Por Craig Coppersmith, PE, C2 Consulting LLC

Desde principios de la década de 1980, los paneles emparedado de concreto aislados se han estado utilizando como una técnica de diseño y construcción para tilt-up. Estos tipos de paneles están formados por un muro de media asta de concreto interior y exterior, separados por una capa de aislante de espuma rígida. Se utilizan conectores para sujetar los dos muros de media asta de concreto. A la fecha, la mayoría de los paneles aislados se han diseñado utilizando una acción no compuesta, lo que significa que solo un muro de media asta de concreto era considerado para la integridad estructural del panel. La aceptación y adopción generalizada del International Energy Conservation Code (Código Internacional de Conservación de Energía, IECC) ha reforzado los beneficios de aislar los sistemas de paneles emparedado y ha motivado a muchos en la industria de tilt-up a buscar maneras de maximizar el desempeño y la constructividad al crear una norma para el comportamiento compuesto de sistemas aislados. Con este objetivo, la Tilt-Up Concrete Association (TCA) ha colaborado con la Escuela de Ingeniería y Construcción Arquitectónica de la Universidad de Nebraska para llevar a cabo lo que se cree que son las pruebas de campo a gran escala más importantes de este tipo. El objetivo del estudio es desarrollar una metodología de diseño de muros esbeltos que pueda predecir el comportamiento compuesto bajo fuerzas axiales y de flexión combinadas. 

“Este es un momento emocionante para la comunidad de ingeniería mientras avanzamos la comprensión del comportamiento de paneles tilt-up parcialmente compuestos en un elemento de concreto agrietado”, dijo Philip Kopf, PE, SE, FTCA, Codirector del Grupo de Tareas de Ingeniería en Paneles Emparedado Compuestos con Kopf Consulting Group, Inc. “Mientras que los paneles parcialmente compuestos se han usado en un elemento de concreto agrietado pretensado, realmente no comprendemos el comportamiento en un elemento de concreto agrietado. Esta es la primera prueba significativa a gran escala de paneles de tilt-up desde principios de 1980. Creo que el conocimiento que obtendremos de este programa de pruebas de compuestos parciales será de la misma importancia que las pruebas a gran escala de paneles sólidos realizadas en ese entonces”.

Al momento de escribir este artículo, la fase de pruebas del estudio estaba terminada en su mayor parte. Se espera que las pruebas de los dos últimos paneles se lleven a cabo esta primavera y se espera que el análisis de los datos y un informe resumido muy esperado se ofrezca más adelante en 2021. Ciertamente, este es un momento emocionante para el avance de los protocolos de diseño que utiliza una acción compuesta de los paneles emparedado de concreto aislados en la construcción de tilt-up. 

LIDERAZGO DEL ESTUDIO

Agencia/supervisión de las pruebas

Marc Maguire, PhD – Escuela Durham de Ingeniería y Construcción Arquitectónica, Universidad de Nebraska-Lincoln

Grupo de trabajo de ingeniería sobre los paneles emparedado compuestos

Andrew McPherson – Seretta Construction, Inc.

Craig Olson, PE – C. E. Doyle, LLC

James R. Baty – Tilt-Up Concrete Association

John Hart, PE, SE – Peak Engineering, Inc.

Jeffrey R. Needham, PE, SE, FTCA – Needham DBS

Marc Maguire, PhD – Universidad de Nebraska-Lincoln

Mitch Bloomquist – Tilt-Up Concrete Association

Philip Kopf, PE, SE, FTCA – Kopf Consulting Group, Inc.

Scott Collins, PE – Leviat

Kimberly Waggle Kramer, PhD, PE, SE, FACI – Universidad Estatal de Kansas

Joseph J. Steinbicker, PE, SE, FTCA – Steinbicker & Co., LLC

Jim Lintz, PE – LJB Inc.

Contratista para la muestra de prueba y montaje

Steve Miers – Tilt-Up Concrete, Inc.

Consejo de asesores de los fabricantes participantes 

Brad Nesset – Leviat

Matt Saguibo – HK Composites

Sean Hirka – Dayton Superior Corporation

Joel Foderberg – Iconx LLC

Kim Blackburn – Innovative Structural Solutions

Administración del proyecto en el sitio

Craig Coppersmith, PE – C2 Consulting LLC

Director de Fotografía

Tim Lillethorup – Lillethorup Productions, Inc.

CONSTRUCCIÓN 

Los paneles de prueba se construyeron entre el 14 de septiembre de 2020 y el 29 de octubre de 2020. Los paneles de prueba se construyeron en un “sitio de la obra preparado” expuestos a los elementos (no en un entorno en interiores/ “controlado”).

Construcción de todos los paneles de prueba: las cuadrillas de Tilt-up Concrete, Lincoln, Nebraska, propiedad de Steve Miers, completaron todas las actividades de construcción necesarias para fabricar, terminar y levantar los paneles de prueba.  

Durante la construcción de los paneles, el revenimiento del concreto se verificó y se hicieron los cilindros de concreto y vigas de flexión para efectuar las pruebas de compresión y tensión. Los asistentes de posgrado, que trabajaban para la universidad, gestionaron y llevaron a cabo todas las pruebas del material a lo largo de la construcción de los paneles de prueba a fin de verificar las propiedades del material de concreto. Además, instalaron y monitorearon los indicadores de tensión y deformación.

Tamaño y configuración de los paneles de muros emparedado aislados: se construyeron tres (3) paneles de prueba para cada sistema de paneles aislados específico. Cada panel de prueba se construyó con dimensiones generales de 41’ de largo y 4’ de ancho. Todos los paneles de muro emparedado aislados (excepto los paneles Innstruct que usan un sistema diferente) se construyeron usando una configuración de 3 muros de media asta que consistieron en 4” de concreto, 2” de aislante y 4” de concreto para un espesor de panel total de 10”. La configuración de pasador/tirante fue la que el proveedor del sistema de paneles aislados apropiado determinó y especificó. Los tapetes de refuerzo consistieron en una barra de refuerzo #4 con 6 barras longitudinales y una distancia de 1 ¾” desde el borde de la barra longitudinal hasta la cara del concreto. Todos los paneles de prueba se construyeron con rodillos de media caña de acero insertados en cada extremo (a lo largo de la dimensión de 4’) para permitir que se aplicaran cargas de prueba apropiadas. 

Debe considerarse que la muestra de prueba de esfuerzo cortante doble también se construyó para cada tipo de conector/pasador a fin de probar y verificar el respectivo desempeño del material.

Tamaño y configuración del panel de prueba de control: también se construyeron paneles de control sin aislante para fines de comparación, los cuales se construyeron con dimensiones generales de 41’ de largo x 4’ de ancho. El espesor de panel de los paneles de control fue de 8”. Los tapetes de refuerzo consistieron en una barra de refuerzo #4 con 6 barras longitudinales y una distancia de 1” desde el borde de la barra longitudinal hasta la cara del concreto. Todos los paneles de control se construyeron con rodillos de media caña de acero insertados en cada extremo (a lo largo de la dimensión de 4’) para permitir que se aplicaran cargas de prueba apropiadas. 

Resumen de los paneles construidos: 

Panel System	# Panels
HK Composites	3
Thermomass	3
IconXusa	3
Dayton Superior	3
Innstruct	3
Control Panel	3
TOTAL	18

Diseño de la mezcla de concreto: el concreto se compró a compañías de mezclas listas para usar, Ready Mixed Concrete Company y Husker Ready Mixed Concrete que pertenecen a NEBCO, Inc. Las dos compañías de mezclas listas para usar tuvieron acceso al diseño de la mezcla aprobada por el grupo de trabajo de la TCA. En la mayoría de los casos, se utilizó Glenium para mejorar el flujo y la facilidad de trabajo de la mezcla. El Dr. Maguire del equipo de la Universidad de Nebraska proporcionará los datos detallados en el informe final sobre los pormenores del diseño de la mezcla y los aditivos que se utilizaron y que fueron proporcionados por las compañías de mezclas listas para usar de NEBCO. 

Compuesto de curado: todos los paneles de prueba fueron curados utilizando Silcoseal Select Cure y desmoldante como los fabrica Nox-Crete Products Group, Inc. 

Sensores internos: cada panel de prueba se coló con (2) indicadores de tensión vibrante y (1) indicador de humedad relativa (HR) estratégicamente colocados en cada muro de media asta de todos los paneles. Los indicadores de tensión monitorearon la temperatura y las tensiones internas longitudinales a lo largo de la vida del panel de prueba. Todos los sensores colocados en el interior están siendo (y continuarán siendo) monitoreados continuamente. 

PRUEBAS

Las pruebas de los paneles se hicieron en el “sitio de la obra preparado” donde se construyeron los paneles. Las pruebas se llevaron a cabo entre el 7 de diciembre de 2020 y el 23 de enero de 2021. Al momento de redactar este artículo, aún faltaba llevar a cabo pruebas en dos paneles.  

Las pruebas consistieron en aplicar cargas muertas axiales al extremo del panel y se aplicaron fuerzas laterales usando una presión distribuida desde una bolsa de aire. El aparato de prueba para aplicar estas cargas se sometió a un protocolo de verificación a fin de asegurar un desempeño y recolección de datos exactos. “Durante la prueba de carga en cada panel, los 44 sensores resultaron en aproximadamente 1,000,000 de datos en total recolectados y analizados para cada uno de los 19 paneles sometidos a pruebas hasta la fecha”, dijo Marc Maguire, PhD, Facultad Durham de Ingeniería y Construcción Arquitectónicas, Universidad de Nebraska-Lincoln.

La orientación del panel, para fines de las pruebas fue de 41’ del largo del panel (altura) avanzando horizontalmente y 4’ del ancho avanzando verticalmente (es decir, el panel colocado lateralmente). Durante las pruebas, se midieron las flechas en puntos de ¼ y a medio tramo, así como desplazamientos diferenciales del muro de media asta. También se monitorearon las cargas en cada ubicación de impacto y desde la bolsa de aire, así como las cargas muertas axiales.

“Los datos reunidos mostraron que todos los sistemas de conexión compuestos excedían la carga considerada de diseño del panel”, dijo Maguire. “Un representante de cada fabricante estuvo presente para observar la construcción y la prueba de los paneles. Estos datos se están usando actualmente para desarrollar modelos analíticos para que ingenieros diseñen muros parcialmente compuestos en el rango de agrietamiento posterior: un requisito para un diseño de muro delgado”.

Se hicieron pruebas en las muestras de esfuerzo cortante doble a fin de verificar el desempeño del material de los conectores. Se realizó una prueba de esfuerzo cortante doble para todos los conectores involucrados en el estudio. Esta prueba es la manera en la cual la unidad de fortaleza y rigidez de un conector pueden determinarse para el diseño. Un ejemplo de una prueba de esfuerzo cortante doble se muestra en la página 39.

RESULTADOS, CONCLUSIONES Y PASOS SIGUIENTES

“En el momento, están ocurriendo dos iniciativas dentro del American Concrete Institute con respecto al valor en la posición y el progreso de esta investigación”, dijo James R. Baty II, F.ACI, F.TCA, Gerente de Asuntos Regulatorios y Técnicos de la TCA. “ACI 551 – Concreto Tilt-Up se está moviendo hacia la próxima versión de la Guía de Diseño (551.2R). Este documento reporta en el método apropiado para diseñar paneles de tilt-up y brinda múltiples ejemplos sobre cómo aplicar el ACI 318 a tipos de paneles comunes. El comité tiene la intención de ampliar la guía actual para incluir paneles de tilt-up aislados, particularmente en relación con el comportamiento semicompuesto. Hay numerosos miembros de la TCA presentes en este comité con nivel de voto quienes serán desafiados por la incorporación de la investigación oportuna”, Además, Baty, es un miembro con voto en ACI 319 – Código de Concreto Estructural Prefabricado. Este comité fue creado inicialmente como un esfuerzo conjunto entre ACI y el Precast/Prestressed Concrete Institute. Se amplió para incorporar la perspectiva de ACI 318 sobre qué constituye concreto prefabricado por su definición, lo cual incluye el vaciado en el sitio de tilt-up o los elementos de construcción de muros de tilt-up. “Mientras que esta investigación establece el nuevo estándar para comprender el comportamiento de paneles aislados semicompuestos, será en el interés de la TCA asistir en el desarrollo de secciones específicas para este nuevo código”, dijo Baty.

El Dr. Maguire presentará los resultados, conclusiones y pasos siguientes en la Convención y Exposición de Tilt-Up que se celebrará en St. Louis, Missouri. Se presentarán las generalidades en una sesión general el 17 de septiembre, así como un análisis profundo para quienes estén interesados el día 18.

“El trabajo de este programa de pruebas brindará a los ingenieros procedimientos de diseño sólidos para crear paneles de concreto más económicos, más altos y mejor aislados para la próxima generación de la construcción de tilt-up”, dijo Jeffrey R. Needham, PE, SE, FTCA con Needham DBS. “Además, valida los procedimientos de diseño actuales que no han sido verificados desde principios de 1980, a pesar del aumento importante en el tamaño y complejidad de los paneles. Por último, los resultados de pruebas tempranas indican que los paneles semicompuestos de tilt-up muestran una fortaleza significativa y un rendimiento de flexión similar a las proyecciones del viejo ‘Libro Verde’”.