ALMA: cuando la serviciabilidad controla el diseño por sobre la resistencia
A 5000 metros de altura en Atacama, el sismo no fue el problema más difícil de resolver. Un caso donde controla la serviciabilidad (que la estructura cumpla su función sin deformarse más de lo que su uso admite): una deformación de un tercio del grosor de un cabello la degrada sin derrumbarla.
Chile alberga ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), uno de los mayores proyectos astronómicos del mundo. Desde la ingeniería estructural fue un caso poco común: el viento y la temperatura pesaron más en el diseño que el propio sismo.
Levantar el observatorio en el llano de Chajnantor obligaba, por supuesto, a resolver los sismos. Pero para el cálculo estructural lo más exigente era el clima: a 5000 m de altitud, la antena debe mantener su precisión con temperaturas entre −20 °C y +20 °C, bajo radiación solar directa, y sobrevivir en posición de reposo a vientos de hasta 234 km/h (65 m/s).
En edificación, que una viga de 12 m se dilate unos milímetros por el sol no compromete nada. En radioastronomía submilimétrica, sí. Un plato de acero común se deformaría de forma despareja al calentarse por un solo lado, y si la superficie se aparta de su forma más de 25 micrómetros rms, una medida cuadrática media (un tercio del grosor de un cabello), la onda de radio deja de concentrarse en el foco y la antena pierde eficiencia en las frecuencias más altas que observa.
Reforzar contra el viento empeoraba el problema térmico
Para que el viento no deforme el plato mientras observa (la precisión se exige con vientos de hasta 6 m/s de día y 9 m/s de noche, unos 22 y 32 km/h) y para que la antena sobreviva a las tormentas, lo intuitivo es hacerla más pesada y rígida con perfiles de acero gruesos. El problema es la inercia térmica: a más masa de acero, las partes gruesas tardan más en enfriarse que las delgadas. Ese desfase genera gradientes internos que deforman la estructura.
Es decir: la solución clásica para un estado límite agravaba directamente el otro.
En las antenas de 12 m, la estructura de respaldo del plato se fabricó en polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP): muy rígido y con un coeficiente de dilatación (α) casi nulo. En los prototipos se armó como una caja, justamente para evitar los nudos complejos de un reticulado en CFRP. En el prototipo norteamericano, además, un cono de INVAR (aleación 36 % Ni-Fe, cuya dilatación es prácticamente cero a temperatura ambiente) unía el respaldo con la cabina de acero.
Lo interesante es el cambio de enfoque: en vez de combatir el cambio de temperatura con más acero, se eligieron materiales con los que la geometría casi no responde a él.
REF · Mangum, J. G., et al. (2006). Evaluation of the ALMA Prototype Antennas. PASP, 118, 1257–1301.
ALMA es un buen recordatorio sobre los Estados Límite de Servicio (ELS). En la formación nos enfocamos en el colapso: fluencia, corte, pandeo. Pero en estructuras de muy alta precisión, el riesgo está en que se deformen más de lo que permite su uso.
A veces lograr que algo «no se desplace un milímetro» es más difícil que lograr que «no se caiga». La próxima vez que revises los estados límite de servicio en tu modelo, vale la pena recordar a quienes tuvieron que controlar micrómetros bajo el sol del desierto.
En ALMA el viento y la temperatura pesaron más que el sismo. En el curso revisamos la estructuración y las cargas de proyectos industriales completos, para reconocer desde el inicio qué estado límite va a mandar.
Ver el curso →Mangum, J. G., Baars, J. W. M., Greve, A., et al. (2006). Evaluation of the ALMA Prototype Antennas. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 118, 1257–1301. doi:10.1086/508298.
Saito, M. (2011). ALMA antenna. XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium. doi:10.1109/URSIGASS.2011.6051256.
Andersen, T., y Napier, P. (2001). ALMA Project Book, capítulo 4: Antennas. National Radio Astronomy Observatory.