Por: Mark E. Remmetter, P.E., Shane A. Walters, P.E., Joseph J. Steinbicker, P.E., S.E., Steinbicker and Associates
La construcción Tilt-Up continúa creciendo a un ritmo récord. En los últimos tres años, se han construido aproximadamente mil millones de pies cuadrados de paneles de muro Tilt-Up para proporcionar alrededor de 2.3 mil millones de pies cuadrados de espacio utilizable. Si bien un porcentaje significativo de este crecimiento ha provenido de la construcción de edificios de una sola planta, el mercado Tilt-Up de múltiples plantas ha comenzado realmente a florecer. El diseño de estos edificios Tilt-Up de múltiples plantas es significativamente más complejo que el de los edificios de una sola planta.
EOR frente a ingeniero especializado
Si bien muchos edificios de varios pisos construidos con paneles prefabricados en sitio (Tilt-Up) son diseñados en su totalidad por el ingeniero responsable (EOR), a menudo el diseño de los paneles Tilt-Up se deja en manos de un ingeniero especialista en Tilt-Up. Esta delegación de funciones no tiene por qué ser un evento estresante para ninguno de los dos profesionales, siempre que cada uno sea consciente de sus responsabilidades específicas. El alcance del ingeniero especialista en Tilt-Up puede limitarse únicamente al diseño del espesor del panel y el refuerzo, o puede incluir muchos otros elementos, como el análisis de estabilidad de vuelco del panel y el diseño de las conexiones panel-estructura y panel-panel.
Es muy importante que el EOR aclare en los documentos de diseño qué se espera del ingeniero especialista en Tilt-Up. Las cargas de piso y techo hacia los paneles de muro deben listarse en los planos de estructura, incluyendo tanto las reacciones de viga como las cargas distribuidas, como las que se presentan a lo largo de un muro de extremo. Estas cargas gravitacionales deben desglosarse en componentes de carga muerta y viva para lograr un diseño eficiente de los paneles de concreto. Las cargas de succión por viento también deben especificarse para los elementos de la estructura del techo.
Debería ser evidente a partir de los planos de diseño si se espera que los paneles Tilt-Up resistan cargas laterales en el plano de los diafragmas de piso y techo. Deben proporcionarse los valores de diseño para las cargas de viento y sísmicas si son aplicables. Cada plano de planta debe indicar las cargas a cada muro individual que participa en la resistencia a las cargas laterales. Tenga en cuenta que estas cargas pueden variar de un piso a otro, especialmente en áreas de alta sismicidad.
CARGAS EN EL PLANO Y ESTABILIDAD LATERAL
Muchas de las estructuras de concreto precolado de varios pisos que se construyen actualmente son edificios de oficinas. Estos varían de tres a seis pisos, suelen ser rectangulares en planta y tienen paneles de concreto precolado con numerosas aberturas para ventanas. En un edificio de oficinas rectangular, los muros extremos pueden no tener suficiente capacidad o estabilidad de volteo para resistir las cargas laterales. En este caso, se debe proporcionar arriostramiento interior o muros de corte para resistir las cargas laterales en la dirección corta del edificio. La rigidez del arriostramiento o de los muros de corte debe compararse con la rigidez de los muros extremos para asegurar que estos últimos no terminen resistiendo las cargas laterales.
El diseño de paneles con numerosas aberturas es mucho más complejo que el de paneles macizos simples. Si bien el esfuerzo cortante en el plano suele expresarse como una carga por metro de longitud de muro, la distribución de esta carga entre paneles adyacentes no suele ser uniforme. Las cargas laterales se distribuyen entre los paneles del muro en función de la rigidez relativa de las secciones de los pilares de hormigón situadas entre las aberturas de los paneles. Este método de distribución de cargas se aplica no solo entre paneles, sino también entre franjas dentro de un mismo panel. Para edificios de varios pisos con muchos paneles y aberturas, lo más eficiente es modelar cada pared como una serie de marcos de hormigón, incluyendo tanto las tiras de columnas entre aberturas como las tiras de vigas por encima y por debajo de las aberturas de cada panel. Los paneles se unen entre sí en cada nivel de piso en el modelo, de modo que las cargas laterales se distribuyen a través de ellos. Las cargas verticales también se incluyen en este análisis, lo que proporciona una imagen completa de las cargas axiales, los esfuerzos cortantes y los momentos flectores en las tiras de columnas y las tiras de vigas.
No es inusual encontrar que el resultado de las cargas verticales se desplace hacia un lado del panel debido al efecto de vuelco de las cargas laterales. Debido a la acción de pórtico del panel, las franjas de viga por encima y por debajo de las aberturas pueden estar sujetas a cortantes y momentos relativamente grandes que deben tenerse en cuenta en el diseño del refuerzo del panel. El diseño de las franjas de columna debe tener en cuenta las cargas axiales, los momentos en el plano del análisis de pórticos y los momentos fuera del plano causados por efectos de viento o sísmicos.
PANELES PORTANTES FRENTE A PANELES NO PORTANTES
Los paneles de muro de concreto precolado para edificios de varios pisos pueden ser portantes o no portantes para los miembros de estructura interior. Para paneles no portantes, se proporcionan columnas perimetrales y vigas de borde para soportar las cargas verticales de piso y techo. Los paneles portantes eliminan la necesidad de esta estructura perimetral, lo que en la mayoría de los casos conduce a un diseño más económico. Además, el uso de paneles no portantes como muros de corte es algo difícil, ya que la conexión entre el panel y la estructura debe acomodar la deflexión vertical de la estructura perimetral. De hecho, es deseable utilizar paneles portantes como muros de corte porque las cargas verticales adicionales aumentan la resistencia al vuelco.
Algunos edificios de oficinas de varios pisos recientes han utilizado una combinación de paneles portantes y estructuras perimetrales. Las vigas de piso típicas en las paredes laterales y la losa en los muros de los extremos son soportadas por los paneles, mientras que las reacciones de la viga principal se soportan en columnas perimetrales. Esta disposición funciona bastante bien cuando las reacciones de las vigas principales son grandes y de otro modo requerirían una sección de muro de concreto o un pilar reforzado.
Las fuerzas verticales aumentadas en los paneles portantes pueden afectar el grosor del panel, el ancho de las patas entre las aberturas y el refuerzo del panel. Sin embargo, este efecto normalmente no es significativo, ya que para los paneles de varios pisos, la carga de construcción y la configuración de elevación también afectan el diseño. En muchos casos, las cargas de construcción son en realidad más críticas para el diseño del grosor y el refuerzo del panel que las cargas de diseño finales y en su lugar, aunque obviamente ambas deben tenerse en cuenta en el diseño.
INTEGRIDAD ESTRUCTURAL – PANELES DE ALTURA COMPLETA VERSUS PANELES APILADOS
Los edificios "tilt-up" de hasta tres pisos de altura generalmente se construyen utilizando paneles de altura completa. Para edificios más altos con más pisos, puede ser más económico construir el muro utilizando una disposición de paneles apilados. Una configuración de paneles apilados se construye ubicando una junta de panel horizontal a pocos pies por encima de uno de los pisos soportados, típicamente en una ubicación de remate para que la junta pueda ocultarse. La altura de los paneles individuales en la pila puede variar según el diseño y las cuestiones de construcción. Los paneles inferiores del edificio se erigen primero, seguidos de la construcción de los pisos soportados hasta el nivel superior de ese panel. Luego, el segundo nivel de paneles se erige sobre los paneles inferiores y se arriostra hasta el piso ya construido. La selección de las alturas de los paneles y la secuenciación de los paneles apilados deben involucrar al contratista general que realizará la construcción.
Una variedad de factores pueden influir en la decisión de usar una disposición de paneles apilados. Estos incluyen el área disponible para el vaciado de paneles, el tamaño de la grúa, la capacidad del equipo de elevación, el espesor del panel, la configuración del arriostramiento del panel y la secuencia y el momento de la construcción.
ACI 318 tiene disposiciones de integridad estructural que deben incorporarse en el diseño de edificios de varios pisos de concreto precolado. Estos requisitos abordan las necesidades de anclaje longitudinal y transversal para las losas soportadas, así como los requisitos de anclaje vertical a tensión para los paneles de muro, incluidas las configuraciones de paneles apilados. Para estructuras de muros de carga de tres o más pisos de altura, existen requisitos específicos de carga y espaciado para las conexiones de integridad estructural.
Las conexiones entre paneles apilados están diseñadas para transferir todas las cargas de diseño a través de la junta. Estas incluyen el cortante en el plano de las cargas del diafragma, las fuerzas de viento y sísmicas fuera del plano, las fuerzas de tensión debidas al vuelco del panel y los momentos en el plano a través de la junta horizontal. Los requisitos de integridad estructural no se suman a estas cargas de diseño. No se permiten conexiones que dependan únicamente de la fricción para transferir cargas. Para paneles apilados, se requiere un mínimo de dos conexiones entre paneles capaces de proporcionar una resistencia nominal a la tracción de 3000 libras por pie horizontal de muro. Cada conexión debe tener una resistencia nominal a la tracción de 10,000 libras. Estas conexiones se colocan típicamente a una distancia máxima de cuatro pies entre centros, con cierta concentración en cada extremo del panel. Un tipo de conexión comúnmente utilizado que cumple con los requisitos de diseño anteriores utiliza barras de refuerzo que se extienden desde el panel inferior y se insertan en una manga de lechada en el panel superior.
OPCIONES DE ARRIOSTRAMIENTO PARA MONTAJE
Existen tres opciones básicas para el arriostramiento de paneles de varias plantas. La configuración más simple y común es el arriostramiento a la losa sobre el terreno en el interior del edificio. La losa debe ser verificada para asegurar que puede resistir las fuerzas de arriostramiento. Esto incluye verificar que cumple no solo los requisitos de estabilidad para las fuerzas de levantamiento y deslizamiento de la reacción del arriostre, sino también que la losa tiene la resistencia (es decir, espesor y refuerzo) para resistir estas cargas. Los paneles también pueden ser arriostrados al exterior del edificio utilizando un anclaje de peso muerto fundido in situ o anclajes terrestres helicoidales. El uso de los anclajes terrestres helicoidales solo se ha aplicado recientemente a la construcción con paneles prefabricados. Tienen la ventaja de una rápida instalación y remoción, así como una capacidad verificable. Los anclajes se prueban en campo para asegurar que cumplen con los requisitos de carga de los arriostres del panel.
Con paneles apilados, el arriostramiento de los paneles superiores a la estructura del piso del edificio se convierte en una preocupación. Los arriostramientos se fijan al piso soportado debajo de la junta horizontal de los paneles entre los paneles apilados. La capacidad de la losa de piso soportada debe verificarse para asegurar que tenga la resistencia para resistir las fuerzas de arriostramiento. De manera similar, la estructura del piso debe tener la resistencia para soportar las cargas de arriostramiento. Para un sistema de piso de concreto prefabricado, las cargas y ubicaciones de arriostramiento deben proporcionarse al proveedor de prefabricados para su incorporación en el diseño de esos elementos.
DISEÑO DE CONEXIONES EN LOSAS Y TECHO
Se requieren conexiones de paneles prefabricados para la estructura principal que resistan cargas de gravedad, viento (en y fuera del plano), sísmicas (en y fuera del plano) y pandeo térmico. Las conexiones de paneles no portantes a la estructura deben diseñarse para permitir la deflexión vertical del marco de acero o concreto portante perimetral. Las inserciones ranuradas suelen ser suficientes para lograr esto y están disponibles en varios fabricantes. Además de las fuerzas de viento y sísmicas fuera del plano, las conexiones también deben diseñarse para resistir el pandeo térmico. El método de cálculo para estas fuerzas se puede encontrar en el PCI Design Handbook.
En los edificios construidos con paneles portantes y losas de piso moldeadas in situ, las vigas o viguetas que se apoyan en los muros laterales suelen conectarse a los paneles mediante ángulos de armazón o uniones encajadas fijadas a placas de anclaje moldeadas en la cara del panel. No se recomienda el uso de uniones con cavidades, ya que pueden interrumpir el refuerzo vertical en las franjas estructurales entre las aberturas. En los muros de extremo del edificio, los paneles se conectarán directamente a la losa de hormigón in situ mediante tirantes de armadura para muros o un sistema similar. Estos tirantes transferirán las cargas del diafragma, las fuerzas eólicas y sísmicas fuera del plano y las cargas de gravedad. En el caso de las losas de hormigón sobre cubierta metálica en los muros de extremo, las cargas de gravedad se apoyan en un ángulo de borde continuo, que a su vez se apoya en placas de anclaje moldeadas en el panel. También se deben utilizar tirantes de pared en las paredes laterales para transferir las cargas laterales a los paneles y las cargas fuera del plano desde los paneles al sistema de piso. Para edificios con sistemas de piso y techo de concreto prefabricado, se requiere la coordinación entre el proveedor de prefabricados y el ingeniero de paneles Tilt-Up para determinar las ubicaciones y los tipos de conexiones que se necesitan. Para el soporte de la carga de gravedad de los sistemas prefabricados, a menudo se incorpora un voladizo en el diseño del panel de pared. Este puede ser un voladizo continuo para losas alveoladas o voladizos individuales para vigas de doble T. Se sigue requiriendo una conexión positiva con los paneles para transmitir las fuerzas dentro y fuera del plano entre el sistema de piso y los paneles de pared, al tiempo que se acomoda la deflexión vertical de los elementos en los muros de extremo.
Las conexiones de techos para edificios de varios pisos con estructura de acero y construidos con paneles prefabricados de concreto (Tilt-Up) son muy similares a las utilizadas para estructuras de un solo piso. Las cargas laterales del diafragma sobre las paredes laterales se transmiten a los paneles de pared a través de las conexiones de los miembros del marco o directamente al panel de pared a través de un ángulo perimetral continuo, que se puede conectar al panel de pared con pernos o placas empotradas. Las cargas fuera del plano se transfieren directamente a los miembros del marco del techo. En los muros de remate del edificio, la conexión del ángulo perimetral a los paneles de pared transfiere cargas de levantamiento por viento y gravedad, cizalladuras del diafragma y cargas fuera del plano entre el panel Tilt-Up y la estructura del techo. Las conexiones de panel a estructura de techo para sistemas de techo de concreto prefabricado son similares a las utilizadas para sistemas de piso de concreto prefabricado.
Conclusiones
Si bien el diseño de edificios Tilt-Up de varios pisos comparte muchas similitudes con el diseño de edificios Tilt-Up de un solo piso, existen una serie de problemas de ingeniería adicionales que deben abordarse. El ingeniero de diseño debe comprender la ruta de carga y cómo las cargas aplicadas pueden afectar el diseño del panel de muro, que puede tener partes afectadas por torsión, flexión uniaxial, flexión biaxial, tensión y compresión. Además, es igualmente importante una comprensión profunda de las herramientas de diseño (es decir, programas informáticos) utilizadas para diseñar los paneles de muro Tilt-Up.
El diseño y la construcción de edificios es un esfuerzo de equipo. La cooperación y coordinación entre los profesionales del diseño (es decir, el ingeniero responsable de la ingeniería y el ingeniero especialista en Tilt-Up) es fundamental para el diseño exitoso de un edificio Tilt-Up. Comparten un objetivo común: el diseño e ingeniería seguros y la construcción de un edificio que cumpla con las necesidades de su propietario.
Sé el primero en comentar