Refuerzo de paredes en pisos con losa sobre el terreno

1 de julio de 2008

Por: David L. Kelly, consultor — jubilado de Meadow Burke

Este artículo apareció originalmente en la edición de julio de 2007 de ‘Concrete International’.’

En el método de construcción Tilt-Up, los paneles de muros de concreto se vacían típicamente en posición horizontal sobre una losa apoyada en el suelo. Debido a que el tamaño (y el peso) de un panel Tilt-Up típico puede ser bastante alto, los paneles se vacían normalmente cerca de sus ubicaciones finales, y cada panel se levanta y se mueve desde la losa de vaciado a su posición final en una operación continua. Sin embargo, antes de que se desconecte el aparejo de la grúa y la pluma de la grúa se mueva al siguiente panel, cada panel debe ser soportado lateralmente por arriostramientos temporales. Existen problemas y responsabilidades que surgen durante esta importante fase en la vida de un edificio Tilt-Up, el tiempo después de que los paneles han sido erigidos pero antes de que el sistema de resistencia a fuerzas laterales del edificio estabilice los paneles individuales.

UNA CUESTIÓN DE RESPONSABILIDAD

Muchas partes tienen intereses creados en una fase de construcción exitosa para un edificio de concreto Tilt-Up. Los directamente relacionados con el montaje y la estabilidad de los paneles incluyen:

  • El Contratista General (CG);
  • El Subcontratista de Paneles Prefabricados (Tilt-Up);
  • El proveedor de inserciones para Tilt-Up y arriostramientos; y
  • El Ingeniero Delegado que presta servicio especializado para, en este caso, el diseño de los dispositivos de izaje y arriostramiento para los paneles Tilt-Up.

Claramente, el apuntalamiento temporal está dentro del ámbito de estas partes. Pero, si el apuntalamiento temporal está anclado a la losa sobre el terreno, ¿se extiende ese ámbito también al Subcontratista de losa sobre el terreno y al Ingeniero Registrado (también llamado Ingeniero a Cargo o Profesional Principal)?

MÁS QUE UN PISO

Para la mayoría de los edificios “Tilt-Up” (construcción con paneles de concreto prefabricados y elevados), la losa sobre el terreno comprenderá típicamente una parte importante del sistema de resistencia a fuerzas laterales para la estructura, por lo que el Ingeniero Registrado debe asegurarse de que exista un camino de carga desde los paneles de muro (normalmente los muros actúan como muros de corte) a través del piso y hasta el subsuelo. La losa sobre el terreno también debe servir como una superficie de desgaste de alta calidad o como sustrato para los materiales de acabado del piso. Por lo tanto, el diseñador de la losa sobre el terreno (a menudo, el Ingeniero Registrado) y el subcontratista del piso deben prestar especial atención a la rigidez del subsuelo, la dureza y el acabado de la superficie, las vías de servicio (montacargas y cargas de estanterías), el espaciado de las juntas, la transferencia de carga en las juntas, el relleno de las juntas, el refuerzo de la losa y el espesor de la losa. Estos factores se detallan en ACI 360R-06, “Design of Slabs-on Ground” (Diseño de losas sobre el terreno), y ACI 302.1R-04, “Guide for Concrete Floor and Slab Construction” (Guía para la construcción de pisos y losas de concreto).”

Sin embargo, antes de que se complete un edificio de hormigón prefabricado (Tilt-Up), su losa sobre el terreno es a menudo, literalmente, el piso de la fábrica. La losa sirve como área de preparación para los materiales, así como la principal superficie de encofrado para los paneles. Este no es un papel menor, ya que la superficie encofrada puede ser la futura superficie exterior del panel, definiendo en gran medida la calidad estética general de un edificio. En una lista de cargas de construcción potenciales que el diseñador debe considerar, ACI 360R-06 incluye camiones de concreto, volquetes, equipos de grúa y grúas utilizadas para el montaje de acero, el montaje de muros Tilt-Up y la colocación de equipos. La guía señala además que “Algunas de estas cargas pueden exceder los límites de diseño y, por lo tanto, se debe anticipar el caso de carga de construcción, particularmente en relación con la resistencia del concreto en sus primeras etapas”. Lamentablemente, la guía no parece ofrecer advertencias sobre los efectos de las cargas de arriostramiento en una losa sobre el terreno.

Aunque ACI 551.1R-05 establece que los arriostramientos temporales suelen ser diseñados por el ingeniero que diseña los herrajes de elevación para los paneles Tilt-Up, también ofrece poca orientación al Ingeniero de Diseño en cuanto al efecto del arriostramiento en la losa de cimentación. Sin embargo, al menos hay una declaración que insinúa una posible superposición en la responsabilidad del diseño de la losa de hormigón: “Si se deja una franja de la losa hasta que se levanten los paneles, se pueden requerir anclajes para sujetar los arriostramientos hasta que se realicen las conexiones permanentes”.”

Entonces, ¿quién es responsable de asegurar que una losa será capaz de resistir cargas de arriostramiento?

El Ingeniero de Proyecto puede afirmar que el arriostramiento de paneles y el hardware asociado pueden clasificarse como medios y métodos del dominio del Contratista General. Después de todo, mientras se está diseñando el edificio, ¿cómo sabrá el Ingeniero de Proyecto cómo se arriostrarán los paneles o qué tipos de arriostramiento y anclajes se utilizarán (el ingeniero podría ni siquiera saber quién será el Contratista General)?

Cuando se selecciona, el contratista general puede decir que solo se cotizaron los documentos del contrato. Las disposiciones especiales para losas para cargas de arriostramiento, como el espesamiento o la adición de refuerzos a las losas sobre el terreno, pueden no ser responsabilidad del contratista general a menos que este realice por sí mismo el vaciado y montaje de los paneles. El contratista general también puede ser reacio a modificar el diseño de la losa que se muestra en los planos para acomodar las fuerzas de arriostramiento, no solo porque los cambios podrían no ser compensados, sino que también el contratista general podría asumir responsabilidad por el desempeño de la losa durante su vida útil. Finalmente, el contratista general siempre puede argumentar que solo el ingeniero proyectista conoce íntimamente los requisitos del diseño y posee la experiencia necesaria para diseñar adecuadamente la losa.

El subcontratista de Tilt-Up no tendrá control contractual sobre las condiciones de la losa en el suelo y a menudo dependerá de un proveedor de arriostramiento para que proporcione un componente altamente crítico y altamente especializado del sistema Tilt-Up.

El proveedor de arriostramientos normalmente empleará los servicios de un ingeniero delegado que diseñará los arriostramientos y sus conexiones para cargas de viento. El ingeniero delegado rara vez tendrá un contrato o la autoridad para diseñar la losa sobre el terreno. De hecho, la losa sobre el terreno podría estar colocada en el momento en que se complete el diseño del arriostramiento. Finalmente, todos los licitadores pueden argumentar que correrían el riesgo de perder el contrato si incluyeran servicios no indicados en los documentos contractuales.

Entonces, ¿cuáles son las posibles consecuencias de estas relaciones confusas?

  • Los anclajes pueden salirse de la losa. No existen anclajes postinstalados que puedan resistir una carga sustancial en concreto de menos de 5 pulgadas (125 mm) de espesor, por lo que una losa de piso diseñada sin considerar las cargas de arriostramiento puede ser demasiado delgada para desarrollar las fuerzas de anclaje requeridas para los arriostramientos;
  • La losa del piso puede agrietarse. Aun si la losa es más gruesa que 5 pulgadas (125 mm), podría no tener suficiente resistencia para prevenir el agrietamiento por flexión cuando las fuerzas del viento causen levantamiento en los puntos de anclaje. Esto puede llevar a que los anclajes se salgan con cargas inferiores a la capacidad esperada del anclaje; y
  • La losa del suelo puede deslizarse. Las juntas de los paneles de la losa están diseñadas deliberadamente para evitar la transferencia de fuerzas de tensión, y las losas a menudo se construyen con retardadores de vapor de polímero; por lo tanto, las fuerzas de fricción pueden ser limitadas. El deslizamiento puede provocar desalineación de los paneles o, en casos extremos, permitir que un panel se vuelque.

¿Quién (o Qué) Dicta las Fuerzas de Sujeción?

La Asociación de Hormigón Tilt-Up (TCA) publica directrices para determinar las fuerzas de arriostramiento durante la construcción. La versión actual de las directrices de la TCA para el arriostramiento temporal contra el viento utiliza las recomendaciones sobre fuerzas del viento establecidas en la norma SEI/ASCE 37-02,⁶ la norma estadounidense que establece los requisitos mínimos de carga de diseño durante la construcción de edificios. Según la norma SEI/ASCE 37-02, la velocidad básica del viento con un intervalo de recurrencia medio de 50 años puede ajustarse para el período de construcción reducido. En este caso, se supone que el período de construcción es de 6 semanas a 1 año, por lo que el factor de reducción es 0,8. La mayor parte de los EE. UU. se encuentra en una zona de vientos de 90 mph (40 m/s) (intervalo de recurrencia de 50 años, velocidad de ráfaga de 3 segundos), por lo que la TCA recomienda una velocidad mínima del viento de 72 mph (32 m/s) para las cargas de arriostramiento, lo que da como resultado las presiones uniformes equivalentes en estructuras sólidas tipo letrero que se indican en la Tabla 1. En las regiones costeras, se requiere el uso de cargas de viento más altas para el diseño de edificios, pero la norma SEI/ASCE 37-02 permite el uso de una velocidad de viento de diseño de edificios de 90 mph (40 m/s) (velocidad de viento de diseño de arriostramiento de 72 mph [32 m/s]) si se toman precauciones especiales durante la temporada de huracanes.

Según la Sección 8 de las directrices de arriostramiento de la TCA, la losa de piso, el cimiento o los contrafuertes deben diseñarse con la resistencia y el peso suficientes para resistir las cargas de arriostramiento aplicadas, utilizando un factor de seguridad mínimo de 1.5. La sección proporciona un método para estimar el espesor requerido de una losa de piso para anclar de forma segura los arriostramientos de muros y recomienda al diseñador considerar el tipo y la ubicación de las juntas, el espesor y el refuerzo de la losa, la resistencia del concreto en la losa, y el tamaño y la ubicación de las franjas de cierre de la losa. Para la resistencia al deslizamiento, se recomienda un coeficiente de fricción de 0.5.

El espesor requerido de la losa se estima utilizando las Ecuaciones (1) a (3), que se basan en la geometría ilustrada en la Figura 3. Estas ecuaciones solo consideran la resistencia al deslizamiento. El pandeo de la losa debido a la sobrepresión debe verificarse por separado.

S = (1.5WpH2)/[2(V + Y)] (1)

U = S (V/X) (2)

T = (2S + U)/[wc(J – P)] (3)

Donde S es la fuerza de deslizamiento en lb/ft (kN/m) incluyendo el factor de seguridad; U es la fuerza de levantamiento en lb/ft (N/m) incluyendo el factor de seguridad; T es el espesor requerido de la losa, ft (m); Wp es la presión del viento en psf (kPa); H es la altura total del panel en ft (m); V es la altura de la conexión del soporte sobre la losa del piso en ft (m); Y es la distancia de la parte superior del cimiento a la parte superior de la losa en ft (m); X es la distancia de la cara del panel a la conexión del piso para el soporte en pies (m); wc es el peso unitario del concreto en lb/ft3 (kN/m3); J es la distancia de la cara interior del panel a la primera junta de la losa más allá del punto de anclaje en pies (m); y P es el ancho de la tira de cierre en pies (m).

Las pautas señalan que el método para estimar el espesor de la losa puede no ser adecuado para las condiciones en las esquinas de los edificios o donde las cargas de arriostramiento se concentrarán. También recomiendan que la losa del piso sea diseñada “por un ingeniero profesional para resistir las fuerzas aplicadas de arriostramiento proporcionadas por el diseñador de arriostramiento”. Desafortunadamente, a menos que el edificio esté siendo construido por una empresa de Diseño-Construcción o el Ingeniero Registrado incorpore a un proveedor de arriostramiento en el proceso de diseño, es poco probable que el diseñador de losas tenga algún contacto con el proveedor de arriostramiento. Por lo tanto, incluso las pautas de arriostramiento de la TCA no proporcionan una asignación clara de la responsabilidad por los efectos de las cargas de arriostramiento en las losas.

TORMENTA Y ESTRÉS

Usaré un ejemplo simple para ilustrar algunos de los posibles problemas. Un gimnasio de escuela primaria ha sido diseñado con muros de 30 pies (9.1 m) de altura. La parte superior de las zapatas está 2 pies (0.6 m) por debajo del nivel del terreno y del nivel del piso terminado. La losa de piso sin refuerzo sobre el terreno tiene 4 pulgadas (100 mm) de espesor con un espaciamiento entre juntas de 16 x 16 pies (4.9 x 4.9 m). La losa del piso tiene una franja de cierre de 4 pies (1.2 m) de ancho adyacente al panel, y la primera junta de la losa está a 20 pies (6.1 m) de la cara interior del panel. ¿Se puede anclar el panel de forma segura al piso?

El panel de 9.1 m (30 pies) de altura debe verificarse con una carga de viento de construcción de 0.6 kPa (12.5 psf). Las conexiones de los soportes al panel estarán a 2/3 de la altura del panel o 6.1 m (20 pies) sobre la cimentación. Para mantener un ángulo de arriostramiento de 50 a 60 grados y mantener el anclaje del soporte cerca de la línea central del panel de la losa de la planta baja, las conexiones del soporte estarán a 3.65 m (12 pies) de la cara del panel.

Asumiendo que la carga total de arriostramiento es soportada únicamente por el panel de losa de piso más cercano al panel de muro.

S = [1.5(12.5 psf)(30 ft)2]/[2(18 ft + 2 ft)] = 422 lb/ft

U = 422 lb/ft(18/12) = 633 lb/ft

T = [2(422 lb/pie) + 633 lb/pie]/[150 lb/pie³(20 pie – 4 pie)]

= 0.62 pies o 7.4 pulg. (unidades pulg.-lb)

S = [1.5(0.6 kPa)(9.1 m)²]/[2(5.5 m + 0.6 m)] = 6.1 kN/m

U = 6.1 kN/m(5.5/3.65) = 9.2 kN/m

T = [2(6.1 kN/m) + 9.2 kN/m]/[23.6 kN/m³(6.1 m – 1.2 m)]

= 0.19 m o 190 mm (unidades SI)

Entonces, una losa de 4 pulgadas (100 mm) es demasiado delgada para proporcionar suficiente resistencia al deslizamiento. Sin embargo, si la losa ya está instalada, ¿qué se puede hacer para garantizar la seguridad de los trabajadores?

Reacondicionamiento

Para proporcionar mayor resistencia al deslizamiento, es posible instalar tirantes temporales a través de las juntas de losa utilizando, por ejemplo, anclajes de expansión instalados a través de placas metálicas (Fig. 4). El diseñador de arriostramiento puede entonces asignar fuerzas de levantamiento al primer panel de losa y fuerzas de deslizamiento tanto al primer como al segundo panel de losa. El espesor de losa requerido para resistir el deslizamiento es

T = [2(422 lb/ft) + 633 lb/ft)]/[150 lb/ft3(32 ft)]

= 0.31 pies o 3.7 pulgadas. < 4 pulgadas. (unidades pulg.-lb)

T = [2(6.1 kN/m) + 9.2 kN/m]/[23.6 kN/m3(9.8 m)]

0,09 m o 90 mm < 100 mm (unidades SI)

El espesor de la losa requerido para resistir la succión es

T = (633 lb/pie)/[150 lb/pie³(20 pie – 4 pie)]

= 0.26 pies o 3.2 pulg. < 4 pulg. (unidades pulg.-lb)

T = (9.2 kN/m)/[23.6 kN/m³(6.1 m – 1.2 m)]

0.08 m u 80 mm < 100 mm (unidades SI)

Para una losa de 4 pulgadas (100 mm), la longitud requerida para proporcionar el peso suficiente para resistir el levantamiento es

(633 lb/ft)/[0.33 ft(150 lb/ft3)] = 12.8 ft (unidades pulg.-lb)

(9.2 kN/m)/[0.1 m(23.6 kN/m3)] = 3.9 m (unidades SI)

Pero, ¿la losa de 4 pulgadas (100 mm) puede resistir el levantamiento? La conexión del soporte está centrada en una zona de flexión de 12.8 pies (3.9 m), por lo que la cantidad de losa en voladizo desde el punto de soporte se puede asumir como la mitad de esta longitud.

Así, el momento flector M será:

M = (0.33 pies)(150 lb/pie³) (6.4 pies)²

2

1014 pies-libra

ft

(unidades pulg.-lb)

M = (0.1 m)(23.6 kN/m³) (1.95 m)² / 2

= 4.49 kN•m

m

(Unidades SI)

El módulo de sección para un ancho unitario (1 pie o 1 m) de una losa de 4 pulgadas (100 mm) de espesor será de 32 pulg³ (1.67 x 10⁶ mm³), por lo que la tensión de flexión será de 380 psi (2.7 MPa). Dado que se trata de un problema de seguridad de vida, se utilizará una resistencia a la flexión para el concreto de la losa de 5 (0.4). Con f’c = 4000 psi (28 MPa), la resistencia a la flexión será, por lo tanto, de 316 psi (2.1 MPa). La losa debe ser reforzada para la flexión, pero, en este caso, ya está instalada. ¿Y ahora qué?

La flotación puede reducirse añadiendo lastre cerca de los soportes; un tambor de 55 galones (200 L) lleno de agua reducirá la flotación neta en aproximadamente 450 lb (2 kN) (Fig. 5). La mayoría de los anclajes de piso tienen un límite de carga de trabajo ascendente de 3200 lb (14.2 kN) en concreto de 4 pulgadas (100 mm) de espesor, por lo que el espaciado máximo entre soportes será

3200 lb/633 lb/ft = 5 ft (unidades pulg.-lb)

14.2 kN / 9.2 kN/m = 1.5 m (Unidades SI)

El lastre no eliminará la necesidad de unir los paneles de la losa, pero sí reducirá el esfuerzo de flexión. La fuerza neta de levantamiento será soportada por una longitud de losa dada por

[633 lb/pie – (450 lb/5 pies)]/[0.33 pie(150 lb/pie³)]

= 11 pies (unidades pulg.-lb)

[9.2 kN/m – (2 kN/1.5 m)]/[0.1 m(23.6 kN/m³)]

= 3.3 m (unidades SI)

La tensión de flexión resultante del voladizo de 5.5 pies (1.65 m) será de 281 psi (1.9 MPa). Aunque la losa de 4 pulgadas (100 mm) de espesor se puede usar para anclar el arriostramiento del panel, la losa delgada requerirá que dos paneles de losa estén unidos y se utilicen numerosos tambores de lastre. ¿Qué hubiera pasado si el diseñador de la losa hubiera considerado los efectos del arriostramiento?

DISEÑALO

Si el diseñador de la losa hubiera considerado los efectos de arriostramiento, se podría haber requerido una losa de 5 pulgadas (125 mm) de espesor en la primera bahía. El espaciado de los arriostramientos sería entonces una función de la capacidad de pandeo del arriostramiento y de las zapatas, no de la capacidad del anclaje del arriostramiento. La fuerza de levantamiento de los arriostramientos sería resistida por una longitud de losa de

(633 lb/ft)/[0.42 ft(150 lb/ft3)] = 10 ft (unidades plg-lb)

(9.2 kN/m)/[0.125 m(23.6 kN/m³)] = 3.1 m (unidades SI)

La tensión de flexión resultante sería de solo 188 psi (1.4 MPa). Por lo tanto, la losa no requeriría refuerzo a flexión ni lastre. Aunque la fuerza de deslizamiento seguiría siendo demasiado grande para ser resistida únicamente por el panel de la losa del primer piso, sería necesario instalar solo un refuerzo ligero a través de la primera junta. Muchos proyectos se han completado con éxito utilizando un ancho de 8 pies (2.4 m) de refuerzo de alambre soldado 6×6-W2.9xW2.9 (152×152-MW19xMW19) en la junta de contracción crítica. Alternativamente, el contratista de Tilt-Up podría instalar anclajes temporales a través de la primera junta de la losa o soportes para el panel o el cimiento (Fig. 6).

TÍPICAMENTE MÁS ALTO

A medida que la industria Tilt-Up continúa creciendo, también lo hacen las alturas de los muros. Ahora, los edificios Tilt-Up de varias plantas se están convirtiendo en una aplicación popular, lo que lleva a alturas de muros que superan los 75 pies (23 m).

Claro, muros tan altos van a crear numerosos desafíos que están fuera del alcance de este artículo. Sabiendo que la elevación de las conexiones de los soportes superiores estará aproximadamente al 60 por ciento de la altura del panel y que la distancia desde la cara del panel hasta las conexiones de los soportes inferiores será del 33 al 40 por ciento de la altura del panel, el diseñador del edificio debe considerar numerosas preguntas antes de que se emitan los documentos de construcción, que incluyen:

  • ¿Dónde estará ubicada la grúa?
  • ¿Los paneles se sujetarán al interior o al exterior del edificio?
  • Si los paneles se refuerzan por dentro, ¿interferirán los refuerzos con la instalación de pisos intermedios?
  • Si los paneles se refuerzan hacia el exterior, ¿interferirán los refuerzos con las operaciones de la grúa y el tráfico?
  • ¿Serán los paneles lo suficientemente resistentes para abarcar entre los puntos de sujeción?

 

Especialmente para estructuras altas, recomiendo que el Ingeniero Diseñador proyecte un método de arriostramiento en la estructura. Las opciones disponibles incluyen el uso de:

  • Paneles de losa reforzada en las áreas afectadas por el arriostramiento;
  • Orillas para transferir fuerzas deslizantes a la cimentación del panel (Fig. 6);
  • Muros empotrados para transferir fuerzas de deslizamiento al subsuelo (Fig. 7);
  • Cimentaciones integrales de pilotes continuos o pilotes perforados (Fig. 8);
  • Anclajes discretos, que consisten en anclajes helicoidales o de palanca que se perforan o presionan en la tierra en el ángulo de arriostramiento y se unen directamente al soporte, teniendo en cuenta que los paneles probablemente necesitarán ser fundidos en una losa de fundición separada o arriostrados al exterior; y
  • Bloques de concreto prefabricado (a menudo llamados "bloques ecológicos") que se pueden trasladar al sitio. Estos se usan típicamente para anclar el nivel más bajo de los arriostramientos y deben diseñarse utilizando un coeficiente de fricción apropiado, incluyendo un factor de seguridad de 1.5, así como considerando el vuelco.

 

 

PLAN PARA EL FUTURO

Si bien el Ingeniero Responsable debe determinar las condiciones de carga de servicio para un edificio, el Ingeniero Responsable podría no tener información suficiente para proporcionar el diseño final de la losa del piso para efectos de arriostramiento. Quizás, sin embargo, los siguientes métodos se puedan utilizar para proporcionar un mejor valor y reducir el riesgo para propietarios, ingenieros, contratistas y subcontratistas:

  • En la fase de diseño, utiliza las pautas TCA para estimar la carga de viento, la longitud del arriostramiento y las fuerzas de arriostramiento, a fin de determinar el espesor de la losa, el refuerzo y el área de losa afectada necesarios para soportar las fuerzas de arriostramiento; y
  • En los documentos de construcción, indique:

 

    1. El espesor típico de la losa y el refuerzo requeridos para las cargas de servicio;
    2. Zonas con mayor espesor, refuerzo o ambos, requeridas para resistir las fuerzas de arriostramiento estimadas;
    3. Supuestos y fuerzas utilizadas para llegar a los valores estimados;
    4. Una declaración de que las fuerzas de arriostramiento han sido estimadas; y
    5. Una declaración de que un Ingeniero Delegado debe proporcionar el diseño final y los cálculos de arriostramiento que indiquen cómo se resistirán las fuerzas de arriostramiento.

Esto permitirá al contratista mayor flexibilidad para discutir y considerar métodos alternativos con sus proveedores antes de que se presente la oferta, cuando todavía hay tiempo para la optimización del sistema Tilt-Up.

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