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• Luis Brayan Alejo

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ESTRUCTURAS METALICAS

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “TOMAS FRÍAS” FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE CONSTRUCCIONES CIVILES

GRUPO N° 2

CÚPULAS DOCENTE: Ing. Alfredo Zenteno Alcala AUXILIAR: Univ. Victor Manuel Choque Ballesteros ESTUDIANTES: Univ. Lizeth Neyda Canaviri Chungara Univ. Angélica Nayda Peralta Sauce FECHA DE PRESENTACIÓN: P/27/11/2018

POTOSI-BOLIVIA

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CÚPULAS 1. HISTORIA La cúpula apareció en Mesopotamia hace unos 6.000 años, como techado para las cabañas circulares construidas con adobe. A pesar de que el uso de la cúpula también se inicia con la civilización micénica, presenta un claro referente histórico, el Panteón de Roma (120-124 d.C.) consistente en un cilindro vertical que contiene una semiesfera de 43.5 m de luz, que tardaría diecinueve siglos en ser superada. Otro ejemplo histórico son las chozas de Tapial delTchad, donde las cúpulas apuntadas tienen un comportamiento tan racional que permite su construcción con barro. Hasta el siglo XIX sólo se podían construir en piedra natural o artificial o madera o combinando ambas, y en muchas ocasiones se reforzaban mediante tirantes de hierro, dispuestos en la zona del riñón, para contener los empujes tangenciales que produce esta estructura. A partir de la Revolución Industrial aparecieron numerosos materiales aptos para construir una cúpula. El problema por el cual las cúpulas no superaban los 43,5m de luz era la aparición de

esfuerzos de tracción que

colapsaban la estructura, por ello la introducción del hormigón armado supuso una revolución en el concepto de cúpula, posibilitando aprovechar la resistencia tanto a compresión como a tracción. Esto dio lugar al entendimiento de las cúpulas como superficie de revolución, lo que permitió alcanzar grandes esbelteces. Por otra parte, una cúpula presenta ciertos problemas geométricos debido a la necesidad de acomodación de su planta circular a un soporte cuadrado u octogonal. Históricamente se han visto las siguientes soluciones: 

En Santa Sofía se parte de una cúpula vaída obtenida por corte de la semiesfera por cuatro planos verticales, el apoyo se realiza sobre cuatro arcos fajones, a partir de ahí se independiza el luquete esférico de los cuatro triángulos esféricos o pechinas mediante una hilera de ventanas.

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El uso de un tambor independiza completamente la solución.

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La solución de Bramante para San Pedro, basada en emplear pilares achaflanados, que realmente están planteando un octógono intermedio entre el tambor y el cuadrado de planta. Con esto los arcos de apoyos reducen su luz y las pechinas son prácticamente inexistentes

El problema más importante de los constructores de cúpulas anterior a la Revolución Industrial fue hallar materiales con resistencia a la tracción para contrarrestar los esfuerzos horizontales en la base de la cúpula que, por su forma, tiende a abrirse. La solución clásica consistió en contrarrestar tales esfuerzos mediante contrafuertes pesados de obra, después por otras cúpulas y semicupulas que ayudan a llevar los esfuerzos a sitios menos visibles. Posteriormente se contrarrestaron los esfuerzos horizontales mediante un zuncho, generalmente de acero en la base, funcionando como tracción, pero con interesantes variantes, como, por ejemplo, en la Catedral de Puebla, donde se utilizó como material un trenzado de tripas de caballo por su mayor flexibilidad y resistencia. 2. CONSIDERACIONES GENERALES Introducción: El término cúpula deriva del latín “cupula”, el cual es el diminutivo de “cupa” que quiere decir “copa”, que posee una forma característica a una media esfera, su función principal es tapar un espacio determinado; siendo un elemento arquitectónico - estructural que se utiliza para cubrir un espacio de planta circular, cuadrada, poligonal o elíptica, mediante arcos de perfil semicircular, parabólico u ovoidal, rotados respecto de un punto central de simetría.

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Desde el punto de vista estructural una cúpula delgada puede considerarse un elemento bidimensional de doble curvatura con simetría radial (respecto al centro de la esfera inscripta). Los esfuerzos predominantes son de tracción en el sentido de los paralelos y de compresión en el sentido de los meridianos. Estructuralmente funcionan como una lámina de revolución. TIPOS DE CÚPULAS Cúpula corbelada.- Es una de las primeras formas de cúpula, también conocida como “cúpula de colmena”. No son cúpulas en sentido estricto, ya que están formadas por capas horizontales de mampostería que están ligeramente en voladizo hasta unirse en el centro.

Cúpula del claustro.- Las cúpulas del claustro, son que mantienen una forma poligonal en su sección transversal horizontal. Se arquean hacia el centro desde un punto de resorte constante a lo largo de una pared de ladrillos.

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Cúpula de arco cruzado.- Este es uno de los primeros tipos de cúpula acanalada donde las costillas, en lugar de reunirse en el centro de la cúpula, se entrelazan para formar polígonos, dejando un espacio vacío en el centro. El primer ejemplo conocido es en la Gran Mezquita de Córdoba de España, que data del siglo X.

Cúpula de la Catedral de Córdoba, España.

Cúpula geodésica.- Son estructuras esféricas que consisten en una red de triángulos hexágonos o cualquier otro polígono, que proporcionan un marco estructural auto-equilibrado mientras que usan materiales mínimos. Fueron desarrollados por el ingeniero y arquitecto estadounidense Buckminster Fuller a finales de los años cuarenta.

Cúpula geodésica del Museo Dalí.

Cúpula monolítica.- Se trata de una estructura que se encastra en una sola pieza.

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Cúpula acebollada.- Estas cúpulas se caracterizan por la forma en que sobresalen más allá de sus diámetros de base y se estrechan suavemente en un perfil de ogee (curva S). Su altura generalmente excede su anchura y son a menudo doradas o pintadas brillantemente. Las cúpulas acebolladas están tradicionalmente asociadas con la arquitectura rusa, en particular sus iglesias de múltiples cúpulas.

Cúpula ovalada.- Una cúpula ovalada puede definirse como una cúpula cuyo plano o perfil (o ambos) tiene una forma oval. La geometría se define como el uso de combinaciones de arcos circulares que transitan en puntos tangenciales.

Interior de la cúpula de la Iglesia de San Carlos de las Cuatro Fuentes.

Cúpula giratoria.- También conocidas como “cúpulas semisféricas”, éstas son una mitad de una esfera, construida en una viga circular del anillo.

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Cúpula de platillo.- En términos de área estos son a menudo algunas de las cúpulas más grandes, y son de menor perfil que otras formas de cúpula.

Cúpula acanalada.- También conocido como “paragüas” o “paracaídas”. Estas se dividen en segmentos curvos que siguen la curva de la elevación. Las líneas radiales de la mampostería que actúan como las “costillas” de la bóveda se extienden abajo de la salida del ápice.

FORMA GEOMETRICA La superficie de una cúpula puede adoptar distintas formas según el método constructivo y las tradiciones formales, variando en función de la forma de planta y el perfil de acuerdo a la cónica utilizada: Semiesférica, que es la forma más simple desde el punto de vista constructivo teniendo en cuenta el replanteo. Semi elipsoide de planta circular, utilizada en cúpulas rebajadas. Semi elipsoide de planta elíptica, adecuada a espacios rectangulares. Semi paraboloide de planta circular, permite cúpulas más estilizadas, "aliviando" la percepción formal del edificio. Semi paraboloide de planta elíptica.

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Semi hiperboloide de planta circular, también más esbelta, mejora el comportamiento estructural al reducir los empujes horizontales. Semi hiperboloide de planta elíptica

MATERIALES PARA CONSTRUIR UNA CÚPULA  Hierro colado  Hormigón armado  Acero  Aluminio  Madera laminada o plásticos. ELEMENTOS DE UNA CÚPULA Una cúpula normal por lo general compone de las siguientes partes:

o La base.- Es el elemento sobre la que se apoya la cúpula, puede consistir en muros continuos, en arcos sobre pilastras o anillos base de cúpula. Cuando la base es cilíndrica, la cobertura puede construirse mediante una cúpula simple. o Trompas o pechinas.- Son elementos para resolver la transición entre la base circular o elíptica de la cúpula y la forma cuadrada o poligonal de la base. o Dovelas.- La misma es un elemento constructivo que conforma un arco. U.A.T.F.

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o El tambor.- Es un muro vertical que soporta a la cúpula, y a menudo, tiene ventanas que posibilitan la iluminación del espacio interior y añade altura a la cúpula, proporcionando visibilidad. o Linterna.- Es una estructura pequeña que se ubica en la parte superior de la cúpula, conocida como la corona de la misma y cuando ésta tiene forma de cúpula, se llama cupulino.

PROCESO DE CONSTRUCCION DE UNA CÚPULA Cúpula de hormigón armado Nota: Toda la construcción de la cúpula se realiza desde el interior. 1) Se debe tener lista el área donde se asentara o construirá la cúpula. Si la cúpula será sobre el suelo, se debe realizar el vaciado de cimentación. 2) Extendido de la membrana de PVC, la cual es anclada en el perímetro exterior y posteriormente se procede a realizar el inflado y/o presurizado de la misma. Esta membrana actuará como encofrado exterior durante el proceso constructivo y que también permanece como acabado exterior al terminar la construcción. 3) La cúpula se empotra en un anillo circular. Este anillo ayuda a absolver las solicitaciones de tracción que se presentan en la parte inferior de la estructura. 4) Colocación de armaduras, mediante un proceso continuo se coloca el refuerzo de acero estructural de diseño. Se coloca una circunferencia o anillo en la parte inferior, por encima del anillo o base de la cúpula, también otra en la parte superior y circunferencias intermedias; esto de acuerdo al diseño de la estructura. U.A.T.F.

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5) Proyecciones sucesivas de hormigón, se realiza el colocado continuo de capas de hormigón que conformará el espesor definido en el Proyecto. El hormigón servirá de elemento rigidizador a la estructura. En la actualidad el diseño de cúpulas de tipo geodésico se lo realiza en gran cantidad, desde invernaderos, viviendas, tiendas de descanso. El armazón de acero se puede construir fácilmente con un conducto eléctrico. Uno aplana el extremo de un puntal y perfora los agujeros de los pernos a la longitud necesaria. Un solo tornillo asegura un vértice de puntales. Las tuercas generalmente se ajustan con un compuesto de bloqueo extraíble, o si la cúpula es portátil, tienen una tuerca almenada con un pasador de chaveta.

Las cúpulas también se pueden construir con un armazón de aluminio liviano que puede atornillarse o soldarse entre sí o se puede conectar con una conexión de punta / buje de nudo más flexible. Estas cúpulas usualmente están revestidas con vidrio que se mantiene en su lugar con una cofia de PVC. La cofia se puede sellar con silicona para hacerla estanca. Algunos diseños también permiten que se fijen doble acristalamiento o paneles aislados en el marco. Esto permite que se forme un edificio completamente habitable. Las cúpulas de hormigón y plástico de espuma generalmente comienzan con una cúpula de acero, envuelta con alambre de gallinero y malla de alambre para refuerzo. El alambre de pollo y la pantalla están atados al marco con amarres de alambre. En general, son necesarios varios abrigos por dentro y por fuera. El último paso es U.A.T.F.

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saturar cúpulas de hormigón o poliéster con una capa delgada de compuesto epoxídico para verter el agua. Algunas cúpulas de hormigón se han construido a partir de paneles de hormigón prefabricados, pretensados y reforzados con acero que se pueden atornillar en su lugar. Los pernos están dentro de receptáculos elevados cubiertos con pequeñas tapas de concreto para arrojar agua. Los triángulos se superponen para arrojar agua. Los triángulos en este método se pueden moldear en formas estampadas en arena con patrones de madera, pero los triángulos de concreto suelen ser tan pesados que deben colocarse con una grúa. Esta construcción es muy adecuada para cúpulas porque ningún lugar permite que el agua se acumule en el concreto y se filtre. Los sujetadores metálicos, las juntas y los marcos de acero internos permanecen secos, lo que evita daños por congelación y corrosión. El concreto resiste el sol y la intemperie. Se debe colocar alguna forma de tapajuntas o calafateo interno sobre las juntas para evitar corrientes de aire. El Cinerama Dome de 1963 se construyó a partir de hexágonos y pentágonos de hormigón prefabricado. Vivienda cúpula geodésica: Una cúpula geodésica es una estructura semiesférica de capa delgada (celosía) basada en un poliedro geodésico. Los elementos triangulares de la cúpula son estructuralmente rígidos y distribuyen la tensión estructural en toda la estructura, haciendo que las cúpulas geodésicas sean capaces de soportar cargas muy pesadas para su tamaño. Para poder facilitar la vida de las personas, en gran parte del mundo se han ido construyendo viviendas cúpula. Por el costo mínimo que tiene debido al poco uso de materiales, también por el tiempo reducido de construcción o montaje de piezas prefabricadas. La misma lleva un agujero de aire en la parte superior para que haya buena circulación de aire.

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La idea principal se centra en el diseño de las uniones que proporcionan la facilidad a la hora de montar la estructura. Se necesitan uniones resistentes como pernos de alta resistencia.

Entre otros ejemplos que podemos comentar, hay emprendimientos que abarcan escalas muy diversas. Por una parte, a una escala “menor”, se ofrecen cúpulas para construcciones temporales y permanentes, para distintos usos. Conocemos proyectos de hotelería en lugares extremos y usos temporales para cubrir las necesidades de eventos, instalados en las más diversas geografías.

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¿Cómo funciona una cúpula? En palabras simples una cúpula presenta en sus partes altas esfuerzos de compresión y en las partes bajas esfuerzos de tracción; la cúpula podría descomponerse o desparrame horizontalmente, para solucionar esto se zuncha o empotra a un anillo circular en la parte inferior de la misma. Este anillo ayuda a absolver las solicitaciones de tracción. Principales ventajas técnicas de una cúpula geodésica:  Tiene una alta resistencia sísmica, en caso de que se destruyan al menos el 35% de los elementos estructurales, la construcción no llega a su colapso  En estructuras triangulares-esféricas, puede soportar una carga de nieve muy alta, inalcanzables para otros tipos de construcciones.  Por su aerodinámica, tiene un excelente comportamiento y estabilidad ante fuertes vientos  En su construcción, requiere una menor cantidad de materiales comparada con las viviendas tradicionales, lo que redundará en un notable ahorro de tiempo de construcción y costo.  Por su forma, es más eficiente, en su relación superficie-volumen, lo que significa que necesitaremos menos material para su aislamiento, dando como resultado, que el sistema de calefacción sea más económico.  Máxima ganancia solar.  Temperatura uniforme en el ambiente cupular.  Disponen de un diseño atractivo y contemporáneo.  Rápida construcción y montaje sea de forma tradicional o con sistemas prefabricados. Principales desventajas de una cúpula geodésica: -

Las escapatorias son problemáticas; los códigos los requieren para estructuras más grandes, y son caros.

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El cableado eléctrico profesional cuesta más debido a la forma de la cúpula.

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El uso de plásticos contaminan y se deterioran con la luz solar.

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La estratificación del aire y la distribución de la humedad dentro de una cúpula son inusuales si no se realiza un buen diseño de ventilación.

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La privacidad es difícil de garantizar porque una cúpula es difícil de dividir satisfactoriamente.

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Durante los trabajos de construcción, hay una abundancia de juntas a sellar y aislar por separado. Este es un proceso complejo que requiere ciertas habilidades y paciencia.

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Paredes de planitud complica alineamiento de las repisas, estantes y otros.

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Los cálculos en el diseño representan un desafío.

3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES o Conclusiones  En la actualidad se realiza más el diseño y construcción de cúpulas geodésicas debido a lo fácil que es el montaje y costo bajo.  Una cúpula se debe empotrar obligadamente en un anillo de base para que este soporte todos los esfuerzos de tracción que se presentan en las partes inferiores de la estructura.  Cuando hablamos de casas en cúpula, deben de tener una solera o cimentación de hormigón adecuado.  Su respuesta estructural está determinada por la geometría de la cúpula y por la resistencia del material con que se fabrican las cúpulas.

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 Una cúpula puede estar revestida de vidrio, hormigón, membranas PVC u otro tipo de materiales.  Máxima ganancia solar.  Temperatura uniforme en el ambiente cupular. o Recomendaciones  Tener cuidado al momento de sellar las juntas de la cúpula, ya que debido a la lluvia podría presentarse goteras en el interior.  No hacer uso de plásticos, ya que contaminan el medio ambiente y también se deterioran con la luz solar disminuyendo así la vida útil de la estructura.  El diseño de la cúpula debe llevar un agujero de aire en la parte superior para que haya buena circulación de aire. 4. ANEXOS, CROQUIS, PLANOS, FOTOS, ETC. Proceso constructivo de una cúpula de hormigón armado: Anclado superior de membrana PVC.

Inflado o presurización de la membrana PVC.

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Proyección de espuma de poliuretano. U.A.T.F.

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Colocación de armaduras.

Proyección de hormigón. U.A.T.F.

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Acabado de la cupula.

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Detalles de la cúpula de la Terminal de buses de la Cuidad de Potosí.

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