Piedra tensada

Para el postensado, una vez colocados los componentes de piedra, los tendones se tensan mediante 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. ^{[ 5 ]} El proceso de tensado imparte una fuerza de compresión a la piedra, lo que mejora su capacidad para resistir esfuerzos de tracción que de otro modo podrían causar agrietamiento o falla. ^{[ 8 ]}

En la piedra pretensada, el tendón (una varilla de acero) se mantiene en tensión con gatos hidráulicos mientras que la cavidad restante en el conducto se llena con mortero epoxi. ^{[ 6 ]} Una vez que el epoxi se ha fraguado, los extremos de la varilla se liberan de los gatos hidráulicos, lo que somete la piedra a compresión. ^{[ 6 ]} 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 del conducto, mientras que en la piedra postensada la presión se aplica a través de las placas de los extremos. ^{[ 6 ]}

La piedra tiene una gran resistencia a la compresión, por lo que es ideal en estructuras de compresión como arcos de piedra . ^{[ 1 ]} Sin embargo, tiene una resistencia a la flexión relativamente baja (en comparación con el acero o la madera), por lo que, aisladamente, no puede utilizarse de forma segura en grandes luces sometidas a tensión. ^{[ 1 ]}

"La piedra pretensada aumenta la carga de rotura de la piedra por flexión, pero también la rigidez de una estructura al reducir el agrietamiento de las juntas. Este método de construcción se utiliza ampliamente en estructuras de hormigón, pero las ventajas de utilizar técnicas similares con piedra apenas se están empezando a comprender." ^{[ 4 ]}

Para el hormigón, este problema se resolvió hace mucho tiempo: además del refuerzo de tracción convencional, los ingenieros desarrollaron métodos de hormigón pretensado a partir de 1888. 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. ^{[ 7 ]} En cuanto al hormigón, el postensado mantiene la piedra en compresión, aumentando así su resistencia.

La piedra es un «hormigón prefabricado natural», por lo que solo necesita ser cortada (y sometida a pruebas de resistencia) y tensada antes de su uso en la construcción. En comparación con el hormigón y el acero, la producción de piedra postensada tiene costes energéticos considerablemente menores, con las consiguientes menores emisiones de carbono. ^{[ 9 ]}

En comparación con la mampostería convencional, la piedra postensada tiene importantes ventajas estructurales y de peso. ^{[ 18 ]} Además, en comparación con la mampostería estándar, el preensamblaje de piedra postensada tiene al menos tres ventajas operativas. ^{[ 19 ]}

• El preensamblaje de las piezas se puede realizar a nivel del suelo, lo que reduce los costos y mejora la seguridad. ^{[ 18 ]}
• Revisión más sencilla del ensamblaje, incluyendo pruebas de resistencia e impermeabilización del mortero ^{[ 18 ].}
• Es más fácil programar tareas, ya que los conjuntos de piedra prefabricados postensados ​​se pueden almacenar antes de su uso ^{[ 18 ].}

Se cree que el tensado mediante abrazaderas metálicas a través de las juntas de mampostería se ha utilizado en la construcción en piedra desde la antigüedad . ^{[ 21 ]}

“La aplicación de técnicas de sujeción para la estabilidad estructural se ha utilizado ampliamente en construcciones históricas. Los arquitectos de la antigüedad que trabajaban con piedra, donde no había mortero, utilizaban grapas de madera o metal para determinar la posición de los bloques y su estabilidad. Esta es una técnica ancestral, conocida por primera vez en el Imperio Antiguo de Egipto. Posteriormente, se empleó en la arquitectura de la Edad del Bronce del Egeo y en Asia Menor, Siria y Mesopotamia. Egipto, la Grecia Arcaica y la Persia Aqueménida contemporánea fueron los primeros en utilizar grapas de forma generalizada. Las grapas tenían forma de cola de milano doble… Se vertía metal fundido en el corte, y la grapa resultante se reforzaba mediante dos o más clavijas verticales que actuaban como fuerza de pretensado al enfriarse el metal… Se utilizaban principalmente para resistir fuerzas laterales, como los terremotos.” ^{[ 22 ]}

El tensado de mampostería se utilizó a principios del siglo XIX: «En 1825 se empleó en Inglaterra un método de postensado para la construcción de túneles bajo el río Támesis. El proyecto consistió en 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». ^{[ 23 ]}

El pretensado sísmico de edificios de ladrillo y piedra con pernos de acero data, como mínimo, del siglo XIX, incluyendo las obras posteriores al terremoto de Charleston de 1883 , y en edificios de regiones sísmicas de Italia. El pretensado sísmico de la mampostería se realiza con una tensión considerablemente menor que la del hormigón pretensado o la piedra tensada moderna.

A mediados del siglo XX, las bóvedas de la Ópera de Sídney se construyeron con vigas de mampostería de hormigón prefabricado que se ensamblaron para formar una bóveda de arco apuntado mediante postensado. Para 1982, la mampostería postensada estaba lo suficientemente extendida como para llenar un libro publicado por la Institución de Ingenieros Civiles , aunque se trataba de ladrillo y mampostería de hormigón prefabricado. ^{[ 24 ]} En 1985 y 1986, el ingeniero estructural Remo Pedreschi ^{[ 25 ]} y otros publicaron estudios sobre ladrillo postensado. ^{[ 26 ]}

Tras el desarrollo de gatos de alta tensión y hormigón pretensado, se probó la piedra con pretensado bajo fuerzas de alta tensión. En 1947, los Compagnons du Devoir probaron el concepto de piedra pretensada, comprobando que un tramo de 8 m podía soportar una carga de 7 t. ^{[ 27 ]}

En las décadas de 1960 a 1980, Kluesner Engineering desarrolló piedra postensada para su uso como paneles exteriores. ^{[ 28 ]}

"Los primeros experimentos con unidades de piedra caliza de Indiana pretensadas 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 pretensadas… Las ventajas de la piedra pretensada son muy similares a las del hormigón. Permite que la piedra soporte cargas mayores en tramos más largos de lo que sería posible con unidades convencionales. Las unidades de piedra se pueden fabricar en planta en unidades mucho mayores para cubrir la distancia entre columnas en el edificio… Se han construido algunas aplicaciones estructurales utilizando vigas para elementos constructivos como pórticos, donde las cargas vivas se han limitado a las cargas del techo y las cargas de viento." ^{[ 28 ]}

En la década de 1980, la empresa Rock of Ages Corporation desarrolló rodillos de prensado de granito Accu-Tensioned para su uso en la industria papelera. Una columna de granito era torneada y luego perforada longitudinalmente, antes de la colocación y el tensado de las varillas de acero.

En la década de 1980, la Oficina General de Correos de Sídney (GPO) fue restaurada mediante el refuerzo de la torre del reloj de arenisca con postensado. Como resultado de este refuerzo sísmico, la GPO de Sídney ha sido reconocida como el primer edificio de piedra con postensado. La ingeniería estructural estuvo a cargo de Colin Crisp, de McBean and Crisp. «Esta técnica de postensado de un edificio existente es pionera a nivel mundial y ha despertado interés internacional». ^{[ 17 ]} Dado que anteriormente se utilizaban pernos sísmicos reforzados, es probable que la reivindicación de prioridad de la GPO se relacione con la forma en que los cálculos estructurales guiaron la colocación de los tendones y aumentaron las fuerzas de tensión.

"Un edificio de mampostería de arenisca de más de cien años de antigüedad, la Torre GPO se reforzará con cuatro tendones verticales de postensado, cada uno con 19 hebras de 0,5" de diámetro, y varias barras de pretensado horizontales de 35 mm de diámetro a nivel de piso. Se utilizarán soportes de acero especiales para anclar los tendones y distribuir las fuerzas de anclaje de 1771  kN (400 kips). Los anclajes de los tendones no adheridos permiten monitorear y ajustar las fuerzas de los tendones para compensar los cambios de volumen de la arenisca, si fuera necesario." ^{[ 23 ]}

El primer uso documentado en el mundo real de piedra postensada en un edificio nuevo fue para el Pabellón del Futuro, ^{[ 29 ]} construido en Sevilla para la Exposición Universal de 1992, diseñado por los ingenieros estructurales Peter Rice y Tristram Carfrae de Ove Arup and Partners . ^{[ 11 ]} 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.

Diseñados y construidos entre 1991 y 2004, los arcos de un Santuario de San Pío de Pietrelcina de 6000 m² por el arquitecto Renzo Piano y la ingeniería estructural dirigida por Maurizio Milan de los ingenieros Favero & Milan ^{[ 30 ]} y Arup Group . ^{[ 31 ]}

Construido en 1994, el puente peatonal Inachus de 34 m de luz en Oita , Japón, utiliza piedra postensada y fue diseñado por el ingeniero Mamoru Kawaguchi. ^{[ 11 ]} "El puente tiene forma lenticular con una cuerda superior arqueada y una cuerda inferior suspendida, conectadas entre sí mediante elementos de celosía formados por tubos de acero dispuestos para formar pirámides invertidas."

Completado en 1995, ^{[ 32 ]} Queen's Building en Emmanuel College, Cambridge ^{[ 11 ]} por Hopkins Architects y Buro Happold ^{[ 7 ]} con Ove Arup and Partners . ^{[ 33 ]} "Las columnas también se utilizaron para proporcionar estabilidad lateral al edificio y se postensaron utilizando varillas de acero inoxidable fijadas directamente a los cimientos." ^{[ 34 ]}

Completado en 1999, Punt da Suransuns ^{[ 35 ]} en Suiza, es un puente peatonal de 40 m ^{[ 36 ]} diseñado por los ingenieros civiles Jürg Conzett y Gianfranco Bronzini .

"Punt da Suransuns es un puente de cinta tensada con una luz de 40 m... construido con losas de granito de Andeer, que están pretensadas sobre barras de acero rectangulares... Al cruzar el puente se puede sentir la oscilación vertical, pero los peatones han comentado que el puente no es tan flexible como parece." ^{[ 37 ]}

Erigida en 1999, la Aguja de Southwark Gateway, obra de Eric Parry, está compuesta por 25 bloques de piedra de Portland sostenidos a 16 m de altura mediante postensado. ^{[ 38 ] [ 34 ] [ 39 ]}

Portcullis House , un edificio del Parlamento del Reino Unido, se completó en 2001. Fue diseñado por Hopkins Architects . ^{[ 7 ]} Este edificio representó un revés para la reputación de PT Stone en cuanto a costos, ya que el proyecto general superó el presupuesto.

En 2002, Eric Parry Architects ^{[ 40 ] [ 41 ]} y los ingenieros de Whitbybird completaron el edificio de 30 Finsbury Square . "Las columnas se construyeron de forma convencional y se dejaron fraguar durante 7 días antes del postensado." ^{[ 34 ]}

En 2004, Kusser Graniteworks comenzó a fabricar mástiles de bandera de granito-diorita postensados. ^{[ 42 ]}

En 2005 se construyó un prototipo de la primera escalera de caracol de piedra pretensada, llamada "Escalier Ridolfi". Fue diseñada por Claudio D'Amato y Giuseppe Fallacara. ^{[ 43 ]}

En 2006, la escalera Escalier Ridolfi a escala real fue presentada en la Bienal de Arquitectura de Venecia , construida por los canteros de Ateliers Romeo ^{[ 44 ].}

En 2007, Kusser Granitwerke construyó su primer puente peatonal de piedra tensada en Rosenheim . ^{[ 45 ]}

Terminado en 2009, un edificio en Southampton Row , ^{[ 7 ]} diseñado por los arquitectos Sheppard Robson , utilizó piedra postensada.

A partir de 2011, se construyeron escaleras de piedra de alta resistencia galardonadas para residencias de lujo mediante una colaboración entre el cantero Pierre Bidaud y el ingeniero estructural Steve Webb, ^{[ 46 ] [ 27 ] [ 47 ]}

En 2013, Giuseppe Fallacara y Marco Stigliano demostraron un prototipo "tensegrilítico", que combinaba piedra con varillas y cables de acero en una estructura de tensegridad . ^{[ 48 ]}

Desde 2019, los ingenieros de Webb Yates utilizaron dinteles de piedra horizontales extendidos en la construcción residencial, ^{[ 49 ]} y paneles de pisos de piedra de prueba de concepto. ^{[ 50 ] [ 1 ]}

Foster and Partners diseñó una escalera helicoidal de 330° para la villa Dolunay en Turquía, terminada en 2019. ^{[ 51 ]} y fue construida por Stonemasonry Company con Webb Yates. ^{[ 52 ]}

En 2020, IABSE otorgó la Medalla Milne a Steve Webb por sus innovaciones en el uso de materiales con bajo contenido de carbono en ingeniería estructural, incluyendo madera y piedra tensada. ^{[ 53 ]}

En 2022, Jürg Conzett y Gianfranco Bronzini recibieron el Gran Premio Suizo de Arte (Arquitectura) en reconocimiento a su obra, que incluye varios puentes peatonales de piedra tensada, como Punt da Suransuns (1999), el puente de la cascada a lo largo del sendero Trutg dil Flem ^{[ 54 ]} y Orrido di Cavaglia ^{[ 55 ]} (2021). ^{[ 56 ]} Muchos de sus proyectos de piedra tensada utilizan gneis , una piedra ampliamente extraída en Suiza. ^{[ 57 ]}

En 2024, la exposición de verano de la Royal Academy of Arts exhibió una estructura espacial de piedra y acero (celosía 3D) hecha de cilindros de piedra caliza con núcleo y pretensados, y juntas de acero.

«Imaginen mástiles de grúas, puentes o estructuras espaciales como el Eden Centre y el Stadium Australia construidos con elementos de piedra en lugar de acero. Con una reducción de carbono del 75 %, que contribuiría a salvar el planeta, además de su durabilidad inherente y resistencia al fuego, podemos aprovechar la piedra de desecho y crear estructuras realmente hermosas». —Steve Webb ^{[ 58 ]}

Con fecha de finalización prevista para 2026, la catedral de la Sagrada Familia en construcción en Barcelona, ​​en colaboración con el Grupo Arup, utiliza conjuntos de piedra pretensada. ^{[ 19 ]} « Jordi Faulí , el arquitecto a cargo de la Sagrada Familia en Barcelona, ​​ha declarado 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 al viento con menor peso». El uso del pretensado permite evitar el uso de hormigón revestido de piedra y acelera la construcción. ^{[ 59 ]} El ingeniero estructural Tristram Carfrae de Arup lidera el esfuerzo de ingeniería. ^{[ 60 ]}