para diseño

51 ret = SapModel.DesignSteel.SetComboStrength("COMB2", True)

Capítulo 3 87

52 ‘Definicion de código de diseño

52 ret = SapModel.DesignSteel.SetCode("AISC-LRFD99")

3.8 Programar en visual C# con API Sap2000

Para integrar la interfaz de programación para aplicaciones (API) de Sap2000 en el

entorno de desarrollo integrado Microsoft Visual Studio, se debe programar

específicamente en el lenguaje Visual C# creando una aplicación Windows.

3.8.1 Integrar API Sap2000 a Visual Studio- Visual C#

Se realiza la integración de API SAP2000 de la misma manera que lo establecido en

3.7.1. Integrar API Sap2000 a Visual Basic-Visual Studio 2015; agregando la referencia

se establece que Microsoft Visual C# trabaje con la Interfaz Sap2000.SapObject. En

este punto Microsoft Visual Studio se encargará de integrar absolutamente todo el

contenido de la Interfaz Sap2000.SapObject.


Para establecer la utilización de órdenes que contiene la interfaz, se opta por

implementarlo en un objeto desde el lenguaje de programación Microsoft Visual C#;

desde este punto son visibles los métodos de la interfaz a través del objeto. Una manera

de implementar la interfaz de Sap2000 en un objeto de Visual C# es mediante el código

siguiente:

1 // Implementa la interfaz de Sap2000 a un objeto


3 // inicializa el objeto

4 SapObjeto = new Sap2000.SapObject ();

3.8.3 Acceso al objeto que implementa la interfaz

El objeto que contendrá la interfaz se debe declarar de modo que sea visible en todo el

proyecto; mediante código deberemos referirnos a este objeto para todos los

propósitos. Creado el objeto que contiene la aplicación, el siguiente paso es

proporcionarle un archivo Sap2000 correspondiente; puede ser iniciando un nuevo

archivo o apoderándose de uno existente.



Es posible desde Visual C# inicializar el programa Sap2000; el siguiente código

inicializa un nuevo entorno en Sap2000 y dibuja un pórtico 2D en su espacio modelo;

asigna propiedades por defecto.

1 private void cmdOpenSap2000_Click (object sender, EventArgs e)

2 {

3 // declara variable tipo Sap2000


5 long ret;

6 // inicializar la variable del tipo Sap2000

7 SapObjeto = new Sap2000.SapObject();

8 // inicializa la aplicación

9 SapObjeto.ApplicationStart (ap2000. eUnits.kgf m C, true, "Prueba”);

10 // crea e inicializa el espacio modelo de sap2000

11 ret = SapObjeto.SapModel.InitializeNewModel (Sap2000.eUnit s. kgf m C);

// dibuja un pórtico 2D

13 ret = SapObjeto.SapModel.File. New2DFrame(PortalFrame, 3, 124, 3, 200);}

3.9 Programar en Matlab

Se realiza la descripción general para integrar la interfaz de programación para

aplicaciones de Sap2000 en el lenguaje MATLAB R2008a, para lo cual es necesario

crear un nuevo Script.

3.9.1 Integrar API Sap2000 a Matlab

Para Integrar cualquier código de programación desarrollado en Matlab con Sap2000

se debe agregar un nuevo Script desde el menú Home o Editor:

Capítulo 3 89

Figura 3-2: Definición de nuevo Script Matlab desde menú EDITOR


Figura 3-3: Definición de nuevo Script Matlab desde menú HOME



Para establecer la utilización de órdenes que contiene el script, se decide implementarlo

desde el lenguaje de programación en Matlab. Una secuencia para implementar la

interfaz de Sap2000 en Matlab es:

1 %% limpia el workspace & command window

2 clear;

3 clc;

4 %% envía la data a Sap2000 como un array (arreglo) de una dimensión



5 feature('COM_SafeArraySingleDim', 1);

6 %% envía arrays no-escalares a Sap2000 API por referencia

7 feature('COM_PassSafeArrayByRef', 1);

8%% crea el objeto Sap2000

9 SapObject = actxserver('sap2000.SapObject');

10%% inicia la aplicación Sap2000

11 SapObject.ApplicationStart;

12%% crea el objeto SapModel

13 SapModel = SapObject.SapModel;

3.9.3 Inicializar un archivo nuevo

Es posible desde Matlab inicializar el programa Sap2000; el siguiente programa

inicializa un nuevo entorno en Sap2000 y dibuja tres elementos frame en su espacio

modelo:

14 %% crea el nuevo modelo new blank

15 ret = SapModel.File.NewBlank;

16 %% define propiedades de material

17 MATERIAL_CONCRETE = 2;

18 ret = SapModel.PropMaterial.SetMaterial('CONC', MATERIAL_CONCRETE);

19 %% assign isotropic mechanical properties to material

20 ret = SapModel.PropMaterial.SetMPIsotropic('CONC', 3600, 0.2, 0.0000055);

21 %% define la propiedad sección rectangular del pórtico

22 ret = SapModel.PropFrame.SetRectangle('R1', 'CONC', 12, 12);

23 %% define como unidades a k-ft

24 kip_ft_F = 4;

25 ret = SapModel.SetPresentUnits(kip_ft_F);

26 %% Añade objetos frame por coordenadas

27 FrameName1 = ' ';



30 [ret, FrameName1] = SapModel.FrameObj.AddByCoord(0, 0, 0, 0, 0, 10, FrameName1,

'R1', '1', 'Global');

31 [ret, FrameName2] = SapModel.FrameObj.AddByCoord(0, 0, 10, 8, 0, 16, FrameName2,

'R1', '2', 'Global');

32 [ret, FrameName3] = SapModel.FrameObj.AddByCoord(-4, 0, 10, 0, 0, 10, FrameName3,

'R1', '3', 'Global');

33 %% Refresca el zoom

34 ret = SapModel.View.RefreshView(0, false ());

Capítulo 3 91

Figura 3-4: Código de programación en Script Matlab


Adicionalmente, Matlab cuenta con un entorno de programación visual de MATLAB

para realizar y ejecutar programas con entorno gráfico, similar a los programas que se

desarrollan en Visual Basic, Delphi, Java, etc. Matlab a través de GUIDE es una interfaz

gráfica de usuario (GUI-Graphical Use Interface); permite que el usuario interactúe con

el programa o el sistema operativo de una computadora. Una GUI contiene diferentes

elementos gráficos como: botones, campos de texto, gráficos, etc, de modo que se

puede realizar la programación orientada a objetos con el código contenido en un

archivo M (Script) e interfaz contenido en un archivo FIG; de esta manera se puede

desarrollar una interfaz específica que pueda interactuar con Sap2000.



3.10 Descripción del programa RETRÁCTIL 1.0

RETRACTIL 1.0 (Extensión para la creación del modelo, análisis y diseño automatizado

de techos retráctiles en Sap2000) es una extensión para Sap2000 v14.0.0, programada

en lenguaje de programación Visual Basic-Visual Studio 2015, integrado con la API

Sap2000 desde el Microsoft Visual Estudio. Este lenguaje de programación fue la

programación orientada a objetos (POO, u OOP según sus siglas en inglés), la cual es

un paradigma de programación donde los objetos manipulan los datos de entrada para

la obtención de datos de salida específicos, donde cada objeto ofrece una funcionalidad

especial.

Al iniciar RETRACTIL 1.0 se muestra la ventana principal general-interfaz para el

usuario; esta interfaz se caracteriza por su organización intuitiva y contiene campos

para el ingreso de los argumentos generales de la estructura que están debidamente

ordenados en menús de ingreso:

Figura 3-5: Entorno principal RETRÁCTIL 1.0


Capítulo 3 93

Figura 3-6: RETRÁCTIL 1.0 – Menú Datos


Figura 3-7: RETRÁCTIL 1.0 – Menú Cargas


Figura 3-8: RETRÁCTIL 1.0 – Menú Cálculos


Figura 3-9: RETRÁCTIL 1.0 – Menú Info




Para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en

SAP2000, la Extensión Visual seguirá el siguiente Diagrama de flujo:

Figura 3-10: Diagrama de flujo RETRÁCTIL 1.0


4. Aplicación de techo RETRÁCTIL 1.0

4.1 Geometría general del techo retráctil a diseñar

Este capítulo se enfocará en la demostración de la utilidad de la interfaz de programación

para aplicaciones (Application Programing Interface A.P.I.) de SAP2000 con la ejecución

de la extensión para modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles

en SAP2000.

Se diseñará un techo retráctil rígido de perfiles de acero estructural con las siguientes

características generales:

Figura 4-1: Pórtico principal en elevación (unidad de medida en metros)


Para el modelamiento estructural, la extensión considera al techo retráctil como una

estructura tridimensional constituida por dos pórticos de columnas y vigas compuestas, las

cuales están conectadas por uniones rígidas. Así mismo las correas del techo reciben a

las cargas muertas y vivas del techo. Lateralmente, se propone arriostres de sección

tubular, los cuales están conectados a los pórticos por cartelas soldadas a las columnas,

de modo que estos arriostres siempre trabajen a comprensión y tensión.



Figura 4-2: Elementos de viga de pórtico principal


4.2 Datos de ingreso en techo RETRÁCTIL 1.0

4.2.1 Propiedades de materiales de los elementos estructurales

Se ingresan los valores de las propiedades mecánicas que se utilizan para cálculo

estructural en Sap2000 como:

Figura 4-3: Definición de propiedades de material


Donde:

F’y es el esfuerzo de fluencia.

F’u es el esfuerzo a tensión mínima.

E es el módulo de elasticidad.

Pe es el peso específico del material.

Capítulo 4 97

4.2.2 Ingreso de la geometría general

El ingreso de las dimensiones de los elementos estructurales del techo retráctil será parte

de las siguientes estructurales espaciales:

Figura 4-4: Elementos estructurales generales de pórtico de techo retráctil




En general, los perfiles estructurales serán denominados con los siguientes nombres:

Figura 4-5: Secciones de cada elemento estructural del techo retráctil


Capítulo 4 99

Se ingresan las dimensiones propuestas para los perfiles estructurales tubulares:

Figura 4-6: Ventana de definición de las secciones de los elementos estructurales


Donde para bridas:

t3 es el diámetro de la sección.

tw es el espesor de la sección.

Donde para la correa o polin:

t3 es la dimensión en el eje 3.

t2 es la dimensión en el eje 2.

tw es el espesor de la sección en el alma.

tf es el espesor de la sección en el ala.



Así también, se ingresa las dimensiones geométricas generales del techo retráctil:

Figura 4-7: Ventana definición de dimensiones en elevación del techo retráctil


4.2.3 Definición de parámetros sísmicos

Se ingresa el valor total del coeficiente sísmico basal, el cual, está definido por la Norma

Sismo Resistente Colombiana NSR-10 en el ítem. A.4.3.1 a través del método de la fuerza

horizontal equivalente:

Fuerza sísmica base = KxPeso

Donde:

K, coeficiente sísmico del cortante en función del valor de la aceleración horizontal del nivel

donde el techo retráctil esta soportado al sistema estructural de la edificación.

W, peso de la edificación = 100%Wmuerta+ %Wviva

La fuerza sísmica en la base será distribuida directamente en los nodos del techo para

producir un desplazamiento uniforme del techo por acción sísmica.

Capítulo 4 101

Figura 4-8: Ingreso de valores sísmicos


4.2.4 Definición de parámetros de viento

Se ingresa los parámetros de viento característicos de la zona y de importancia de la

estructura, donde:

V = velocidad de viento

Kz = coeficiente de exposición de presión por velocidad evaluado a la altura z

l = factor de importancia

Kd = factor de direccionalidad del viento

Kzt = factor topográfico

Altura Z = metros sobre el nivel del mar

Figura 4-9: Ventana de ingreso de parámetros de viento




Donde:

GCpi es el coeficiente de presión interna

Cp es el coeficiente de presión externa

4.2.5 Ingreso de cargas verticales

Se refiere al ingreso de solo las cargas muertas sobreimpuestas, debido a que el peso

propio de cada elemento estructural es considerado internamente a través de la opción de

Sap 2000 Self Weight Multiplier = 1 (factor de peso propio) para el caso de la carga muerta

DEAD:

La extensión solicita el ingreso del valor total de la carga muerta sobreimpuesta por m2: Carga Muerta = peso de cobertura + peso de luminarias + peso de sistema de agua

contraincendio El peso de la cobertura dependerá del planteamiento del tipo de cobertura (especialidad

de arquitectura), siendo las posibilidades diversas como paneles metálicos de acero, techo

verde (sistema “cubierta verde ligera"), policarbonato, etc:

Figura 4-10: Cobertura Policarbonato celular o alveolar


La presenta investigación plantea la utilización de la cobertura del techo retráctil para la

obtención de energía solar fotovoltaica; por lo que se utilizará módulos fotovoltaicos

integrados a la cobertura del techo retráctil, para ahorro de energía, adicionalmente a la

utilización de una cobertura translucida general; en este caso definida como policarbonato:

Capítulo 4 103

Figura 4-11: Cobertura de techo retráctil – módulos fotovoltaicos integrados a la

cobertura de policarbonato celular o alveolar


Para el presente cálculo se considerara el peso del módulo fotovoltaico de características:

Figura 4-12: Especificaciones de módulo fotovoltaico

Fuente: Instalaciones solares fotovoltaicas, M. M. V., 2010, Madrid, Edit. Paraninfo. Según especificaciones, el peso propio del módulo fotovoltaico por metro cuadrado será igual a: Peso de módulos fotovoltaicos = 16/(1.3x0.99) = 12.43 kg/m2 Esto implicará considerar una carga o peso de cobertura igual a: Peso de módulos fotovoltaicos = 12.43 kg/m2 Carga de perfiles soporte de módulos = 3 kg/m2 Peso de cobertura de policarbonato = 6 kg/m2 Carga de cobertura = 21.43 kg/m2 Considerando una sobrecarga (carga viva) de diseño = 30 kg/m2, se ingresa los siguientes valores:



Figura 4-13:Definición de cargas verticales


Dependiendo del sistema utilizado como estructura de fijación, el peso que puede provocar

el campo fotovoltaico estará en torno a 30 kg/m2 (Fernández, 2008); este valor es una

cantidad conservadora para el diseño estructural; así mismo se considerará este peso total

como carga muerta.

4.3 Ejecución de la Extensión

Luego de establecer los argumentos generales se ejecuta con el botón Calcular1; así, el

programa inicialmente verificará en lo posible los argumentos establecidos por el usuario

y mostrará información necesaria convenientemente y se verificará que los datos generales

sean coherentes con los de una estructura real.

Si todos los argumentos establecidos son adecuados, la extensión Retráctil 1.0 inicia el

diseño de la estructura retráctil de movimiento paralelo en Sap2000; para esto se realizan

los siguientes procedimientos:

1) Inicializa Sap2000 v14.0.0 como un archivo nuevo, estableciendo su espacio

modelo como un archivo en blanco.

2) Define las propiedades de los materiales utilizados para diseñar la estructura de acuerdo a lo propuesto por el usuario.

3) Realiza los cálculos necesarios para modelar el efecto de las cargas de gravedad,

viento y sismo sobre el techo retráctil.

Capítulo 4 105

4) Define los casos de carga: la carga muerta (DEAD), sobrecarga (VIVA), carga de viento (VIENTO) y sismo (SISMO). Así mismo, la extensión visual generará las combinaciones de carga para todos los patrones de carga.

5) Realiza el modelamiento tridimensional del techo retráctil en Sap 2000,

desarrollando los pórticos principales, arriostramiento lateral y superior, todo como una estructura única típica de techo retráctil de movimiento paralelo.

6) La extensión visual calcula internamente el peso propio de la estructura; para así

calcular la fuerza sísmica total como CoeficienteSismicoxPesopropio; este valor total será aplicado en cada uno de los nodos del techo, proporcionalmente, para cada eje X e Y.

7) Define el caso de análisis, el rango lineal, así como, el código de diseño LRFD

(Load Resistance Factor Design) y una combinación de carga para este diseño.

8) Finalmente, prepara el modelo para el análisis, los grados de libertad en Sap2000 para el análisis y diseño de la estructura entera.

4.4 Resultados en techo RETRÁCTIL 1.0

4.4.1 Verificaciones de valores de ingreso

Según el diagrama de flujo enunciado en el capítulo anterior, la verificación inicial de datos

se realiza en caso del no ingreso de un valor, para lo cual el programa enunciará:

Figura 4-14: Mensaje de error por falta de datos de ingreso


Seguidamente se analiza también la consistencia de la información ingresada como: Valores C>h1, Coeficiente basal <0.60, para el cálculo del peso de la estructura %Carga viva < 30%, 8m>Separación entre pórticos >3m y el número de tramos de la viga > 7.



Figura 4-15: Mensaje de error por datos inconsistentes


4.4.2 Modelamiento matemático estructural

La extensión visual procede al modelamiento 3D con los datos ingresados.

Figura 4-16: Modelamiento 3D de pórtico principal


Capítulo 4 107

Figura 4-17: Modelamiento 3D de techo retráctil movimiento paralelo


Las conexiones se modelarán con conexiones rígidas, a excepción del arriostramiento

lateral donde se tendrá en los extremos a conexiones a corte con plancha, de modo que

las riostras sólo trabajen a compresión y tensión. Así mismo, el arriostramiento de techo

será con tensores metálicos que serán modelados con “Releases” (liberación de

momentos) en sus extremos; de modo que estos tensores sólo trabajen a tensión y

compresión. Finalmente, las correas del techo se modelarán como vigas simplemente

apoyadas.

Figura 4-18: Visualización de releases




4.4.3 Asignación automática de cargas verticales

Las cargas verticales linealizadas serán calculadas de las cargas ingresadas por m2

multiplicadas por el ancho tributario correspondiente que soporta cada correa metálica:

Figura 4-19: Asignación de carga muerta


Figura 4-20: Asignación de carga viva


Capítulo 4 109

4.4.4 Asignación automática de cargas sísmicas y de viento

La carga sísmica en la base definida como KxPeso será asignada en cada sentido de la

estructura en todos los nodos del techo, en ambos lados de la estructura, de modo que el

valor de estas fuerzas será igual:

Fi = KxPeso / número total de nodos

Figura 4-21: Asignación de carga de sismo en X




Figura 4-22: Asignación de carga de sismo en Y


Para la carga de viento en sus dos casos, se calculará primero de la presión dinámica:

Ph = CoefreducxKzxKztxKdxV^2xI

Donde:

Ph es la presión del viento

V = Velocidad viento

Kz = coeficiente de exposición de presión por velocidad, evaluado a la altura z.

l = factor de importancia

Kd = factor de direccionalidad de viento

Kzt = factor topográfico

De esta manera, con los coeficientes de presión externa y el de presión interna GCpi =

±0.55 para estructuras parcialmente cerradas, se tendrá presiones definidas como:

Donde:

GCpi es el coeficiente de presión interna

Cp es el coeficiente de presión externa

Capítulo 4 111

Finalmente, las presiones de viento serán cargas verticales linealizadas por la

multiplicación de la presión por el ancho tributario correspondiente al número de tramos

definido inicialmente.

Figura 4-23: Asignación de carga de viento1




Figura 4-24: Asignación de carga de viento2


4.4.5 Definición de cargas y combinaciones de carga

Debido a que el programa Sap 2000 puede considerar las cargas del peso propio de los

elementos estructurales, la extensión visual para la carga muerta DEAD considera el factor

Self Weight Multiplier =1; de este modo, la carga del peso propio será considerado en los

cálculos estructurales.

Figura 4-25: Definición automática de patrones de cargas en Sap 2000


Capítulo 4 113

La extensión visual Retráctil 1.0 generara automáticamente las combinaciones de cargas:

COMB1 = 1.4DEAD

COMB2 = 1.2DEAD+1.6VIVA



COMB5 = 1.2DEAD+1.0SISMOX+0.5VIVA

COMB6 = 1.2DEAD-1.0SISMOX+0.5VIVA

COMB7 = 1.2DEAD+1.0SISMOY+0.5VIVA

COMB8 = 1.2DEAD-1.0SISMOY+0.5VIVA

COMB9 = 0.9DEAD+1.0SISMOX

COMB10 = 0.9DEAD-1.0SISMOX

COMB11 = 0.9DEAD+1.0SISMOY

COMB12 = 0.9DEAD-1.0SISMOY

Estas combinaciones de cargas estarán disponibles en el modelo estructural; así mismo,

la extensión por si misma escogerá la combinación 2 para realizar el análisis estructural y

el diseño.

Figura 4-26: Definición automática de combinaciones de carga




4.4.6 Visualización del código LRFD de diseño en acero

estructural

La extensión visual también es capaz de configurar la ventana de preferencias para diseño

para acero estructural. En este caso se configura como Código de Diseño LRFD y la

combinación de diseño 2.

Figura 4-27: Definición de parámetros de diseño para acero estructural


Capítulo 4 115

Figura 4-28: Definición de combinación de cargas para diseño


4.4.7 Otros

Finalmente, el usuario podrá correr el modelo ya configurado totalmente, encontrando los

valores de diseño estructural final:



Figura 4-29: Deformada de la estructura para cargas muertas


Figura 4-30: Diagrama de cargas axiales


Capítulo 4 117

Los diagramas o áreas de carga axial en colores rojos obtenidos representan a perfiles en

comprensión; así como, las áreas en amarillo representan elementos en tensión. Los

arriostres laterales no están esforzados debido a que en esta combinación, no existen

fuerzas horizontales.

Figura 4-31: Diagrama de momentos flectores


Los diagramas de momentos flectores en amarillo obtenidos demuestran que la mayor

flexión se desarrolla en la longitud de las correas metálicas.



Figura 4-32: Diagrama de cortantes


Los diagramas de cortantes en amarillo y rojo obtenidos demuestran que el mayor corte

se desarrolla en las correas metálicas, así como en los perfiles superiores del pórtico

principal de soporte del techo retráctil.

Finalmente, el diseño de los elementos estructurales de la estructura en general consiste

en calcular los ratios de diseño, de acuerdo con la combinación de cargas y código de

diseño seleccionados. Durante el diseño el efecto de elementos de conexión, como pernos

o soldaduras, son ignorados y los nodos no son diseñados.

Los ratios de fuerza axial/momento biaxial para cada elemento estructural son calculados

automáticamente por el diseñador de Sap 2000 en cada estación de cada miembro bajo

influencia de la combinación de carga:

Para Pu/ØPn ≥ 0.2, el ratio de capacidad es dado como:

Ratio =

Para Pu/ØPn < 0.2, el ratio de capacidad es dado como:

Ratio =

Capítulo 4 119

Donde

Mu33 = momento ultimo alrededor del eje 33

Mu22 = momento ultimo alrededor del eje 22

Mn33 = momento nominal alrededor del eje 33

Mn22 = momento nominal alrededor del eje 22

Si Pu es de tensión, Pn es la resistencia nominal axial a tensión y φ = φt = 0.9; y si Pu es

de compresión, Pn es la resistencia nominal axial de compresión con φ = φc = 0.85,

adicionalmente, el factor de flexión es φb = 0.9

Figura 4-33: Diseño de la estructura para el código LRFD




Se obtiene una estructura diseñada con un color asignado que representa un valor Ratio

de diseño correspondiente a la combinación de cargas y código de diseño seleccionado

(LRFD) y un valor de ratio mayor a 1 significará que el elemento estructural es

estructuralmente inadecuado.

Al hacer click derecho en el perfil correa se obtendrá el detalle del diseño realizado por

Sap2000.

Figura 4-34: Resumen de diseño para correa metálica


El análisis de Segundo Orden de esta estructura deberá realizarse independientemente;

lo cual en esta presente tesis no se muestra.

Cada columna del techo retráctil poseerá ruedas de avance en su base; las cuales

deberán ser accionadas por un motor eléctrico y un reductor de velocidad (moto reductor)

en cada columna del techo retráctil; para así constituir el apoyo móvil para el transporte del

techo retráctil.

Capítulo 4 121

Para el diseño de los motoreductores para los apoyos móviles será necesario conocer los

valores máximos de las reacciones en la base; por lo que se recomienda definir y usar una

combinación envolvente para la obtención de las cargas para el diseño de los moto

reductores:

Figura 4-35: Reacciones para diseño de apoyo


Fotografía 4-1: Apoyo móvil de columna con moto reductor– C.C. Santa Fe, Medellín.




5. Instalación solar fotovoltaica sobre un techo retráctil


El alcance de este capítulo incluye la propuesta de una nueva tipología de cubierta de un

techo retráctil de movimiento paralelo, que no cubra sólo funciones de cerramiento, sino

que pueda cumplir además, la función de producir de electricidad a través de paneles

solares integrados al cerramiento (techo) y a la estructura; lo cual representará una

solución al desaprovechamiento del espacio generado en los techos o coberturas por

planteamientos tradicionales y así generar energía.

Este capítulo se ocupa de la instalación mecánica estructural de las conexiones rieles

(soporte) de los módulos solares a las viguetas del techo retráctil; así también, se propone

el esquema eléctrico para un sistema fotovoltaico PV (módulos fotovoltaicos) integrado al

cerramiento del techo retráctil, del tipo conectado a red.

En el futuro los planteamientos para las edificaciones se caracterizarán por el

aprovechamiento de todos los espacios, debido a que un espacio representa una

oportunidad. La investigación plantea un tipo techo retráctil (de movimiento paralelo) con

paneles solares integrados en la cobertura final; así se aprovechará espacio y permitirá la

producción de energía mediante la incorporación de sistemas fotovoltaicos integrados. Se

plantea la instalación de módulos solares por superposición arquitectónica, cuando la

colocación de los módulos se realiza paralela a la envolvente de la edificación, en este

caso la cubierta (Fernández, 2008).



Adicionalmente, el planteamiento arquitectónico de esta nueva tipología de cubierta podría

considerar la mantención de determinadas zonas de la cobertura, con materiales que

permitan el paso de la luz, como por ejemplo el policarbonato translúcido. Por tanto, la

investigación considerará el uso de un material traslúcido como cobertura para toda el área

del techo, con la integración final de paneles solares en determinadas zonas.

Inicialmente en la etapa de diseño geométrico del techo retráctil se debe tomar en cuenta

que los módulos PV deben ser instalados en ubicaciones donde reciban la máxima

cantidad de luz solar en el año; esto se considera en el caso de un techo retráctil que no

reciba sombra. En el caso del hemisferio sur, los módulos deben enfrentar al norte pues

los módulos inclinados más de 30 grados desde el sur podrían perder aproximadamente

10% a 30% del poder de salida (dependiendo de la latitud del lugar de instalación y la

inclinación). Sin embargo, de debe tomar en cuenta que los módulos deben estar montados

con un mínimo de 10° de ángulo de inclinación con respecto a la horizontal, para facilitar

la auto limpieza.

Capítulo 5 125

Figura 5-1: Esquema de instalación de un sistema PV en un techo retráctil


Los módulos PV planteados para el techo retráctil se considerarán para esta investigación,

con dimensiones 1318x994x46mm (ver Figura: Especificaciones técnicas de módulo

fotovoltaico); mayormente serán conectados en serie para ser instalados con la misma

orientación e igual ángulo de inclinación. Diferentes orientaciones o ángulos podrían

causar una pérdida de poder de salida debido al cambio en la exposición a los rayos

solares.

Las fases que conlleva el diseño de una instalación fotovoltaica conectada a red (Moro,

2010), son las siguientes:

1 Selección de la ubicación de la instalación, teniendo en cuenta la orientación que deben tener los módulos, la obra civil, etc.

2 Dimensionamiento del generador fotovoltaico.



3 Elección del sistema de conexión con el inversor y disposición de los módulos: inversor

central, inversores descentralizados, etc.

4 Dimensionamiento del inversor y elección del emplazamiento del mismo; número de

inversores, potencia, elección de la tensión de entrada y dimensionamiento del arreglo de

los módulos fotovoltaicos (en serie o paralelo).

5 Dimensionamiento de los cables de conexión de toda la instalación, tanto en continua

como en alterna.

6 Diseño de la puesta a tierra y de los mecanismos de protección.

5.2 Instalación mecánica estructural

5.2.1 Estructura de soporte – rieles

Es una estructura que fijará los módulos fotovoltaicos, para así conectarse finalmente a las

correas metálicas del techo retráctil. Las estructuras y materiales generalmente son

especialmente desarrollados para los módulos de instalación PV, siendo los materiales

típicos utilizados en la fabricación de rieles al aluminio y/o perfiles tipo Mecano,

galvanizados en caliente (según norma ICONTEC 2076 y 3320 ASTMA12) con o sin

ranuras continuas (en su interior), con pestañas rígidas.

Figura 5-2: Perfil Mecano – propiedades típicas

Fuente: http://www.mecano.com.co/sistema-estructural/caracteristicas-tecnicas

Capítulo 5 127

Primeramente, antes de comenzar la instalación fotovoltaica, se debe verificar que todas

las vigas (correas metálicas del techo retráctil), rieles y otros materiales estén instaladas y

en buenas condiciones (acabadas).

Se instalarán los módulos fotovoltaicos de modo que cada fila de los éstos se sostengan

al techo usando los rieles de aluminio o tipo Mecano. Los rieles estarán sujetos al techo

retráctil (correas metálicas) usando un número de ganchos de techo y conectores

cruzados, así como los conectores (brackets) de fijación. Los conectores cruzados se

utilizan para fijar los ganchos de techo a los rieles. Se instalará el kit fotovoltaico de techo

en los rieles, solamente cuando éstos estén alineados correctamente y asegurados en las

correas del techo retráctil. Los brackets y/o ganchos de fijación se colocarán cada 80cm.,

de modo que cada panel fotovoltaico esté conectado a los rieles en cuatro puntos de

soporte. Los ganchos de techo deben estar asegurados correctamente, para asegurar

suficiente resistencia a las cargas de viento y lluvia.



Figura 5-3: Esquema de estructura soporte y montaje de módulos fotovoltaicos


Capítulo 5 129

Tabla 5-1: Descripción de elementos de la estructura soporte de los módulos

fotovoltaicos integrados a un techo retráctil.




Figura 5-4: Especificaciones técnicas de módulo fotovoltaico

Fuente: Instalaciones solares fotovoltaicas, M. M. V., 2010, Madrid, Edit. Paraninfo.

Capítulo 5 131

Figura 5-5: Detalle de abrazadera central


Figura 5-6: Detalle de bracket de fijación


La mínima distancia entre dos módulos fijos para la expansión térmica lineal de los marcos

módulos deberá ser de 5 mm. Sin embargo, la distancia recomendada entre dos módulos

es de 20 mm para permitir la circulación del aire, para reducir las cargas, presión y mejorar

la ventilación del módulo. Así mismo, el módulo PV no debería ser montado de tal manera

que los agujeros de drenaje del módulo puedan bloquearse.

5.2.2 Fijación de los módulos fotovoltaicos

Se tiene algunos fabricantes de módulos fotovoltaicos han empezado a suministrar

sistemas de fijación que permitan adoptar diversas soluciones o mejores estéticas

(Fernández, 2008).



Para la fijación de ganchos o conectores de fijación (bracket de fijación) y los rieles soporte

a las correas metálicas (del techo retráctil), sean estas de sección C o S, se seguirá las

siguientes recomendaciones:

- Cada gancho de techo debe fijarse con al menos 2 tornillos, uno de los cuales debe

atornillarse en la fila superior de los taladros y uno en la fila inferior de los taladros.

- Al posicionar los tornillos es importante asegurarse de que los ganchos de techo se

encuentren alineados de modo que el riel de montaje no esté tenso al montarse.

- Por regla general, cada riel de montaje necesita un gancho de techo a no más de 300

mm., del extremo del riel. Los ganchos de techo no deben fijarse a más de 800 mm. de

distancia, de modo que cada panel fotovoltaico esté conectado a los rieles en cuatro

puntos.

- Para conectar los rieles de montaje con los ganchos de techo de acero inoxidable, el

conector cruzado debe estar suelto con los tornillos hexagonales inoxidables con arandela

y tuerca.

- El carril de montaje se sujeta contra el conector cruzado y se atornilla también con tornillo

hexagonal inoxidable.

- Una vez que todos los conectores cruzados se han unido a un carril de montaje, todos

los componentes pueden atornillarse y apretarse.

Figura 5-7: Esquema de conexión de módulo fotovoltaico a riel con platina


Capítulo 5 133

Figura 5-8: Esquema de conexión de módulo fotovoltaico a riel con bracket fijador


5.2.3 Instalación de conectores flexibles y fijos

Dependiendo del tamaño del kit fotovoltaico, después de o cada 5,2 metros de la guía de

montaje deberá utilizarse un conector de carril rígido. La fijación al riel de montaje se realiza

con 4 tornillos Allen de cabeza cilíndrica M8 x 20 o tipo hexagonal inoxidable, con arandela

y tuerca por conector de riel.

5.2.4 Instalación de tuercas deslizantes en ranura

Se utiliza tuercas deslizantes para conectar el carril y los módulos fotovoltaicos a través de

abrazaderas centrales y abrazaderas de esquina. Generalmente se procede a sujetar la

tuerca de la ranura con un ligero ángulo para insertar en la ranura del riel de montaje.

Finalmente, la tuerca de la ranura se desliza a la posición deseada.



Figura 5-9: Esquema de conexión tuercas deslizantes en ranura


5.2.5 Instalación mecánica de los módulos fotovoltaicos

La instalación de los módulos fotovoltaicos en el techo retráctil requiere asegurar que éstos

sean seguramente ajustados, para prevenir caídas como consecuencia del viento u otra

carga mecánica. Así mismo, es necesario proveer una adecuada ventilación bajo cada

módulo, para su ventilación. Se recomienda 10 cm. mínimo de espacio de aire entre el

módulo y la superficie/cobertura genérica del techo.

Figura 5-10: Ventilación de módulos fotovoltaicos


Capítulo 5 135

Como se mencionó antes, los módulos fotovoltaicos se montan en los rieles de montaje

con abrazaderas intermedias, entre los módulos fotovoltaicos y las abrazaderas de esquina

al final de cada fila de módulos. Las abrazaderas intermedias y las abrazaderas de esquina

se atornillan a los ríeles utilizando las tuercas de ranura insertadas anteriormente y el

tornillo M8 x 50 o tipo hexagonal inoxidable, con arandela y tuerca.

El módulo en un extremo del riel de montaje debe ser instalado primero; es importante

asegurar que este módulo esté situado en forma correcta, ya que la alineación de este

módulo afectará a la ubicación de los módulos establecidos posteriormente; por lo que

debe asegurarse que los módulos queden perfectamente cuadrados entre sí y que no haya

huecos.

Entre módulo y módulo se deberá instalar abrazaderas, cuya función consiste en fijar los

módulos al riel; por lo que deberán ser apretados firmemente. Una vez que todos los

módulos y abrazaderas estén en su lugar, se debe apretar los tornillos a un par de 20 Nm.

Figura 5-11: Conexión de abrazadera intermedia módulo a modulo fotovoltaico a riel

Fuente: INSTALLATION MANUAL FOR DIMPLEX SOLAR PHOTOVOLTAIC KITS

5.2.6 Sistemas de inserción

Se refiere a la conexión lateral de los módulos. Los sistemas de inserción en los lados

cortos del módulo podrían ser usados con una limitación de carga máxima resistente de

2400 Pa (244.73 kg/m2). Los sistemas de inserción en el lado largo del módulo no son

afectados por cualquier limitación y podrían ser usadas con un máximo de 5400 Pa (550,65

kg/m2) para cargas de nieve.



Figura 5-12: Conexión por inserción de módulo


5.2.7 Instalación de abrazaderas de presión

La instalación usando abrazaderas de presión puede ser ejecutada a lo largo de ambos

lados del marco de módulo. La posición obligatoria de los clips a lo largo del marco

depende del lado del módulo que será usado para la instalación:

. Fijación del lado largo: las abrazaderas deben ser montadas a lo largo del marco a la

posición del perno montante, con una tolerancia del 10% de la longitud total del módulo del

borde del marco.

. Fijación del lado corto: las abrazaderas deben ser montadas a lo largo del marco a los

bordes del módulo, con una tolerancia del 25% del ancho total del módulo, con la mitad del

marco.

En ambos lados del módulo la presión de las abrazaderas siempre deberán estar montadas

en posiciones simétricas con respecto a la línea centro, para una apropiada distribución de

cargas. Las abrazaderas deberán ser instaladas acorde con las instrucciones del

fabricante, de modo que no se aplique excesiva presión en el marco, lo que podría

deformarlo; se recomienda un torque de aproximadamente 10 newtonxm, pero se debe

usar finalmente lo especificado por el fabricante.

Para una segura y efectiva instalación de módulos solares se recomienda las siguientes

longitudes de presión para las abrazaderas:

- No menos que 50 mm para módulos 60-156x156mm.

- No menos que 60 mm para módulos 72-156x156mm.

El espesor mínimo recomendado de abrazadera es de 2.5 mm.

Capítulo 5 137

Las abrazaderas deberían tener contacto solamente con los marcos módulo y evitar los

efectos sombra y posible daño. Las sombras generan pérdidas denominadas pérdidas por

sombreado (Fernández, 2008), las cuales se basan en la comparación que afecta a la

superficie de los módulos, con el diagrama de trayectorias del sol.

No se deberá instalar los módulos con la presión de las abrazaderas montados fuera de

las áreas específicas; de lo contrario, la resistencia mecánica del módulo podría ser

afectado.

Figura 5-13: Conexión abrazadera a presión


5.2.8 Instalación usando marco con pernos de montaje

Los módulos podrían ser asegurados a la estructura montada usando cuatro pernos

(14x9mm por ejemplo) puestos en los rieles largos del marco. En este caso, se usará

pernos de acero inoxidable M8 o tipo hexagonal inoxidable, con arandela y tuerca;

arandelas resortes y arandelas planas con un torque aproximado de 10 newtonxm para

una normal instalación.

Para módulos de 60 a 70 células se recomienda usar 8 pernos de montaje si el viento es

excesivo o cargas de nieve sean esperadas y puedan afectar la instalación PV.



Figura 5-14: Conexión con pernos de montaje


5.2.9 Montaje en un patrón cruzado

El patrón de montaje en cruz consiste en que los rieles de montaje se combinan con el

conector cruzado y los tornillos Allen M8 x 20 en un patrón de refuerzo transversal. Un

tornillo Allen M8 x 20 o tipo hexagonal inoxidable con arandela y tuerca debe colocarse en

la tuerca de ranura y otro en el canal del tornillo del riel. El posicionamiento de los rieles

de montaje y de los conectores transversales se puede definir desde el diseño de la

configuración del techo.

Figura 5-15: Conexión montaje en patrón cruzado


5.2.10 Instalación de tapas

Se refiere a que los extremos de los rieles de montaje deben cubrirse con las tapas de

extremo para evitar el ruido del viento y evitar que el agua entre en el riel de montaje. Estas

Capítulo 5 139

tapas pueden ser planchas metálicas soldadas previamente al perfil riel antes de su

montaje.

Figura 5-16: Conexión de tapas metálicas en los extremos de los rieles


5.3 Instalación eléctrica

5.3.1 Esquema eléctrico

La instalación eléctrica en general para el sistema fotovoltaico PV (módulos fotovoltaicos

integrados al cerramiento del techo retráctil) será de tipología conectada a red, para que

de este modo la energía proveída a los aparatos no sea interrumpida en caso de falla de

las instalaciones de energía solar y sea la energía eléctrica proveída por el servicio

convencional.

Los módulos fotovoltaicos contenidos y propuestos para el techo poseerán un sistema

eléctrico compuesto fundamentalmente por módulos fotovoltaicos, cableado, conectores,

cajas de paso, reguladores de carga (opcional), inversor de carga y baterías de

almacenamiento(opcional).



Figura 5-17: Planta de cobertura del techo retráctil con paneles solares


El esquema eléctrico planteado para un techo retráctil de movimiento paralelo será una

instalación eléctrica de baja tensión; para este tipo de instalación se seguirá un esquema

general siguiente:

Capítulo 5 141

Figura 5-18: Esquema eléctrico del sistema PV y simbología para el techo retráctil




Los módulos eléctricamente estarán conectados juntos en serie y los arreglos en

configuración paralela; los cuales generarán energía eléctrica DC (corriente continua) la

cual será convertida a AC (corriente alterna) por medio de un Inversor solar. El sistema

resultante PV estará conectado al sistema de red de servicio, para que en caso de falla del

sistema, no haya desabastecimiento de energía.

Donde los módulos fotovoltaicos se conecten en serie (String), la Intensidad (corriente) Isc

que circula por todos ellos será la misma y la tensión-voltaje Voc será la suma de las

tensiones de cada uno de los módulos:

Isc = Iscmodulo1 = Iscmodulo2 = Iscmodulo3 = … = Iscmodulon

Voc = Vocmodulo1 + Vocmodulo2 + Vocmodulo3 + … + Vocmodulon

Donde los módulos fotovoltaicos o los arreglos se conecten, en paralelo, todos ellos tienen

la misma tensión Voc; la Intensidad (corriente) Isc total del circuito será igual a la suma de

intensidades que circulan por cada uno de los módulos:

Isc = Iscmodulo1 + Iscmodulo2 + Iscmodulo3 + … + Iscmodulon

Voc = Vocmodulo1 = Vocmodulo2 = Vocmodulo3 = … = Vocmodulon

5.3.2 Conexión para la matriz fotovoltaica

La conexión de los módulos fotovoltaicos se realiza una vez formados los paneles, previa

a su fijación en la estructura, o bien con éstos ya colocados. El objetivo es dejar dispuestos

los dos terminales principales, positivo y negativo, que identifican el circuito generador PV

principal, caracterizado por unos valores de tensión e intensidad especificados en la fase

de diseño. De acuerdo con los planos de conexión de los módulos y el cableado entre los

mismos, el cableado entre módulos se realiza con cables tipo manguera o por el cableado

bajo tubo no metálico flexible, debiéndose adaptar perfectamente tanto el cable manguera

como el tubo a los prensaestopas de la caja, incluso antes de su apriete.

Capítulo 5 143

Se seguirá el siguiente proceso constructivo:

• Se procede a conectar cada conjunto según el esquema de circuitos. Todo módulo solar

tiene un cable + (positivo) y un cable - (negativo) en la parte trasera.

• Se realiza la conexión de los conectores impermeables MC4 en estos cables en serie,

asegurando empujar los conectores completamente.

Figura 5-19: Esquema de conexión del cableado de los módulos fotovoltaicos


Una vez hechas las conexiones directas entre el número especificado de módulos solares,

se usará el multímetro digital para medir la salida de voltaje de la matriz en cada cadena

y así registrar los resultados de la medición para compararlos con el voltaje de la matriz

fotovoltaica en el diagrama de circuito. Esta información es necesaria para comprobar los

errores de cableado del módulo solar.

Se organizarán los cables entre módulos solares, de modo que no toquen el techo; se

deberán utilizar los tirantes suministrados para fijarlos a la parte trasera del bastidor de

montaje (columna metálica).



Fotografía 5-1: Cableado retráctil de los módulos por cajas de paso.


El cableado de extensión de D.C. bajará por las columnas dentro de un conducto de Pvc

flexible del techo retráctil, pasando por una caja de paso fija en la columna, para así fijarlos

de forma colgada dentro de un tramo retráctil del cableado eléctrico, hasta llegar a una

caja de paso; de esta forma, continuarán hasta su conexión al Inversor (regulador de carga

si se consideran baterías) respectivo.

5.3.3 Instalación del inversor

-Colocación: La colocación se desarrollará en una tablero/paramento vertical (pared,

muro, armario, etc.) mediante la fijación mediante tornillos o alcayatas. El inversor suele

disponer de los taladros y orificios de anclaje necesarios; por lo que, en la instalación se

debe respetar las indicaciones y recomendaciones del fabricante (en lo relativo a la

ventilación en el inversor) y lo dispuesto por el plano eléctrico correspondiente.

-Conexionado: El inversor dispone de dos terminales de entrada continua para la

conexión de la batería (o regulador) o del campo PV (según el tipo de inversor), y dos o

tres terminales de salida alterna (fase, neutro y tierra) para la conexión del circuito de

consumo en alterna o de la red externa (según el tipo de inversor). Los tipos de terminales

para el cableado de inversores de poca potencia son muy variados, mientras que en los

inversores de mediana y gran potencia lo habitual es el tipo atornillado. Su identificación

tiene lugar por medio de símbolos de sencilla comprensión y que, en cualquier caso, están

bien especificados en el manual de instrucciones del propio inversor. La diferencia entre el

Capítulo 5 145

inversor y el regulador en lo que al conexionado se refiere, es la presencia en el primero

de tensiones fuera del rango de seguridad personal, tanto en la entrada (frecuentemente

en sistemas PV conectados a red) como en la salida. Por este motivo los terminales de

conexión del inversor no suelen estar accesibles de modo permanente, sino debidamente

protegidos contra el contacto accidental de los mismos, bien sea alojados en su interior o

bajo fundas protectoras especiales.

5.3.4 Puesta a tierra

La puesta a tierra de protección consiste en la unión eléctrica de las distintas masas

metálicas y de éstas a tierra, para evitar las diferencias de potencial entre las distintas

masas metálicas y entre éstas y la tierra, debidas a una posible acumulación de carga

electrostática de origen atmosférico; también, para la protección contra contactos

indirectos. La puesta a tierra protección del campo PV abarca tanto al marco metálico de

los módulos como a la estructura; los módulos deberán disponer de un taladro para la

conexión del conductor de tierra; este taladro no será tratado superficialmente

(galvanizado) para una mejor conexión eléctrica. El conductor de tierra debe unir

eléctricamente todos los marcos entre si y éstos con la estructura del techo retráctil; para

así unir eléctricamente la estructura a tierra mediante un conductor desnudo y un electrodo

a tierra.

5.4 Diseño eléctrico del campo fotovoltaico y análisis comparativo.

5.4.1 Diseño eléctrico del campo fotovoltaico Retráctil 1.0

Para el predimensionamiento eléctrico a través de Retráctil 1.0, para la instalación de

módulos fotovoltaicos integrados al techo, se podrá realizar cuando previamente se

ingrese la información requerida en ventanas originadas desde las opciones del menú

Datos: secciones → Geometría. Para después, una vez obtenidos los datos generales del

techo retráctil, acceder al menú datos: Paneles solares.



Figura 5-20: Acceso al Menú Paneles Solares


De esta forma, a través de esta opción Paneles Solares, aparecerá la siguiente ventana:

Figura 5-21: Ventana de diseño paneles solares


En esta ventana, el valor de la caja de texto “Área total techo” automáticamente mostrará

el valor del área total del techo retráctil (longitud curva x longitud). Así mismo, por

requerimiento arquitectónico, la caja de texto “Área mínima” se referirá al área mínima

requerida para la mantención de determinadas zonas de la cobertura con materiales que

permitan el paso de la luz, como por ejemplo el policarbonato translúcido. Además, en

Capítulo 5 147

esta ventana se ingresará las dimensiones del módulo fotovoltaico planteado, los valores

de la intensidad de cortocircuito y voltaje a circuito abierto. La Intensidad de cortocircuito

es la intensidad máxima que se puede obtener de un panel, generando un cortocircuito

entre los terminales con un amperímetro de resistencia prácticamente nula (Fernández,

2008). Así también, el voltaje a circuito abierto es el voltaje máximo que se puede medir

sin permitir que pase corriente alguna entre los bornes de un panel; es decir, en

condiciones de circuito abierto que implicarían una resistencia entre bornes infinita.

Al hacer click en el botón GENERAR DIAGRAMA, Retráctil 1.0 tomará la información del

área total y el área mínima requerida para la mantención de zonas que permitan el paso

de la luz con los valores de las dimensiones del módulo fotovoltaico planteado, para

generar el diagrama eléctrico de conexión en el techo retráctil. Se realizará la conexión en

serie de los módulos, conectando el polo de un módulo con el polo de signo opuesto del

siguiente módulo. De esta forma se mantiene la intensidad (amperios) de la serie y se

suma el voltaje o tensión (voltios). Finalmente, las series se conectarán en paralelo

sumándose la intensidad y manteniéndose el voltaje.

Figura 5-22: Diseño del campo fotovoltaico




Después de ejecutado el comando GENERAR DIAGRAMA se obtiene una corriente de

386 amperios, con 70 módulos fotovoltaicos conectados en paralelo. Así mismo, se cumple

con el área traslúcida exigida; en este caso se obtiene 47 m2 > Amin. Finalmente, se

obtiene la intensidad y tensión del campo fotovoltaico. La conexión tierra es mostrada de

modo que el conductor de tierra una eléctricamente todos los marcos de los módulos

fotovoltaicos entre sí y éstos se unan con la estructura del techo retráctil, para así unir

eléctricamente la estructura a tierra mediante un conductor desnudo y un electrodo a tierra.

Dependerá la complementación de estos resultados del tipo de instalación eléctrica

proyectada (si la instalación fotovoltaica será tipo aislado conectado a red o mixto), por la

especialidad de instalaciones eléctricas, para el cálculo de baterías en el caso respectivo;

así como para la elección del Inversor donde se tendría que conocer la demanda de

energía como la suma de todos los equipos de alternanza conectados.

5.4.2 Análisis comparativo para diseño

Teniéndose un listado de las propiedades geométricas y eléctricas de distintos modelos de

módulos fotovoltaicos, Retráctil 1.0 puede plantear varias opciones de posibilidades de

diseño:

Figura 5-23: Data de módulos fotovoltaicos


Haciendo click en el botón COMPARACIÓN, Retráctil 1.0 procederá a realizar el prediseño

eléctrico para cada caso contenido en la tabla de diseño. De esta manera se obtendrá los

gráficos comparativos:

Capítulo 5 149

Figura 5-24: Ventana de diseño paneles solares-análisis comparativo


En el gráfico Corriente vs Modelo se visualiza las corrientes obtenidas en el campo

fotovoltaico para el modelo de panel solar respectivo, de acuerdo a su Intensidad,

dimensiones, etc. En este caso particular el modelo 2 es el que proporciona la corriente

máxima de 42A respecto al resto de modelos que proporcionan corrientes menores.

El gráfico Nro de paneles vs Modelo mostrado en la ventana de diseño paneles solares,

proporciona información sobre el número de paneles solares obtenidos en cada modelo;

se consigue para este caso particular que el modelo 2 origine el mayor número de paneles

(84 unidades en este particular caso) respecto al resto de modelos.

Estos gráficos son muy informativos para tomar una decisión de diseño final, de acuerdo

al usuario. En este caso particular se observa que, si bien un modelo de panel (el tipo2)

proporciona el beneficio de la mayor corriente respecto al resto de modelos, este modelo

exige utilizar el mayor número de paneles tal situación podría representar una opción poco

económica, por lo que sería necesario un análisis económico (costos y presupuestos) para

proceder a la optimización del diseño de instalaciones fotovoltaicas integradas a una



edificación; de modo que siempre se obtenga el diseño óptimo por requerimientos técnico

y económico.

6. Lineamientos de mejora e investigación futura

6.1 Mejoramiento de Retráctil 1.0

La extensión visual Retráctil 1.0 podría ser mejorado para el desarrollo de

techos retráctiles de otros tipos, como cúpulas retráctiles, fachadas retráctiles,

etc.; así como su complementación-extensión al cálculo-diseño de moto

reductores, sensores eléctricos y la interacción electrónica con el sistema

general (Domótica).

Fotografía 6-1: Cúpula retráctil - Centro Comercial Santa Fe, Medellín.




Figura 6-1: Techo retráctil Estadio Nacional de Singapur

Fuente: http://blog.is-arquitectura.es/2016/10/04/cubierta-retractil-sports-hub-singapur/: Estadio Nacional de

Singapur

Figura 6-2: Fachada retráctil

Fuente: Fachada retráctil edificio Abu Dhabi Investment Council

https://ecosocialhouse.wordpress.com/2015/03/11/fachadas-cineticas/

6.2 Investigación en domótica

El diseño de un edificio bajo el concepto del edificio inteligente se caracteriza por el

desarrollo y aplicación de la domótica como un conjunto de sistemas capaces de

automatizar una vivienda, donde se aporta servicios de gestión energética, seguridad,

bienestar y comunicación; estos servicios son integrados por medio de redes interiores

y exteriores de comunicación, cableados o inalámbricas, cuyo control se da desde

dentro y desde fuera del hogar.

Capítulo 5 153

Una investigación en domótica de edificios inteligentes permitirá la formulación de

conocimiento y soluciones basadas en la aplicación de sistemas de control de

dispositivos y aparatos dentro y fuera/exterior de una vivienda inteligente que pueden

ser controlados por el sistema de domótica.

Figura 6-3: Domótica

Fuente: Domótica, M. A. R., 2005, pgna. 5, reimpreso.

La investigación en domótica permite el control de techos móviles como techos

retráctiles, donde el sistema controlará automáticamente los techos motorizados.

Dependiendo del clima, un sistema actuará de tal manera que, si llueve, se recogen los

techos/toldos; si hace sol, se bajan los toldos y se suben las persianas; si hay viento,

se suben los toldos, etc. De esta manera, el usuario no necesita preocuparse de estas

tareas cotidianas y disfruta un hogar más confortable, gracias a un sistema

automatizado que permita, con una pequeña estación meteorológica en función de la

temperatura exterior, bajen las persianas y eviten pérdidas de temperatura de la

vivienda, hagan más eficaz la climatización y produzcan un ahorro energético.

6.3 Módulos solares en fachadas

Los paneles solares como dispositivos funcionales para producir electricidad podrían

plantearse como elementos integrados a la edificación, no solamente al techo de ésta,

sino a su fachada. La investigación basada en el aprovechamiento de la gran variedad

de módulos fotovoltaicos que se producen en la actualidad; elementos tales como el

tipo de célula, su tamaño y forma, o el formato del material de encapsulación,



determinan la apariencia del módulo, de modo que pueden diseñarse módulos de

diversos colores, transparencia, flexibilidad o función estructural; por lo tanto, resultaría

beneficioso la concepción de módulos en fachadas de paneles semitransparentes en

ventanas, de módulos integrados con LED para proporcionar generación fotovoltaica

de día e iluminación de noche; así como el aprovechamiento del uso de estos paneles

integrados en estructuras actuarían como barreras de sonido.

Figura 6-4: Módulos fotovoltaicos en fachada


6.4 Extensión visual para el modelamiento y diseño estructural energético de aerogeneradores

El desarrollo de una Investigación sobre la utilización de la Interfaz de Programación

para Aplicaciones de Sap2000, para el diseño estructural energético de

aerogeneradores representaría un gran aporte dentro de las ingenierías energética y

estructural, debido a la futura demanda de más fuentes de energía renovable. La

energía eólica ya ha demostrado su vialidad técnica y económica (Villarrubia, 2012).

Así mismo, la generación de este programa específico nos permitiría un diseño

automatizado completo no solo aprovechar el software Sap 2000; sino también

aprovechar el lenguaje de programación sea C#, Matlab o Visual Studio, para realizar

el diseño estructura y eléctrico completo de una torre de aerogenerador.

Capítulo 5 155

Figura 6-5: Aerogenerador




7. Conclusiones y recomendaciones

7.1 Conclusiones

En la presente investigación con enfoque cualitativo y descriptivo se logró y demostró la

automatización de los procedimientos en la creación del modelo, análisis y diseño de una

estructura espacial compleja, que es un techo retráctil de movimiento paralelo.

Esta investigación es un aporte a la construcción de techos retráctiles, pues para que se

ejecute la construcción de este tipo de estructuras es necesario un tipo de programa de

ingeniería específico como Retráctil 1.0; esto quiere decir que, para lograr la construcción

de este tipo de estructura compleja y típica, se necesita un aporte académico como el

desarrollado en esta Tesis que minimice el tiempo de Diseño para proceder a la

Construcción.

La Interfaz de Programación para Aplicaciones de Sap2000 se puede utilizar desde

cualquier lenguaje de programación que sea capaz de implementar una referencia COM

(Component Object Model). Se demostró la integración de la Interfaz de Programación

para Aplicaciones (API) de Sap2000 en el lenguaje Visual C#; MATLAB R2008a y Visual

Basic-Visual Studio 2015.

En el diseño estructural del techo retráctil de movimiento paralelo tipo el Centro Comercial

Santa Fe, de la Ciudad de Medellín; de acuerdo a los ratios de diseño obtenidos, se

demuestra que la viga del techo retráctil compuesta por tubos de acero organizados con

un patrón triangular poseen alta resistencia, alta fuerza contra la flexión lateral y torsión;

así mismo, las estructuras más esforzadas son en sí las correas (polin) del techo retráctil,

siempre conectadas al techo como vigas simplemente apoyadas que generan mayor

momento flector positivo en la mitad de su longitud. Sin embargo, el techo retráctil de la

Plaza de Toros La Macarena, de Medellín, tendrá un diseño estructural diferente por su

tipo de estructura soporte fija (cuatro vigas cercha principales) y móvil (techos paneles



norte y sur). Por lo cual correspondería diseñar independientemente cada panel móvil,

compuesto por sus vigas cercha reticuladas (de sección transversal triangular),

organizadas y conectadas en todo su perímetro; así como a las cerchas simples y

diagonales internos que soportan la cobertura y rigidizan todo el panel móvil.

La concepción de paneles solares integrados al techo retráctil implica considerar la carga

muerta de los perfiles-soporte y el módulo solar. En esta investigación se utilizó 12.43

kg/m2 como peso de los módulos fotovoltaicos, la carga de los perfiles soporte de módulos

con 3 kg/m2. Sin embargo, se concluye que el peso total del campo fotovoltaico se

considere 30 kg/m2 en todo diseño estructural.

Esta investigación demostró la utilización de las coberturas de techo asignándoles una

función adicional; en este caso, la generación de energía eléctrica sin ninguna emisión de

contaminantes derivadas de otro tipo de energía de origen no renovable.

En una instalación fotovoltaica, el número de reguladores será determinado por la corriente

total del sistema fotovoltaico, por la capacidad del tipo de regulador escogido y la

consideración de costos en la elección final. Los gráficos Corriente vs Modelo y Nro. de

paneles vs Modelo son muy informativos para tomar decisión sobre diseño final del campo

fotovoltaico. Se observa que, si bien un modelo de panel proporciona el beneficio de la

mayor corriente respecto al resto de modelos, este modelo podría exigir un mayor número

de paneles, situación que podría representar una opción poco económica; por lo cual, es

necesario realizar un análisis económico (costos y presupuestos) para proceder así a la

optimización del diseño.

7.2 Recomendaciones

Se recomienda la ampliación y profundización de Retráctil 1.0 para otras tipologías de

estructuras retráctiles de modelamiento espacial complejo, como el techo retráctil de la

Plaza de Toros La Macarena de Medellín, etc.

Será importante el desarrollo de aplicaciones específicas de la Interfaz de Programación

para Aplicaciones de Sap2000 para la automatización de los diseños estructurales que

impliquen el análisis de segundo orden de una estructura metálica.

Capítulo 5 159

Se recomienda que una estructura metálica de configuración estructural típica y compleja

pueda automatizarse el diseño estructural de esta con la Interfaz de Programación para

Aplicaciones de Sap2000 para minimizar el tiempo de diseño y así proceder a la

construcción de estos de manera más rápida.

Se recomienda la utilización de la Interfaz de Programación para Aplicaciones de Sap2000

en otras investigaciones que consideren la interacción de las especialidades de estructuras

y energías renovables, hasta el momento poco propuestas.

A. Anexo: Código de programación VB

'Definición de patrones de carga

ret = SapModel.LoadPatterns.Add("VIVA", LTYPE_LIVE, 0)

ret = SapModel.LoadPatterns.Add("VIENTO1", LTYPE_WIND, 0)

ret = SapModel.LoadPatterns.Add("VIENTO2", LTYPE_WIND, 0)

ret = SapModel.LoadPatterns.Add("SISMOX", LTYPE_QUAKE, 0)

ret = SapModel.LoadPatterns.Add("SISMOY", LTYPE_QUAKE, 0)

ret = SapModel.LoadPatterns.SetSelfWTMultiplier("DEAD", 1)

'Definición de combinaciones

ret = SapModel.RespCombo.Add("COMB1", 0)












'ret = SapModel.RespCombo.Add("COMBENV", 1)

162 Extensión para el modelamiento, análisis y diseño automatizado de techos retráctiles en SAP2000 con paneles solares integrados a la cubierta

'Definición de combinaciones factores de mayoracion

ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB1", LoadCase, "DEAD", 1.4)


ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB2", LoadCase, "VIVA", 1.6)


ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB3", LoadCase, "VIENTO1", 1.3)



ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB4", LoadCase, "VIENTO2", 1.3)



ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB5", LoadCase, "SISMOX", 1)



ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB6", LoadCase, "SISMOX", -1)



ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB7", LoadCase, "SISMOY", 1)



ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB8", LoadCase, "SISMOY", -1)



ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB9", LoadCase, "SISMOX", 1)


ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB10", LoadCase, "SISMOX", -1)


ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB11", LoadCase, "SISMOY", 1)


ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList("COMB12", LoadCase, "SISMOY", -1)

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César Enrique Villar Guerra - Repositorio Universidad Nacional