Por: D. Gary Pickett, P.E., Pickett, Kelm & Associates, Inc.
gpickett@pkainc.com.
En años recientes, particularmente en el centro de Texas, la construcción de muros Tilt-Up ha ganado impulso en la construcción de escuelas públicas. Un caso claro es el Distrito Escolar Independiente de Leander, ubicado al noroeste de Austin y en la esquina suroeste del condado de Williamson. El distrito se ha convertido en un líder innovador en el uso de Tilt-Up para la construcción de nuevas escuelas en su distrito. La escuela preparatoria más reciente del distrito, que actualmente está en construcción, las tres escuelas primarias completadas más recientemente y su sexta escuela secundaria han sido construidas utilizando una combinación de paneles de muros Tilt-Up con aislamiento exterior y sin aislamiento interior. Los miembros de la industria Tilt-Up se beneficiarán al aprender más sobre la adopción de la construcción de concreto Tilt-Up como el sistema estructural de elección para las nuevas instalaciones en el Distrito Escolar Independiente de Leander.
HISTORIA DEL DISTRITO ESCOLAR DE LEANDER
Típico de las primeras épocas rurales de Texas, la educación de los jóvenes en el área de Leander se impartía en los hogares. La primera escuela pública abrió en Leander en 1893. Los empresarios de Leander formaron una asociación de secundaria en 1899 para generar apoyo al desarrollo de un sistema educativo. Para 1907, Leander ofrecía educación desde primer hasta décimo grado. Los estudiantes debían asistir a las escuelas de Liberty Hill o Georgetown para completar los requisitos de graduación. Finalmente, se construyó y completó una escuela en noviembre de 1938 para satisfacer las necesidades educativas del Distrito Escolar de Leander.
En Cedar Park, cercana, una iglesia bautista se usó como escuela pública desde 1871 hasta 1919, cuando se iniciaron dos escuelas nuevas, Cedar Park y Block House. Estas dos escuelas se combinaron para formar la Whitestone School en 1923. La Whitestone School se consolidó con el Distrito Escolar de Leander en 1952.
Tanto Cedar Park como Leander siguieron siendo pequeñas localidades rurales a lo largo de la década de 1960. Sin embargo, a principios de la década de 1970, Cedar Park —seguida poco después por Leander— comenzó a experimentar un período de crecimiento sostenido debido a la expansión de Austin. La expansión y el desarrollo urbanos de Austin, así como el consiguiente aumento del costo de la tierra y del costo de vida, atrajeron a familias al suroeste del condado de Williamson. Cedar Park se constituyó como municipio en febrero de 1973. Leander siguió sus pasos al constituirse en enero de 1978. El rápido desarrollo de las subdivisiones de viviendas alrededor de ambas comunidades también condujo a un crecimiento explosivo del Distrito Escolar de Leander. La construcción de la Escuela Secundaria de Leander se completó en 1984. Desde entonces, el distrito ha construido 17 escuelas primarias, seis escuelas intermedias y tres escuelas secundarias, con otras cuatro escuelas primarias y una escuela intermedia en proyecto. La cuarta escuela secundaria se encuentra actualmente en construcción. La matrícula total de estudiantes ha crecido de 300 en 1948 a aproximadamente 2,500 en 1980 y a más de 22,000 en 2005.
EL ENFOQUE DE LISD
La gestión del crecimiento explosivo del distrito supuso un reto considerable para la administración del mismo. El rápido crecimiento del distrito ha traído consigo la necesidad de construir instalaciones con celeridad. A pesar del ritmo de construcción y de la reciente volatilidad de los costos de construcción, el distrito se esforzó por construir instalaciones escolares de alta calidad que ofrecieran una buena relación calidad-precio, durabilidad y eficiencia, al tiempo que proporcionaran un entorno educativo excepcional. Con ese fin, en 1996, el distrito adoptó un enfoque de colaboración para el desarrollo de las instalaciones en el que participaron arquitectos, ingenieros, gerentes de construcción y el personal del distrito. Se fomentó la comunicación, la cooperación y el verdadero trabajo en equipo entre todas las partes para ayudar a planificar, desarrollar y ejecutar la construcción de nuevas instalaciones escolares que cumplieran con los objetivos funcionales, operativos y presupuestarios del distrito dentro de los plazos ajustados y exigentes que exigía una población en rápido crecimiento. La adopción de sistemas estructurales Tilt-Up para la construcción de nuevas instalaciones escolares fue el resultado de este esfuerzo colaborativo.
Los objetivos del Distrito Escolar Leander para nuevas construcciones incluyen los siguientes:
- Eficiencia energética;
- Alta resistencia al crecimiento de moho;
- Vida útil mínima de 50 años.;
- Expresar un estilo y una envergadura comparables a las instalaciones existentes en el distrito;
- Rentabilidad.
Aunque muchos edificios en todo el estado se construyen con paneles exteriores prefabricados de concreto, el Distrito Escolar de Leander ha sido pionero en el uso de paneles exteriores aislados prefabricados de concreto en combinación con paneles interiores prefabricados de concreto. Los sistemas estructurales para los nuevos edificios escolares en el Distrito Escolar de Leander consisten en lo siguiente:
- Techos: En las aulas, metal de junta alzada con juntas ocultas y inclinadas sobre aislamiento de poliisocianurato sobre cubiertas metálicas. Las cubiertas están soportadas por vigas de acero de celosía abierta y vigas de acero. En áreas distintas de las aulas, los techos consisten en membranas multicapa sobre aislamiento rígido en tablero o concreto sobre cubiertas metálicas. Las cubiertas están soportadas por vigas de acero de celosía abierta y vigas.
- Pisos: Losas de concreto sobre entablado metálico apoyado en estructura de acero.
- Cimentaciones: Losa de concreto apoyada en el suelo con vigas de cimentación y pilotes helicoidales de pared recta
El soporte vertical de las cargas de techo y piso lo proporcionan principalmente los paneles exteriores de concreto Tilt-Up aislados y una combinación de muros interiores de concreto Tilt-Up no aislados y columnas de acero. Los paneles interiores Tilt-Up se proporcionan a lo largo de los pasillos y en las separaciones entre las principales áreas funcionales.
Se evaluó la construcción Tilt-Up (o prefabricada en sitio) y se determinó que cumple los objetivos del distrito. Específicamente, se seleccionó la construcción Tilt-Up debido a lo siguiente:
1. Los paneles de muro Tilt-Up aislados eliminan el riesgo de moho al eliminar la cavidad del muro y los materiales que contienen celulosa en el sistema exterior. El sistema de muro exterior Tilt-Up aislado consta de 2 pulgadas de placa de aislamiento de poliestireno extruido (EPS) intercalada entre un espesor de revestimiento exterior de concreto de 3 pulgadas y el espesor del muro de concreto estructural. El aislamiento se une y se ancla a cada capa de concreto mediante anclajes reforzados con fibra colocados a 16 pulgadas en el centro en cada dirección. No hay vacíos en el muro y el aislamiento de EPS no es un medio propicio para el crecimiento de moho.
Los muros Tilt-Up sin aislamiento también brindan resistencia al crecimiento de moho. Los muros de concreto son mucho más resistentes al crecimiento de moho debido a la exposición al exceso de agua de trapeador y limpieza que los muros construidos de paneles de yeso y montantes.
2. La construcción con paneles prefabricados aislados por el exterior (Tilt-Up) mejora la integridad de la envolvente del edificio. La estanqueidad al agua mejora en comparación con la construcción de muros huecos porque hay menos juntas y no hay cavidades o vacíos dentro del sistema de muros que puedan acumular o atrapar humedad. Como tal, también se reduce la dependencia de selladores y masillas para la impermeabilización y el sellado frente a la intemperie. Además, la construcción Tilt-Up generalmente funciona mejor en eventos climáticos severos, como lluvias de alta velocidad impulsadas por el viento, debido a la menor permeabilidad en comparación con la construcción de muros huecos. La mayor resistencia a la penetración de humedad también contribuye a la resistencia del sistema al crecimiento de moho.
3. Los paneles exteriores de concreto precolado (Tilt-Up) con aislamiento proporcionan un factor de resistencia térmica o factor R más alto y, por lo tanto, aumentan la eficiencia energética del edificio. Los sistemas de muros Tilt-Up aislados, diseñados y construidos adecuadamente, pueden brindar valores R efectivos de 18 a 22 o más, al considerar el efecto de la masa térmica de los muros de concreto. El efecto de la masa térmica del concreto permite que este ralentice o amortigüe el flujo de calor desde el exterior hacia el interior del edificio durante el clima cálido o, en clima frío, que ralentice el flujo de calor en la dirección opuesta. El concreto absorberá y retendrá calor lentamente durante el día y lo liberará durante la noche. El efecto de la masa térmica reduce los extremos de las fluctuaciones de temperatura dentro del edificio. Como resultado, el equipo de refrigeración o calefacción mecánica no necesita trabajar tanto ni por tanto tiempo para mantener un ambiente confortable.
En comparación, un muro de concreto con bastidor de montantes y aislamiento de fibra mineral proporciona un valor R en el rango de 10 a 14. Un muro de revestimiento de mampostería con respaldo de montantes de calibre ligero y aislamiento de fibra mineral proporciona un valor R en el rango de 14 a 18.
La imagen mostrada arriba detalla que, para una temperatura del aire de aproximadamente 28 grados y una temperatura interior de aproximadamente 70 grados, la temperatura en la cara exterior del muro hueco es de aproximadamente 42 grados, mientras que la temperatura de la cara del panel Tilt-Up aislado es de unos 30 grados. La mayor temperatura superficial en el muro hueco se debe a su mayor pérdida de calor.
4. La construcción Tilt-Up proporciona un alto nivel de integridad estructural. En el exterior del edificio, las secciones de paneles de pared monolíticos ofrecen un mayor nivel de resistencia a las cargas fuera del plano que la construcción habitual de muros de mampostería con cavidad, la cual depende de múltiples componentes y conexiones para la resistencia fuera del plano. Además, la combinación deconstrucción de muros Tilt-Up exteriores e interiores proporciona inherentemente una excelente resistencia del edificio a las cargas laterales sin necesidad de marcos arriostrados o resistentes a momentos. Los paneles Tilt-Up actúan como muros de corte para resistir cargas laterales en los edificios.
5. Los paneles de muro Tilt-Up brindan un alto nivel de resistencia al fuego. Los paneles Tilt-Up de los espesores comúnmente utilizados en la construcción escolar, con mallas de refuerzo sencillas, proporcionan índices de resistencia al fuego de dos horas o más sin requisitos adicionales de protección contra incendios. Los muros Tilt-Up también son barreras acústicas efectivas.
6. Rapidez y eficiencia en la construcción. La construcción Tilt-Up aumenta la velocidad de construcción de varias maneras. Los materiales necesarios para el encofrado y la fundición de los paneles de muros Tilt-Up están fácilmente disponibles, lo que reduce el tiempo de preparación para comenzar la construcción de los paneles. Los planos de taller para los paneles Tilt-Up se preparan mientras se llevan a cabo la movilización, la preparación del sitio y la colocación de las losas de fundición (generalmente la losa del piso del edificio).
Una vez que los paneles se han fundido y erigido, la construcción del muro está prácticamente completa. Excepto por las ventanas y puertas, existen requisitos mínimos para oficios adicionales o la instalación de materiales complementarios para terminar los sistemas de muro. Por lo tanto, los edificios “Tilt-Up” (o de paneles precolados) pueden quedar a prueba de agua más rápido que aquellos que utilizan construcción convencional de muro hueco. Además, la construcción "Tilt-Up" elimina prácticamente las columnas exteriores y reduce considerablemente la cantidad de columnas interiores necesarias para el edificio, lo que elimina o reduce el número de pilastras o "salientes" en los muros de acabado que los arquitectos y planificadores de espacios deben sortear. Y, dado que los paneles "Tilt-Up" proporcionan líneas de soporte estructural largas y continuas, la cimentación de pisos y techos se puede diseñar a intervalos regulares para maximizar la eficiencia de las losas y la repetición de los elementos de cimentación y los detalles de conexión.
7. La construcción de concreto precolado (Tilt-Up) es rentable. La capacidad de construir un sistema de muro más simple y completo a nivel del suelo, con fácil acceso, mano de obra mínima, menores requisitos de materiales y componentes, menos oficios y sin necesidad de andamios, proporciona economías significativas en la construcción. Además, con los drásticos aumentos en el costo del acero estructural, los perfiles ligeros y el panel de yeso que han ocurrido en los últimos años, la reducción en los requisitos de estos materiales proporciona ahorros generales en costos de materiales e instalación. Como se señaló anteriormente, la construcción Tilt-Up permite una disposición más eficiente de los sistemas de estructura de techos y pisos, elimina o reduce la necesidad de marcos arriostrados o resistentes a momentos y reduce la cantidad de acero estructural requerida.
8. Los muros Tilt-Up son duraderos. Los muros de concreto brindan niveles de durabilidad drásticamente superiores a los de tablaroca, o incluso a los de mampostería de concreto. En muros interiores, los paneles Tilt-Up proporcionan un respaldo sólido y resistente para acabados aplicados, o pueden pintarse con pintura de alta durabilidad. Aunque pueda ser necesaria una repintada ocasional, los sistemas básicos de muro permanecerán intactos y funcionales mucho más allá de los 50 años. La durabilidad de los muros Tilt-Up es particularmente importante en áreas de alto uso, como pasillos, gimnasios y áreas de educación vocacional.
9. Se puede usar una variedad casi infinita de acabados exteriores. Los acabados de superficie pueden consistir en pintura, pintura texturizada y recubrimientos, hormigón arquitectónico expuesto, ladrillo, mampostería de hormigón, piedra natural, patrones formados y texturas formadas. El Distrito Escolar de Leander ha optado por utilizar principalmente una combinación de ladrillo delgado y hormigón arquitectónico arenado como acabados exteriores para los nuevos edificios escolares.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MURALES PRETENSADOS: ASPECTOS CLAVE
Aunque la aplicación de la construcción Tilt-Up a las escuelas en el Distrito Escolar de Leander ha sido muy exitosa, hay algunos problemas que han requerido atención especial por parte de los equipos de diseño y construcción.
- El diseño de la envolvente arquitectónica del edificio debe integrarse con el diseño estructural del mismo. El desarrollo de las elevaciones exteriores, incluyendo los diseños de ventanas, puertas y marquesinas, debe coordinarse estrecha y cuidadosamente entre el arquitecto y el ingeniero estructural. Por economía, las dimensiones y los diseños de los paneles deben ser tan repetitivos como sea práctico.
- Cuando se utilicen ladrillos delgados, las elevaciones arquitectónicas deben desarrollarse cuidadosamente para tener en cuenta la ubicación de las juntas de los paneles, los detalles de puertas y ventanas, y para coordinar las dimensiones del módulo de ladrillo.
- El diseño de edificios requiere un alto nivel de coordinación entre el arquitecto y los ingenieros estructurales, mecánicos, de plomería y eléctricos. En particular, en los paneles Tilt-Up interiores, las aberturas para conductos, tuberías y canalizaciones eléctricas deben coordinarse con el diseño y las elevaciones de los paneles Tilt-Up.
- Se requiere un mayor nivel de esfuerzo para preparar los planos de taller para paneles de muro con aislamiento exterior. Los planos de taller deben proporcionar dimensiones y detalles para el refuerzo estructural habitual, elementos incrustados y dimensiones. Además, se requieren alzados y detalles adicionales para la cara arquitectónica del panel para abordar adecuadamente la construcción de ladrillo delgado, los diseños de revelación y los detalles de ventanas y puertas. Los planos de taller también deben incluir diseños de conductos eléctricos, cajas de conexiones, interruptores y receptáculos que se incrustarán dentro de los paneles.
- La construcción de los paneles requiere un alto nivel de control de calidad en obra y coordinación por parte del contratista. Los detalles arquitectónicos en la capa exterior y la correcta ubicación de los elementos eléctricos empotrados, así como la coordinación general de estos elementos con el panel de muro estructural, requieren tiempo y atención adicionales por parte del contratista. Los paneles que recibirán un acabado de concreto expuesto requieren que se realice una inspección detallada de la losa de fundición para asegurar que las imperfecciones o defectos en la superficie del lecho de fundición no se reflejen en el panel terminado. Se debe tener extremo cuidado para monitorear y controlar los diseños de la mezcla de concreto para garantizar una variación mínima en el color, la textura o el acabado de los paneles de concreto expuesto.
LOS RESULTADOS
El Distrito Escolar de Leander encargó recientemente a un consultor independiente un estudio para evaluar el desempeño del distrito en cuanto a la construcción de nuevas instalaciones. El informe del consultor proporcionó comparaciones del costo de las instalaciones del distrito recientemente terminadas con las cifras medianas a nivel estatal.
El costo mediano actual de construcción de escuelas primarias en Texas fue reportado por el consultor en $133 por pie cuadrado. Las escuelas primarias más recientes del distrito construidas con Tilt-Up han sido construidas a un costo promedio ajustado por inflación de $127 por pie cuadrado, o un 4.5 por ciento por debajo del costo mediano estatal.
Para las escuelas secundarias, el costo de construcción mediano a nivel estatal se reportó en $145 por pie cuadrado, con un costo del cuartil inferior de $129 por pie cuadrado. El costo ajustado a la inflación de la escuela secundaria más reciente del distrito fue de $121 por pie cuadrado, o 17 por ciento por debajo del costo de construcción mediano estatal.
Cabe señalar que los resultados del Distrito Escolar de Leander no pueden atribuirse a menores costos de construcción en el área central de Texas. El informe del consultor indicó que los costos de construcción en el área de Austin son, de hecho, un cuatro por ciento más altos que los promedios estatales. Además, el distrito generalmente ha seleccionado materiales, sistemas y acabados para las nuevas instalaciones que, en realidad, aumentan los costos de construcción iniciales, pero que generan beneficios en términos de menores costos de mantenimiento y energía.
Chuck Fields, director de Fields and Associates Architects, ve muchos beneficios en el uso de paneles prefabricados aislados para instalaciones educativas. Según Fields, “este enfoque reduce la cantidad de acero estructural requerido, acorta el cronograma de construcción y proporciona una excelente envoltura térmica para reducir los costos operativos del edificio. Además, el uso de ladrillo delgado en los paneles exteriores proporciona la belleza y versatilidad del ladrillo, pero con un nivel de calidad y durabilidad superior al ladrillo colocado a mano. El uso de ladrillo delgado elimina la necesidad de pintar y los costos operativos a largo plazo asociados con la reaplicación periódica de pintura o revestimientos. En general, el sistema de paneles prefabricados de concreto proporciona un método de construcción rentable y resistente al moho, menores costos de mantenimiento y operación a largo plazo, y un sistema de muros exteriores duradero y atractivo.”
Las instalaciones del Distrito Escolar de Leander que han utilizado muros Tilt-Up aislados exteriores en combinación con
Las paredes interiores sin aislar han sido construidas por American Constructors, L.P. Al revisar la construcción terminada, Martin Burger, Vicepresidente Ejecutivo de la empresa, señaló: “El uso de muros Tilt-Up para la construcción de edificios ha evolucionado mucho más allá de las grandes y feas cajas de antaño. Muchos propietarios de edificios, tanto públicos como privados, encuentran este sistema constructivo muy deseable debido a su bajo costo inicial, eficiencia energética, bajo costo de mantenimiento y rapidez de construcción. Además, el sistema proporciona estas ventajas en una envolvente edilicia muy atractiva”.”
En resumen, la innovadora aplicación de la construcción Tilt-Up a proyectos escolares recientes en el Distrito Escolar de Leander, implementada a través de un esfuerzo altamente colaborativo entre el distrito y sus arquitectos, ingenieros y gerente de construcción, ha demostrado ser muy exitosa en el logro de los objetivos del distrito para la construcción de nuevas escuelas.
AGRADECIMIENTOS:
El autor desea agradecer a Jimmy Disler, Director Ejecutivo de Mejoras de Capital para el Distrito Escolar Independiente de Leander; a Martin Burger, Tim Cahalane y Tammy Isley, de American Constructors, LP; y a Chuck Fields, de Fields and Associates, por su asistencia y contribuciones al proporcionar información para este artículo.
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