Este documento (resumido) describe el diseño de la estructura de apoyo de cubierta de graderías de un estadio para fútbol, en la ciudad de Calera, que presenta una forma arquitectónica esbelta, asimilando una cáscara muy delgada, de una luz de 130 m, y despegada del edificio de graderías. La estabilidad se logra por el efecto de arco de la cubierta y su trabajo en conjunto con la fachada metálica, con una forma semejante a ramas de árbol. Se logró una estructura espacial rígida y resistente, a un bajo consumo total de acero estructural y sin interacciones con el edificio de graderías.


Antecedentes Generales

El proyecto del nuevo Estadio Nicolás Chahuán fue adjudicado por concurso abierto de arquitectura a la oficina de GuarelloArq, a cargo del arquitecto Fernando Guarello, la que encargó a BMing desarrollar los proyectos de Ingeniería Estructural correspondientes, que comprenden las estructuras de las graderías para los espectadores, servicios, otros recintos interiores y la estructura de acero de la cubierta.

El proyecto ganador del concurso, considera en el programa la demolición del estadio actual para construir uno nuevo con capacidad para 9.200 personas. Contempla tres bloques de graderías, las oriente y poniente que presentan cubierta, y la sur sin cubierta. En el sector norte está el marcador y no considera gradería para espectadores. Los edificios de graderías oriente y poniente son iguales, lo mismo que la estructura de cubierta de éstos. Los edificios de graderías se materializan en hormigón armado tradicional, con la estructura de apoyo de asientos en hormigón prefabricado. La estructura de cubierta incorpora estructura de acero y está separada estructuralmente del edificio de hormigón.


Estructura de Cubierta del Anteproyecto

El proyecto de la estructura de cubierta es muy estético y alejado de los cánones normales de cubiertas utilizados en otros proyectos de estadio, que en general son vigas en volado desde los propios edificios de graderías que se atirantan hacia el exterior. En este caso, la estructura tiene una forma de segmento semicircular de más de 130 m de largo entre apoyos extremos; el arco frontal está en un ángulo de 80º aproximadamente con respecto a la horizontal; y el arco posterior corresponde a un giro del arco frontal, dejando una luz en planta de unos 18 m en la clave. Entre ambos arcos hay un plano recto inclinado de cubierta formado por vigas que unen estos dos arcos, arriostramientos en el plano, y costaneras que apoyan el revestimiento.

En la base de los arcos circulares, éstos se juntan en un punto teórico, el centro de rotación, pero el anclaje a la fundación de hormigón está a una cota más alta, por lo que los arcos llegan con cierta separación al apoyo, que permite ubicar pernos de anclaje y alejar del suelo los arcos de acero para evitar que gente trepe por éstos.

El proyecto considera una estructura de fachada del edificio de graderías que a simple vista parece irregular, en una especie de ramificación arbórea que emerge del terreno, también pensada en estructura de acero, que se apoya en el suelo y lateralmente en el edificio que era la idea original de los arquitectos.

El proyecto original de arquitectura consideraba algunas diagonales que unen el edificio de graderías y la cubierta, a modo de dar apoyo intermedio a este superficie de cubierta de 130m de largo. Está claro que el sello de este estadio es su cubierta, razón por la cual se ha puesto en su diseño tanto esmero en dar la mejor solución al menor costo estructural.


Proceso de Estructuración

1.Hacer una estructura que dé una visión lo más parecida posible al anteproyecto de arquitectura. Primeramente se tomó los archivos CAD suministrados por los arquitectos para ajustar exactamente la geometría de anteproyecto, y se traspasó el modelo unilineal (o de “alambres”) de la estructura, al software que se utilizaría para el análisis, en este caso el SAP2000. Mediante el modelo en SAP2000 es posible hacer procesos sucesivos para tantear geometrías, tipos de secciones, etc., determinando deformaciones y esfuerzos para ver la factibilidad de cada opción. Básicamente se trabajó sobre la alternativa de materializar los marcos con un solo elemento estructural, tubular o doble te, o bien mediante una viga reticulada. Por la dimensión del sector de circunferencia de más de 130 m, una altura de 1,8 m de la viga enrejada del marco era casi imperceptible.

2.Enmarcar el costo de la estructura de cubierta y fachada en un valor que no supere US$1.000.000 para el subcontrato de estructuras de acero, es decir, fabricación, transporte y montaje de ésta. Considerando un valor total de suministro de estructuras montado de $2.000 el kilo, como un valor factible promedio, la cantidad máxima de peso estructural para la fachada y estructura de cubierta no debía superar las 240 ton, es decir 120 ton para cada uno de los sectores. El estudio de alternativas incluía la cubicación de ésta.

3.Utilizar elementos curvos reales y no mediante una sucesión de elementos rectos en los marcos de sector de circunferencia. Este requerimiento limita las posibilidades de secciones a utilizar en los marcos curvos a dos tipos: Secciones HSS circulares y vigas celulares Coprocell®. Las secciones doble te, como las laminadas serie W o bien soldadas, no se pueden curvar; tampoco secciones HSS rectangulares o cuadradas.

Las secciones HSS circulares se pueden curvar por cilindrado en un diámetro máximo de 12? (305 mm), en tanto que las secciones celulares Coprocell® se curvan al ser expandidas sin límite de altura, con un radio de curvatura mínimo de 20 m. En este caso el radio de curvatura es del orden de 90 m. El pre diseño indicó que de utilizarse un elemento único en el marco de sección HSS debía tener una altura mínima de 550 mm, lo que no es posible de curvar por cilindrado, en tanto que la viga celular podía tener únicamente 500 mm de altura funcionando adecuadamente.

En el caso de viga enrejada, los arquitectos preferían colocar secciones HSS en cordones y diagonales por estética. De utilizarse sólo un elemento lineal en el marco, sería una sección doble te celular Coprocell® de 500 mm de altura, en tanto que vigas enrejadas tendrían una altura de 1800 mm entre centro de gravedad de cordones, de un diámetro de 254 mm como resultado del pre diseño.

4.Permitir que en el marco frontal se disponga de las luminarias y equipos de megafonía que considera el anteproyecto de arquitectura y permita esconder un puente de mantenimiento de estos equipos. Es más factible colocar los equipos en una viga enrejada, en los espacios entre diagonales, y esconder detrás de ésta una pasarela o puente de mantenimiento. La alternativa de elemento único y esbelto implica colocar los equipos sobre o bajo ésta, pudiendo esconder la pasarela en caso que la cubierta se pusiera por debajo de las costaneras.

5.Tratar de evitar que la estructura de cubierta se apoye en el edificio del estadio, para tener libertad de construir independientemente ambas estructuras. Este requerimiento parecía difícil de cumplir, ya que al mirar la forma de la estructura, parecía inminente la necesidad de darle apoyo vertical intermedio a los 130 m de luz, y, además, al estar la estructura “caída” hacia el edificio de hormigón, el sentido común indicaba que la cubierta entregaría reacciones horizontales al edificio, al igual que la estructura de fachada.

Como asesores específicos de estadios de este tipo, se contó como parte del equipo de diseño, con la asesoría de una empresa de ingeniería internacional especializada en este tipo de recintos, que actuaban como consultores en temas diversos como operatividad, funcionamiento, requerimientos especiales FIFA, presupuestos y otros, y estimaban que la estructura debería estar atirantada hacia atrás del edificio de hormigón. Nuestra posición era distinta, en el sentido que los efectos de curvatura ayudarían a estabilizar la mega estructura sin mayor cantidad de apoyos, y que si pudiéramos apoyar y hacer trabajar en conjunto la estructura de fachada y la cubierta, se podía generar una estructura global muy rígida y autosoportante, sin necesidad de hacerla interactuar horizontalmente con el estadio. Esto daba una gran libertad constructiva, operacional y estructural, ya que los puntos de unión de estructuras de comportamiento tan distinto, en especial para el trabajo sísmico de estas, podía ser bastante cuestionable y dificultoso de materializar en un diseño racional.


Estructuración Final

El análisis de los puntos señalados, desde el punto de factibilidad técnica, funcional, económica y estética, definió la solución estructural, que adopta todos los requerimientos y coloca el peso total de estructuras de acero en 210 ton, holgadamente bajo el límite, lo que nos llenó de alivio, dada la incerteza del monto de este peso total, debido a lo particular del proyecto que no puede a priori ser asimilable a un peso por metro cuadrado.

El peso total de la cubierta fue de 130 toneladas para 6.400 m² cubiertos, es decir 20,3 kg/m², que es un valor muy bajo, en tanto que el peso de la estructura de fachada correspondió a 80 ton en total.

La estructuración final consideró vigas reticuladas porque daban una mejor solución al apoyo de luminarias y equipos de megafonía, aunque tenían un peso mayor que la solución de viga celular. Se consideró el factor de suministro de este tipo de secciones HSS circulares, que existen en plaza o pueden ser importadas desde Argentina. Las vigas celulares tienen suministro permanente por el importador y fabricante Copromet.

Los marcos finalmente utilizados fueron tres, los dos originales del anteproyecto de arquitectura, uno al frente y otro posterior, y adicionalmente uno central, que solicitamos porque en el punto superior, la distancia entre ambas vigas era del orden de 18 m y al tener un marco central se reducía a 9 m. Por otro lado, había tres y no dos líneas soportantes.
Dada la solución de vigas de alma enrejada en los marcos, se colocó vigas reticuladas perpendiculares uniendo las tres líneas de marcos, materializadas igualmente por secciones HSS circulares. Estas vigas se ubican cada 12 m aproximados. Se conecta la estructura de fachada a la cubierta en estos puntos de llegada de vigas reticuladas perpendiculares. Entre una y otra de estas vigas transversales, se coloca vigas de sección cajón rectas, ya que la cubierta es recta, que conjuntamente a las vigas reticulares transversales apoyan a costaneras de 6 m de luz aproximados.

En el paquete de cubierta se utiliza un sistema de diagonales, que inicialmente sería en “x”, pero que por razones de estética a solicitud de los arquitectos, se pasaron al sistema que se muestra en el modelo 3D del SAP2000, y que se ven mejor, cumpliendo igual función, y no aportando tonelaje adicional. Estas diagonales también son secciones HSS circulares.

La función de la estructura de fachada es fundamental en la estabilidad de todo el sistema, ya que al tener curvatura en el largo, da estabilidad en ambas direcciones perpendiculares horizontales al sistema estructura de fachada-cubierta. Todo este sistema no presenta apoyos en la estructura del estadio, y no sólo es estable, sino que también tiene una rigidez adecuada, manteniendo las deformaciones muy bajas.