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INNOVACIONES
D
Durante la EXPO HORMIGN ICH 2002, Feria Internacional de
Prefabricados y Sistemas Tilt Up, se construy un edificio
prefabricado para mostrar innovaciones en sistemas de
conexiones
y montaje. El edificio tiene plantas rectangulares de 18x10 m y
cinco
pisos de altura. Durante la exposicin se montaron los tres
primeros
pisos, dejndose el montaje del resto para la prxima
exposicin.
La unin usada entre vigas y columnas, llamada hbrida, combina
el
uso de cables post-tensados sin adherencia, con barras de
acero
dctil, dando como resultado una estructura capaz de resistir
du-
rante sismos severos grandes demandas de deformacin, sin dao
en los elementos estructurales y quedando sin deformaciones
remanentes.
Estructuracin del Edificio
El edificio se estructur con dos marcos en el sentido
longitudinal, y
dos muros y dos marcos
en el sentido transver-
sal. Como sistemas de
pisos se utilizaron vigas
pretensadas prefabri-
cadas de seccin (y
losas alveoladas en los
pisos superiores. Sobre
ellas se construy una
sobrelosa de siete
centmetros de espesor
hormigonada in situ,
que tiene como fina-
lidad actuar como dia-
fragma rgido. En la
f igura 1 se muest ra
una vista general del
ed i f i c io duran te la
construccin.
Patricio Bonelli C.Departamento de Obras CivilesUniversidad
Tcnica Federico Santa MaraEdificio Prefabricado con
Uniones Post-Tensadas
A continuacin se describe el diseo y montaje de un edificio
prefabricado estructurado
con marcos en una direccin, y con muros y marcos en la otra. Las
uniones entre vigas
y columnas son postensadas con disipadores de energa, el muro
tiene las caractersticas
de un muro mecedor, con cables postensados en el centro y
armaduras de disipacin
en los bordes, pero se dise emulando un muro tradicional y se
mont con la tcnica
propia para muros Tilt-Up.
En la figura 2 se explica grficamente el sistema bsico ideado
para
la conexin, denominado como unin pretensada. En este sistema
se puede prefabricar la viga en taller usndose hormign
pretensado
con armadura pretesa, quedando la viga continua en toda su
extensin. Las columnas se montan piso a piso sobre ellas. Tiene
la
ventaja de evitar el postensado en sitio. El sistema tambin se
puede
aplicar a hormign vaciado en obra, lo importante es disear
de
manera que se abra la interfase viga-columna. Las vigas llevan
una
perforacin central a lo largo del eje longitudinal. Un cable
las
atraviesa y se pone en tensin, permitiendo que la carga
gravitacional
quede resistida por friccin. Para bajos niveles de
desplazamientos
laterales, la interfase entre la viga y la columna permanece
cerrada,
comportndose la estructura de manera idntica a una que ha
sido
construida con hormign vaciado en obra.
Figura 2Sistema de Unin
(b) Curva tpica de fuerza-
desplazamiento lateral de
un sistema prefabricado
con cables post-tensado.
(a) Vigas trabajando como puntales al abrirse la unin.
Cable Post-Tensado Viga Prefabricada
Columna Prefabricada
Figura 1
Figura 1
Deformacin Lateral
P
Fuer
za
Pa
ra m
ayo
r in
form
ac
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ma
rqu
e e
l 25
en
su
ta
rjeta
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Revista BIT, Diciembre 200243
INNOVACIONES
Figura 3
Cable Post-Tensado Viga Prefabricada
Columna PrefabricadaBarra de Acero Ductil
(a) Esquema de un marco prefabricadocon post-tensado y
armadura
dctil en la unin.
Deformacin Lateral
Fuer
za
(b) Curva tpica de fuerza-desplazamiento lateral de un
sistema
prefabricado con cables post-tensado.
Sin embargo, al desplazarse lateralmente el sistema, al alcanzar
un
desplazamiento lateral determinado, se abre la unin
producindose
una rotacin de los elementos, quedando las vigas como
elementos
en compresin y cambiando bruscamente la pendiente de la
relacin
fuerza-desplazamiento, al desplazarse la lnea neutra hacia
los
extremos comprimidos.
En la figura 2 (b) el punto P indica el instante de separacin de
la
interfase. A partir de ese instante el cable postensado se
estira siendo
el causante de la pendiente de la curva. La fuerza de tensin en
el
cable acta como fuerza restauradora cerrando la abertura al
cesar
la accin externa que la abri. La descarga recorre la misma
trayectoria en la relacin fuerza desplazamiento, constituyendo
una
respuesta elstica no-lineal.
Las dos ventajas mas importantes de esta respuesta son:
i) Ausencia de dao estructural, experimentalmente se ha
comprobado que el dao se concentra en el mortero de relleno
de la unin y en los bordes comprimidos de las vigas, que
deben
estar confinados. Al cerrarse la unin desaparecen las
pequeas
grietas que se puedan haber formado en el elemento.
ii) Al cerrarse la unin, debido al efecto del cable postensado,
la
estructura vuelve a la posicin inicial quedando sin
deformaciones remanentes.
Como la respuesta no lineal elstica no tiene disipacin de
energa
por histresis -dado que no hay dao en los elementos-, la
demanda
de desplazamientos sobre el sistema puede ser mayor que en
un
sistema con capacidad de absorber y disipar energa en el rango
no
lineal, con daos, por supuesto. Estos sistemas se pueden usar,
y
de hecho se estn usando, en puentes y estructuras
portuarias,
donde no hay elementos no estructurales que puedan daarse a
grandes deformaciones.
La capacidad de absorber y disipar energa en el rango no lineal
se
puede reestablecer agregando armaduras especiales que puedan
fluir. Para ello se usan barras de acero dctil, por ejemplo,
A44-28H.
Para evitar concentraciones de deformacin, que pudieran
conducir
a una falla por fractura, se deja un pequeo tramo sin
adherencia.
Esta barras deben cruzar las uniones entre vigas y columnas.
Para
insertarlas, una vez montadas, las vigas se pueden colocar
dentro
de ductos y desplazarlas a su posicin definitivas. Cuando es
posible,
se insertan en los ductos desde el exterior. Una vez puestas en
su
posicin definitiva, despus de aplicarse el postensado en el
cable
central, los ductos se inyectan con mortero para adherirlas a
las
vigas y al nudo de unin de la columna con la viga. La disipacin
de
energa del sistema toma lugar a travs de la fluencia, tanto
en
compresin como en traccin, de la porcin sin adherencia de la
barra. La fuerza restauradora del post-tensado debe ser capaz
de
cerrar la unin comprimiendo la barra de armadura especial
que
haba fluido al abrirse la unin. En la figura 3 se muestra un
esquema
que indica la ubicacin de estas barras y la forma que toma la
relacin
fuerza deformacin en un ciclo carga-descarga. El rea
achurada
representa la energa absorbida en un ciclo.
La figura 4 muestra detalles de la armadura en las zonas de
anclaje
del postensado en la columna intermedia y detalles de
confinamiento
en los extremos de las vigas. En las dos fotos siguientes se
muestran
los ductos donde irn las barras especiales y el ducto central
por
donde se pasa el cable que ser postensado, tanto en las
columnas
como en las vigas.
Criterios de Diseo
Marcos: Se elige un sistema estructural que satisfaga las
restric-ciones de desplazamientos laterales para un sismo elegido
de diseo.
Son dos los miembros de la ecuacin de diseo. Por una parte
est
la demanda de desplazamientos, resistencia y capacidad de
absorcin y disipacin de energa. El desplazamiento lateral
mximo
aceptado depende del nivel de desempeo deseado. La demanda
de desplazamientos se puede controlar mediante la rigidez
del
sistema estructural. La resistencia tiene cierta influencia en
las
estructuras ms rgidas. Para determinar la rigidez necesaria
se
puede aplicar la norma chilena actual NCh433Of.96 o bien
estimar
el despla-zamiento de diseo a partir de los espectros de
desplazamientos utilizando el periodo natural inicial de la
estructura.
El desplazamiento esperado no debe superar el lmite impuesto,
que
depende del nivel de daos aceptado. Por otra parte, est la
capacidad de deformacin y resistencia que debe tener la
estructura.
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INNOVACIONES
Figura 4
Armaduras y ductos en columnas y vigas. Perforaciones en
columnas y vigas para pasar armaduras especiales y cables
post-tensados.
La norma NCh433Of.96 utiliza para el diseo espectros
reducidos,
que se pueden interpretar como espectros equivalentes a la
accin
de sismos frecuentes y, para ellos, especifica restricciones a
los
desplazamientos y exige una determinada resistencia a los
elementos. En el mtodo de diseo por desplazamientos, la
resistencia se obtiene indirectamente, al satisfacer los
requerimientos
de armadura para dotar a la estructura de una ductilidad
adecuada,
necesitndose respetar cuantas mnimas y el detalle del
captulo
21 del ACI318-99. Las reglas del diseo por capacidad ayudan
a
dotar a la estructura de la resistencia necesaria para
responder
linealmente en las zonas donde no se espera incursin no
lineal.
Existen mtodos alternativos como el propuesto por Priestley
y
Kowalsky (1999), que poco a poco han ido hacindose conocidos
y
aceptados.
En este proyecto, an cuando la disipacin de energa ocurre en
las
uniones, se decidi emular el comportamiento monoltico
respetando
la norma chilena NCh433Of.96. La relacin momento curvatura
en
la unin, debe ser similar a la relacin momento curvatura en la
regin
crtica en una viga de un sistema monoltico equivalente. En
el
sistema hbrido, ante estos desplazamientos la unin queda
cerrada
y los elementos se comportan exactamente igual que elementos
hormigonados in situ. De esta manera, las dimensiones de las
columnas y de las vigas hacen que se satisfaga el lmite de
deformacin lateral del entrepiso de un 0.2% de la altura del
entrepiso, para los desplazamientos calculados elsticamente
con
el espectro reducido de la norma NCh 433 Of96. En el diseo de
los
elementos se apl ic el Cdigo ACI318-99, respetndose
estrictamente su capitulo 21. Este procedimiento conduce a
una
resistencia a acciones laterales de ms del doble, que la
resultante
de aplicar directamente el mtodo de diseo por
desplazamientos.
Para cualquier procedimiento de diseo, la armadura de la
unin
viga columna en un marco debe satisfacer dos condiciones:
1. El pretensado debe aportar una compresin de manera de
resistir
por friccin las cargas gravitacionales que actan sobre las
vigas.
El documento de trabajo ACI T1.2 del Comit ACI Innovation
Task
Group 1, requiere que se consideren las cargas mayoradas y
se
utilice un factor de seguridad de los materiales, segn se
indica
en la ecuacin (1).El cable post-tensado no debe quedar
expuesto
a tensiones mayores que 0.8fu.
2. La armadura especial debe ser capaz, adems de aportar la
capacidad de absorber y disipar energa, de tomar la carga
gravitacional que acta sobre las vigas mediante la accin de
tarugo, que considera la posibilidad de falla del cable
postensado.
Para ello debe satisfacer la ecuacin (2). Adems, es
conveniente
que el momento que aporta el postensado sea igual al momento
que aporta esta armadura al estirarse, para que el
comportamiento
mostrado en la f igura 3 l legue exactamente al or igen.
Alternativamente se puede usar menor cantidad de armadura,
con
tal que se satisfaga el requisito de la ecuacin 2, porque el
pretensado debe ser capaz de cerrar la abertura,
comprimiendo
la armadura. En el diseo se suele adoptar, como capacidad de
deformacin ltima, una rotacin de un 3.5%. A esta deformacin
el alargamiento unitario de la armadura especial no debe
superar
valores entre e = 0.4% y 0.6% para evitar fallas por
fractura.
(1) = (1.4
+1.7
)
(2) y +
m
donde : Area del cable post-tensado
: Tensin inicial en el post-tensado
: Area de armadura especial
: Fluencia de la armadura especial
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Revista BIT, Diciembre 200245
INNOVACIONES
Referencias Priestley. J.N., Kowalsky, MJ., Direct
Displacement-Based Seis-
mic Design of Buildings. Bulletin of the New Zeland Society
for
Earthquake Engineering, Vol.33, No.4, 1999.
Restrepo. J.I.,Toranzo. L.A. 2001, Displacement based design
of rocking walls incorporating hysteretic energy dissipators.
7th
International Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy
Dis-
sipation and Active Control of Vibrations of Structures.
Assisi,
Italia. 2-5 Octubre 2001.
ACI Innovation Task Group 1. Special hybrid frames composed
of discretely jointed precast and post-tensioned concrete
mem-
bers (ACI T1.2-XX) and commentary (T1.2R-XX). ACI Journal,
Septiembre-Octubre 2001.
Figura 5
a) Esquema de un muro mecedor
con post-tensado y disipadores
de energa.
Muro Prefabricado
Fundacin
Cable
Post-Tenasado
Armadura
Especial DeforamacinLateral
Fuer
za
b) Curva fuerza-desplazamiento
lateral esperada para los
muros del edificio.
Muros: En la direccin transversal se decidi usar muros como
prin-cipal elemento sismo resistente, acompaados de dos marcos
intermedios que tienen como misin principal amarrar el sistema
y
servir adems como segunda lnea de defensa, como parte de un
sistema mixto.
El muro se puede disear aplicando los mismos principios de
las
uniones hbridas. La armadura vertical se discontinua en la
base
para que el muro pueda rotar levantndose. La carga
gravitacional
reemplaza al pretensado, se denominan como Muros Mecedores
(Rocking Walls). Al agregar cables postensados se mejora la
resistencia al deslizamiento y se asegura que el muro vuelva a
su
posicin inicial. Alternativamente, se pueden agregar
armaduras
especiales para absorber y disipar energa en el rango no
lineal,
disminuyendo de esta manera las demandas de desplazamientos
sobre el sistema (Restrepo y Toranzo, 2001). Los ensayos a
gran
escala en la Universidad de Canterbury, Nueva Zelanda, y en
la
Universidad de California en San Diego, EEUU, han demostrado
que
estos muros pueden soportar grandes desplazamientos laterales
con
daos leves quedando sin deformaciones remanentes. El muro
rota
como cuerpo rgido, abrindose la unin con la fundacin (figura
5).
Las demandas de resistencia en la parte superior quedan
definidas
por el valor del momento que abre la unin en la base,
originando
demandas de corte menores que las asociadas a la resistencia a
la
flexin de muros convencionales.
En el diseo del Edificio de la Expo Hormign 2002 se decidi
cumplir
con las exigencias de la Norma NCh433Of.96 en cuanto a
resistencia,
detallndose con el captulo 21 del ACI318-99. El muro fue
prefabricado y se mont con el sistema propio de muros Tilt-Up.
Al
disear la unin con la fundacin se consideraron diversas
alternativas que emulan el comportamiento de un muro
hormigonado
in situ, decidindose optar por una unin similar a la de un
muro
mecedor, agregndose cables post-tensados en el centro. Las
armaduras a la flexin se colocaron cerca de los bordes
emulando
un muro convencional, pero cumplen adems la funcin de disipar
y
absorber energa, por esta razn son de acero A-44-28-H. En un
muro mecedor propiamente tal, las armaduras especiales son
de
menor seccin que las utilizadas en el edificio y suelen
colocarse en
el sector central de la base para limitar su alargamiento.
Conclusiones
Los sistemas hbridos se destacan por:
Gran capacidad de sostener desplazamientos laterales. Ausencia
de dao estructural asociado a grandes despla-
zamientos.
Habilidad de volver a la posicin original durante la descarga.
Comparado con los sistemas estructurales comnmente usados,
los sistemas que incorporan post-tensados sin adherencia
tienen
menor congestin de armaduras en los bordes. En contraste con
sistemas convencionales, basta confinar los bordes
comprimidos
de sus elementos.
La presencia del post-tensado produce un aumento en la
rigidezinicial 2-3 veces mayor que sistemas equivalentes de
hormign
armado, diseados para la misma capacidad.
Estos sistemas se pueden usar en estructuras prefabricadasporque
facilitan el montaje y la ejecucin de las conexiones.
El edificio se puede visitar en el Espacio Riesco, Avenida El
Salto
5000, Ciudad Empresarial, Santiago.
En el diseo del edificio tuvieron una participacin importante
el
ingeniero Augusto Holmberg, que actu como jefe de proyecto y
coordinador con las diversas empresas participantes y
Gianella
Morelli y Claudio Freire, que participaron en el clculo del
edificio.
El edificio fue construido y montado por la empresa PRECON.
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