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Piedra tensada

Southwark Gateway Needle, una estructura de piedra postensada.

La piedra tensada es un material de construcción compuesto de alto rendimiento: piedra sujetada en compresión con elementos de tensión. Los elementos de tensión se pueden conectar al exterior de la piedra, pero lo más habitual es que los tendones se enrosquen internamente a través de un conducto perforado.

La piedra tensada puede consistir en un solo bloque de piedra, aunque las limitaciones de perforación y otras consideraciones significan que normalmente es un conjunto de múltiples bloques con lechada entre las piezas. [1] La piedra tensada se ha utilizado tanto en columnas verticales (postes) como en vigas horizontales (dinteles). También se ha utilizado en aplicaciones de mampostería más inusuales : estabilización de arcos, puentes peatonales, postes de granito, esculturas en voladizo, un marco espacial y escaleras.

La piedra tensada tiene una afiliación con la piedra maciza precortada , que es una técnica central de la mampostería de piedra portante moderna . También está alineada con los paneles estructurales aislados de madera maciza y paja (SSIP) , que son todos reconfiguraciones de materiales tradicionales para la construcción moderna. [2] [3]

Métodos de piedra tensada

El tensado se logra con tendones o varillas de acero que se enhebran a través de conductos dentro de los elementos de piedra o se fijan a la piedra externamente. [4] Para el tensado interno, se perforan agujeros en los elementos de piedra para formar un conducto; el tendón tensor se enhebra en el conducto. [5]

La forma más común de piedra tensada es la piedra postensada , que también tiene la historia más larga. [6] Un segundo método, desarrollado a principios de la década de 2020, es la piedra pretensada . [7]

Al igual que con el hormigón pretensado , los métodos pretensado y postensado se pueden utilizar en diferentes contextos: la piedra pretensada puede ser más apropiada para la prefabricación, mientras que el postensado puede ser más adecuado para el montaje en el lugar. [8]

Piedra postensada

Para el postensado, una vez que los componentes de piedra están en su lugar, los tendones se tensan utilizando gatos hidráulicos y la fuerza se transfiere a la piedra a través de anclajes ubicados en los extremos de los tendones, generalmente en combinación con una placa. [9] El proceso de tensado imparte una fuerza de compresión a la piedra, lo que mejora su capacidad para resistir tensiones de tracción que de otra manera podrían causar agrietamiento o falla. [10]

Piedra pretensada

En la piedra pretensada, el tendón (una varilla de acero) se mantiene en tensión con gatos mientras que la cavidad restante en el conducto se llena con lechada de epoxi. [7] Una vez que el epoxi se ha fraguado, los extremos de la varilla se liberan de los gatos, colocando la piedra bajo compresión. [7] Una diferencia estructural entre la piedra pretensada y la postensada es que, en la primera, el elemento de tensión se adhiere a la piedra a lo largo de su longitud, por lo que la compresión se aplica a la piedra a lo largo de la longitud del conducto, mientras que en la piedra postensada la presión se aplica a través de las placas de los extremos. [7]

Razón fundamental

Pabellón del Futuro, Expo Sevilla '92 : arcos de piedra postesados ​​sostienen la cubierta del pabellón.

Mayor fuerza

La piedra tiene una gran resistencia a la compresión, por lo que es ideal en estructuras de compresión como arcos de piedra . [11] Sin embargo, tiene una resistencia a la flexión relativamente débil (en comparación con el acero o la madera), por lo que de forma aislada no se puede utilizar de forma segura en grandes tramos bajo tensión. [11]

"La piedra postensada aumenta la carga de rotura de la piedra en flexión, pero también la rigidez de una estructura al reducir el agrietamiento de las juntas. Este método de construcción se utiliza ampliamente para estructuras de hormigón, pero las ventajas de utilizar técnicas similares con piedra recién se están conociendo". [4]

En el caso del hormigón, este problema se ha resuelto hace tiempo: además del refuerzo de tracción convencional, los ingenieros desarrollaron métodos de hormigón pretensado a partir de 1888 aproximadamente. Estas aplicaciones de hormigón reforzado con tracción combinan la resistencia a la compresión con la compresión de tracción pretensada para lograr una resistencia combinada mucho mayor que la de cualquiera de los componentes individuales, y se han utilizado ampliamente durante décadas. Uno de los primeros ingenieros de hormigón, Eugène Freyssinet , mejoró los métodos de pretensado del hormigón, y se afirma que también aplicó métodos de hormigón postensado a la piedra. [8] En cuanto al hormigón, el postensado mantiene la piedra en compresión, lo que aumenta su resistencia.

Consumo de energía y emisiones de carbono

La piedra es "hormigón prefabricado natural", por lo que solo es necesario cortarla (y comprobar su resistencia) y tensarla antes de usarla en la construcción. En comparación con el hormigón y el acero, la producción de piedra postensada tiene costos de energía drásticamente más bajos, con las consiguientes emisiones de carbono más bajas. [12]

Aplicaciones

La torre del reloj de piedra de la Oficina General de Correos de Sídney está reforzada con postesado.

La piedra postensada tiene potencial para reemplazar al hormigón reforzado con acero en algunos contextos, ya que, según el ingeniero estructural Steve Webb, "una viga de piedra postensada es tan fuerte como el acero". [13] "El postensado ofrece un nuevo potencial para el resurgimiento de la mampostería como material estructural". [14] La piedra postensada tiene el potencial de usarse junto con piedra precortada masiva en una variedad de diseños.

En 2020, la piedra postensada ocupó un lugar destacado en "La nueva edad de piedra", una exposición en The Building Centre . [15]

El arquitecto James Simpson escribe:

"El término 'madera artificial' ya se utiliza comúnmente en la construcción, así que ¿por qué no una 'piedra artificial' estructural? ... La posibilidad más interesante para la industria de la piedra... es la posible creación de un sistema de piedra artificial para estructuras enmarcadas o parcialmente enmarcadas. Esto aprovecharía la resistencia a la compresión de la piedra, que puede ser mayor que la del hormigón, combinada con postensado mediante varillas de acero inoxidable. Las paredes, columnas, vigas y losas podrían fabricarse a partir de pequeños trozos de piedra aserrada en fábrica, cortada y perforada previamente según un diseño de componentes estándar". [16]

Beneficios

Beneficios estructurales

La construcción de la Sagrada Familia se realiza mediante paneles de piedra postesada.

Ventajas de la piedra tesada respecto al hormigón armado.[14][11]

  1. Resistencia. En comparación con el hormigón estándar, muchos tipos de piedra tienen una mayor resistencia a la compresión y a la tracción; esta propiedad contribuye a aumentar la resistencia del conjunto de piedra pretensada (en relación con el hormigón). [11]
  2. Esbeltez. Vigas menos voluminosas, debido a la mayor resistencia a la compresión de la piedra en comparación con el hormigón. [11]
  3. Durabilidad que ofrece la piedra por su resistencia a las inclemencias del tiempo, lo que reduce los costes de mantenimiento.
  4. Estética. En lugar de revestimiento de hormigón con piedra, la piedra portante tiene el aspecto de piedra. [17]
  5. Reducción del carbono incorporado. La piedra postensada provoca la emisión de menos de un tercio del dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, en relación con el hormigón. [11] [18]
  6. Menor costo. Un estudio de un edificio de oficinas de 30 pisos concluyó que el uso de paneles de piedra PT para pisos era más económico que los pisos de concreto. [12] Estudios posteriores de Groupwork concluyeron que la piedra sería más económica que el concreto en la mayoría de los proyectos arquitectónicos (excepto en los puentes de vigas cajón), pero estos estudios no se publicaron. [19]

Ventajas de la piedra tesada respecto a la piedra no tesada.[14][11]

  1. Reducción del uso de materiales. Al mejorar el rendimiento estructural de la piedra, el postensado permite el uso de losas o muros de piedra más delgados, lo que reduce los requisitos generales de material y los costos asociados. [11] [20]
  2. Opciones de diseño ampliadas. El tensado ofrece opciones de diseño adicionales, lo que permite a los arquitectos, ingenieros y escultores crear estructuras más innovadoras y complejas que serían difíciles de lograr con los métodos tradicionales de construcción con piedra. [11]
  3. Resiliencia sísmica. En comparación con la piedra convencional, las estructuras de piedra PT pueden tener un mejor desempeño sísmico, ya que las fuerzas de compresión podrían ayudar a mantener la integridad de la estructura durante el movimiento del suelo. [21]

Ventajas operativas

En comparación con la mampostería convencional, la piedra postensada tiene importantes ventajas estructurales y de peso. [22] Además, en comparación con la mampostería estándar, el preensamblaje de piedra postensada tiene al menos tres ventajas operativas [23]

  1. El premontaje de las piezas se puede realizar a nivel del suelo, reduciendo costes y mejorando la seguridad. [24]
  2. Revisión más sencilla del conjunto, incluyendo pruebas de resistencia e impermeabilización del mortero. [25]
  3. Es más fácil programar las tareas, ya que los conjuntos de piedra prefabricada postensada se pueden almacenar antes de su uso. [26]

Desafíos que enfrenta la adopción

Portcullis House , Westminster, Reino Unido
A la derecha: 30 Finsbury Square, un edificio de piedra postensada en Londres.

La adopción generalizada de piedra postensada enfrenta actualmente una serie de desafíos, entre ellos:

  1. Afiliación cultural de la piedra portante con la arquitectura tradicional.
  2. Confusión con el uso de piedra cosmética en la construcción de lujo de alta gama y la percepción de alto costo.
  3. El conocimiento es limitado entre la mayoría de los ingenieros estructurales, más allá de firmas de élite como Arup Group , Buro Happold y Webb Yates. La formación en ingeniería estructural no incluye la piedra. Esto está cambiando con la creciente atención de la Institución de Ingenieros Estructurales [4]
  4. La ausencia de normas internacionales para la ingeniería con piedra.
  5. Falta de albañiles con conocimientos de métodos de piedra tesada. Falta de trabajadores del hormigón con conocimientos de pretensado que también trabajen con piedra.
  6. Ausencia de una industria a gran escala de piedra PT prefabricada.
  7. Por analogía con el hormigón prefabricado, faltan componentes de piedra PT modulares fabricados.
  8. El alto coste de algunos de los primeros proyectos de piedra postensada de alto perfil, en particular Portcullis House .
  9. Escasez de canteras de piedra dimensional que realicen pruebas de resistencia rutinarias y puedan emitir certificados de resistencia para sus componentes de piedra.
  10. La necesidad de desarrollar mejor software y hardware CAD-CAM para el corte automatizado de piedra CNC de formas precisas.

A principios de la década de 2020, la industria de piedras dimensionales en la mayoría de los países estaba estructurada casi en su totalidad para baldosas y revestimientos.

  1. Los flujos de trabajo existentes con el hormigón crean una barrera de entrada a un nuevo material, que no tiene las economías de escala de un nuevo material como la piedra. [27]
  2. No está claro cómo determinar la resistencia de diseño de la piedra, en comparación con un material homogeneizado como el hormigón. [28]

Historia

La piedra postensada se ha utilizado en una amplia gama de aplicaciones. Después de su uso experimental en la década de 1990, su aplicación aumentó a principios de la década de 2020, en parte debido a la conciencia de las altas emisiones de carbono asociadas con el hormigón.

En Japón, Suiza, Alemania y España se han construido pasarelas de piedra postensadas con luces de hasta 40 m [14] y Kusser Granitwerke las vende comercialmente en luces de hasta 20 m.

Usos tempranos de la mampostería postensada

Un tipo temprano de piedra postensada: pernos sísmicos estabilizan un edificio de piedra de toba y piperno en Nápoles.

Si bien la piedra postensada se ha utilizado en construcciones nuevas recién desde los años 1990, la mampostería postensada en general se remonta al menos a principios del siglo XIX: "En 1825 se utilizó un método de postensado para hacer túneles bajo el río Támesis en Inglaterra. El proyecto implicó la construcción de cajones tubulares verticales de 15 m de diámetro y 21 m de altura. Los muros de ladrillo de 0,75 m de espesor se reforzaron y postensaron con varillas de hierro forjado de 25 mm de diámetro". [29]

El postensado sísmico de edificios de mampostería de ladrillo y piedra con pernos de acero data, como muy tarde, del siglo XIX, incluso después del terremoto de Charleston de 1883 , y en edificios de regiones sísmicas de Italia. El postensado sísmico de mampostería se realiza con una tensión considerablemente menor que el hormigón pretensado o la piedra pretensada moderna.

A mediados del siglo XX, las estructuras de la Ópera de Sídney se construyeron con vigas de mampostería de hormigón prefabricado que se ensamblaron en una bóveda de arco apuntado mediante postensado. En 1982, la mampostería postensada estaba lo suficientemente extendida como para llenar un libro publicado por la Institución de Ingenieros Civiles , aunque se trataba de mampostería de ladrillo y hormigón prefabricado. [30] En 1985 y 1986, el ingeniero estructural Remo Pedreschi y otros publicaron estudios sobre ladrillo postensado. [31]

Década de 1940 a 1980

  1. En 1947, los Compagnons du Devoir probaron el concepto de piedra postensada y descubrieron que una longitud de 8 m podía soportar una carga de 7 t. [32]
  2. En las décadas de 1960 y 1980, Kluesner Engineering desarrolló piedra postensada para su uso como paneles externos. [33]

    "Los primeros experimentos con unidades de piedra caliza de Indiana postensadas fueron patrocinados por el Building Stone Institute en 1967 y por el Indiana Limestone Institute en 1970. En estos programas, se fabricaron y probaron varias vigas y losas postensadas... Las ventajas de la piedra postensada son muy similares a las del hormigón. Permite que la piedra soporte cargas mayores en tramos más largos de lo que sería posible con las unidades convencionales. Las unidades de piedra se pueden fabricar en planta en unidades mucho más grandes para abarcar de columna a columna en el edificio... Se han construido algunas aplicaciones estructurales utilizando vigas para elementos de construcción tales como pórticos, donde las cargas vivas se han limitado a cargas del techo y cargas de viento". [33]

  3. En la década de 1980, la corporación Rock of Ages desarrolló rodillos de prensa de granito con tensión accu para su uso en la industria papelera. Se torneaba una columna de granito y luego se perforaba a lo largo de ella, antes de colocar y tensar las varillas de acero.
  4. En la década de 1980, la Oficina General de Correos de Sídney se sometió a una restauración en la que se utilizó un refuerzo mediante postensado de la torre del reloj de piedra arenisca. Como resultado del refuerzo sísmico, la Oficina General de Correos de Sídney ha sido considerada como el primer edificio de piedra postensado. La ingeniería estructural estuvo a cargo de Colin Crisp, de McBean and Crisp. "Esta técnica de postensado de un edificio existente es una primicia mundial y ha suscitado interés internacional". [34] Como antes se habían utilizado pernos sísmicos reacondicionados, parece probable que la reivindicación de prioridad de la Oficina General de Correos se relacione con la forma en que los cálculos estructurales guiaron la colocación de los tendones y el aumento de las fuerzas de tensión.

    "La Torre GPO, un edificio de mampostería de arenisca de más de cien años de antigüedad, se reforzará con cuatro tendones de postensado verticales, de 19 cordones de 0,5" de diámetro cada uno, y una serie de barras de pretensado horizontales de 35 mm de diámetro a nivel del suelo. ... Se utilizarán sillas de acero especiales para anclar los tendones y distribuir las fuerzas de anclaje de 1.771 kN (400 kips). Los anclajes de los tendones no adheridos permiten el control y ajuste de las fuerzas de los tendones para compensar los cambios de volumen de la arenisca, si es necesario". [29]

Década de 1990

Puente Inachus de piedra postensado en Beppu, Ōita, Kyushu
Enormes arcos de piedra postensados ​​en el Santuario de San Pío de Pietrelcina en San Giovanni Rotondo, Foggia, Italia
Puente de piedra postensado Punt da Suransuns, Suiza
  1. El primer uso documentado en el mundo real de piedra postensada en un edificio nuevo fue para el Pabellón del Futuro, construido en Sevilla para la Exposición Universal de 1992, diseñado por los ingenieros estructurales Peter Rice y Tristram Carfrae de Ove Arup and Partners . [14] Rice había trabajado en la Ópera de Sídney , que fue un gran avance técnico en parte debido a su uso de vigas de mampostería de hormigón prefabricado que se ensamblaron en la superestructura de arco apuntado mediante postensado; este uso previo de mampostería postensada puede haber contribuido al uso de piedra postensada por parte de Rice décadas después.
  2. Diseñados y construidos entre 1991 y 2004, los arcos de un Santuario de San Pío de Pietrelcina de 6000 m² fueron obra del arquitecto Renzo Piano y la ingeniería estructural estuvo a cargo de Maurizio Milan de Favero & Milan Engineers [35] y Arup Group . [36]
  3. Construido en 1994, el puente peatonal Inachus de 34 m de longitud en Oita , Japón, utiliza piedra postensada, diseñada por el ingeniero Mamoru Kawaguchi. [14] "El puente tiene una forma lenticular con un cordón superior arqueado y un cordón inferior suspendido, conectados entre sí por medio de miembros de red que consisten en tubos de acero dispuestos para formar pirámides invertidas".
  4. Terminado en 1995, [37] Queen's Building en Emmanuel College, Cambridge [14] por Hopkins Architects y Buro Happold [8] con Ove Arup and Partners . [38] "Las columnas también se utilizaron para proporcionar estabilidad lateral al edificio y se postensaron utilizando varillas de acero inoxidable unidas directamente a los cimientos". [39]
  5. Finalizado en 1999, Punt da Suransuns en Suiza, una pasarela peatonal de 40 m [40] diseñada por los ingenieros civiles Jürg Conzett y Gianfranco Bronzini.

    “Punt da Suransuns es un puente de cinta pretensada con una luz de 40 m… construido con losas de granito Andeer, que están pretensadas sobre barras de acero rectangulares… Al atravesar el puente se puede sentir la oscilación vertical, pero los peatones han comentado que el puente no es tan flexible como parece.” [41]

  6. Construida en 1999, la Southwark Gateway Needle, obra de Eric Parry, está formada por 25 bloques de piedra de Portland sostenidos a 16 m de altura mediante postesado. [42] [39] [43]
El Queen's Building del Emmanuel College de Cambridge fue el primer edificio nuevo terminado que utilizó piedra postensada internamente.

Década de 2000

  1. Completado en 2001, Portcullis House , un edificio del Parlamento del Reino Unido, diseñado por Hopkins Architects . [8] Este edificio representó un revés en la reputación de costos de PT Stone, ya que el edificio en general superó el presupuesto.
  2. El proyecto 30 Finsbury Square, finalizado en 2002, estuvo a cargo de Eric Parry Architects [44] [45] y los ingenieros de Whitbybird. "Las columnas se construyeron de manera convencional y se dejaron reposar durante siete días antes de realizar el postensado". [39]
  3. En 2004, Kusser Graniteworks comenzó a fabricar mástiles de bandera de granito y diorita postensados. [46]
  4. En 2005 se realizó un prototipo de la primera escalera de caracol de piedra postensada; llamada "Escalier Ridolfi" fue diseñada por Claudio D'Amato y Giuseppe Fallacara. [47] En 2006, la escalera Escalier Ridolfi a escala real se presentó en la Bienal de Arquitectura de Venecia , construida por los albañiles de Ateliers Romeo [48]
  5. En 2007, Kusser Granitwerke construyó su primera pasarela de piedra tensada en Rosenheim . [49]
  6. Terminado en 2009, un edificio en Southampton Row , [8] diseñado por los arquitectos Sheppard Robson , utilizó piedra postensada.

Década de 2010

  1. A partir de 2011, se construyeron escaleras de piedra de alta resistencia galardonadas para residencias de lujo mediante una colaboración entre el albañil Pierre Bidaud y el ingeniero estructural Steve Webb, [50] [32] [51]
  2. En 2013, Giuseppe Fallacara y Marco Stigliano demostraron un prototipo "tensegrilítico", que combina piedra con varillas de acero y cables para formar una estructura de tensegridad . [52]
  3. A partir de 2019, los ingenieros de Webb Yates utilizaron dinteles de piedra horizontales extendidos en la construcción residencial, [53] y paneles de piso de piedra como prueba de principio. [54] [11]
  4. Una escalera de hélice de 330˚, diseñada por Foster and Partners para la Villa Dolunay en Turquía, terminada en 2019 [55] y construida por Stonemasonry Company con Webb Yates. [56]

Década de 2020

  1. En 2020, IABSE otorgó la Medalla Milne a Steve Webb por sus innovaciones en el uso de materiales con bajas emisiones de carbono en ingeniería estructural, incluida la madera y la piedra tensada. [57]
  2. En 2022, Jürg Conzett y Gianfranco Bronzini recibieron el Gran Premio Suizo de Arte (Arquitectura) en reconocimiento a su trabajo, que incluye una serie de pasarelas de piedra tensada, entre ellas Punt da Suransuns (1999), el puente de la cascada a lo largo del sendero Trutg dil Flem y Orrido di Cavaglia (2021). [58] Muchos de sus proyectos de piedra tensada utilizan gneis , una piedra que se extrae ampliamente en Suiza. [59]
  3. En 2024, la exposición de verano de la Royal Academy of Arts mostró una estructura espacial de piedra y acero (armazón 3D) hecha de cilindros tensados ​​y con núcleo de piedra caliza y juntas de acero.

    "Imaginemos mástiles de grúas, puentes o estructuras espaciales como las del Centro Edén y el Estadio de Australia hechos con elementos de piedra en lugar de acero. Con una reducción de carbono del 75 por ciento que ahorraría dinero a escala mundial, una durabilidad inherente y resistencia al fuego, podemos aprovechar los desechos de piedra y crear estructuras realmente hermosas". -Steve Webb [60]

  4. La Sagrada Familia, que se está construyendo en Barcelona en colaboración con el Grupo Arup y cuya finalización está prevista para 2026, utiliza estructuras de piedra postensada. [23] «Jordi Faulí, el arquitecto a cargo de La Sagrada Familia en Barcelona, ​​ha afirmado que implementarán esta técnica para 800 paneles que forman parte de las torres centrales de la basílica; de hecho, el pretensado permitirá una mayor resistencia a los vientos con menos peso». El uso del postensado permite que la construcción evite el uso de hormigón revestido de piedra y acelera la construcción. [61] El ingeniero estructural Tristram Carfrae de Arup está liderando el esfuerzo de ingeniería. [62]

Véase también

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  58. ^ https://www.world-architects.com/en/architecture-news/headlines/engineers-conzett-and-bronzini-awarded-prix-meret-oppenheim
  59. ^ https://etheritage.ethz.ch/2016/09/23/gneiss-work/?lang=en
  60. ^ https://www.dezeen.com/2024/06/28/royal-academy-arts-summer-exhibition-stone/
  61. ^ "Las piedras para las torres centrales". 15 de noviembre de 2017.
  62. ^ "La Sagrada Familia demuestra que la piedra "puede volver a ser utilizada como material estructural"". 15 de febrero de 2024.

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