Modelación estructural de edificios de hormigón armado

Modelación estructural de edificios
de hormigón armado prefabricados.
MSc. Ing. José María Ruiz Ruiz
Facultad de Construcciones
Universidad de Oriente
Cuba
CONTENIDO
I
Introducción.
II Sistemas Constructivos.
• Para viviendas.
• Para usos sociales.
Prefabricación:
Producción en un lugar de la obra o fuera de ella de los elementos
componentes de una estructura, que después serán transportados,
izados y colocados en su lugar definitivo de manera que conformen
una estructura completa de la edificación proyectada.
Aunque el concepto de prefabricación es anterior al de hormigón y al
hormigón armado como materiales, la invención de este último como
nuevo material de construcción (patentado por Monnier en 1867) se
convirtió de hecho en premisa para el surgimiento de prefabricación de
elementos de dicho material.
Ya en un a fecha tan temprana como 1891 una empresa francesa
prefabrica vigas de hormigón armado, en 1904 se ejecuta en Francia el
primer edificio de grandes paneles.
Estos primeros pasos se convirtieron en las premisas de
UNA NUEVA FORMA DE CONSTRUIR
Durante las primeras décadas del siglo XX se fueron creando las
condiciones que permitirían la asimilación a gran escala de esta nueva
técnica constructiva.
Hombres como Edison, Atterbrury, May, Gropius, Le Corbusier y Perret
fueron los pioneros en el uso de esta técnica. Sus experiencias se
convirtieron en los primeros intentos de aplicación, que sin embargo, se
vieron obstaculizados por razones materiales, principalmente por el
desarrollo de los medios de transporte y de elevación, así como también
por razones subjetivas: la desconfianza, la incomprensión y el rechazo a
la nueva técnica por parte de los usuarios y especialistas.
No es hasta la culminación de la Segunda Guerra Mundial que se dan
las condiciones necesarias para la introducción de métodos avanzados
de construcción, a consecuencia de las gigantescas proporciones de
las devastaciones ocasionadas por el conflicto. Es precisamente en ese
momento que la prefabricación inicia su desarrollo sostenido.
La prefabricación representa una revolución dentro de los esquemas
clásicos de organización de la ejecución de una obra, ya que significa la
introducción de nuevos métodos y procedimientos técnicos, lo cual
significa un considerable ahorro de fuerza de trabajo, de materiales en
general y una reducción apreciable de los plazos de ejecución, además
de las mejoras sociales que traen aparejadas debido al cambio de las
condiciones de trabajo que se hacen más humanas para el obrero.
Puede afirmarse que la prefabricación como técnica de construcción:
• Mejora la organización del trabajo.
• Permite aumentar el nivel de mecanización de las labores.
• Posibilita introducir métodos afines a la producción industrial.
• Permite incrementar la productividad del trabajo.
• Da la posibilidad de disminuir los costos de ejecución.
Ventajas e Inconvenientes de la Prefabricación
Ventajas:
En la economía:
- Uso repetido de moldes.
- Economía total o parcial de madera.
- Reducción del tiempo de trabajo.
- Reducción de la mano de obra.
- Posibilidad
tipificación.
de producir en masa mediante la normalización y la
- Reducción del consumo de cemento y hormigón en obra.
En la producción:
- Permite obtener una organización del trabajo de tipo industrial.
-
Brinda la posibilidad al obrero de trabajo en condiciones más
racionales.
- Se puede lograr un aumento de la producción y calidad de los
elementos.
- Mejora la calificación de la mano de obra.
- Se evitan las interrupciones durante el hormigonado.
En el proyecto:
- Permite el uso de secciones estructurales más racionales.
- Da la posibilidad de menos juntas de dilatación.
- Se disminuyen considerablemente los efectos de la retracción.
- Ofrece la posibilidad del uso del pretensado.
- Facilita el ensayo de elementos antes de su colocación.
- Posibilita el uso de estructuras desmontables.
Inconvenientes:
- Dificultad para lograr estructuras con monolitismo completo.
- La solución de las juntas no siempre es fácil y su comportamiento y
no siempre es predecible.
- Requiere el uso de costosos equipos de izaje.
- Requiere del uso de elementos sustentación provisional.
- No siempre se puede lograr un sistema de fragmentación que
garantice un comportamiento estructural óptimo.
- Generalmente se requiere de plantas de producción cuya inversión
inicial es muy elevada y con períodos de amortización elevados.
- Elevados costos de transportación.
Criterios generales y principios básicos para la realización de un
proyecto con elementos prefabricados de hormigón armado.
El éxito de una obra prefabricada dependerá del grado de
cumplimiento de las exigencias planteadas por cada una de las etapas
que la componen:
- Producción de los elementos.
- Transporte y almacenamiento de los elementos en obra.
- Montaje de la obra.
- Solución de las juntas.
En general debe tenerse en cuenta los siguientes aspectos:
1. Determinación de la forma adecuada, las dimensiones y el peso de los
elementos componentes de la estructura de manera que estén acordes
con las exigencias de la producción, el transporte y el montaje.
2. Fragmentación de la estructura en elementos componentes que
respondan a las necesidades estructurales y constructivas y las
restricciones que impone la producción.
3. Aseguramiento de la estabilidad de los elementos durante las etapas de
transporte, almacenamiento y montaje. Esta se logra a través de de la
propia forma del elemento o con el uso de aditamentos de fijación
provisional.
4. Diseño de las juntas o conexiones de forma tal que facilite el proceso
de producción y que posteriormente ofrezca una adecuada al montaje y
construcción.
5. Condiciones tecnológicas disponibles y el aseguramiento material.
Sistemas Prefabricados Utilizados
en Cuba.
Sistemas Prefabricados para Viviendas.
Sistema Sandino.
Antecedentes
El sistema constructivo Sandino tiene sus antecedentes en el sistema
constructivo Novoa de prefabricación, el cual surgió unos años antes del
triunfo de la Revolución, obedeciendo al programa de enriquecimiento
personal del Arquitecto e Ingeniero José M. Novoa, que competía con otros
en la venta de viviendas.
En virtud de inquietudes técnicas provocadas por la competencia
mercantilista y condicionada por el sistema socio-económico de la época,
trató de lograr la construcción económica de viviendas dentro del campo de
la resistencia, durabilidad, in combustión, ventilación, higiene, etc.
A tales efectos, organizó y desarrolló el sistema que lleva su nombre, a
través de plantas móviles de producción de elementos, o sea, instalaciones
que pudieran ser instaladas de un lugar a otro y operadas al pie de obra,
según las necesidades. Es decir, que el sistema Novoa, fue concebido,
proyectado y operado como un sistema de fabricación a pie de obra para
construir grandes núcleos de viviendas.
El sistema consiste en una solución constructiva de elementos
ligeros basados en paredes compuestas por elementos
prefabricados (columnas y paneles) cuyo peso oscila en ambos
casos alrededor de 65 kg.
El módulo utilizado es de 1.04 m entre ejes de columnas. El espacio
entre columnas es ocupado por paneles de hormigón, cerámica ó
carpintería. La luz empleada en cubierta es fundamentalmente de
3.12 m.
Para edificaciones de una planta con crecimiento longitudinal se
utilizarán columnas especiales de 0.15 x 0.25 cada tercer módulo.
Estas construcciones, sin junta de dilatación, tendrán como mínimo
72.00 m.
En el caso de necesitarse luces mayores que las mencionadas
anteriormente para otros programas, estas pueden lograrse mediante
vigas o cerchas diseñadas al efecto utilizando las columnas especiales
del Sistema.
El puntal libre obtenido con cerramiento de 0.30 es aproximadamente
de 2.50 m.
Aunque el elemento reforzado en la pared es la columna, la práctica ha
demostrado que estructuralmente trabajan de conjunto columna y
panel.
La junta cimiento-columna se realiza mediante el empotramiento de la
columna en vasos dejados al hormigonar la viga zapata.
Este sistema permite solucionar la cubierta con:
-Canalón
-Planchas acanaladas de asbesto-cemento
-Viguetas de hormigón armado con distintas soluciones:
El Sistema está constituido por los siguientes elementos, atendiendo a su
función en grupos:
Losas:
Elementos estructurales horizontales de hormigón armado usados en
entrepisos y cubiertas que necesitan vigas para transmitir las cargas, ya que
no salvan toda la luz ó espacio a cubrir.
Vigas Cimiento:
Servirán de apoyo a las columnas, son de hormigón armado y de tres tipos:
V1V2V3-
de
de
de
0.79
1.83
2.87
CMS
CMS
CMS
de
de
de
largo
largo
largo
y
y
y
0.052
0.116
0.182
ton
ton
ton
de
de
de
peso
peso
peso
Columnas:
Las columnas normales del Sistema son de hormigón armado, con una
sección de 0.11 x 0.11 m. Tienen una altura de 2.435 m y un peso que fluctúa
de 63 a 71 kg, en dependencia del número de ranuras. Las columnas
especiales son de sección de 0.15 x 0.22 y un largo de 2.735 m, con un peso
de 0.193 ton.
Paneles:
Son elementos estructurales de pared, de hormigón, que se apoyan de
columna a columna, capaces de resistir las cargas horizontales. Sus
dimensiones son de 945 x 486 x 62 Mm. y su peso 65 kg.
Marcos de Ventana:
Existen cuatro tipos de marcos:
-MV1-para hoja ventana lisa.
-MV2- para ventana de tablilla de 0.942 de alto.
-MV3- para ventana de tablilla de 1.395 de alto.
-MV4- para ventana de pivote.
Marco de puerta:
Se puede utilizar el marco, girando 180º,tanto embisagrado a la derecha
como a la izquierda.
Gran Panel Soviético.
La primera manifestación de de introducción de tecnologías avanzadas de
producción de viviendas fue en 1964, raíz de la donación por la entonces
Unión Soviética a Cuba de una planta completa tipo 1-464, a consecuencia
del gran impacto que tuvo en el sector de la vivienda en la región oriental de
país el devastador huracán Flora. Esta planta garantizaba una producción de
1700 viviendas anuales con esta tecnología.
Este tipo de planta no se generalizó en el país, entre otras razones debido a
que los edificios estaban especialmente diseñados para carga sísmica, la
cual es prevaleciente en la región sur oriental del país.
Es un sistema constructivo para edificios de viviendas de hasta 5 plantas a
base de grandes paneles de hormigón, armado con muros portantes en dos
direcciones (sistema cruzado) y elementos producidos horizontalmente en
planta de dimensiones reducidas con un bajo nivel tecnológico.
Este sistema constructivo surgió como sistema cerrado de viviendas de
cuatro plantas, con dos y tres cajas de escaleras y con posiciones familiares
de 4 y 6 personas. En dependencia del número de cajas de escaleras los
edificios constaban de 16 y 24 viviendas.
Los proyectos arquitectónicos conforman edificios tipo pantalla en 4 o 5
plantas con balcones y patios de servicios en las fachadas principal y
posterior respectivamente Las longitudes de los edificios son de 30.00 y
45.00 m para dos y tres cajas de escaleras respectivamente. Su ancho básico
es de 10.00 m.
Por tratarse de un sistema cerrado con muros portantes en ambas
direcciones, no es posible lograr variedades de soluciones funcionales,
expresión plástica y riqueza volumétrica, por lo que su uso masivo conduce
a la monotonía en el ambiente urbano. Además el sistema no admite el uso
de planta baja libre, ni la adecuación al relieve de sitios irregulares, por lo
que siempre serán necesarias superficies de construcción horizontales o con
muy pequeñas pendientes.
Los componentes prefabricados del sistema son:
Paneles estructurales, sanitarios, de cierre e interiores no portantes, losas
para planta baja estructural, losas de entrepiso y cubiertas y ramas de
escaleras.
Los tabiques no estructurales que cierran la zona de servicio son de 7 cm de
espesor. Los cierres exteriores al igual que todos los paneles portantes del
sistema son de hormigón armado y 10 cm de espesor .Las losas tienen 9 cm
de peralto total.
Planta de Prefabricado
de Gran Panel
En Cuba se han desarrollado varias variantes de sistemas a base de
grandes paneles, los cuales han sido utilizado para desarrollar amplios
planes de construcciones de viviendas en todo el país.
Entre ellos se pueden citar:
• Gran Panel IV.
• Gran Panel VI.
• Gran Panel 70.
• Gran Panel Polaco.
Sistema IMS
El sistema estructural IMS, fue concebido por el profesor Ingeniero Branco
Zezelj en el año 1956. En el Instituto para la Investigación de Materiales de
Servía en Belgrado, Yugoslavia. La tecnología se ha usado a lo largo de
todo el territorio Yugoslavo. Después de la Segunda Guerra Mundial más
del 50% de los apartamentos en la capital del país fueron construidos con
IMS. También puede encontrarse en las ciudades de Novi Sad, Nis, Banja
Luka, Sarajevo, Tuzla, actualmente una parte de Bosnia y Herzegovina y
en otros países, como Cuba, Rusia, Georgia, y China. Se han construido
alrededor de 400 mil unidades de edificaciones (aproximadamente 2.5
millones de m² de área construida). En cuba se comenzó a construir
experimentalmente en la década del 60.
Características principales del sistema.
El objetivo fundamental de este sistema constructivo era desarrollar un
número mínimo de elementos prefabricados con los cuales fuera posible
proyectar el mayor número de edificios diferentes.
Aplicando el principio de la prefabricación abierta, se logró una estructura
basada en una red modular simple conformada a partir de una o dos losa
casetonadas, de dimensión igual al módulo, con cuatro columnas ubicadas
en las esquinas, que se unen mediante una junta postesada, formándose una
estructura de esqueleto que carece de vigas que pueden crecer en las tres
direcciones. La distribución de los módulos y las paredes de concretos
(tímpanos) es preferible en forma simétrica, aunque se excluyen
configuraciones asimétricas. En cuanto a las losas con hueco o no, escaleras,
tabiques, cabinas sanitarias, entre otros se pueden ubicar sin ninguna
restricción dentro de la planta. Las plantas solo están constituidas por las
columnas y la disposición de los tímpanos, y en el caso de las construcciones
en zonas sísmicas deben aplicarse configuraciones simétricas de acuerdo
con las normas de diseño estructural. Este sistema permite la proyección de
edificios prismáticos (tipo pantalla) y concentrados (torres), los cuales pueden
ser regulares, tubulares, pueden tener forma de L, H y T, o combinaciones de
ellas, formando el acoplamiento de distintos volúmenes, aunque habrían
algunas limitaciones como la ubicación de los tímpanos, la distancia entre
juntas de expansión y los parámetros de los dispositivos de izaje.
Es un sistema muy versátil, que con un mínimo de restricciones permite
proyectar una variedad de volumetría, con un puntal de NPT a NPT de 2.70 m
pudiéndose utilizar puntal y medio en la planta baja, y en las dos últimas.
El sistema no necesita de la tabiquería interior para su estabilidad estructural,
proporcionando así una gran flexibilidad al poderse situar en cualquier
posición. Como todo sistema de esqueleto puede ser cerrado exteriormente
con entera libertad. Este cierre pude ser con paneles, parapetos y pretiles.
Dispone además de un conjunto de elementos prefabricados catalogados, a
partir de los cuales se generan los distintos proyectos específicos.
Solución estructural fundamental.
La solución estructural fundamental de este tipo de edificio de marco espacial,
está dada por pórticos que resultan de la unión mediante la fricción que genera
la fuerza de compresión impuesta por el pretensado de las columnas y los
nervios perimetrales de las losas, en las dos direcciones horizontales
ortogonales. Resultando así un sistema reticular espacial con vigas implícitas
en las propias losas. Se han realizado varias pruebas para chequear el
comportamiento de la junta formada en la unión columna-losa. Varios modelos
fueron sometidos a cargas estáticas y dinámicas y las pruebas demuestran
que el fracaso ocurre en los elementos conectados (es decir, en la losa de
tablero) y no en la propia junta.
Pretensado. Ventajas y desventajas.
El concepto original del hormigón pretensado consideraba que la
estructura se encontraba libre de grietas o fisuras bajo cargas de servicio,
teniendo además mayor rigidez pues la sección total es efectiva. En
algunos aspectos se considera más flexible, pues permite acomodar los
efectos de fluencia y retracción. Puede utilizarse de una forma más
eficiente los hormigones de altas prestaciones, simplemente ajustando la
fuerza de pretensado. La precomprensión del hormigón reduce la tendencia
del agrietamiento inclinado y el uso de tendones curvos produce una
componente vertical que reduce el cortante externo. Por otra parte el
hormigón pretensado tiene una gran habilidad para absorber energía
(resistencia al impacto) y alta resistencia a la fatiga. También permite un
ensayo parcial del acero y hormigón a través de la aplicación del
pretensado (esfuerzos superiores iniciales).
Paredes de concreto reforzado (Tímpanos).
Se utilizan los tímpanos o diafragmas constituidos por paneles de
hormigón armado, para limitar las deformaciones horizontales impuestas
por la acción del viento y el sismo. Las paredes de tímpano son los
elementos estructurales principales que proporcionan la resistencia
lateral en este sistema. Estas
paredes consisten en tableros de
concretos reforzados (típicamente 15 centímetros de espesor) adjuntos
con las dos columnas adyacentes. Al igual que los tímpanos, las
columnas absorben la carga axial adicional (Compresión- Tracción)
debido al momento torsor. Por tal motivo los tímpanos se sujetan a las
columnas, para disminuir estos efectos. Es muy importante asegurar la
continuidad de las paredes de tímpano en ambas direcciones a lo largo
de la altura del edificio.
Generalmente la estructura de esqueleto, sin las paredes de concreto
puede sostener los efectos de fuerzas laterales producidas. Sin
embargo movimientos excesivos demasiados flexibles producirían
efectos perjudiciales en los elementos no estructurales. Las paredes
de tímpano tienen por consiguiente un papel importante en la
estructura, aumentando la rigidez lateral de la misma y limitando las
desviaciones laterales al nivel aceptable. Normalmente estos
edificios se localizan en lo centro urbano y los efectos en cuanto a
daños y perdidas de recurso y vidas humanases son una gran
preocupación. Por esa razón, la concepción de los tímpanos
incluyendo su número y distribución, necesita ser analizada
cuidadosamente. (Varios edificios de este tipo sostuvieron los
efectos del terremoto ocurrido en Banja Luka en 1968 sin sufrir
ningún daño).
Surtido de elementos del sistema IMS.
Está compuesto por un reducido número de marcas agrupadas
tipológicamente).
Cimiento aislado (plato-vaso)
Pedestal.
Columnas.
Losas.
Vigas de borde.
Vigas de borde de voladizo.
Tímpanos.
Escaleras.
Paneles de fachada.
Parapetos y pretiles.
Paneles divisorios de hormigón.
Paneles divisorios ligeros (de materiales diversos).
Cabinas sanitarias.
Características de los elementos principales.
Los todos los elementos estructurales se fabrican de antemano en la planta
de producción que usan las plantillas de acero. Para los proyectos de
tamaño más pequeños, la prefabricación puede llevarse a cabo en el sitio de
la construcción. La erección es simple y rápida, y se lleva a cabo mediante
equipos y dispositivos de izaje (grúas, etc.). El apoyo temporal de los
elementos necesita ser proporcionado antes de la conexión permanente por
el pretensado.
Cimiento aislado:
Poseen ranuras en sus caras exteriores para recibir a los tímpanos, pueden
ser usados en edificios de hasta cinco plantas. (En caso de edificios altos, se
utilizará cimentación en balsa)
Pedestal:
Dimensional y estructuralmente son semejantes al las columnas de un
tramo.
Columnas:
Pueden ser de longitud de uno, dos o tres niveles, con sección cuadrada de
(0.30*0.30) m hasta (0.38*0.38) m.
Losas:
Sus dimensiones pueden variar en módulos de 60 cm. desde (3.00*3.00) m
hasta (7.20*7.20) m. En Cuba se ha generalizado para vivienda de
(4.20*4.20) m. Para luces mayores se conforman losas producidas por
fragmentadamente que se unen después del montaje. Su peralto varía
desde 0.20 y 0.30 m. Su estructura es nervada en dos direcciones. Paneles
de Tímpano:
Cubren todo el espacio de piso a techo y entre dos columnas,
constituyendo en el conjunto un diafragma vertical. Sus dimensiones
dependen del módulo a emplear y su espesor es generalmente de 0.15 m.
Uniones o juntas fundamentales.
Columna-columna: Se realiza por embebimiento de las barras del
refuerzo en pasta de agua y cemento.
Losas y vigas de borde-columna: Esta junta se logra por el efecto de la
fuerza de fricción que se logra como consecuencia de la fuerza de
compresión del pretensado entre las caras de la columna y la superficie
del nervio de las losas.
Tímpano-columna y tímpano-tímpano: Se hormigona “in situ” la holgura
que queda entre cada columna y el tímpano, en las caras laterales del
panel sobresalen las barras que permiten la conexión rígida entre
ambos elementos, se coloca el refuerzo vertical de la unión, se encofra y
se vierte el hormigón.
Detalle típico de unión postesada entre columna y las losas de pido
Trazado de cable.
Modelo en SAP 2000 de un edificio IMS
Sistemas Constructivos para Obras Sociales.
Sistema Girón
El sistema constructivo prefabricado GIRON se comienza a utilizar en Cuba en el
año 1969 en la construcción de obras escolares, particularmente secundarias
básicas en el campo. En la década de los años 70 su uso fue generalizado a
edificaciones sociales para dar respuesta a importantes programas que llevaba a
cabo la revolución cubana en esa época. Es así como hasta hoy este sistema
constructivo ha sido utilizado en los siguientes programas: obras educacionales,
obras para la salud, obras para el turismo, obras para servicios comunales, obras
públicas, e incluso para programas de viviendas.
Su acelerada generalización en todo el país motivado por el adverso momento
histórico de supervivencia de la revolución cubana en que este sistema
constructivo surge, el incipiente nivel de desarrollo científico – técnico del país y
el estado del arte de la ingeniería sísmica en esa época, condujeron a errores en
cuanto a su introducción en zonas de alta peligrosidad sísmica como las
provincias del sur de Oriente. El diseño sismorresistente se sustentaba solo en
lograr elevadas capacidades resistentes de las edificaciones, las cuales se
correspondían con los grandes valores de aceleraciones sísmicas de cálculo
definidas en los mapas de peligrosidad sísmica de los reglamentos de los
distintos países
El sistema esta compuesto en lo fundamental por una estructura portante de
esqueleto (vigas y columnas, y losas TT de hormigón pretensado o armado,
y elementos de cierre y división del espacio también de hormigón armado,
algunos de los cuales, llamados tímpanos contribuyen a soportar cargas
horizontales de viento o sismo.
En su etapa de concepción y diseño se plantearon una serie de objetivos
que perseguían satisfacer las condiciones generales siguientes:
Utilización de materiales producidos en el país.
Emplear técnicas de producción que permitieran industrializar con un
mínimo de inversiones.
Empleo de técnicas constructivas que no exigiesen un elevado nivel de
calificación en los operarios.
Tendencia hacia un sistema abierto aplicable a diferentes programas de
proyecto.
Producir los elementos prefabricados en plantas centralizadas buscando
mecanizar en alto grado proceso y lograr calidades elevadas, etc.
Coordinación modular:
Luces de 6.00 y 7.50 m para las vigas, con posibilidades de voladizo en
ambos extremos .Intercolumnios de 6.00m.
Puntal de 3.30m entre niveles de piso terminado y posibilidad de un puntal
mayor en el primer nivel.
Vasos
Se diferencian de acuerdo con su nivel de refuerzo y dimensiones
transversales. Existen tres tipos: A(1.00x0.75x1.10)m, B(0.85x0.75)m,
C(1.05x1.05x1.00)m.
El empleo de uno u otro tipo esta condicionado por el número de plantas y
el grado de sismicidad del territorio.
Pedestales
Existen tres tipos:
A(0.35x0.45)m
B(0.35.x0.60)m
C(0.50x.0.50)m.
Su longitud aumenta de 1.60 hasta 5.60m. Los del tipo B sólo alcanzan
una longitud de 3.60m. El empleo de estos es en función de la
profundidad de cimentación, cantidad de plantas, grado sísmico, relieve
y tipo de obra.
Columnas
Son seis tipos de columnas existentes y se diferencian por su longitud y
refuerzo. La altura varía desde 1.65 hasta 5.60m, con una sección de
0.40x0.30m. Se utilizan de acuerdo con el tipo de proyecto, cantidad de
plantas, ubicación, puntal y unión con otros elementos.
Vigas
Existen dos subgrupos según la luz que sea de 6.00 o 7.50m. en ambas las
dimensiones transversales máximas son de 0.30x 0.40m. Los tipos A; B y
C tienen voladizos de 2.80m. Para edificios de una sola luz se utilizan los
tipos A; B y D y para varias luces los tipos C; E y F.
A
B
C
D
E
F
SECCIÓN ÚNICA
Losas
Existen cuatro tipos de losas:
A (5.83 x 1.49 x 0.30)m
B (5.83 x 1.375 x 0.30) m
C (5.83 x 0.735 x 0.30) m
D (5.83 x 1.49 x 0.30) m
El uso de uno u otro tipo depende de la ubicación dentro de la
edificación.
Tipo A en todas las áreas, tipo B cuando existe fenestración, tipo C en
zonas de escalera y voladizos, tipo D en zonas de escalera.
Sección típica
Paneles
Paneles transversales: Se diferencian por sus dimensiones, refuerzos,
insertos, pases y huecos para puertas. Se emplean como elementos
estructurales o tímpanos y como divisorios o de cierre. Otros se usan en
la zona de voladizo de la viga. Su apoyo se realiza sobre el hormigonado
que se realiza como complemento de las vigas, por lo que su posición es
paralela a ellas.
Juntas de dilatación y construcción: El sistema exige que estas se sitúen a no
mas de 45 m en el sentido transversal y a no mas de 72 m en el sentido
longitudinal.
Este sistema constructivo presenta en su dirección transversal esencialmente
una estructura de esqueleto de hormigón armado rellenas ocasionalmente con
paredes del mismo material, algunas de las cuales, denominadas tímpanos,
contribuyen a la resistencia global del edificio en esa dirección. Las
estructuras de piso y cubierta están constituidas por losas doble T apoyadas
sobre las vigas dispuestas transversalmente.
La transmisión de las solicitaciones producidas por las acciones sísmicas en
la dirección longitudinal para los pisos superiores se asegura también a través
de tímpanos prefabricados y para el piso inferior por los pedestales
prefabricados. No obstante las losas doble T dispuestas en la dirección
longitudinal y las columnas o pedestales forman un pórtico que pueden
trasmitir las solicitaciones producidas por las acciones horizontales de cargas
de viento, en caso de no disponerse tímpanos en esa dirección. La carpintería
y acabados, de forma general no forman parte del sistema estructural. A
continuación se presentan una serie de características que determinan el nivel
de desempeño ante las acciones sísmicas de un sistema estructural y una
evaluación de cómo se ponen de manifiesto en el sistema constructivo Girón.
Estructura en la
dirección transversal
Estructura en la
dirección longitudinal
Este sistema constructivo utiliza un sistema estático para la transmisión
de las acciones, tanto verticales como horizontales, con un muy bajo
grado de hiperestaticidad, por lo que las edificaciones no tienen la
capacidad para el desarrollo de un mecanismo de fallo adecuado,
presentándose la posibilidad de un colapso repentino.
Modelo mecánico de una edificación en las
direcciones transversal y longitudinal
Solución de entrepiso.
El sistema de piso utilizado puede garantizar la hipótesis de entrepiso
rígido, asegurando una adecuada distribución de las cargas gravitatorias y
las acciones sísmicas a los elementos del sistema de rigidización, por
medio de las llaves de cortante entre las losas y una efectiva unión vigalosa.
Este sistema posee una gran diferencia en las formas de respuesta de las
líneas de resistencia principales, es decir; un pórtico con vigas
continuas, columnas biarticuladas (con su mayor rigidez en este plano) y
paredes de contraviento en la dirección perpendicular a las losas doble T
y columnas biarticuladas (con su menor rigidez en este plano) y paredes
de contraviento en la dirección paralela a las losas doble T de piso, lo
cual enrarece el trabajo espacial de la estructura. Según las
instrucciones para el proyecto estructural, la distribución de los paneles
de tímpano puede cambiar de un nivel a otro, lo que trae como
consecuencia una forma de respuesta ante cargas horizontales de
naturaleza dinámica muy difícil de predecir y en general una mala forma
de transmisión de estas acciones.
Distribución no regular de los
elementos verticales de rigidez.
Modelo dinámico
correspondiente.
El Sistema Constructivo Girón se caracteriza por poseer una planta baja, es
decir, en el primer nivel abierta, donde sólo existen como elementos de
rigidez a cargas horizontales los pedestales o columnas largas y en los
restantes niveles se asegura la rigidez lateral sobre la base de la disposición
de los paneles considerados como tímpanos formando marcos de
contraviento de gran rigidez en comparación con la existente en la planta
baja. Lo anterior trae como consecuencia una mala distribución de rigidez
en la altura y la formación de piso blando o débil, esto está asociado a la
formación de un mecanismo de disipación de la energía no deseado
(mecanismo de columna) basado en la formación de articulaciones plásticas
en la base de las columnas, a expensas de grandes rotaciones plásticas y,
por consiguiente, grandes desplazamientos laterales que pueden
incrementar considerablemente los efectos P-Delta y con ello la pérdida de
estabilidad general del edificio.
Uniones.
Viga-losa: adecuada para garantizar el trabajo del sistema de piso como
diafragma de rigidez en su plano y la transmisión de solicitaciones a los
elementos verticales de la estructura producidas por las cargas
gravitatorias o cargas horizontales de viento, solicitaciones estas para las
cuales el acero y el hormigón trabajan en el rango elástico. Para las
acciones sísmicas, donde el acero dispuesto en las zonas próximas a los
nudos puede trabajar a tensiones superiores a sus valores de fluencia, la
transmisión de solicitaciones a los elementos verticales de la estructura a
través del nudo no es efectiva, ya que el refuerzo superior dispuesto antes
de la fundición ¨in situ¨ de la unión prácticamente no atraviesa el nudo.
Columna-columna: permite la transmisión de un nivel a otro de bajas
solicitaciones de momentos flectores y fuerzas cortantes, es decir,
transmite preferentemente fuerzas axiales. La transmisión de las
fuerzas cortantes producidas por acciones sísmicas se realiza de
forma no satisfactoria ya que al no existir estribos en el nudo, no
existe capacidad para el desarrollo de los mecanismos de puntal y
armadura necesarios para el correcto desempeño de la unión.
Panel de tímpano-marco: garantiza la estabilidad del panel en la dirección
perpendicular a su plano y solo el puntal de compresión en el marco. Al no
poder asumirse el modelo de puntal y armadura para el tímpano trae como
consecuencia que ante grandes ciclos histeréticos de cargas, la respuesta
alterada post elástica del puntal de compresión hace prácticamente
impredecible la forma del tipo de respuesta del sistema estructural,
originando respuestas diferentes en los distintos sentidos de actuación del
sismo.
Elementos no estructurales-estructura: en general, las soluciones de
elementos no estructurales son adecuadas, no modifican el
comportamiento de la estructura y aseguran la estabilidad y la
autoportabilidad de estos elementos.
Pedestal-vaso de cimentación: basada únicamente en el embebimiento del
pedestal o columna en el vaso resulta inadecuada para la transmisión de
acciones de naturaleza dinámica.
Plato-vaso: la solución de vaso para zonas sísmicas (Vaso VS-3)
introducida después del terremoto de Pilón de 1976 es adecuada para
transmitir el plato las acciones provenientes de la superestructura.
Modelo SAP 2000 de un edificio Girón
Sistema SAE (Sistema Abierto de Esqueleto).
El Sistema Abierto de Esqueleto (SAE) ha sido concebido basándose en los
principios de la tipificación abierta, declara su aplicación en un amplio
número de programas de uso masivo. Cualquier programa arquitectónico
se traduce físicamente en la combinación de determinados parámetros:
dimensiones y cantidad de luces, intercolumnios y puntales, número de
pisos, así como ciertas cargas características de uso; cuya adecuada
interrelación resulta en edificaciones provistas de un carácter que debe ser
coherente con las funciones que en ellas se desarrollan.
El catálogo de los elementos del SAE contempla varias series de
elementos:
losas,
vigas,
columnas,
pedestales,
paneles,
etc.,
convenientemente ordenados, tanto desde el punto de vista dimensional
como resistente, cuya interrelación permite una amplia gama de esquemas
volumétricos para diferentes estados de carga. De esta forma, los edificios
pueden producirse a partir de componentes de uso múltiple normalizado y
la planificación y el diseño de cada proyecto es una cuestión de evaluar,
escoger e integrar componentes y subsistemas.
El sistema ha sido concebido de forma que las columnas principales soporten
solamente las cargas gravitatorias. Las cargas horizontales debidas a sismo o
viento son tomadas por tímpanos dispuestos tanto en el sentido de las vigas
como de las losas, con la colaboración o no de otros elementos rigidizadores,
tales como las cajas de ascensores. En el sentido de las losas, los tímpanos
van situados en el espacio libre entre estas, en el sentido de las losas, se
desplazan las mismas para habilitar una franja de 300 ó 600 mm de ancho que
permita la continuidad.
En ambos casos, los tímpanos están formados por columnas ó pedestales
iguales a las columnas y pedestales principales, pero provistos de cajuelas y
barras salientes, y paneles prefabricados de 150 mm de espesor, igualmente
provistos de cajuelas y barras salientes, la unión se realiza mediante la
soldadura de las barras salientes y el llenado en obra con hormigón.
El hecho de que los tímpanos deban corresponderse verticalmente en toda la
altura del edificio constituye, sin lugar a dudas, una limitante a la hora de
componer las plantas. Este efecto negativo puede ser sensiblemente reducido
mediante la utilización de plantas típicas de geometría sencilla, en edificios
anchos, con una disposición simétrica de los tímpanos que logre la mayor
coincidencia posible entre el centro de masa y el centro de rigidez del edificio.
Esto resulta especialmente importante en los edificios a construir en zonas
sísmicas como es la zona en que se encuentra este.
Elementos principales del sistema.
• Losas: Las losas son de tecnología Spiroll, pretensadas, de 200 mm de
espesor, 1200 mm de ancho y luces modulares de eje a eje de columna de
6000 y 7200 mm, presentan seis huecos longitudinales de 150 mm de
diámetro cada uno, estas losas se apoyan simplemente en las vigas.
• Vigas: Las vigas son compuestas de sección canal invertida, formada por
dos vigas prefabricadas de sección rectangular de 250x500 mm cada una y
una banda superior hormigonada en el lugar de 900 mm de ancho y una
altura igual al espesor de la losa utilizada, estas se consideran simplemente
apoyadas en las mensuras de las columnas.
Las vigas que van hacia el exterior presentan voladizos unas de 900 mm y
otras de 2100 mm de longitud, medida desde el eje de la columna hasta el
extremo del voladizo, presentan además para facilitar el paso de las
instalaciones dos huecos de 200 mm de diámetro, a una distancia de 1200
mm cada uno del centro de la luz.
• Columnas: El puntal del sistema es de 3600 mm de nivel de piso terminado
(NPT) a nivel de piso terminado (NPT), las columnas son de 400x400 mm y
400x600 mm. La unión entre columnas se produce mediante la soldadura de
los casquillos metálicos dispuestos en los extremos de las mismas, estas
presentan ménsulas metálicas para el apoyo de las vigas principales, en el
caso de las columnas de 400x600 mm presentan las mensulas en la cara de
600 mm.
• Vigas de cierre: En el sentido de las losas se disponen vigas de cierre, cuyos
extremos se apoyan en las vigas principales y que pueden desempeñar
diversas funciones, como son:
Soportar los elementos de cierre de fachada, sean estos paneles verticales u
horizontales específicos del sistema, otros elementos prefabricados
especialmente diseñados, muros de albañilería o cualquier otra solución, la
posibilidad de estas vigas de cierre de apoyarse en cualquier punto de la
longitud de las vigas principales, permite el desplazamiento del plano de
fachada.
Colaborar a la rigidez del entrepiso al conformar, una vez hormigonada la
junta un cerramento perimetral.
Soportar las vigas de escalera cuando estas se ubican paralelas a las
vigas principales.
Conformar patios interiores.
• Escaleras: La ubicación de las escaleras paralelas a las losas solo es
recomendable en luces de losas de 6000 y 7200 mm. En estos casos la escalera
se apoya a nivel de entrepiso en una viga principal, y a nivel del medio puntal en
un panel colgado de la otra viga principal, en este caso, la escalera puede
situarse en cualquier punto de la longitud de las vigas principales.
• Soluciones de cierre: El sistema contempla diversas alternativas de soluciones
de cierre de fachada, desde la utilización de series de paneles, tanto horizontales
como verticales, específicos del sistema SAE; pasando por paneles prefabricados
especialmente diseñados, la utilización de productos industriales para la
protección solar, elementos de muros cortinas metálicos, hasta la albañilería
tradicional, de cara a poder dotar a cada edificio de carácter y expresión
particular.
Todos los paneles disponen de dos ménsulas metálicas en su cara interior lo que
le permite apoyarse en las vigas principales o en las de cierre. Los elementos de
cierre se apoyarán siempre, en el sentido de las losas en vigas de cierre y en el
sentido de las vigas principales, en estas mismas. La ubicación altimétrica y la
nivelación de los paneles se llevarán a cabo mediante la manipulación de
dispositivos auxiliares, se sueldan entonces las ménsulas del panel a los insertos
de las vigas de cierre, o a las barras salientes de las vigas principales, según el
caso, y se recuperan los dispositivos auxiliares. Estas uniones soldadas quedan
finalmente dentro del hormigón colocado en el lugar.
• Profundidad de cimentación: El sistema contempla series de pedestales de
iguales secciones que las columnas y longitudes variables; 1400, 2270, 2420,
con una razón de crecimiento de 900 mm; lo que le permite adecuarse a
diferentes profundidades del estrato resistente de cimentación. La unión
columna-pedestal es igual a la unión columna-columna.
• Solución de cimentación de los pedestales y columnas principales: La
solución básica de arranque del edificio en el cimiento es a partir del pedestal
empotrado en un vaso prefabricado empotrado a su vez, en un plato
hormigonado en el lugar.
Principales uniones del sistema y sus características.
Empotramiento del vaso prefabricado en el plato hormigonado en obra.
La unión se produce el empotramiento de las patas de acero del vaso
prefabricado, en el hormigón colocado en obra del plato.
Empotramiento del vaso
prefabricado en el plato
hormigonado en obra.
Empotramiento del pedestal en el
vaso.
La junta se produce mediante el
empotramiento del tramo inferior del
pedestal en el interior del vaso, al
llenar la holgura con hormigón.
Apoyo de la viga en la
ménsula de la columna.
Las vigas se apoyan en las
ménsulas metálicas de las
columnas de dos formas
distintas dependiendo de
que se apoyen en un
extremo o estén provistas
de voladizo. En todos los
casos el apoyo es estable,
no obstante, se practica
como medida de seguridad
un cordón de soldadura
entre las planchas de apoyo
de las vigas y el borde
superior de las ménsulas.
Junta entre vigas principales y
losas.
Las losas se apoyan en las vigas
principales. La unión se produce
mediante el hormigonado en obra
de la banda comprendida entre
los extremos de las losas de
luces
vecinas.
Las
barras
salientes de las vigas quedan
embebidas
en
esta
banda
posibilitando el trabajo conjunto
de las vigas prefabricadas y la
banda con una viga compuesta.
De cualquier forma que las vigas
puedan tener o no voladizo en
cada uno de sus extremos y a su
vez estos voladizos-en el caso de
los de 2100mm-pueden llevar
distintos tipos de malla de
refuerzo,
las
posibilidades
combinatorias son muy grandes.
Junta lateral entre losas.
El borde lateral de las losas
Spiroll está diseñado de forma
que al llenar con mortero la
holgura entre dos losas vecinas
se posibilite el trabajo conjunto
de ambas.
Junta entre tímpanos.
Los tímpanos se forman mediante la unión de pedestales o columnas y
paneles provistos de cajuelas y barras salientes. Las juntas se realizan
soldando las barras enfrentadas de los elementos vecinos, colocando el
acero adicional necesario y hormigonando la holgura.
Arranque del tímpano en el cimiento.
El apoyo del panel de tímpano asociado a pedestal se produce siempre
200mm más alto que el del pedestal correspondiente. Esto es lo que
permite la coincidencia vertical de las cajuelas de ambos elementos.
Comoquiera que el panel de tímpano asociado a pedestal siempre es
300mm menor que éste, el nivel de apoyo de las columnas siempre se
producirá 100mm más alto que el de los paneles asociados a ellas.
La composición y dimensiones de los tímpanos varían de acuerdo con la
disposición de estos y las dimensiones de las columnas y luces de viga o
losa a que están asociados.
Junta entre columnas y pedestales
o columnas principales.
La unión se produce mediante la
soldadura
de
los
casquillos
extremos de los elementos. La
soldadura puede ser perimetral o
sólo en los vértices, según el tipo
de columna.
Modelo SAP 2000 de un edificio SAE.
Método de la columna ancha
Modelo SAP 2000 de un edificio SAE.
Método de los elementos finitos
Bibliografía
•
Maspons González del Real, R.; et al: Prefabricación. ISPJAE. 1987.
•
Medina Sánchez, L.; et al: Sistemas constructivos utilizados en Cuba.
Tomo I. Ministerio de Educación Superior. La Habana 1986.
•
Medina Sánchez, L; et al: Sistemas constructivos utilizados en Cuba.
Tomo II. Ministerio de Educación Superior. La Habana 1986.