Investigación aplicada en la Ingeniería

Posibilidades de las estructuras hinchables en ingeniería civil

Se presentan algunas posibilidades de las estructuras hinchables para diferentes usos en ingeniería civil: hangares efímeros para mantenimiento de aviones y almacenaje, puentes ligeros de alta resistencia de despliegue rápido y diques hinchables para ayuda a la protección y regeneración del litoral.

Palabras clave: Estructuras hinchables, hangares, puentes, diques, ingeniería civil

The paper presents the possibilities of inflatable structures for different applications in civil engineering: hangars for maintenance of aircrafts and storage of goods, fast-deploying high-resistance light-weight bridges and inflatable breakwaters to help protect and regenerate the coastline.

Keywords: inflatable structures, hangars, bridges, breakwaters, civil engineering.

Eugenio Oñate Ibáñez de Navarra

Dr. ingeniero de caminos.

ETS de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona.

Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería.

Las estructuras hinchables para aplicaciones terrestres tienen características singulares, ya que pese a su bajo peso ofrecen una relativamente alta resistencia estructural. Gracias al bajo volumen que ocupan desinfladas, los requerimientos de almacenaje y transporte son mínimos. A su vez, el montaje y desmontaje es muy sencillo, así como su operación, que requiere poca mano de obra y fácil mantenimiento.

El comportamiento de las estructuras hinchables sigue principios mecánicos diferentes de los usuales en estructuras estándar. Por tanto, se necesitan nuevos conceptos, métodos y productos relativos a los materiales, el diseño, el cálculo, la fabricación, la instalación y el mantenimiento para satisfacer las crecientes demandas del mercado, mientras que se preservan la seguridad, la comodidad y las necesidades operacionales bajo cargas de viento y de nieve, la presión interior, los cambios de temperatura del aire y condiciones climáticas extremas, entre otras [1, 2].

Las estructuras hinchables se han popularizado en los últimos años para muchas aplicaciones en ingeniería civil y arquitectura. El uso de estas estructuras es óptimo cuando se requieren soluciones temporales para cubrir grandes espacios de forma rápida. Ello ha contribuido a la penetración de las estructuras hinchables en el mercado.

Las estructuras hinchables formadas por tubos a alta presión (600-900 mbar) son más vulnerables a grandes cargas y a defectos en el proceso de fabricación. En los últimos años se ha evolucionado en el desarrollo de estructuras hinchables basadas en el ensamblaje (por cosido o soldadura) de tubos independientes inflados por aire a baja presión (30-50 mbar). Estas estructuras son ideales para cubrir grandes espacios. También se adaptan fácilmente a cualquier diseño con mínimos requisitos de mantenimiento, exceptuando el de mantener una baja presión interna constante, debido a la eventual pérdida de aire a través de las costuras o por efectos térmicos en el caso de que los tubos estén soldados.

El cálculo de las estructuras hinchables se realiza normalmente con el método de elementos finitos utilizando la teoría de membrana, o con la teoría de láminas, suponiendo una baja rigidez a flexión. En la práctica, la piel de la estructura se discretiza con sencillos elementos triangulares de tres nodos, ya que estos se adaptan fácilmente a geometrías arbitrarias [2,3]

Los desarrollos más recientes en la tecnología y aplicaciones de las estructuras hinchables pueden encontrarse en las actas y publicaciones derivadas de los congresos sobre Structural Textiles and Inflatable Structures, organizado bianualmente por CIMNE desde el año 2003 [4,5]. El próximo congreso de esta serie temática tendrá lugar en la Escuela de Ingenieros de Caminos de la Universidad Politécnica de Valencia del 2 al 4 octubre de 2023 (https://congress.cimne.com/membranes2023/frontal/default.asp).

Aplicaciones en el ámbito cultural y de promoción de productos comerciales

Las estructuras hinchables formadas por ensamblaje de tubos inflados con aire a baja presión son ideales para proyectar y construir espacios itinerantes de alta personalidad, para promocionar productos o para celebrar eventos singulares itinerantes.

Algunas aplicaciones de este tipo de estructuras hinchables incluyen habitáculos portátiles para exposiciones de tipo industrial o para servicios de alojamiento y logística (hospitales, catering, etc.), así como para pabellones para exposiciones y usos agrícolas, culturales y de ocio (piscinas, conciertos, museos itinerantes, etc.). Las figuras de la derecha muestran ejemplos de este tipo de estructuras para eventos culturales fabricadas por las empresas spin-off de CIMNE, Buildair (www.buildair.com) y Portable Multimedia Solutions (www.portablemultimediasolutions.com).

Hangares para el sector aeronáutico

La empresa Buildair, con el apoyo de CIMNE, ha proyectado y construido hangares hinchables de gran tamaño para tareas de mantenimiento, reparación y actualización de aviones y helicópteros. Estos hangares están formados por un innovador conjunto de tubos de material textil, basado en poliuretano, inflados a baja presión (unos 40 mbar), y reforzados con cintas de alta resistencia y cordeles que actúan en las direcciones meridional y circunferencial de los tubos (Figura 4). Esta nueva tecnología de estructuras hinchables se ha explotado por Buildair para el diseño, construcción y puesta en funcionamiento de varios hangares hinchables de gran tamaño, capaces de soportar altas cargas de viento y nieve, así como condiciones de temperatura extremas.

El diseño de este tipo de hangares está muy condicionado por las cargas debidas al viento. Para una evaluación fiable y sencilla de estas cargas, CIMNE ha desarrollado para Buildair un túnel de viento virtual (TVV) [6]. Esta herramienta informática reproduce en ordenador las condiciones de un ensayo en túnel de viento en laboratorio, pero considerando el tamaño real de la estructura.

El TVV permite generar la geometría completa del hangar hinchable, con todos sus detalles, y realizar un cálculo aeroelástico acoplado. El estudio del flujo del aire alrededor del hangar se efectúa resolviendo con el método de paneles las ecuaciones del flujo potencial enriquecidas para aproximar los efectos de vorticidad del aire. La estructura se calcula por el método de elementos finitos para conocer los movimientos, deformaciones y tensiones en la tela durante las rachas de viento.

Además, el TVV predice con fiabilidad las reacciones en los puntos de apoyo, lo que permite dimensionar los anclajes al terreno con precisión. En la figura 5 se muestra una imagen del cálculo aeroelástico de un hangar hinchable de Buildair con el TVV. Para más detalles, consúltese [6].

Fig. 1. Sala de exposición hinchable con tubos a baja presión. Estación de Francia, Barcelona.
Fig. 2. Pabellón de exposiciones. Carpa del Plan Avanza de 400 m2
Fig. 3. Pabellón hinchable de entrada a la competición de Fórmula 1 de Singapur.
Fig. 4. Sistema de refuerzo con cintas y cordeles de tubos hinchados con aire a baja presión.
Hangar hinchable de Buildair.

Un ejemplo de este tipo de hangares hinchables es el construido por Buildair para la empresa Airbus en Getafe (Madrid) en julio de 2013. El hangar tiene unos 55 m de ancho, 30 m de alto y 110 m de largo (https://buildair.com/hangar-h54-getafe/). En la figura 6 se muestra otro similar construido por Buildair para Lufthansa en el aeropuerto de Budapest (https://buildair.com/hangar-h45-budapest/).

Destaco, por sus características singulares, el hangar construido en 2019 por Buildair para la empresa Saudi Aeronautics Engineering Industry (SAEI) en Jeddah, Arabia Saudí (https://buildair.com/hangar-h75-jeddah/). Por sus dimensiones (tubos de 7,5 m de diámetro, 70 m de luz interior, 30 m de altura y unos 100 m de longitud), ha sido un récord mundial de este tipo de estructuras (figura 7). El proyecto de este hangar fue reconocido por la IABSE dentro de su categoría de premios a ingenieros jóvenes en 2020 [7].

En la imagen sobre estas líneas se muestran hangares de Buildair más pequeños (20 de ancho y 40 de largo) instalados en los aeropuertos de León y Lleida-Alguaire, para tareas de almacenamiento y logísticas, así como para mantenimiento de aeronaves de menor tamaño.

Los detalles de estos hangares, así como de otras estructuras hinchables construidas por Buildair, pueden verse en www.buildair.com.

Puentes ligeros de montaje y desmontaje rápido

La empresa PSTECH (http://www.ps-technologies.com/) ha desarrollado, en colaboración con CIMNE y Buildair, diversos prototipos de puentes ligeros con vigas hinchables basadas en la tecnología Tensairity [8, 9]. Este tipo de vigas tiene las propiedades de una simple viga formada por un tubo hinchado de aire, pero con la capacidad de carga de las vigas de acero convencionales.

Una viga Tensairity consta de un elemento tubular de material polimérico inflado con aire a baja presión, un elemento de compresión conectado al tubo y un cable inferior que conecta los extremos del tubo con el elemento de compresión. Para comprender el principio estructural de una viga Tensairity, es instructiva una comparación con un esquema de viga de celosía (figura 8). La viga en celosía consta de un elemento de compresión horizontal, tirantes verticales y un cable que conecta ambos extremos con el elemento de compresión horizontal.

Bajo carga distribuida, la tensión en el cable aumenta en ambas estructuras para compensar el momento flector. En la viga en celosía, debido a la conexión, la fuerza del cable se transfiere directamente al elemento de compresión, que, por ser propenso al pandeo, condiciona el diseño de la viga.

Fig. 5. Túnel de viento virtual para análisis aeroelástico de hangares hinchables.
Fig. 6. Hangares hinchables de Buildair para Lufthansa (Budapest).
Fig. 7. Hangar hinchable para Saudi Aeronautics Engineering Industry (SAEI), Jeddah, Arabia Saudí.

En las vigas Tensairity, la carga la soportan los cables (a tracción) y el elemento de compresión. Sin embargo, en este caso, el tubo de aire tiene como misión transmitir las cargas entre el cable y el elemento de compresión, así como estabilizar este, disminuyendo su capacidad de deformación y reduciendo, así, drásticamente su carga de pandeo. La presión de los tubos oscila entre 150 y 300 mbar, según la aplicación. Como consecuencia de este bajo rango de presiones, la alta capacidad portante, el bajo peso y el fácil manejo, las vigas Tensairity son ideales para su uso en puentes de despliegue rápido para restaurar el tráfico en emergencias por desastres naturales y en misiones humanitarias.

PSTECH, con apoyo de Buildair y CIMNE ha proyectado y construido diversos puentes incorporando vigas Tensairity. Un primer puente de 14 m de luz y dos vigas Tensairity conectadas a una losa celular de material compuesto de fibra de vidrio reforzada con polímero, resistió 25 Tn de carga en ensayos de laboratorio (http://www.cimne.com/air-bridge/presentation/index_en.html) (Figura 8). El puente de 14 m fue probado con éxito por la Unidad Militar de Emergencias (UME) del Gobierno español en varias operaciones. Recientemente ha sido adquirido por la empresa japonesa Hirose.

En 2021 PSECH, Buildair y CIMNE han proyectado y construido un nuevo puente de 30 m de luz con dos vigas Tensairity y un tablero celular de aluminio. El comportamiento estructural del puente ha sido homologado por ensayos de laboratorio, resistiendo una carga última de 15 Tn.

Comparativa de una viga Tensairity con un esquema de viga de celosía
Figura 8.

Espigones hinchables para la protección del litoral

La solución al problema del transporte de sedimentos en playas tiene que tener las siguientes características:

  • Plantear una solución integrada en el medio, de coste contenido y de fácil instalación y mantenimiento.
  • Aprovechar la capacidad natural de regeneración de las playas.
  • Proteger la playa frente al oleaje erosivo, pero exponerla en el oleaje regenerador.
  • Preservar los usos recreativos de la playa.
  • Minimizar las operaciones de movimiento y transporte de sedimentos.

Los diques hinchables con agua de mar son ideales como estructuras de protección del litoral, adaptables a la temporalidad de las acciones agresivas del mar. El desplegado y replegado de la estructura se pueden automatizar. Estas funciones se pueden coordinar con las predicciones de climas de oleaje erosivos y regeneradores, para facilitar la regeneración natural de la playa y evitar su erosión.

CIMNE ha desarrollado y patentado una propuesta de espigones hinchables efímeros, del tipo antes comentado. Su fin es proteger las playas frente a la acción del oleaje en temporales, reducir la erosión y transporte de arena, y facilitar la regeneración del espacio de arena disponible.

Los espigones están formados por un tubo de material polimérico resistente anclado a una plataforma de hormigón fijada al fondo del mar. El tubo va provisto de una estructura ligera que actúa de caperuza protectora del tubo en su posición sobre el fondo y de pasarela de peatones y espaldón frente a las olas en su posición hinchada.

El tubo se hinchará con agua del mar en momentos de alarma meteorológica y se deshinchará en periodos de calma, eliminando así la influencia del espigón en la geomorfología y fauna de la zona costera durante la mayor parte del tiempo (figura 9).

En 2021 se ha diseñado por CIMNE y construido por Buildair un prototipo a escala del dique hinchable mencionado. Su buen funcionamiento se ha validado en ensayos de oleaje realizados en el canal de olas de 100 m de largo y 3 m de ancho del Laboratorio de Ingeniería Marítima de la Escuela de Ingenieros de Caminos de Barcelona. Asimismo se ha realizado un estudio numérico de la excelente capacidad del espigón para absorber la energía de las olas. Los detalles pueden consultarse en [10]. La siguiente etapa es el proyecto de una prueba piloto del espigón hinchable a escala real en una playa del litoral mediterráneo.

Figura 9.

Conclusiones

Las estructuras formadas por elementos hinchables abren un nuevo horizonte en la ingeniería civil. Las experiencias en su utilización para construir espacios para mantenimento de aviones y almacenamiento de equipos, así como para una nueva generación de puentes ligeros de alta resistencia y despliegue rápido, han sido muy prometedoras. Los espigones hinchables con agua de mar pueden ser una solución para el mantenimiento y regeneración del litoral de una forma respetuosa con el medio ambiente.

Agradecimientos

Este artículo ha estado escrito en colaboración con los siguientes ingenieros de caminos: en CIMNE, Javier Marcipar, Pere-Andreu Ubach y Fernando Hermosilla; en Buildair, Carles Struch y Juan Perelló; y en PSTECH, Omar Salomón.

Referencias

1

Firt V. (1983). Air supported membrane structures. Martinus Nijhoff Publishers.

2

Marcipar J., Oñate E. y Miquel J. (2005). Experiences in the design analysis and construction of low pressure inflatable structures. Publicado en Textile Composites and Inflatable Structures, Oñate y B. Kröplin (eds.), pp.241-257, Springer.

3

Oñate E., Flores F. y Marcipar J. (2008). Membrane structures formed by low pressure inflatable tubes. New analysis methods and recent constructions. Publicado en Textile Composites and Inflatable Structures, Oñate and B. Kröplin (eds.), pp.163-196, Springer.

4

Oñate E. y Kroplin B. (Eds.) (2005, 2008). Textile Composites and Inflatable Structures. Springer, Vol 1, 2005; Vol 2 (2008).

5

Oñate E. et al. (Eds.) (2003-2019). Proceedings of the International Conferences on Textile Composites and Inflatable Structures. CIMNE Barcelona, https://congress.cimne.com/membranes2023/frontal/default.asp.

6

Gonzalez J.M., Ortega E., Pons J., López M., Flores R., Marcipar J. y Oñate E. (2021). Virtual Wind Tunnel. An efficient computational tool for aeroelastic analysis and design of inflatable structures 10th International Conference on Textile Composite and Inflatable Structures, 13-15 Septiembre de 2021, Múnich, Alemania. https://www.scipedia.com/public/Draft_Content_571623179.

8

Luchsinger R.H., Pedretti A., Steingrubber P. y Pedretti M. (2004). The new structural concept Tensairity: Basic principles. In Progress in Structural Engineering, Mechanics and Computations. A. Zingoni (ed.), Proceedings of the 2d International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation. Lisse (The Netherlands), Balkema, ISBN 90 5809 568 1.

9

Beccarelli P., Maffei R., Galliot C. y Luchsinger R.H., (2015). A new generation of temporary pavilions based on Tensairity girders, Steel Construction, Vol. 8, 4, pps. 259–264.

10

Ryzhakov P., Hermosilla F., Ubach P.-A., y Oñate E. (2022). Adaptive breakwaters with inflatable elements for coastal protection. Preliminary numerical estimation of their performance. Ocean Engineering, Aceptado para publicación en 2022.