Para la renovación del Museo de Bellas Artes de Arkansas se diseñó un techo de hormigón cuya particular geometría resultó todo un desafío, tanto en aspectos estructurales como arquitectónicos. En este interesante artículo, se entregan detalles respecto al diseño de este elemento, el detallamiento de su enfierradura y cómo se vinculó a las demás edificaciones, tanto existentes como nuevas, del museo.
Por Ben Sexton, ingeniero civil, MS en Ingeniería Civil de la Purdue University, actual ingeniero de proyecto senior en Thorton Tomasetti; y Faz Ehsan, Ph.D. en Ingeniería Estructural de la John Hopkins University, director gerente en Thorton Tomasetti.
Fuente: Structure Magazine
El parque MacArthur, en Little Rock, Arkansas, abre en la primavera de 2023 (otoño, en el hemisferio sur) con una significativa actualización de una de sus estructuras más familiares. El reinventado Museo de Bellas Artes de Arkansas (AMFA, en sus siglas en inglés), conocido anteriormente como el Centro de las Artes de Arkansas, planea una gran inauguración luego de más de tres años de construcción. El nuevo AMFA es una de las renovaciones más dramáticas que se ejecutaron en este museo, el que está siempre en constante cambio.
Inaugurado en 1937, el Museo de Bellas Artes original era un edificio de mampostería de ladrillo sin armadura con un área aproximada de 929 metros cuadrados, la que albergó principalmente el espacio para las galerías del recinto. En 1963, se realizó la primera adición al museo, expandiendo significativamente sus metros cuadrados y en ese entonces, el que era conocido como el Museo de Bellas Artes de Arkansas pasó a llamarse Centro de Artes de Arkansas. La actualización de 1963 incluyó lo que ahora es la escuela de arte, el salón de conferencias y el teatro. Entre 1963 y 2000, se realizaron dos actualizaciones para expandir las oficinas administrativas y el espacio para el departamento de Teatro Infantil. Finalmente, en 2000 se agregó un nuevo espacio para una galería, como complemento a la galería del edificio original.
En los últimos 60 años, los complementos transformaron al Museo de Bellas Artes original. La histórica fachada art deco de piedra caliza resultó completamente encerrada durante la expansión de 1982 y se incorporó como parte de una de las nuevas galerías interiores del edificio. En 2023, el Museo revelará otra impresionante transformación, reafirmando su presencia en Little Rock. El rostro de la fachada restaurada del museo le dará la bienvenida al público a este espacio una vez más.
La pieza central de esta restauración del Museo es una nueva estructura de hormigón con un techo de placa ligero y orgánicamente plegado, que atraviesa por toda la instalación existente y crea una nueva circulación y vínculos racionales entre sus distintas funciones.
La estructura del nuevo techo de placa doblado y nuevos claristorios abren el interior del complejo del museo a la luz natural y a vistas amplias. Integra a las nuevas construcciones con los espacios renovados a ambos lados y conecta la programación de la exhibición, educación y artes escénicas del museo.
La Entrada del Patio, ubicada en el extremo norte del museo, es una estructura elevada y cerrada con cristal puesta sobre un patio abierto, el que sirve como un espacio para eventos y de reunión de los visitantes. La Entrada del Parque, en el extremo sur, es un restaurante con mesas interiores y exteriores con ventanales que se abren a la terraza circundante.
La estructura del techo de placa plegado se apoya sobre muros de corte y columnas inclinadas. Los muros son parcialmente curvos para seguir la geometría del techo y sirven como parte de un sistema lateral. Una decisión clave se tomó para aislar estructuralmente a la nueva estructura de hormigón de los edificios de acero existentes, lo que permitió al equipo de diseño utilizar un factor R más favorable para el diseño sísmico de la estructura de hormigón.
Little Rock se encuentra en una zona de moderada actividad sísmica que controla el diseño lateral de la estructura. El sitio posee condiciones de suelo favorables, las que permiten que el edificio tenga una clasificación C en la Categoría de Diseño. Debido a su forma altamente irregular, se realizó un Análisis de Respuesta de Espectro para capturar de manera precisa la respuesta sísmica de la nueva estructura de hormigón. Los muros de corte curvos sirvieron como el sistema lateral para la estructura de hormigón y se modelaron en SAP utilizando elementos de lámina rectos, verticales para generar las curvas de gran radio.
Los muros de corte se diseñaron fuera del SAP utilizando cortes de sección para extraer los cortes en el plano y las láminas se tensionaron para capturar el comportamiento fuera del plano. Cualquier corte en el plano dentro de los muros generaba una flexión débil del eje debido a la geometría curva y las tensiones del armazón permitieron al equipo de diseño capturar este componente del diseño del muro de corte.
El nuevo techo plegado es una losa de hormigón de 20 centímetros de espesor con una suave armadura apoyada sobre columnas inclinadas espaciadas aproximadamente por 9 metros en la dirección transversal, llegando a los 27 metros de distancia en dirección longitudinal. El techo plegado también tiene un voladizo que se aleja de sus apoyos en unos 7,6 metros. La diferencia de altura entre las crestas y los valles varía en hasta 3,6 metros para crear cada pliegue. La estructura del techo se compone de tres distintos segmentes separados en elevación mientras se extienden a lo largo del sitio de 121 metros.
Uno de los primeros desafíos durante la etapa de diseño fue desarrollar un proceso para modelar analíticamente al techo plegado orgánico para que pudiese ser modificado fácilmente a medida que el diseño evolucionaba. El arquitecto modeló el techo en Rhino y la geometría incluyó los pliegues, la caída general del techo para el drenaje y un sutil arco entre las crestas y los valles.
Temprano en la fase de diseño, el equipo de diseño colaboró con Studio Gang para una traducción más eficiente de su modelo en Rhino al modelo en SAP utilizando Grasshopper. Esta traducción se desarrolló de manera interna por la incubadora de I+D de Thorton Tomasetti, CORE, y se adaptó a esta aplicación específica. La traducción a Grasshopper creó elementos de armazón y marco en SAP que coincidieron con la geometría de la arquitectura. Durante la traducción, se incorporó malla a los armazones debido a que automáticamente, agregar mallas más grandes a estos elementos en SAP habría incrementado el tiempo de ejecución del modelo y agregado complejidad al análisis.
Junto con esto, debido al número de elementos de armazón, cualquier cambio a la geometría del diseño requirió volver a traducir completamente el nuevo modelo Rhino, esto dada la impracticabilidad de implementar manualmente los cambios en la geometría. Establecer un proceso de traducción eficiente de manera temprana en el diseño permitió al equipo estructural incorporar los cambios de manera rápida a través del proceso de diseño.
El diseño de esta nueva forma estructural única y orgánica requirió una comprensión del comportamiento del plato plegado y la aplicación de principios básicos de refuerzo para geometrías complejas. La llamativa geometría es, actualmente, la clave del comportamiento de la estructura. El plato plegado se comporta, longitudinalmente, como una cercha entre los soportes. La cresta es la cuerda superior bajo compresión y el valle es la cuerda inferior bajo tensión.
Cuando el techo sale en voladizo, la compresión y tensión de las cuerdas de la cercha se revierten y el refuerzo debe hacer una transición para acomodar este cambio de esfuerzo. En la dirección transversal, existe una acción en acordeón tanto para las cargas gravitacionales como para las laterales. Bajo la gravedad, los pliegues tienden a aplanarse de manera natural. Bajo las cargas laterales, los pliegues se comprimen y expanden, tal como un acordeón. Este comportamiento longitudinal y transversal se hizo más complejo debido a la forma orgánica.
La armadura de una forma única requirió de un diseño de barras de refuerzo establecido en las primeras etapas del proceso de diseño. Las crestas y valles fijaron la dirección de la armadura longitudinal. Mientras las crestas y valles doblan y serpentean a lo largo de la extensión del techo, también lo hace la armadura longitudinal. A medida que múltiples paneles del techo se unen o bifurcan, el detallamiento de las barras de refuerzo en la losa sigue esta geometría. De manera similar, el refuerzo transversal siempre se detalló para que fuese perpendicular a la cresta y al valle, lo que significa que muy pocas barras de refuerzo fuesen paralelas.
Los ejes locales de cada elemento de la cubierta se orientaron para seguir a la armadura y a las tensiones de salida en las direcciones apropiadas para capturar este esquema de refuerzo. El equipo estructural aplicó una malla de armadura uniforme a través de la losa y la utilizó como el límite inferior para las tensiones del armazón. Cualquier valor sobre el límite inferior requirió de armadura adicional, detallada en el diseño estructural utilizando una revisión visual de las tensiones del armazón en el modelo. Se necesitó la revisión visual porque no habían herramientas automatizadas disponibles para el diseño de las barras de refuerzo de esta estructura de forma tan compleja.
La estructura de la Entrada del Patio, ubicada en el norte, utiliza columnas rectangulares inclinadas que soportan a la losa elevada (que sirve como un espacio de reunión) y al plato de techo plegado. Las columnas forman una figura de V bajo la losa elevada y eliminan la necesidad de PT en el proyecto. Por sobre la losa elevada, las patas individuales de la V se extienden por encima para sostener al techo en el perímetro y crear un espacio abierto sin columnas interiores.
Esto resultó posible gracias a la habilidad del techo plegado de abarcar grandes distancias sin soportes. Las columnas inclinadas de la figura de V también se utilizaron como soporte del techo en la Entrada del Parque, en el lado sur del espacio; sin embargo, sus formas cambiaron con la altura. La forma es similar a la de una V aplanada en la base de las columnas y un pentágono alargado en la parte superior de las columnas.
Esta forma cambiante es similar a las columnas diseñadas por el renombrado ingeniero y arquitecto italiano Pier Luigi Nervi y significó todo un desafío para el equipo de diseño comprender la capacidad de construcción del refuerzo longitudinal que atravesó las columnas. El equipo creó modelos 3D durante el diseño para entender cómo las barras hacen la transición y se mueven a través de las columnas mientras la forma cambia. A partir de esto, se creó un esquema de armadura que permitiese barras de refuerzo longitudinal continuas con empalmes limitados sobre la altura de la columna.
Como resultado, todas las columnas inclinadas permanecieron arquitectónicamente expuestas, lo que permite a los visitantes del parque y el museo interactuar directamente con la estructura.
El contratista para el proyecto fue una alianza entre Nabholz, Pepper y Doyne. Pepper Construction realizó por su cuenta todo el trabajo de hormigón en el techo plegado. Se analizaron varias opciones de encofrados para la construcción de la estructura plegada del techo, incluyendo moldajes del tipo CNC.
Para crear la geometría prevista, el contratista finalmente eligió utilizar estructuras de madera personalizadas de 12 pulgadas (30 cm) en el centro con láminas de madera contrachapada. Para acomodar el encofrado y simplificar el proceso de construcción, el equipo de diseño modificó la geometría analítica del techo, lo que aumentó las barras de refuerzo en algunos puntos de la estructura.
El detallamiento de las barras de refuerzo para la compleja geometría del techo requirió de una exhaustiva coordinación entre el equipo estructural, el equipo de Pepper y quienes detallaron las barras, DNA Detailer & BIM. Los esquemas de la armadura se mostraron en 2D en los documentos del equipo estructural y se complementaron con detalles para transmitir cómo se dispondrían las barras en un modelo 3D.
El equipo que detalló las barras de refuerzo desarrolló un modelo en Tekla que presentó las barras en 3D para validar la intención del diseño. El modelo en Tekla permitió al equipo detallador identificar zonas de alta congestión y áreas donde el detallamiento de las barras sería difícil, por ejemplo, en puntos donde se fusionaron varios paneles de techo. El equipo estructural hizo sugerencias y reglas para que el equipo que detalló las barras siguiera y así, simplificar el esquema de barras de refuerzo y entregar la resistencia requerida para el techo.
El modelo 3D de Tekla resultó crucial durante la administración de la construcción porque permitió a todas las partes confirmar el esquema de barras de refuerzo antes de enviar los planos a producción. La coordinación entre el equipo estructural y el contratista de hormigón resultó tan exitosa que sólo hubo una RFI relacionada a la colocación de una barra de refuerzo en el campo en toda la instalación de tres paneles de techo.
El proyecto presentó varios desafíos estructurales, además de los que demandó la estructura del plato de techo plegado. Trabajar a través de una colección de edificios existentes, construidos durante un largo periodo significó que sus sistemas laterales podrían verse impactados. Una revisión de los diseños estructurales indicó que la mayoría de los componentes de las edificaciones existentes eran lateralmente estables, exceptuando a una escuela de arte de un piso que tuvo que conectarse lateralmente a los nuevos muros de corte.
El espacio de la nueva galería en el segundo piso, cerca de la entrada principal hacia el norte, vio modificaciones estructurales importantes a la estructura existente y requirió de soluciones creativas. Inicialmente, se diseñó la estructura lateral independiente como un espacio de sólo un piso de alto con un techo escalonado. El nuevo diseño agregó un segundo nivel para crear el espacio de la galería y se creó un techo plano levantando el existente techo escalonado en algunas áreas y bajándolo en otras. El equipo de diseño pudo reutilizar y mantener en su lugar muchos de los elementos estructurales de la galería existente.
La galería original se diseñó como una estructura de pórtico de momentos con columnas altas, diseñadas para resistir cargas laterales. El equipo estructural agregó nuevos marcos reforzados, convirtiendo a la estructura de un sistema de pórtico de momentos a un sistema de marco arriostrado.
Esto permitió el uso de la capacidad de reserva de las columnas como apoyo al piso adicional. Junto con esto, el nuevo piso también redujo el largo no arriostrado de las columnas altas, mejorando aún más la capacidad de estas de soportar nuevas cargas de gravedad. Se revisaron y ampliaron los cimientos existentes para soportar la nueva carga de la galería donde fuese necesario. Se utilizaron también micropilotes para aumentar la capacidad de las zapatas en las ubicaciones de los nuevos marcos arriostrados.
El diseño actual incluyó varios cambios al original Museo de Bellas Artes de 1937. Primero, parte del segundo piso existente se removió para crear un atrio de doble altura cuando los visitantes ingresen al museo – esto requirió nuevos refuerzos laterales para los pilares de mampostería no reforzada que forman la entrada.
Junto con esto, se realizaron nuevas aperturas en los muros del museo, las que impactaron la capacidad lateral de la estructura. El equipo estructural monitoreó el cambio en la demanda y capacidad para confirmar que se mantuvo dentro de las limitaciones establecidas en el International Existing Building Code para renovaciones a estructuras existentes.
Un cambio importante al edificio fue la restauración de la fachada original. Los muros exteriores tienen un espesor de cuatro vigas de ladrillos y la capa exterior requirió reemplazarse por motivos estéticos. Ya que el edificio utiliza a los muros exteriores como parte de su sistema lateral y de gravedad, remover los ladrillos afecta a la capacidad de resistencia a la carga. El equipo estructural desarrolló una secuencia de sacado y reemplazo de los ladrillos para limitar el cambio en la capacidad durante un estado temporal y mantener la capacidad del muro en la etapa final.
El nuevo Museo de Bellas Artes de Arkansas (AMFA) posee cambios impactantes tanto al interior como en el exterior del edificio. El nuevo plato de techo plegado crea una increíble presencia en el Parque MacArthur, la que también se puede sentir en cada sala del museo, manteniendo la integridad histórica de cada adición. Este espacio de clase mundial le brindará a los asistentes y a Little Rock una plataforma para mostrar todo lo que ofrecen en los años venideros.
