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VERIFICACIÓN DE LA CAUSA DEL AGRIETAMIENTO DE PANELES – ESTUDIO DE CASO

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Por Jack Robinson, Stewart Hooks, John Lawson PE, SE

Introducción/patrón de agrietamiento

A pesar de la gran cantidad de beneficios que ofrece la construcción de tilt-up en edificios comerciales de baja altura, aún hay espacio para mejorar en el desempeño de los edificios de tilt-up. Una oportunidad para mejorar es minimizar un patrón de agrietamiento indeseado y particular que a menudo se observa en los paneles de tilt-up de concreto (vea la figura 1), que en algunos casos requiere un resanado cosmético considerable (vea la figura 2). Este agrietamiento del concreto al principio puede considerarse como algo que no es problemático ni estructural, pero incluso las grietas pequeñas pueden erosionarse y resultar en la intrusión de agua y corrosión de la barra de refuerzo. Como mínimo, estas grietas son inquietudes cosméticas para el propietario o arrendador que potencialmente resultan en costos considerables de resanado/pintura.

Figure 1

Figure 2

Como parte de un proyecto de investigación universitaria, los autores buscaron determinar la causa de este patrón de agrietamiento en la mitad inferior del panel y tener un argumento convincente sobre el origen del problema. El trabajo fue realizado en la universidad California Polytechnic State University en San Luis Obispo (Cal Poly) en el Departamento de Ingeniería Arquitectónica.

Históricamente, se han sugerido muchas causas para este patrón de agrietamiento, incluyendo, la colocación de los paneles con exceso de fuerza, tensión de flexión excesiva fuera del plano, tensión de corte en el plano, desempeño deficiente del desmoldante y tensión del levantamiento, u otros problemas relacionados con la construcción. Sin embargo, para un ingeniero, un puñado de indicadores como la ubicación del agrietamiento, la dirección, la amplitud y el agrietamiento en todo el panel, sugieren que estas grietas se deben a una restricción de la retracción en la base del panel. A pesar de las juntas de panel espaciadas uniformemente en tilt-up, la retracción natural del concreto aún puede ser restringida por los amarres a los paneles adyacentes, a la losa de piso adyacente y a los cimientos, impidiendo el movimiento libre.

Estudio de caso: Edificio de ventas al menudo de tilt-up en San Luis Obispo

Figure 3: Case Study Measured Cracking Pattern

Como parte de este proyecto de investigación, se identificó que un edificio de tilt-up local en San Luis Obispo, California, experimentaba este patrón de agrietamiento y se utilizó en nuestros análisis y modelado en computadora para comprobar nuestra hipótesis de la causa del agrietamiento. Casi cada panel visible mostraba señales del patrón de agrietamiento que se estaba investigando. El panel que mostraba el agrietamiento más distintivo se midió con cuatro grietas predominantes registradas usando dimensiones en el eje horizontal y vertical como se muestra en la figura 3. A continuación, se creó un modelo de computadora de elementos finitos (SAP2000) para predecir de manera independiente si se formarían grietas similares en un panel considerando diferentes condiciones de restricción. Si se predecía el inicio de una grieta, el modelo ayudaría aún más indicando dónde sería probable que apareciera la primera grieta, así como la dirección de recorrido en el panel. Además, era crítico predecir cuándo ocurriría la formación de la grieta y, por lo tanto, fue importante modelar con precisión el comportamiento con el cual el concreto se retrae con el transcurso del tiempo. Esto se logró usando ACI 209R para las predicciones de la retracción dependiente del tiempo. Debido a que el comportamiento de la retracción del material es similar al comportamiento de la contracción térmica, el modelo de computadora de elementos finitos se calibró usando un cambio de temperatura simulado.

El contratista del edificio del caso de estudio reportó que se usaron almohadillas de montaje de lechada cementosa abajo de las juntas del panel en vez de paquetes de cuñas de plástico, potencialmente causando fuerzas de restricción excesivas. Las almohadillas de montaje de lechada a menudo se usan en algunas partes de Estados Unidos. Se decidió introducir al modelo de computadora una resistencia friccional al movimiento de retracción (restricción) en las esquinas inferiores del panel. Debido a que el agrietamiento del concreto ocurre debido a los esfuerzos de tensión interna, los lugares donde el modelo de computadora predice altos esfuerzos de tensión principal evaluados en cada espacio de la cuadrícula de elemento finito son de especial interés. La figura 4
Figure 4: Principal Stresses in Panel
ilustra los altos esfuerzos de tensión principal en azul según se distribuyen en el panel modelado.

Figure 4: Principal Stresses in Panel

Evaluación de los resultados de la computadora

Los resultados del modelo de computadora fueron casi una coincidencia exacta del agrietamiento observado en el campo en la mitad inferior del panel de tilt-up del estudio del caso. Cuando ocurren restricciones excesivas debido a la resistencia friccional de la almohadilla de montaje y/o las conexiones de amarre de la losa y el amarre del cimiento, los esfuerzos de tensión interna superan el módulo de ruptura cerca de la parte inferior del panel, por lo tanto, se predice el agrietamiento. En paneles de concreto de tilt-up, el módulo de ruptura (o punto de agrietamiento) se toma como (7.5× 2/3 ×√(f’c)) o (5×√(f’c)) debido a la restricción interna provocada por el refuerzo (vea Tilt-Up Today, Vol. 15 No. 2, págs. 12-17). Al predecir el agrietamiento, fue importante comprobar si el modelo de computadora podía predecir la dirección de recorrido de la grieta con exactitud. Al iniciar una grieta en el mismo lugar en el modelo de computadora como en el campo y orientando la dirección de recorrido de la grieta perpendicular a las flechas de tensión principal, las grietas predichas del modelo son asombrosamente similares a las observaciones en el campo real como se distingue en las figuras 5, 6, 7 y 8. Esto proporciona pruebas claras que el agrietamiento en este panel y agrietamientos similares encontrados en otros paneles de tilt-up se deben a restricciones de la retracción del panel en la base. En las figuras 5, 6, 7 y 8, se predice que ocurrirá la parte azul de la grieta dado el comportamiento de propagación de grietas del concreto. La propagación de grietas es el comportamiento con el cual un material continúa agrietándose bajo una tensión significativamente menor que la necesaria para iniciar la grieta. La parte en rojo se especula como una extensión de la grieta que ocurre después de que las tensiones iniciales se redistribuyen a medida que avanza el agrietamiento.

 

Figure 5b: Actual Left Crack  /  Figure 5a: Model Predicted Left Crack

Figure 6a: Model Predicted Middle Crack  /  Figure 6b: Actual Middle Crack

Figure 7a: Model Predicted Right Crack 1  /  Figure 7b: Actual Right Crack 1

Figure 8a: Model Predicted Right Crack 2  /  Figure 8b: Actual Right Crack

Conclusiones

Existen suficientes pruebas para afirmar que este patrón de agrietamiento en investigación se debe a las restricciones de la retracción del concreto del panel. El patrón de agrietamiento determinado por el modelo de computadora ofrece una gran concordancia con las grietas reales medidas en el campo. Aunque reducir el potencial de la retracción de la mezcla de concreto puede ayudar a aliviar el agrietamiento resultante, puede ser más significativo reducir las fuentes de restricción externa hacia el panel, dando más libertad al movimiento de retracción. Por ejemplo, donde sea posible, el uso de paquetes de cuñas de plástico en vez de almohadillas de montaje de lechada en los extremos de los paneles reducirá significativamente la restricción friccional. Además, las conexiones entre paneles adyacentes y entre los cimientos y la losa deben analizarse a fondo considerando esta investigación.

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