ESTRUCTURAS PREFABRICADAS EN ZONAS SSMICAS

(PRECAST STRUCTURES IN SEISMIC AREAS)

1. Manuel Burn, Dr Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, IETcc. UCLMLuis Vega Cataln, Arquitecto. IETcc. UPMAurelio Domnguez lvarez, Arquitecto. IETccPeter Tanner, Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. IETcc

ESPAA

RESUMEN SUMMARY

Fecha de recepcin: 23-IV-03

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El comportamiento de las estructuras prefabricadas dehormign armado y pretensado en zonas ssmicas depende,fundamentalmente, del tipo de unin que vincula losdiferentes elementos prefabricados. stos se completandurante el proceso de montaje mediante la ejecucin de losnudos, dotando a la estructura de su configuracin definitivapara resistir las acciones de servicio.

Cuando las estructuras prefabricadas presentan unatipologa de unin en la que se da continuidad a lasarmaduras que configuran los nudos rgidos, se puedeafirmar que el comportamiento de las mismas en zonasssmicas es anlogo al que corresponde a una estructura dehormign construida "in situ", sin ningn tipo de limitaciny, por tanto, son de aplicacin las mismas exigenciasnormativas que las utilizadas, con carcter general, para elproyecto y construccin de las estructuras de hormignestructural.

El comportamiento de las estructuras prefabricadas dehormign armado y pretensado en zonas ssmicas depen-de, fundamentalmente, del tipo de unin que vincula losdiferentes elementos prefabricados en los que se divide laestructura para su fabricacin y que, durante el procesode montaje, reproduce los nudos que completan la estruc-tura proyectada, dotndola de su configuracin definitivapara resistir las acciones de servicio.

Cuando las estructuras prefabricadas que se construyenen zonas sismicas presentan una tipologa de uniones enla que se da continuidad a las armaduras que configuranlos nudos rgidos, o bien, si se trata de materializar rtu-las, se disponen pasadores metlicos capaces de resistirJos esfuerzos cortantes que en ellos producen las accioneshorizontales (ya que las reacciones verticales, generalmen-te, se transmiten mediante apoyo directo), se puede afir-mar que el comportamiento de estas estructuras en zonasssmicas es anlogo al que cOlTesponde a una estructura

Presstessed and reinforced precast concrete structuresbehaviour in seismic areas depends mostly on the kind ofjointbetween elements. The final configuration ofthe structure forresisting actions is granted by the e.xecution ofrigidconnections during the building phase.

When joints in precast structures have continuity ofthereinforcement in the connections, the behaviour ofthesestructures in seismic areas is quite similar to cast-in-situ ones.Therefore, no limitation should be applied and the samerequirements statedfor common structures should bevalidatedfor precast ones.

de hormign construida "in situ", sin ningn tipo de limi-tacin y, por tanto, son de aplicacin las mismas exigen-cias normativas que las utilizadas, con carcter general,para el proyecto y construccin de las estructuras de hor-mign estructural.La ductilidad de las secciones de los elementos prefabri-cados y de sus juntas se determina con los mismos crite-rios que los establecidos para el anlisis de cualquier es-tructura de hormign armado y pretensado.

Las recomendaciones a considerar en estructuras dehormign en zonas ssmicas, referentes a zunchado delhormign, longitudes de anclaje, disposicin y cuantas dearmaduras, ejecucin de nudos, tambin deben cumplirseen las estructuras prefabricadas, tanto en los elementoscomo en las uniones. Las secciones donde se materializanrtulas, mediante pasadores metlicos, deben armarse paraasegurar la adecuada transmisin de la carga localizada,de carcter dinmico, que introducen dichos pasadores,encargados de resistir y transmitir, puntualmente, las

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Figura 1.- Puente prefabricado en zOlla sismica.

fuerzas horizontales que la accin ssmica produce sobrela estructura. La ejecucin de los forjados prefabricados ysu vinculacin al resto de la estructura prefabricada debengarantizar, en estas zonas, el efecto diafragma, en cuanto ala capacidad de arriostramiento horizontal entre losdiferentes elementos que forman la estructura en cada unade las plantas.

En definitiva, un diseo adecuado de las uniones entre loselementos prefabricados, permite aplicar a las estructurasprefabricadas, de hormign armado y pretensado, en zonasssmicas idntico tratamiento que el establecido, concarcter general, por las Normas e Instrucciones para seraplicado a las estructuras de hormign estructural.

Para la aplicacin de la Norma Sismorresistente NCSE-02 a las estructuras prefabricadas de hormign hay queconsiderar, en primer lugar, la estructura en su conjunto,

Figura 2.- Pila prefabricada en zOlla sismica.

valorando la posibilidad de contar con elementosestructurales en las dos direcciones ortogonales en las que,generalmente, se analiza el efecto de la accin ssmicasobre dicha estructura.

Las estructuras prefabricadas que presentan prticos unidosentre s mediante elementos estructurales, cuyos nudosson capaces de transmitir reacciones horizontales, de modoque existan prticos en dos direcciones perpendicularesen planta, no precisan ser comprobadas bajo la accin del

Figura 3.- Estnctura prefabricada con prticos de nudos rigidos (solucin Iludo hueco). Apropiada para zonassismicas.

sismo, siempre que constituyan construcciones deimportancia normal (segn la definicin de la NormaNCSE-02) situadas en zonas en las que la aceleracinsismica bsica es inferior a [0,08 g].

Si el edificio prefabricado tiene ms de 7 plantas y laaceleracin ssmica de clculo es igualo mayor que [0,08g], deber comprobarse frente a la accin ssmica aunquela construccin tenga importancia normal y la aceleracinssmica bsica sea inferior a [0,08 g]

La siguiente consideracin a realizar se refiere a latipologa estructural que la estructura prefabricadamaterializa y que determina su comportamiento frente alas acciones horizontales de origen ssmico. De acuerdocon dicha tipologa estructural se adoptar el valor delcoeficiente de comportamiento por ductilidad [Il]. Estecoeficiente se adopta de acuerdo con los criterios indicadospor la Norma NCSE-02, considerando la estructuraprefabricada como una estructura de hormign armado,siempre que las uniones entre elementos prefabricados, yel dimensionado de secciones y armaduras, se realice conlos criterios anteriormente expuestos.

Valores [ = 4], correspondientes a ductilidad muy alta,pueden adoptarse en estructuras prefabricadas con prticosde nudos dctiles rgidos y vigas de canto, capaces deresistir las acciones horizontales producidas por el sismojunto al resto de acciones concomitantes con ellas, siempreque se cumplan "las reglas de diseo y prescripcionesconstructivas en edificaciones" incluidas en la NormaNCSE-02, al objeto de asegurar, para dicho nivel deductilidad, la formacin de mecanismos estables con muyalta capacidad de disipacin de energa proporcional alciclo de histresis.

Si la resistencia a las acciones horizontales se consiguemediante ncleos rgidos, cumplindose el resto de lascondiciones a que se refiere el prrafo anterior, particula-rizando las reglas y prescripciones para un nivel de ducti-lidad alto, se deber adoptar un valor [Il = 3], correspon-diente a ductilidad alta.

Figura 4.- Estructura prefabricada COII prticos de Iludas rigidos(solucilI Iludo macizo). Apropiada para zOllas ssmicas.

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Figura 5.- Estructura prefabricada COII lIcleos rgidos (palltallas).Apropiada para zOllas ssmicas.

Figura 6.- Estructura prefabricada tipo plldulo illvertido.

Cuando la estructura prefabricada es asimilable al tipo depndulo invertido, o cuando no se cumplen las condicio-nes a que se refieren los prrafos anteriores, se adoptar elvalor [Il = 2], correspondiente a ductilidad baja.

La deformacin horizontal de la estructura bajo las accio-nes horizontales de origen ssmico, se determinar multi-plicando por el valor del coeficiente [Il] adoptado, el des-plazamiento obtenido como resultado de un clculo els-tico

En relacin con las estructuras prefabricadas con tipologade pndulo invertido, en las que la ductilidad est concen-trada en la seccin de empotramiento del pilar en la ci-mentacin, se est desarrollando un proyecto de investi-gacin europeo para verificar que, con un adecuadodimensionado de dicha seccin, la energa que se puededisipar en este tipo de estructuras bajo la accin del sis-mo, es equivalente a la que disipara, en las mismas cir-cunstancias, un prtico de nudos dctiles rgidos cuyospilares seran, lgicamente, ms esbeltos que los de la es-tructura en pndulo invertido. Si se verifica la bondad del

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modelo terico propuesto en el origen de la investigacin,en el futuro, este tipo de estructuras prefabricadas podrncomprobarse adoptando valores de [~ ] ms elevados, siem-pre que se cumplan las reglas y prescripciones coherentescon la ductilidad considerada.Despus de las considera-ciones realizadas sobre el conjunto estructural, hay quevolver a tratar de las uniones entre los elementos prefabri-cados que condicionan el comportamiento de la estructuray comprobar que la materializacin real de los nudos re-fleja fielmente las previsiones realizadas al determinar latipologa considerada en el anlisis estructural

La correcta resolucin del nudo "cimentacin-pilar prefa-bricado" y del nudo "pilar prefabricado-viga prefabrica-da" es la base de un buen comoortamiento frente al sismo.

El procedimiento para realizar adecuadamente las unio-nes, parte de las siguientes consideraciones fundamenta-les:

- La unin no puede ser un punto de discontinuidad en elcomportamiento de la estructura de hormign

- Los materiales a utilizar en la unin sern los adecuadosal comportamiento mecnico que se pretende conseguir

- En la unin se compatibiliza la geometra de las piezasque en ella confluyen con los esfuerzos correspondientes.

- La unin debe ejecutarse, durante el proceso de montaje,mediante un oroceso fcilmente controlable.

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Figura 7.- Nudo - "cimentacin-pilar prefabricado ".

Figura /J. - Nudo "pilar prefabricado-viga prefabricada" en ejecucilI.

Los materiales habitualmente utilizados en las uniones sonarmaduras pasivas de acero corrugado de alto lmite els-tico y mortero "grout" de alta adherencia y resistencia comomaterial de relleno, sin retraccin, que da continuidad a laseccin de hormign. Cuando se prctcndc conscguir cs-tructuras de elevada ductilidad la Instruccin EHE reco-mienda el uso de armaduras de calidad B 400 SD Ycspc-ci fica las condiciones que debe cumplir cualquier aceropara asegurar dicha ductilidad. Dicha Instruccin contie-ne, tambin, especificaciones para el dimensionado de lasestructuras de hormign estructural en zona ssmica quedeben cumplir las estructuras prefabricadas.

El "grout" se utiliza, adems, para rellenar los cajetines ylas vainas corrugadas donde, en la zona de unin, se alo-jan las armaduras. Este material est compuesto por uncemento de alta resistencia y elevado grado de finura, una

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arena de matriz silcea con granulometra muy fina yadi-tivos patentados que aseguran la ausencia de retraccindurante el proceso de fraguado. Proporciona resistenciasa la compresin de 37 Mpa a 3 das y de 80 Mpa a 28 das,as como tensiones de adherencia a barras corrugadas de18 N/mm2 a 28 das. Sus condiciones de colocacin sonmuy favorables para su uso en las uniones ya que presentaun marcado carcter autonivelante, elevada fluidez y ho-mogeneidad en todo el cajetn rellenado.

Las caractersticas descritas del "grout", permiten contarcon unas condiciones favorables para el dimensionado delas longitudes de solapo de las armaduras en los cajetines.Adems de comprobar las tensiones de adherencia entrelas armaduras y el "grout" de relleno del cajetn, es nece-sario comprobar las mismas tensiones en la pared del pro-pio cajetn entre el "grout" y el hormign.

En la unin pilar-viga, cuando no existe apoyo directo, elmecanismo de transmisin del esfuerzo cortante requiereque se compruebe el estado de fisuracin de la seccin de

contacto y la compatibilidad de ste con la formacin dela biela comprimida necesaria para dicha trasmisin. Re-sulta ventajoso para el proceso de montaje que exista unapoyo directo, aunque su capacidad est limitada a las car-gas que deba resistir durante dicho proceso.

En zonas ssmicas se debe garantizar la funcin diafragmade los forjados mediante el hormigonado "in situ" de lacorrespondiente capa de compresin, alojndose en ellala armadura de la unin, adems de la propia de dichacapa. En estos casos, la capa de compresin forma partede la seccin compuesta de las vigas prefabricadas frentea las cargas de servicio, a travs del nexo de unin queestablece la armadura de rasante sobresaliente de la sec-cin simple de dichas vigas.

Si el cerramiento del edificio se realiza mediante panelesprefabricados de hormign, la comprobacin de la resis-tencia del panel y de su unin a la estructura, bajo las ac-ciones ssmicas, se comprobar sin considerar ductilidaden el panel ni en las uniones. En general, no son elementos

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