Estructures volades. Sostenibilitat?

ENRIC XERCAVINS I VALLS
Enginyer Industrial, ETSEIB (Escola Tècnica Superior d’Enginyers Industrials de Barcelona).
Premi 150 anys d’Enginyeria Industrial a la Construcció. Menció especial al projecte: Poliesportiu soterrat dins una escola.
Premi Creativitat Internacional. Modalitat: Construcció. COEIC (Col·legi Oficial d’Enginyers Industrials de Catalunya). Construcció Industrialitzada d’escoles. d’ordenances per tal d’establir criteris sobre l’execució d’obres soterrades en sòls problemàtics.

JOSEP XERCAVINS I BATLLÓ
Enginyer Mecànic. EUETIT (Escola Universitària Enginyers Tècnics Industrials de Terrassa).
Màster d’Estructures Arquitectòniques. UPC (Universitat Politècnica de Catalunya).
Professor del Màster: Rehabilitació i Patologies d’estructures. IEE (Institut d’Estudis Estructurals).

• Estructures sostenibles. Article de Josep Baquer Sistach, Quaderns d’estructures n.o 35 (any 2009).
• Edifici precursor: Gas Natural, Barcelona. Article de Julio Martínez Calzón, Hormigón y Acero n.o 245 (any 2007).
• PBX centre de càlcul SLP. Estructures volades metàl·liques. Estructures volades de formigó armat.
• Escuela Politècnica Superior de La Coruña. MIVES: Método Integrado de Valor para Evaluaciones de Sostenibilidad.

Josep Baquer, consultor d’estructures, va escriure un article molt interessant en l’editorial del n.o 35 de l’any 2009, de la nostra revista Quaderns d’estructures (ACE).

ESTRUCTURES SOSTENIBLES

Recordem els conceptes sobre els quals ens va fer reflexionar:

• Contribució de l’estructura a la sostenibilitat. Annex 13. EHE 08.
• Criteris mediambientals, econòmics i socials.
• Edificis amb estructures pont.
• Edificis amb cossos volats.
• Co-responsabilitat com especialistes en estructures.
• Programes de càlcul que ens fan atrevir a tot.
• Tendències arquitectòniques del moment.
• Els consultors d’estructures hauríem de poder incidir en aquest món.
• Generar una nova cultura de la sostenibilitat.

Seguint la seva idea de passejar pel nostre entorn més proper, es confirma la teoria d’una arquitectura imponent, que condiciona estructures de gran impacte mediambiental i social, complicades estructuralment i en conseqüència anti-econòmiques. Ell ens parlava de costos superiors al 30 %.

Una estructura que vam seguir quan es construïa i que observem quan passem per davant, és la Porta de l’Hospitalet, que per entrar al pati interior des de la Ctra. de Collblanc, estintolava 16 pilars dels habitatges en només quatre suports a planta baixa. Per arrencar els nous pilars, el detall constructiu es complicava en unes potents cartel·les metàl·liques que formen una diagonal sota l’edifici de sis plantes (fig. 1 i 2).

També passem sovint per davant de l’Edifici ESADE CREAPOLIS a Sant Cugat del Vallés, al costat del Centre Borja. En lloc de rehabilitar l’antic edifici, es va decidir construir al costat la nova seu d’ESADE amb una estructura que té en els seus testers dues caixes volades, de la que destaquem la de l’est, que fa de visera sobre el carrer d’entrada al Centre Borja (fig. 3 i 4).

Aquests exemples d’estructures molt singulars inspira a estudiants d’arquitectura a projectar, durant la carrera, edificis molt especials, que no compleixen els criteris mediambientals, econòmics i socials de sostenibilitat de la EHE-08.

Ens van consultar l’estructura d’un Projecte Final de Carrera:

Auditori a El Masnou (fig. 5)

Escenari: plataforma inferior horitzontal amb la caixa escènica superior sota coberta.
Públic: grades esglaonades en el cos volat exterior, sobre l’espai públic transitable.

Conceptualment, és una estructura que s’hauria d’equilibrar amb el contrapès dels fonaments de formigó armat, encastats a la roca mitjançant micro-pilotis. Encara que vam reflexionar d’incorporar suports en l’aresta del voladís, els terminis de presentació van manar.

Amb aquesta introducció i aprofitant el temps de confinament de la COVID-19, reflexionem sobre aquest tema i fem un repàs de les estructures en les que hem col·laborat i on no hem tingut en compte ni hem pogut incidir en els conceptes de sostenibilitat que el Josep Baquer ens recordava.

Com antecedent, hem estudiat l’edifici de Gas Natural a Barcelona, d’Enric Miralles i Benedetta Tagliabue arquitectes, que creiem que és un precursor de cossos volats de proporcions immenses.

Després analitzarem les estructures volades en les que hem cedit davant l’arquitectura de disseny, valorant en cada un d’ells els punts enumerats al principi de l’article.

EDIFICI DE GAS NATURAL. TORRE MARE NOSTRUM (BARCELONA)

Julio Martínez Calzón, Dr. Enginyer de Camins, va calcular l’estructura d’aquest edifici projectat per Enric Miralles i Benedetta Tagliabue arquitectes, EMBT.

El procés del projecte estructural en coordinació amb l’equip d’arquitectura, el va descriure en un article de la revista: Hormigón y Acero, n.o 245 (any 2007).

Aquest espectacular edifici és per nosaltres, el precursor a Catalunya d’estructures amb cossos volats i que ha animat a altres despatxos d’arquitectura a projectar, com diu Josep Baquer, seguint tendències arquitectòniques del moment, voladissos de grans proporcions sense pilars a planta baixa, per deixar diàfans els espais inferiors transitables.

A l’any 1999 l’Ajuntament de Barcelona va convocar un concurs arquitectònic per aconseguir una obra representativa i que ordenés aquesta zona contigua al barri de la Barceloneta. EMBT va guanyar amb una solució que reflexionava sobre un conjunt desordenat de roques junt al mar proper. Així l’empresa Gas Natural estaria representada a Barcelona, per un edifici emblemàtic en un barri proper a la torre Mapfre, a la torre de l’hotel de Les Arts i al mar Mediterrani.

Urbanísticament parlant, les formes de l’edifici alliberen una gran plaça pública enjardinada sota el cos de voladís de 40 m de longitud i 18 m de cantell i a 20 m sobre el carrer i, al mateix temps, configura una porta cap al barri i al mar.

Estructura

L’estructura es composa de cinc edificis:

1. Edifici torre de 22 plantes.
2. Edifici porta-avions.
3. Edifici capitell.
4. Edifici cascada.
5. Edifici pont. Connecta la torre i el porta-avions.

• Accions verticals: permanents de pes propi + paviments i variables segons l’ús de cada planta.
• Accions horitzontals crítiques:
  • Vent + Sisme.
  • Reaccions inclinades de l’estructura principal.

L’estreta col·laboració entre enginyeria i arquitectura va preveure forjats horitzontals mixtes de xapa col·laborant + xarxes d’armat + formigó d’alta resistència, per transmetre les forces de vent, sisme i reaccions als nuclis de formigó armat interiors, ascensors, escales i suports pantalla.

Edifici porta-avions

Cos volat objecte d’aquest article.

Sustentat per dues grans gelosies de tipologia Pratt, en les cares exteriors, connectades al primer nucli i equilibrades en sentit contrari al segon nucli mitjançant  posttesat (fig. 6 a 8).

Conclusió

El resultat d’aquesta construcció és un edifici emblemàtic per Gas Natural i per Barcelona, i que ha empès a altres arquitectes a desenvolupar estructures volades prominents. Però, com deia Josep Baquer, una estructura sostenible és la que optimitza el consum energètic, el consum de materials, els costos de manteniment i segueix criteris socials, i a vegades no ho tenim en compte.

A continuació, analitzem estructures volades en les que hem col·laborat com a consultors d’estructures i on hem cedit davant l’arquitectura de disseny.

PBX CENTRE DE CÀLCUL SLP
Estructures volades metàl·liques

2010 Escola Camins
Les Franqueses del Vallés (Vallés Oriental)

• Descripció de la tipologia de l’estructura (fig. 9 i 10):

El projecte d’arquitectura remarcava l’entrada a l’escola amb una caixa tridimensional volada 8 m.
La justificació d’aquest volum era la protecció de l’entrada els dies de mal temps (fig. 10 i 11).

• Corresponsabilitat del disseny de l’estructura (fig. 11 i 12):

La deformació de l’estructura no havia de superar 1 cm de fletxa perquè suportava una aula sobre.
Els pòrtics testers són bigues Pratt, mentre que el central era triangular per pas d’instal·lacions.

Sostenibilitat

Criteri mediambiental:

• Per aconseguir rapidesa, l’estructura es va construir amb mòduls industrialitzats.
• Possibilitat de desmuntar l’estructura i reciclar-la en una altra ubicació.

Criteri social:

• Obra d’interès general per la urgència de l’escola abans de començar el curs.
• Els operaris van rebre cursos de formació tècnica i de seguretat.

Criteri econòmic:

• Anàlisi del cicle de vida útil ACV = 75 anys per poder-se reciclar.
• Els costos de manteniment són baixos perquè l’evolvent és d’acer corten.

2014 Biblioteca Municipal
Martorell (Baix Llobregat)

• Descripció de la tipologia de l’estructura:
  El projecte d’arquitectura deixa tota la planta de biblioteca diàfana de pilars (fig. 13), però a l’entrada es genera una caixa de base triangular volada 5 m, exterior a la vidriera aparador.
  La justificació d’aquesta caixa és la generació d’un lloc de trobada protegit pel volum volat (fig. 14).

• Corresponsabilitat del disseny de l’estructura: La deformació de l’estructura no havia de superar 1 cm de fletxa perquè suportava les oficines d’administració de la biblioteca (fig. 15).
  El pòrtic tester es va projectar amb un important tirant diagonal equilibrat amb un altre interior bessó.

Sostenibilitat

Criteri mediambiental:

• L’estructura metàl·lica redueix el consum d’aigua i l’emissió de contaminants.
• La industrialització en fàbrica afavoreix l’estalvi energètic.

Criteri social:

• Obra d’interès general perquè el creixement de la ciutat havia fet petita l’antiga.
• La complexitat del muntatge de l’estructura va requerir un pla de seguretat específic.

Criteri econòmic:

• Aplicació de tecnologia BIM (Building Information Modeling), per ajustar el projecte.
• La diafanitat de la biblioteca sense pilars intermedis augmenta el cantell dels cavalls.

2016 Institut Pompeu Fabra
Pont de Vilomara (Bages)

• Descripció de la tipologia de l’estructura (fig. 16 a 19):
  Rehabilitació i ampliació de l’escola existent mitjançant una estructura metàl·lica de pont superior. El mòdul interior arrenca de pilars en V i el mòdul exterior vola sobre el carrer anterior.
  La singularitat de l’estructura volada en els dos testers és necessària per salvar l’escola existent.

• Corresponsabilitat del disseny de l’estructura (fig. 17, 18 i 20):
  L’estructura interior es va projectar amb bigues Pratt de cantell de la primera planta i suportant la segona planta.
  L’escala exterior que comunica les dues plantes, es va solucionar penjada amb tirants de la caixa global volada sobre l’entrada.

Sostenibilitat

Criteri mediambiental:

• L’estructura metàl·lica redueix el consum de recursos naturals del formigó armat.
• L’estructura metàl·lica cargolada evita les soldadures in situ, amb més residus.

Criteri social:

• Pont de Vilomara, necessitava per interès general un institut, pel creixement demogràfic.
• Al treballar amb grues mòbils sobre l’anterior escola, la seguretat va ser un punt clau.

Criteri econòmic:

• L’estructura va tenir un cost molt superior al mòdul normal, però es va compensar al salvar l’escola antiga rehabilitant-la enlloc d’enderrocar-la i fer l’escola-institut nou.

2020 Casa Lugo
Canyelles (Alt Penedès)

• Descripció de la tipologia de l’estructura:
  Les normes urbanístiques situen la casa sobre un desnivell del terreny, que implica uns pilars de suport del cap de l’estructura o que aquesta sigui volada (fig. 21).
  Les tendències arquitectòniques del moment han fet decidir per una caixa volada de la sala d’estar.
• Corresponsabilitat del disseny de l’estructura:
  En el pre-dimensionat de l’estructura metàl·lica s’han comprovat (fig. 22):
  Les vibracions que afectarien al confort de la vida de les persones que habitaran la casa.
  Les deformacions que condicionarien els ELS (Estats Límits de Servei).

Sostenibilitat

Criteri mediambiental:

• Respecte per les corbes de nivell de l’orografia del terreny i pel paisatge de l’entorn.
• L’estructura metàl·lica s’industrialitzarà en fàbrica, estalviant recursos naturals.

Criteri social:

• No és una obra amb interès general perquè és una casa d’habitatge particular.
• Els operaris seran especialistes formats en muntatge d’estructures metàl·liques cargolades.

Criteri econòmic:

• L’encariment de l’estructura degut al sobre-dimensionat dels perfils de la caixa volada, es compensa amb l’estalvi en moviment de terres i en fonaments, de la solució amb pilars.

Estructures volades de formigó armat

1990 Oficines LAES
Rubí (Vallés Occidental)

• Descripció de la tipologia de l’estructura (fig. 23):
  Paraigües compost d’un nucli buit cilíndric de formigó armat, d’entrada a les oficines de la fàbrica, i d’una llosa volada connectada al nucli descrit i armada bi-direccionalment.
  Muntants metàl·lics arrencant de la vora del voladís circular. Tancament de vidre i coberta lleugera.
• Corresponsabilitat del disseny de l’estructura (fig. 24):
  La deformació de l’estructura no havia de superar 1 cm de fletxa per evitar el trencament dels vidres perimetrals superiors.
  Comprovació de les dilatacions de l’estructura superior per la influència de l’assolellat.

Sostenibilitat

Criteri mediambiental:

• Edifici emblemàtic de la firma de lluminàries de baix consum LAES, amb estructura de formigó armat encofrat amb fusta, però amb consum de recursos naturals.

Criteri social:

• Els operaris havien rebut formació especialitzada en estructures de formigó armat vist.
• La seguretat a l’any 1990 no era estricta. Els ferrallistes no portaven casc i no estaven lligats.

Criteri econòmic:

• Estudi estructural de l’equilibri en balances de les lloses compensades en dues direccions.
• En el cicle de vida útil d’aquesta estructura el manteniment ha sigut molt baix.

2011 Piscina l’Almadrava
Roses (Alt Empordà)

• Descripció de la tipologia de l’estructura (fig. 25 i 26):
  Estructura de formigó armat en voladís descompensat, que arrenca de la pantalla del mur i forma el contenidor del vas de l’aigua, amb el desnivell respecte l’entrada.
  L’estructura de la piscina és la marquesina que protegeix del sol l’estança inferior sota la platja.

• Corresponsabilitat del disseny de l’estructura (fig. 27):
  Estructura sobre un talús pronunciat sobre el carrer inferior. Pantalla encastada en el nivell de roca.
  Estructura volada projectada i calculada per suportar el pes de l’aigua de la piscina, la sobrecàrrega d’ús dels nedadors, i les instal·lacions de bombeig.

Sostenibilitat

Criteri mediambiental:

• Estalvi energètic aconseguit amb l’orientació de l’edifici a sud, amb sol d’est a ponent.
• L’estructura de formigó armat consumeix recursos naturals: aigua, ciment i àrids.

Criteri social:

• Una piscina és una instal·lació esportiva que té un interès de salut a l’aire lliure.
• La dificultat constructiva de l’edifici requereix una formació especialitzada dels operaris.

Criteri econòmic:

• Els costos de manteniment de l’estructura d’una piscina amb aigua clorada són importants.
• La singularitat de l’estructura volada i amb molta càrrega repercuteix en la construcció.

2013 Auditori Infant Pere
L’Hospitalet de l’Infant (Baix Camp)

• Descripció de la tipologia de l’estructura (fig. 28 a 30):
  Estructura de l’auditori volada, de formigó armat vist amb encofrat trepant de xapes metàl·liques.
  Les pantalles del tester de la caixa escènica inclinada es van atirantar en fase constructiva.

• Corresponsabilitat del disseny de l’estructura (fig. 31):
  Hospitalet de l’Infant està situat a la comarca del Baix Camp, vora del mar i del delta de l’Ebre, zona de vents molt importants. L’estructura està molt exposada al vent perquè és un edifici aïllat sense obstacles a l’entorn ni arbrat de importància.

Sostenibilitat

Criteri mediambiental:

• L’estructura de formigó armat consumeix recursos naturals: aigua, ciment i àrids.
• L’entorn de l’auditori es va enjardinar amb oliveres i plantes autòctones.

Criteri social:

• Els mitjans tècnics que es van emprar eren òptims per la seguretat dels operaris.
• Un auditori es pot classificar d’interès general per promoure la difusió de la cultura.

Criteri econòmic:

• El concurs públic per projectar l’edifici partia d’un pressupost ajustat, que es va complir.
• L’estructura de formigó armat no va necessitar reparacions i ja és per si mateixa l’evolvent.

2018 Casa Tamariu
Palafrugell (Baix Empordà)

• Descripció de la tipologia de l’estructura (fig. 32 i 33):
  El disseny arquitectònic demanava una cantonada de la sala d’estar de planta baixa, lliure de pilars i envidriada per gaudir de les vistes de la mar Mediterrània. Voladís de L = 4,25 m i cantell L = 3,50 m.

• Corresponsabilitat del disseny de l’estructura (fig. 34):
  Biga paret de gran cantell en tota la longitud de la açana, suportada per pilars metàl·lics connectats mitjançant creuetes HEB bisellades.
  El voladís final de l’estructura no podia superar una deformació de 1 cm per no trencar els vidres.

Sostenibilitat

Criteri mediambiental:

• Orientació a sud – est per aprofitar el sol i la ventilació natural de la marinada.
• La planta de fabricació del formigó estava més a prop que l’empresa metal·lúrgica.

Criteri social:

• Els encofradors i els ferrallers tenien la formació suficient per fer el llaç superior estructural.
• Els operaris van patir al desapuntalar el vol, per la longitud del voladís de formigó massís.

Criteri econòmic:

• La façana de formigó deixava acabada la façana anterior, només enguixada i pintada.
• El formigó d’alta resistència HA-30, va requerir una investigació de la dosificació idònia.

ESCUELA POLITÈCNICA SUPERIOR DE LA CORUÑA

Grupo de Ingeniería y dirección de proyectos: GRIDP

Per valorar la SOSTENIBILITAT d’una construcció, ha programat un excel: MIVES (Método Integrado de Valor para Evaluaciones de Sostenibilitat). Per calcular,

• ICES: Índex de Contribució de l’Estructura a la Sostenibilitat (fig. 35).
• ISMA: Índex de Sensibilitat Medi Ambiental.

ICES = a + b · ISMA

a = Contribució social (Annexe 13.5 EHE/08) (fig. 36)

b = Vida útil

Nivell A: 0,81 < ICES < 1,00 màxima contribució a la sostenibilitat
Nivell B: 0,61 < ICES < 0,80
Nivell C: 0,41 < ICES < 0,60
Nivell D: 0,21 < ICES < 0,40
Nivell E: 0,00 < ICES < 0,20 mínima contribució a la sostenibilitat

Conclusions a la sostenibilitat

El debat sobre la influència de les tendències arquitectòniques singulars en les estructures dels edificis que els consultors d’estructures hem de solucionar i la nostra possible incidència en el projecte d’arquitectura, continuarà mentre els arquitectes i promotors no estudiïn amb nosaltres alternatives d’edificació i es projecti pensant en la Sostenibilitat global del futur edifici i com a conseqüència en la seva repercussió en el canvi climàtic.

El full de càlcul excel programat per GRIPD (Grupo de Ingeniería y Dirección de Proyectos) de la Escuela Politécnica Superior de la Coruña, seguint l’annex 13 de la EHE-08 Instrucción de Hormigón Estructural, calcula primer l’Índex de de Sensibilitat Mediambiental ISMA i segon l’índex de Contribució de l’Estructura a la Sostenibilitat ICES, per avaluar el nivell de Sostenibilitat de l’estructura projectada, tenint en compte els següents criteris:

Criteri mediambiental:

• Consum sostenible de recursos naturals.
• Emissió de contaminants a l’atmosfera.
• Estalvi energètic amb energies alternatives renovables.
• Control de residus d’obra en la seva execució.
• Reciclatge o reutilització dels components de l’estructura.

Criteri social:

• Obra d’Interès general per a la societat.
• Cursos de formació dels operaris en construcció.
• Pla de seguretat i salut, en el treball.

Criteri econòmic:

• Aplicació en la investigació de mètodes innovadors de industrialització.
• Anàlisi del cicle de vida útil ACV.
• Estudi dels costos de manteniment en la vida útil de l’edifici.
• El criteri mediambiental té una importància cabdal en la Sostenibilitat, per la seva influència sobre la naturalesa i en conseqüència en l’ambient que respirem, que incideix en l’entorn humà on vivim.
• El criteri social, és molt important per un costat per a les condicions de treball dels operaris especialistes en estructures i per altre banda per obres que contribueixin a un urbanisme al servei de les persones.
• El criteri econòmic, analitza el comparatiu de pressupostos entre estructures equilibrades i estructures molt singulars per decidir la possible inversió econòmica.
  A vegades s’obvia per aconseguir una imatge emblemàtica de l’edifici.

Com a punt final, dir que en moltes de les estructures volades d’edificis singulars en que hem col·laborat ens preocupa la influència sobre la Sostenibilitat, però per altra banda tenen el repte professional de calcular projectes conceptualment complexes, que s’han d’analitzar amb molta atenció, no refiant-se absolutament dels programes informàtics, que ho calculen tot, però els hi manca la intuïció de l’experiència mecànica i estàtica del consultor d’estructures.