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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

DESEMPEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO PRECOLADAS Y

PRESFORZADAS ANTE CARGAS LATERALES

Oscar López Bátiz1, José Luis Hernández Díaz2 y José Iván Peña Pedroza2

RESUMEN En la construcción de edificios de concreto en regiones de alta sismicidad, cada vez con mayor frecuencia se observa el uso de prefabricados en los sistemas estructurales resistentes a cargas laterales. La experiencia generada por la incidencia de sismos y el trabajo experimental ha mostrado que una estructura de concreto colada en sitio bien diseñada, generalmente presentará un buen comportamiento. Estructuras que incorporan elementos de concreto prefabricados como elementos principales, no han tenido la misma experiencia en laboratorios. En el artículo se muestran algunos de los sistemas y elementos estructurales precolados más comunes; también se comenta sobre los resultados de trabajos experimentales relevantes en sistemas donde se usan elementos precolados, y las conclusiones emanadas de los mismos. Finalmente, se presentan criterios de diseño sismo-resistente que pueden considerarse para estructuras donde se usen elementos prefabricados.

ABSTRACT The use of the prefabricated concrete structural systems resistant to the lateral load is getting more and more usual in highly seismic regions. In the case of the concrete structures adequately designed and cast in site, it is proved by observations of the seismic incidents and by experimental studies that they normally show a good behavior. On the other hand, the structures with prefabricated concrete elements of structural importance have not been studied a lot in the laboratories. In this article, the examples of the prefabricated concrete systems and elements of the most use are shown, and the outstanding experimental studies on the prefabricated concrete systems as well as the conclusions drawn form them are described. In the final part of the present article, seismic resistant design criteria for structures with prefabricated concrete elements are presented.

INTRODUCCIÓN En la construcción de edificios de concreto reforzado en regiones de alta sismicidad, cada vez con mayor frecuencia se observa el uso de elementos prefabricados en los sistemas portantes y resistentes a cargas laterales, así como también un incremento en el uso de sistemas de piso prefabricados. Sin embargo, los prefabricados no se mencionan explícitamente dentro de las recomendaciones o guías para diseño y construcción sismo-resistente emitidas para estructuras de concreto reforzado, lo que tiende a generar incertidumbre en el profesional de la ingeniería para adoptar este tipo de solución estructural para regiones de alta sismicidad, y en algunos casos provoque la selección de parámetros de diseño no plenamente sustentados y justificados.

Se han hecho esfuerzos, principalmente por conducto de los fabricantes y profesionales de la industria de los precolados y presforzados, para desarrollar investigación y elaborar guías que permitan al profesional del diseño estructural contar con información adecuada para usar, dentro del proceso de diseño, este tipo de sistemas estructurales con un nivel de seguridad adecuado y acorde con los lineamientos generales intrínsecos en los reglamentos y códigos para diseño de estructuras vigentes.

1 Investigador Titular, Centro Nacional de Prevención de Desastres, Av. Antonio Delfín Madrigal no. 665,

Col. Pedregal de Sto. Domingo, 04360 México, D.F. Teléfono: (55)5424-6100; Fax: (55)5606-1608; [email protected]. Mecánica Estructural y de Fluidos S.A. de C.V.

2 Mecánica Estructural y de Fluidos S.A. de C.V., Sur 85, No.214, Col. Emperador Cacama, 09080 México, D.F. Teléfono: (55)1998-8042; [email protected]

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XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Gro., 2004

Hasta el momento, los resultados de los trabajos analíticos y experimentales relativos al comportamiento de este tipo de estructuras sujetas a cargas cíclicas reversibles, del tipo sísmico, han sido encauzados básicamente a verificar los niveles de seguridad de un sistema estructural precolado específico comparándolo directamente con el comportamiento medido de un sistema estructural similar de concreto reforzado “monolítico”. Este hecho es debido a que, dentro de las recomendaciones emitidas por las normas de diseño para estructuras de concreto reforzado, se establece que las estructuras o elementos precolados se pueden considerar como elementos o sistemas estructurales sismo-resistentes adecuados siempre que se demuestre en laboratorio que el comportamiento de éstos ante carga cíclica reversible proporciona niveles de seguridad y servicio iguales o superiores a una solución estructural con concreto reforzado tradicional. La experiencia generada por la incidencia de sismos y el trabajo extenso en laboratorio ha mostrado que una estructura de concreto reforzado colada en sitio bien diseñada, generalmente presentará un comportamiento adecuado durante un sismo severo. Estructuras a base de marcos resistentes a momento, que incorporan elementos de concreto prefabricados como elementos principales (trabes y columnas de los marcos), no han tenido la misma experiencia en laboratorio. Sin embargo, las estructuras a base de marcos con incorporación de elementos prefabricados están siendo cada vez más usada en regiones de alta sismicidad, esto debido a que el uso de este tipo de elementos trae consigo ventajas durante el proceso de construcción, entre las que sobresalen la rapidez, el control de calidad, la limpieza del trabajo de construcción y solventar, en los países industrializados, la ausencia o disminución de mano de obra. En el presente artículo se trata de mostrar los tipos de sistemas y elementos estructurales prefabricados más comunes, indicando en cada caso algunas de las ventajas y desventajas de los mismos; también se comenta sobre los resultados de los trabajos experimentales más relevantes en sistemas donde se usan elementos precolados y las conclusiones emanadas de los mismos; y, finalmente, se presentan criterios de diseño sismo-resistente que pueden considerarse para estructuras donde se usen elementos prefabricados.

TIPOS DE SISTEMAS MÁS EMPLEADOS Existe un gran número de variantes de los sistemas estructurales con elementos prefabricados, entre los que se pueden citar aquellos que consideran únicamente elementos precolados con algunos elementos de unión colados in-situ (figura 1); sistemas estructurales a base de paneles prefabricados; y sistemas estructurales conformados por la combinación de estructuras tradicionales de concreto reforzado coladas en sitio, con alguna combinación de elementos precolados como vigas, columnas o los sistemas de piso.

Figura 1 Representación esquemática de una estructura de concreto reforzado a base de marcos resistentes a momento con elementos precolados y uniones coladas en sitio (AIJ. 1986)

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SISTEMAS DE PISO El uso de sistemas de piso prefabricados se ha constituido en una solución importante para el problema de vivienda en los países latinoamericanos. Recientemente, estos sistemas de piso también se han utilizado con ciertas ventajas para edificaciones de mayor envergadura, como son las comerciales, industriales u oficinas. Al igual que para el caso de los sistemas estructurales prefabricados, la poca información y escasa difusión de este tipo de soluciones estructurales, limita su uso dentro de las oficinas de los profesionales del diseño estructural. Sin embargo, es de esperarse que en un futuro cercano se utilicen más los sistemas de piso prefabricados por la rapidez y versatilidad en el proceso de construcción. Los sistemas de piso más comunes en México se dividen en tres grupos: 1) vigueta y bovedilla, y doble T de poco peralte (peralte inferior a 30 cm); b) losa alveolar o extruida (figura 2); y, c) sistemas a base de elementos T, TT y ATT para claros grandes. El sistema a base de vigueta y bovedilla, así como la TT de poco peralte, se han empleado principalmente en edificaciones habitacionales hasta de cinco niveles, aún cuando puede ser factible su uso en edificaciones de mayor altura. Las losas alveolares se fabrican en un molde con un proceso de extrusión, quedando una parte de la sección transversal hueca; dependiendo del peralte de la losa, se pueden emplear para cubrir claros, principalmente entre 8 y 12 m, aunque se producen también para claros mucho menores, a partir de 3m. Las losas a base de trabes T que se producen en México para edificación, cubren claros desde 6 m hasta alrededor de 12 m. Algunas losas a base de T y TT se usan para cubrir claros mayores, entre 10 y 25 m. Siendo este tipo de elementos, por las características intrínsecas de comportamiento requerido, además de precolados, presforzados. En la mayor parte de los casos, sobre estos elementos se cuela una losa de concreto con una resistencia a la compresión f´c=250 kg/cm2, esta losa generalmente está reforzada con malla electrosoldada. La capa o losa de compresión cumple con dos fines: a) lograr el efecto de diafragma en el sistema de piso, al proporcionarle monoliticidad en el comportamiento a la losa; y, b) ayudar a evitar problemas de filtraciones de agua, al tapar las posibles fisuras que se forman en las juntas entre los elementos prefabricados. La ausencia de esta capa de compresión ha significado la falla de un considerable número de casos de estructuras precoladas en sismos recientes (Otani, 1992).

Figura 2 Representación esquemática de una estructura de concreto reforzado con un sistema de piso a base de losas alveolares y con capa o losa de compresión.

En algunas normas (ONNCCE, 1997) donde se menciona la dimensión o peralte mínimo recomendado para la losa de compresión, el valor se establece proporcional al claro a cubrir por el tablero de losa, y los valores de los peraltes tienen la función de garantizar el funcionamiento del sistema de piso como “diafragma rígido”. Cabe mencionar que el tipo de refuerzo de estos elementos varía de país a país, siendo en México el más socorrido el uso de malla electrosoldada, con diferentes denominaciones, en la cual el alambre usado como refuerzo por lo general es de 5 o 6 mm de diámetro. Respecto a los Sistemas de piso a base de trabes T, TT y

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ATT, se puede mencionar que son sistemas de piso a base de elementos de concreto reforzado presforzado. Se emplean para grandes claros del orden de 10 a 25 m. En cuanto a los tipos de unión y proporcionamiento de continuidad para los sistemas de piso de concreto precolado, esto se puede lograr del tipo simple o continuo. El apoyo simple conviene en claros largos cuando resulta muy difícil y costoso proveer la resistencia necesaria para momento negativo en los nudos o zona de unión con los elementos portantes, dificultando el diseño de éstos últimos. El apoyo continuo, resulta más adecuado en construcciones del tipo comercial o residencial ya que se requiere obtener continuidad y mayor redundancia para un mejor comportamiento cuando las demandas dominantes son producto de sismo o viento. Los tipos de conexión para sistemas de piso precolado como losas extruidas o vigueta y bovedilla soportada por vigas, pueden presentar tantas variantes como fabricantes de productos existen en el mercado; sin embargo, en todas ellas la presencia de concreto colado en sitio, junto con refuerzo para momento negativo en estas zonas, hace posible lograr la continuidad y redundancia necesaria en el sistema. En estudios experimentales realizados en la Universidad de Canterbury (Mejía y Park, 1994) colocando refuerzos especiales en esta zona de concreto colado en sitio para unión de elementos precolados, se ha reportado que el colocar un arreglo de refuerzo por anclaje, adicional en esta zona, permite que el sistema siga siendo capaz de soportar cargas mínimas de servicio del piso aún cuando se pierden los apoyos en las orillas debido a desplazamientos del sistema de piso. Por otro lado, de trabajos experimentales desarrollados en el CENAPRED (López et al, 2001) se determinó que para sistemas de piso a base de vigueta y bovedilla, no se observó problemas de desprendimiento o inestabilidad de la vigueta aún para grandes desplazamientos relativos de entrepiso, aunque ésta estuviera ahogada solamente 5 cm en el núcleo de la trabe y que no contara con ningún refuerzo o dispositivo especial para mejorar las condiciones de anclaje de la vigueta en la trabe portante. ESTRUCTURAS A BASE DE MARCOS RESISTENTES A MOMENTO Como una respuesta a la creciente demanda de construcción en regiones de alta sismicidad, aunado a la necesidad de cubrir esa demanda en periodos cortos de tiempo, con control de calidad adecuado y con una decreciente cantidad de mano de obra (sobre todo en los países altamente industrializados), es que se han venido usando con mayor frecuencia estructuras a base de marcos resistentes a momento formadas por elementos prefabricado vigas, columnas, así como sistemas de piso también precolados. Para este tipo de estructuras, uno de los aspectos más importantes a considerar en el proceso de diseño es el análisis y diseño de las conexiones entre los elementos precolados. Las conexiones entre elementos precolados se pueden presentar en cualquier parte de la estructura, pero básicamente se pueden dividir en dos tipos; juntas en los extremos de los elementos, y juntas dentro del claro de los elementos; una representación de los distintos tipos de elementos precolados en marcos y la ubicación de las juntas entre ellos, se presenta en la figura 3 (López, 1992). Para el caso de estructuras precoladas, la experiencia que se tiene en Occidente del comportamiento observado de conexiones en marcos, tanto durante sismos fuertes como en ensayes de laboratorio, no es tan amplia como en el caso de uniones en estructuras monolíticas o coladas en sitio. Por este motivo, reglamentos como el de Construcciones para el Distrito Federal, especifica fuerzas sísmicas mayores en estructuras prefabricadas respecto a las monolíticas. En estas últimas se puede emplear un factor de comportamiento sísmico, Q, hasta de cuatro (en el caso de marcos dúctiles de concreto colado en el sitio), mientras que para marcos de concreto prefabricado se especifica generalmente para este factor un valor máximo de dos. Sin embargo, también se puede aceptar el valor de tres si se demuestra, a consideración de la autoridad correspondiente, que el diseño y el procedimiento constructivo de las conexiones justifican el mencionado valor. En este último caso, el resto de la estructura debe cumplir con los requisitos que, para marcos dúctiles, especifica el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (RDF-NTC, 1996). De manera similar al RDF-NTC,1996, el Uniform Building Code (ICBO, 1994), especifica que es posible emplear sistemas prefabricados siempre que se demuestre que presentan resistencia y ductilidad mayor o igual que los sistemas de estructuras de concreto reforzado monolíticas. A diferencia del anterior, el nuevo reglamento Uniform Building Code 1997 (ICBO 1997), proporciona requisitos específicos para diseño y construcción de conexiones en elementos prefabricados de concreto para estructuras a base de marcos

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resistentes a momento en zonas de alta sismicidad. La filosofía de diseño de este reglamento para este tipo de estructuras precoladas, se basa en tratar de lograr que las conexiones tengan un comportamiento semejante al de una estructura similar de concreto totalmente colado en sitio. Con el propósito de cumplir con este criterio, se especifica que la selección de las zonas diseñadas para tener comportamiento inelástico durante un evento símico altamente demandante, deberán cumplir con los conceptos de columna fuerte – viga débil, y se recomienda que no estén en la vecindad de la zona de unión entre elementos.

Figura 3 Representación esquemática de los distintos tipos de elementos precolados usados en marcos y la ubicación de las juntas entre ellos. Las zonas achuradas representan a los elementos

precolados, y las zonas punteadas representan concreto colado in-situ. (López, 1992) Para lograr que las conexiones en estructuras con elementos precolados tengan un comportamiento semejante a las de concreto monolítico, en el mismo cuerpo del código se especifican y recomiendan el uso de las conexiones “húmedas” y las “fuertes”. En Estados Unidos y en México ha sido poco común el uso de las conexiones llamadas “húmedas”. Estas conexiones deben ser capaces de tener incursiones cíclicas inelásticas, típicas ante la incidencia de sismos moderados e intensos, sin que la resistencia se vea afectada. Las conexiones húmedas son aquellas que emplean cualquiera de los métodos de traslape o unión del acero de refuerzo longitudinal de trabes y columnas especificados por el ACI 318 (ACI, 1999) dentro de la región de conexión; y se denominan “húmedas” porque se emplea concreto colado en sitio para llenar los vacíos existentes generalmente en la zona del panel de unión, que es donde se trata de lograr la continuidad y redundancia entre los elementos prefabricados a conectar. También existen las denominadas conexiones “secas”, que son aquellas que no cumplen con los requisitos de las conexiones húmedas y, por lo general, la continuidad entre los elementos, por medio del acero de refuerzo se logra con el uso de soldadura en campo. A raíz del comportamiento observado de estructuras precoladas durante sismos recientes, ha surgido la preocupación sobre el empleo de soldadura de campo en conexiones de elementos precolados de concreto. Como resultado de esa preocupación, se debe mencionar que el reciente ACI 318 (ACI, 1999), trata de inhibir el empleo de soldadura para unir el acero de refuerzo localizado en la vecindad de la zona de unión viga-columna, o en secciones de elementos estructurales donde se espere la formación de articulaciones plásticas durante la incidencia de sismos o eventos de diseño. MUROS ESTRUCTURALES PREFABRICADOS En los sistemas de construcción de concreto prefabricado también se utilizan los denominados sistemas a base de paneles o muros estructurales. Este tipo de construcción es ampliamente utilizado en países como China, Cuba, Rusia, Japón y la mayoría de los países que económicamente dependían de la antigua Unión Soviética, algunos de los cuales se encuentran en zonas de alta sismicidad. Este tipo de construcción se caracteriza por contar con paneles estructurales aislados (figura 4), que generalmente tienen características de resistencia y capacidad de deformación igual o superior a los elementos (muros y paneles) empleados en las estructuras monolíticas. El aspecto clave en el diseño de sistemas estructurales con este tipo de elementos precolados, al igual que en la mayoría de los otros sistemas precolados, es la concepción, el análisis y el diseño de las conexiones, lo que permitirá al conjunto alcanzar niveles de capacidad de deformación similar a los observados en estructuras monolíticas, o generará un comportamiento inadecuado ante la incidencia de fuerzas laterales producto del sismo.

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Figura 4 Representación esquemática de un sistema estructural a base de muros y paneles precolados (AIJ, 1986)

Los muros de concreto reforzado en edificios son conocidos como un sistema eficiente para resistir fuerzas horizontales debidas a acciones sísmicas. En general, un sistema a base de muros puede tener gran rigidez, con lo cual los desplazamientos laterales durante movimientos sísmicos se pueden reducir significativamente. En consecuencia, se logra un alto grado de protección contra daño por sismo en elementos tanto estructurales como no estructurales. A diferencia de las uniones entre elementos prefabricados viga, columna y viga-columna, donde, dependiendo de las características geométricas y constructivas de la junta considerada, se alcanza generalmente una resistencia y capacidad a deformación igual al de la misma unión en una estructura de concreto totalmente colada en sitio, siendo la diferencia básica una relativamente menor capacidad de disipación de energía por deformación como ya se comentará dentro del presente trabajo, las uniones entre elementos paneles precolados en estructuras a base únicamente de este tipo de elementos pueden alcanzar una resistencia igual al de un sistema totalmente colado en sitio, sin embargo la capacidad a deformación puede resultar considerablemente inferior (Mochizuki et al, 1992; Mochizuki et al, 1996)). De la incidencia de sismos recientes en Turquía y algunos de los países que conformaban a la Unión Soviética, se ha podido determinar que, independientemente de la insuficiencia e inadecuancia de los procedimientos de construcción y supervisión, las estructuras a base de paneles con uniones coladas en sitio y de baja altura (hasta cuatro niveles) pueden presentar comportamientos adecuados de resistencia y capacidad de deformación ante la incidencia de sismos en la vecindad del de diseño; la mayor cantidad de daño observado en este tipo de edificaciones se concentró en aquellas con uniones del tipo denominadas como secas, con procedimientos a base de soldadura principalmente (Otani, 1992).

ALGUNOS TRABAJOS EXPERIMENTALES

Hasta la aparición del programa PRESSS (por ejemplo Prestley, 1996) de investigación conjunta entre Estados Unidos y Japón, sobre sistemas estructurales de concreto reforzado precolados, se habían llevado a cabo trabajos experimentales y analíticos sobre este tipo de sistemas y elementos estructurales, la mayoría de los que presentaban una desvinculación entre sí, y básicamente se concentraban en verificar la bondad del comportamiento ante carga cíclica reversible de diferentes propuestas de solución de problemas constructivos específicos. De estos trabajos, muchos se enfocaron a verificar las características de comportamiento de elementos precolados aislados (sistemas de piso, muros, columnas y trabes) sujetos a un patrón de cargas cíclicas reversibles (por ejemplo, Ugur et al, 1986; Stanton et al, 1987; French et al, 1989; Seckin et al, 1990).

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De la revisión comparativa de las características del comportamiento de elementos estructurales de concreto reforzado colado en sitio y elementos precolados, se ha podido determinar que las características de las fuerzas restauradoras (curva primaria y reglas de comportamiento ante cargas cíclicas reversibles, denominadas modelos de histéresis) de los elementos monolíticos y los precolados aislados son básicamente las mismas (López, 1992). Solamente se ha reportado una variación entre el 10 y 15% de la rigidez inicial elástica a flexión, tendiendo a ser menor en los precolados (Mochizuki, 1992; López, 1992); sin embargo, la rigidez al punto de fluencia por flexión vuelve a ser igual en promedio entre los elementos colados en sitio y los precolados. En cuanto a las resistencias al agrietamiento por flexión y cortante, existe una diferencia de 5% en promedio, y 10 % máximo, resultando menor generalmente para los precolados; la resistencia última a flexión presenta valores iguales para ambos tipos de elementos estructurales (López, 1992). Como se ha podido discernir del trabajo experimental en laboratorio y de los problemas de los procesos constructivos en la práctica, el probable comportamiento inadecuado que se presentaría en un sistemas estructural con elementos precolados en los que se espera comportamiento dúctil, radica en el comportamiento de las juntas entre los elementos precolados y entre éstos y los elementos colados en sitio (Englekirk, 1987; Hawkins, 1989). Algunos autores han concluido que los sistemas en los que en las juntas entre los elementos presentan acero continuo a través de las mismas, muestran lazos de histéresis con un comportamiento similar a un sistema o subensamble de concreto colado en sitio, radicando la diferencia en una menor capacidad de disipación de energía por deformación en el rango inelástico debido al adelgazamiento de los lazos de histéresis en los sistemas precolados, diferencia que no resulta superior al 10% (Shiohara, 1991; López, 1992). Es preciso mencionar que las diferencias más radicales en el comportamiento comparativo entre estructuras de concreto coladas en sitio y precoladas, se encuentra en la respuesta momento-rotación determinada de mediciones durante pruebas en laboratorio, en este tipo de comportamiento se reportan diferencias en la capacidad de disipación de energía por deformación en el rango inelástico incluso del orden del 20 al 25% (Shiohara, 1991), pero estas diferencias no repercuten significativamente en las características de respuesta del subensamble, pudiéndose considerar que las características de respuesta de los sistemas colados en sitio y los precolados con juntas donde el acero de refuerzo es continuo a través de la unión son prácticamente las mismas. En la figura 5, se presentan en forma resumida los resultados de las pruebas desarrolladas en el Building Research Institute de Japón (BRI) (Shiohara, 1991). Como se menciona en varios trabajos sobre sistemas estructurales donde se usan elementos precolados, el problema fundamental en ellos es lograr una monoliticidad similar a la que se tiene con elementos colados en sitio en las zonas de unión (Park, 1995). Ese problema se acrecienta cuando uno de los lechos de acero de refuerzo por flexión, por procedimiento constructivo, no puede ser continuo, siendo generalmente el refuerzo para momento positivo. Este tipo de juntas sujetas a cargas cíclicas reversibles pueden mostrar lazos de histéresis con un gran adelgazamiento propio de juntas con problemas de adherencia y con una tendencia a presentar degradación de resistencia por efecto combinado cortante-adherencia. Así, por ejemplo, en su trabajo experimental con diferentes tipos de soluciones a uniones viga-columna de elementos precolados y algunos elementos colados en sitio, Cheouk y colaboradores (Cheouk et al, 1993) concluyen que se pueden idear procedimientos de unión, con concreto colado en sitio o soldadas, que permitan lograr igualar las resistencias de los sistemas estructurales, e incluso alcanzar niveles de ductilidad más altos en los precolados con respecto a los colados en sitio. Sin embargo, aunque logró alcanzar mayor nivel de capacidad dúctil, entendiendo por ductilidad a la relación entre el desplazamiento último y el de fluencia, en el mismo trabajo se reporta que la capacidad de disipar energía por deformación en los sistemas precolados resultó en promedio del orden de 40% menor que para los sistemas colados en sitio. Resultados similares a los de Cheouk, los mencionan otros investigadores en trabajos experimentales con soluciones menos comunes, la mayoría de los cuales los reporta y concluye Priestley en un reporte especial presentado para el programa PRESSS (Priestley, 1996). En este reporte, Priestley hace referencia a la tendencia a observar un adelgazamiento pronunciado en los lazos de histéresis de pruebas en sistemas estructurales en los que se usan elementos precolados, aspecto que repercute en una reducción notable de la capacidad para disipación de energía por deformación en el rango de comportamiento inelástico, y por lo tanto en una reducción en el amortiguamiento histerético equivalente (Shibata, 1981; Chopra, 1995). Esta característica repercute en un posible incremento en las respuestas máximas de desplazamientos en los sistemas con precolados (por ejemplo, López et al, 1990).

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Figura 5 Resultados de las pruebas desarrolladas en el BRI (Shiohara, 1991) en uniones entre con precolados y la comparación directa con uniones usando concreto colado en sitio

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De igual manera, en Nueva Zelanda (Restrepo et al, 1995) se ha desarrollado un intenso trabajo experimental con el propósito de establecer un procedimiento racional para el diseño y detallado de conexiones entre elementos precolados, de manera que puedan cumplir con los requisitos de comportamiento necesarios para marcos resistentes a momento en regiones de alta sismicidad. Cabe mencionar que algunas de las soluciones presentadas en estos trabajos contienen unión de las varillas de refuerzo por medio de soldadura en campo, lo cual generalmente trata de ser evitado por los profesionales de la construcción en el medio Latinoamericano por la tendencia a presentar comportamiento frágil ante la incidencia de demandas con las velocidades propias de un evento sísmico. En cuanto a estructuras a base de marcos resistentes a momento, en las que las uniones entre elementos se realizan en la vecindad de la unión viga-columna (procedimiento ampliamente socorrido en las soluciones estructurales donde se emplean elementos precolados en Latinoamérica, se han realizado una cantidad importante de pruebas para diferentes soluciones y propuestas estructurales en las que el acero de refuerzo positivo de las trabes debe anclarse en la unión y el acero para momento negativo se coloca pasando continuo a través de la misma unión. En México, por ejemplo, en la última década se ha empleado este tipo de solución para edificación desde centros comerciales, hasta edificios de oficinas y de apartamentos (Pérez et al, 1998). En Japón, Kanoh (Kanoh, 1987) presentó un resumen de la actividad práctica y académica referente a edificación donde se emplea elementos y sistemas precolados; resulta interesante que los trabajos a los que hace referencia Kanoh datan desde 1981, y se pueden resumir en los resultados de los tres tipos de soluciones más comunes en la práctica en Japón, resultados que se muestran es la figura 6, y que coinciden razonablemente con los obtenidos por Alcocer y colaboradores (Pérez et al, 1998). En esta figura (figura 6), se presenta el aparato de carga usado para probar el subensamble de elementos precolados, trabes y columnas, unidos con concreto colado en sitio en la zona del panel de la unión viga-columna. Los tres modelos presentan refuerzo para momento negativo continuo a través de la unión y la diferencia radica en la forma del anclaje del refuerzo para momento positivo (el acero de refuerzo del lecho inferior de la trabe). El primer modelo considera el anclaje del refuerzo de las trabes, que llegan a la unión en el marco plano, en la vecindad anterior del eje de la columna; el segundo modelo también considera el anclaje en la vecindad anterior del eje de la columna, pero propone el uso de un dispositivo anular que permita “confinar” estos bastones de anclaje; y, finalmente, el tercer modelo considera el anclaje del refuerzo para momento positivo de las trabes hasta el extremo opuesto de la zona de unión donde se está apoyando. Los resultados son claros, aún empleando dispositivos mecánicos para mejorar el anclaje del refuerzo para momento positivo, los lazos de las curvas de fuerzas cortante incidente contra desplazamiento lateral relativo del subensamble presentan características de adelgazamiento pronunciado y degradación de resistencia considerable (del orden y superior al 10% para ciclos de carga sucesivos al mismo nivel de desplazamiento). Esto repercute en que el área dentro de la curva o lazo de histéresis resulte consistentemente mayor para el tercer modelo que para los dos primeros, lo cual acarrea un mayor valor del amortiguamiento histerético equivalente y por lo tanto una tendencia a presentar menores valores de las respuestas máximas de desplazamiento para el tercer modelo que para los dos primeros. Esta última aseveración proviene de la relación que se ha observado entre las características de las reglas de histéresis y las respuestas en el rango inelástico no-lineal de los sistemas de múltiples grados de libertad (López et al, 1990), se ha reportado que incluso para niveles de adelgazamiento severo (en los que el amortiguamiento equivalente resulte del orden de 10%), el incremento en las respuestas máximas de desplazamiento resultan del orden de 15% en promedio con respecto a las respuestas calculadas considerando modelos de histéresis de comportamiento perfecto y dominado por la flexión (por ejemplo, modelo de Takeda, Takeda et al, 1970). Contrariamente, el fenómeno de degradación de resistencia (representado en los modelos de histéresis como la relación entre resistencias ante iguales niveles de desplazamiento consecutivo) repercute de manera significativa en los valores de respuesta máxima de desplazamientos de sistemas de múltiples grados de libertad (López et al, 1990), encontrándose que para una degradación de resistencia de 5% se obtienen incrementos en los desplazamientos máximos del orden de 15 a 20%; y para niveles de degradación de resistencia de 10% se obtienen incrementos en losa desplazamientos máximos del orden de 30 a 40%.

Otro de los aspectos que provoca que las estructuras de concreto reforzado en las que se usan elementos precolados sean consideradas como inadecuadas para su uso en regiones de alta sismicidad, es el empleo de sistemas de piso a base de prefabricados (algunos de los sistemas ya fueron mencionados en la parte

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Figura 6 Resultados de las pruebas presentadas por Kanoh (1987) en uniones entre elementos

precolados con diferentes soluciones en el procedimiento de anclaje del refuerzo en el panel de unión

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Inicial). A este respecto, en México, Rodríguez (Rodríguez et al, 2000) usando un modelo a base de elementos precolados, incluyendo el sistema de piso con presforzados, realizó trabajo experimental sujetando un espécimen de dos niveles a carga cíclica reversible únicamente traslacional; como una de las conclusiones interesantes sobresale el hecho de que plantea la necesidad del uso de muros estructurales de concreto para poder reducir los desplazamientos laterales, y por lo tanto, las demandas de desplazamiento relativo en los elementos y subensambles a base de precolados. Esta conclusión puede considerarse congruente con lo indicado en el párrafo anterior, y tiene el propósito de reducir el nivel de daño en los elementos estructurales y no-estructurales de la edificación, así como reducir o eliminar el daño que se presenta en la unión entre el sistema de piso y los muros. Por otro lado, en el CENAPRED (López et al, 2001) se hizo una comparación directa entre el comportamiento de dos estructuras de concreto reforzado a escala real, una de concreto totalmente colado in-situ, y la otra con un sistema de piso precolado a base de vigueta y bovedilla; ambos modelos se sujetaron a un patrón de desplazamientos traslacional y torsional. De estas pruebas se concluyó que las estructuras con sistemas de piso precolados a base de vigueta y bovedilla sujetas a cargas únicamente traslacionales no presentan variación importante en el comportamiento comparativo con las estructuras totalmente coladas en sitio; sin embargo, cuando se sujetan al efecto de torsión, las estructuras con sistema de piso a base de vigueta y bovedilla pueden llegar a presentar una reducción en la rigidez a torsión del orden del 5 al 10% con respecto a la rigidez a torsión de la misma estructura de concreto totalmente colada en sitio. Un resumen gráfico de los resultados más importantes de dicho trabajo experimental se presenta en la figura 7. a) Vista general del modelo b) Detalle de los gatos usados para aplicar carga

Figura 7 Resumen de los resultados de las pruebas desarrolladas en el CENAPRED (López et al, 2001)

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Las estructuras de concreto reforzado presforzadas han sido poco usadas en regiones de alta sismicidad por la posibilidad de comportamientos inadecuados en las uniones entre los elementos, donde generalmente se albergan los dispositivos de fijación de los torones de preesfuerzo. Con el propósito de incorporar la tecnología del preesfuerzo a la edificación en zonas de alta sismicidad, en el BRI de Japón, se hizo un trabajo experimental en un espécimen de tres niveles, escalado de una estructura de once niveles de marcos resistentes a momento, compuesta totalmente de elementos presforzados (Kato et al, 2000). Las pruebas consistieron en aplicarle un patrón de desplazamientos predefinidos (como prueba estática cíclica reversible), de la que se pudieron determinar algunas características de comportamiento local de los elementos y general del sistema estructural, como las fuerzas restauradoras; para después sujetar al modelo a un patrón de desplazamientos calculado usando la técnica del método seudo-dinámico. Dentro del trabajo de Kato se concluye que el sistema presenta una gran capacidad de carga a niveles importantes de desplazamiento lateral, logrando un coeficiente de cortante basal del orden de 0.4, para un desplazamiento relativo de entrepiso máximo de 1/50 (según la norma de diseño Japonesa establece que las edificaciones deberán tener una resistencia lateral superior a 0.33 para este nivel de desplazamiento de entrepiso, AIJ, 1997). La estructura alcanza niveles de ductilidad global de desplazamiento relativo de entrepiso del orden de tres para el primer entrepiso, y cuatro para el segundo (ver figura 8), valores que se pueden considerar del orden de los que se esperarían para una estructura de concreto reforzado con las mismas características geométricas.

-250

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-50

50

150

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)

-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Co=0.2 (Ana.)Co=0.3 (Ana.)P-δ effect0.9Qmax

Fuer

za c

orta

nte

de e

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piso

(ton

)

Drift Angle (%)Deformación relativa de entrepiso (%)

1st storyPrimer entrepiso

Relative Story Disp. (mm)Desplazamiento relativo de entrepiso (mm)

Figura 8 Resultados carga lateral y desplazamiento relativo de entrepiso de las pruebas desarrolladas en el BRI (Kato et al, 2000)

Durante la última década, algunos investigadores se han avocado a la tarea de estudiar materiales, elementos y sistemas estructurales “inteligentes”, o bien “con memoria”, conceptos que contemplan a aquellas estructuras que después de haber estados sujetas a un patrón de carga y desplazamiento, que incluso las haya hecho incursionar en el intervalo de comportamiento inelástico, recuperen la condición original de la relación carga lateral y desplazamiento lateral y, por lo tanto, no presenten desplazamientos remanentes que pudieran modificar desfavorablemente el nivel de vulnerabilidad de las mismas ante la incidencia de cualquier tipo de fenómeno. Dentro de esto resulta notable que todos los sistemas estructurales cuyo comportamiento ante carga cíclica reversible pueda ser representada por los modelos de histéresis con la característica de “orientación al origen”, resultan en ejemplos de sistemas estructurales de este tipo, uno de los cuales es las estructuras a base de muros estructurales de concreto reforzado. De los resultados reportados por Kato, que se distinguen en la figura 8, resulta claro que aún cuando la estructura se sujetó a niveles de demanda de carga y desplazamiento superiores a las que estipula el reglamento Japonés, las rigideces a la descarga tienen

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características tales que las deformaciones o desplazamientos remanentes son menores que los reportados en la mayoría de los trabajos experimentales para estructuras de concreto reforzado coladas en sitio; así, para estructuras de concreto coladas en sitio se tienen porcentajes de desplazamiento relativo remanente del orden de 31% del máximo desplazamiento al que se vio demandada la estructura (Aoyama, 1990), y para la estructura presforzada estudiada en el BRI se tiene un desplazamiento relativo remanente del orden del 19% del desplazamiento máximo demandado. La relación del desplazamiento remanente entre el máximo demandado en la estructura presforzada resultó del orden de 40% menor que el reportado para las estructuras de concreto reforzado coladas en sitio.

COMPORTAMIENTO ANTE SISMO Y PROCEDIMIENTO DE DISEÑO La incorporación de elementos de concreto precolados en estructuras de concreto reforzado presenta las ventajas de tener acceso a un alto control de calidad, reducción considerable del trabajo en obra, e incremento notable de la velocidad de construcción. En contraposición, la mayor desventaja del sistema es la supuesta discontinuidad y falta de monoliticidad que presentaría en las uniones entre los elementos precolados y entre elementos precolados y el concreto colado en sitio. Las ayudas y propuestas para diseño sismo-resistente de estructuras precoladas emitidas en diversos países (Vg. Nueva Zelanda, Japón y Estados Unidos) tratan de lograr que las estructuras resulten con una capacidad de comportamiento dúctil similar a la de las estructuras de concreto reforzado coladas en sitio. Sin embargo, como ya se ha mencionado anteriormente en este trabajo, no todas las soluciones presentan comportamientos similares o mejores que cuando se emplea concreto reforzado colado en sitio; siendo el parámetro de mayor influencia el que la capacidad de disipación de energía por deformación en el rango inelástico tiende a ser menor en los sistemas con elementos precolados y definitivamente en los presforzados. Así, los problemas básicos para el diseño sismo-resistente de estructuras incorporando elementos precolados y presforzados pueden reducirse a los siguientes: a) Definir un método práctico y económico para la conexión entre los elementos estructurales cuando se

usen precolados y/o presforzados; y b) Determinar un espectro de diseño que considere el posible diferente comportamiento, ante carga cíclica

reversible del tipo sísmico, de este tipo de estructuras respecto de las coladas en sitio (diferencia que se resume en un efecto marcado de adelgazamiento de los lazos de histéresis y la posibilidad de que se manifieste una degradación de resistencia ante ciclos sucesivos de cargas alternadas)

Debido al supuesto pobre comportamiento ante la incidencia de sismos intensos, este tipo de estructuras ha sido estigmatizado en cuanto a su uso para regiones de alta sismicidad. No obstante, actualmente una gran cantidad de construcciones de concreto reforzado, estructuras a base de marcos resistentes a momento con una combinación de elementos de concreto colado en sitio y elementos precolados (algunos de ellos presforzados), se han venido diseñando y construyendo, usando para su diseño preceptos propios de estructuras totalmente monolíticas. Como ya se mencionó, las estructuras donde se emplean elementos precolados, pueden presentar comportamiento ante carga cíclica reversible con un acentuado efecto de adelgazamiento de los lazos de histéresis y, en muy contados casos (en un porcentaje similar a las estructuras tradicionales de concreto reforzado; López, 1993), se puede observar degradación de la resistencia, aspectos que generan incremento en las demandas de desplazamiento de estos sistemas estructurales respecto a los que podrían esperarse para un sistema totalmente colado en sitio (López, 1993; Sucuoglu, 1995). Los procedimientos de diseño que se emplean para edificios con este tipo de sistemas estructurales son básicamente los mismos que los usados para edificación tradicional de concreto reforzado totalmente colada en sitio; siendo la única diferencia el considerar una supuesta menor capacidad de deformación y menor rigidez del diafragma de piso en las estructuras precoladas. La tendencia y costumbre en los procedimientos para el diseño de estructuras de concreto reforzado en las que se emplea sistemas estructurales con elementos precolados, en la mayor parte de nuestro país, consideran restricciones empíricas de análisis y diseño que pueden resultar injustificadamente severas para este tipo de sistemas estructurales, comparativamente con las restricciones o parámetros de diseño que se emplean generalmente para el diseño de estructuras coladas in-situ de concreto reforzado. Un ejemplo de estas restricciones son los factores de reducción de las ordenadas espectrales para diseño por sismo o factores de comportamiento sísmico “Q”. Para estructuras tradicionales de

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concreto reforzado se pueden considerar factores de reducción superiores a 2.0 con deformaciones relativas de entrepiso límite permisibles entre 1.5 y 3% (Ordaz et al, 2000), mientras que para estructuras donde se use elementos precolados, además de que no se presenta indicación o referencia alguna en la reglamentación vigente, generalmente se emplea un factor de reducción de resistencia de 1.5 o, en el menos conservador de los casos de 2.0, y los valores límite de desplazamiento relativo de entrepiso permisibles son similares o menores a los indicados para estructuras a base de losas planas sin muros y contravientos, del orden de 1.5% (Ordaz et al, 2000). Una propuesta para diseño de estructuras de concreto reforzado en las cuales se usen elementos precolados se basa en el seguimiento irrestricto de los lineamientos para diseño de estructuras monolíticas de concreto reforzado. La diferencia radicará únicamente en las características del espectro para diseño ante sismo. Para determinar las características del espectro de diseño para estructuras donde se usen elementos precolados, resulta necesario establecer modelos y reglas de histéresis que traten de representar adecuadamente a las estructuras de concreto reforzado con comportamiento ideal, y a las estructuras con elementos precolados, o presforzados, que presentarían comportamientos inadecuados. Con objeto de poder emplear el espectro de diseño que se presenta en los códigos vigentes, se podría establecer una relación entre las características de respuesta de los sistemas representativos de estructuras de concreto colado in-situ y aquellos en los que se usa el precolado, de manera que se pueda determinar un factor que relacione directamente las ordenadas espectrales necesarias para que una estructura de concreto reforzado con elementos precolados presente niveles de respuestas máximas (por ejemplo ductilidad, desplazamientos relativos, etc.) iguales a las de una estructura monolítica, a partir de un espectro de diseño único. Tratando de representar los casos extremos, es ampliamente aceptado que el modelo de Takeda (Takeda, 1970) resulta adecuado para representar el comportamiento de estructuras de concreto reforzado bien diseñadas y construidas, sujetas a carga cíclica reversible; y un modelo con adelgazamiento (modelo de Takeda con Slip, Shiohara et al, 1982) representaría adecuadamente el comportamiento de una estructura con elementos precolados. En el caso extremo se puede considerar el uso de un modelo trilineal elástico no-lineal (en el que el amortiguamiento histerético equivalente resulta nulo) como el modelo representativo idealmente más desfavorable de las estructuras a base de elementos totalmente presforzados. La respuesta de sistemas de un grado de libertad, representación simplificada del comportamiento de estructuras de múltiples grados de libertad con las mismas características dinámicas, se presentan para dos de los modelos mencionados en la figura 9. De la misma figura se aprecia que el efecto del adelgazamiento, genera una menor capacidad de disipar energía por deformación y, por lo tanto, eso repercute en una mayor respuesta de desplazamientos. Si las características mecánicas y dinámicas de los sistemas de un grado de libertad que representan a dos edificios son iguales, y la única variante es el modelo de histéresis, para lograr que los niveles de desplazamientos máximos, o bien los niveles de ductilidad, resulten iguales entre la estructura colada en sitio y la precolada, generalmente resulta que deberá proporcionarse una mayor resistencia a la estructura con precolados. Luego, si las ordenadas espectrales para diseño se obtienen de relacionar los niveles de fuerzas producto de la respuesta elástica de sistemas de un grado de libertad, con la resistencia lateral necesaria para lograr un parámetro de comportamiento objeto, por ejemplo una ductilidad predeterminada, por medio del factor de reducción de resistencias, resulta obvio que el factor de reducción de resistencia para una estructura con elementos precolados deberá ser menor que para una estructura monolítica. De la discusión anterior es que se plantea que los factores de comportamiento sísmico para estructuras con elementos precolados sean menores que para las estructuras monolíticas, pero surge la pregunta ¿que tan menores?. Para responder parcialmente a la pregunta anterior, se obtuvieron los espectros inelásticos de isoductilidades (el conjunto de ordenadas espectrales que permiten que cualquier sistema de un grado de libertad presente una respuesta máxima de ductilidades igual y predeterminada), trabajando con el registro del sismo de SCT de 1985 en su componente este-oeste, para ductilidades de 1.5, 2, 3, 4 y 6, para sistemas de un grado de libertad considerando los tres modelos de histéresis idealmente representativos de cada tipo de estructura (ver Reyes et al, 2003). Para cada periodo fundamental en los que se calculó la ordenada espectral, o nivel de resistencia necesario para lograr la ductilidad predeterminada para cada modelo, se obtuvo la relación entre las ordenadas espectrales de los modelos representativos de estructuras precoladas y presforzadas y el modelo representativo del concreto reforzado, resultado que se presenta en la figura 10. En esta figura, los términos Samodelo2 y Samodelo1 corresponden a los valores de las ordenadas espectrales para el modelo representativo de estructuras precoladas y estructuras monolíticas, respectivamente, necesarios para obtener una respuesta máxima de

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ductilidades dada. El valor promedio de la relación entre la ordenada espectral del modelo representativo de estructura precoladas y el modelo representativo de estructuras coladas en sitio (FR) es de 1.03, y valor de la media más una desviación estándar resultó de 1.08. De modo que, por ejemplo, considerando una estructura en la cual se consideraría un factor de comportamiento para diseño por sismo de 2.0 si fuera colada en sitio, podría emplearse un factor de comportamiento de 1.85 si en ella se usan elementos precolados con las características de respuesta como las del modelo de Takeda con deslizamiento (Shiohara et al, 1982) (ver figura 9); todos los demás preceptos y filosofías para el diseño podrían considerarse los mismos que aquellos usados para estructuras de concreto coladas in-situ.

Figura 9 Modelos de histéresis representativos de estructuras de concreto reforzado monolítico y con elementos precolados. Historia de la respuesta de los modelos ante el registro SCT-1985 (EW).

Figura 10 Comparación de los espectros de isoductilidades entre los modelos de histéresis representativos de una estructura de concreto reforzado monolítico (Samodelo1) y una con elementos precolados (Samodelo2). Historia de la respuesta de ambos modelos ante el registro SCT-1985 (EW)

Para el caso de estructuras únicamente con elementos presforzados, en los que las características de las fuerzas restauradoras (reglas y modelos de histéresis) tienden a presentar una reducción drástica de los valores de amortiguamiento histeréstico equivalente esperado, este factor de relación entre los niveles de las ordenadas espectrales entre una estructuras presforzada y una colada en sitio (FR), se incrementará. Al respecto, existe un trabajo (Reyes et al, 2003) en el que se trata el caso idealmente más desfavorable para una estructura presforzada, cuando el amortiguamiento histerético equivalente resulta cero (modelo de histéresis trilineal elástico no-lineal), reportándose que, para este caso, el factor de relación, FR, sería del orden de 1.45. Finalmente, la filosofía de diseño para estructuras presforzadas deberá contemplar la posibilidad de aceptar mayor demanda de desplazamientos máximos, para tratar de mantener las ordenadas espectrales de diseño sin

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variación, tomando en cuenta que los niveles de desplazamiento remanente esperados en estructuras con presforzados resulta menor que los que se esperarían en estructuras de concreto reforzado colado en sitio que tengan las mismas características geométricas y estructurales.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las estructuras precoladas han sido estigmatizadas en el sentido de no recomendar su uso en edificación en regiones de alta sismicidad por su supuesta, debido a que no ha sido formalmente fundamentada, precaria capacidad de deformación y de disipación de energía por incursión controlada en el rango de comportamiento inelástico. Sin embargo, de la observación del comportamiento de estructuras diseñadas y construidas con base en criterios ingenieriles propios de filosofías de diseño sismo-resistente, y de la verificación, por medio de trabajo experimental en laboratorio, del comportamiento ante cargas cíclicas reversibles de los sistemas estructurales precolados propuestos, se puede concluir que la edificación de concreto reforzado con elementos prefabricados es viable y puede presentar comportamientos adecuados ante la incidencia de sismos fuertes siempre que existan lineamientos de diseño lógicos, racionales y adecuadamente sustentados. Como se establece en la mayoría de los reglamentos y normas relativas al diseño de estructuras de concreto reforzado, el proceso de diseño de estructuras donde se contemple el uso de elementos prefabricados podrá ser igual al usado para estructuras de concreto reforzado totalmente coladas en sitio. La diferencia en el proceso de diseño entre una estructura colada en sitio y una con elementos prefabricados radicará principalmente, como ya se mencionó, en la configuración y los valores de las ordenadas espectrales para diseño, específicamente en los valores de los factores de comportamiento para diseño por sismo, donde se deberá considerar la posible menor capacidad de disipación de energía que presentan algunos tipos de sistemas prefabricados. En Latinoamérica existe una gran variedad de sistemas estructurales prefabricados, de los cuales la gran mayoría no cuenta con un sustento reglamentario para su uso en los procesos de diseño y construcción. Generalmente tampoco cuentan con la verificación de su comportamiento ante un patrón de cargas cíclicas reversibles del tipo sísmico. Resulta imperativo plantear trabajos experimentales para obtener información, determinar los límites de comportamiento admisible y proporcionar parámetros y herramientas a los encargados de la emisión de normas y reglamentos, para que este tipo de sistemas estructurales puedan ir plasmándose formalmente en documentos legales, y así se le proporcione certidumbre al profesional de la industria de la construcción para el uso de los sistemas y elementos a base de prefabricados.

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