Por Jeffrey R. Needham, ingeniero profesional.
Al observar el desarrollo del sector de la construcción con hormigón prefabricado a lo largo de muchos años, he podido apreciar cómo se ha convertido en el método de construcción preferido para muchos tipos de edificios. Este crecimiento se ha basado en una serie de mejoras en la tecnología de construcción y diseño, tales como grúas móviles de mayor tamaño, el reconocimiento y la adopción del diseño de muros delgados en los códigos de construcción, y una creciente valoración de la flexibilidad y la rapidez de los métodos de construcción con hormigón prefabricado. La adopción generalizada del Código Internacional de Conservación de Energía (IECC) abarca a la industria del tilt-up, que ya ofrece un panel totalmente conforme con el código. La industria tiene el potencial de hacer que estos paneles sean más eficientes desde el punto de vista estructural mediante el uso de paneles compuestos. Esta es una gran oportunidad que muchos diseñadores y contratistas podrían estar dejando pasar.
El muro compuesto: ¿Qué es? ¿Por qué hacerlo?
En un muro compuesto, dos capas de hormigón, separadas por una capa continua de aislamiento, se ven obligadas a actuar estructuralmente como un único elemento estructural de hormigón. El comportamiento compuesto, o de elemento único, se consigue mediante conexiones entre las capas que permiten la transferencia de esfuerzos de corte. Los ingenieros suelen denominar a este comportamiento “las secciones planas permanecen planas” (véase la Figura 1). Para quienes no son ingenieros, esto significa que las dos capas de concreto no pueden deslizarse una sobre la otra. Sin embargo, aquí hay un ligero uso incorrecto del término “compuesto” que puede afectar el diseño de estos paneles.
Figura 1
En la práctica, las dos capas casi siempre se deslizan entre sí en cierta medida en esta aplicación. Esto significa que los paneles de hormigón compuesto no son totalmente compuestos. La referencia a los paneles compuestos en este artículo se hace simplemente por conveniencia, ya que, en realidad, los paneles solo presentan distintos grados de comportamiento compuesto. Todo esto puede resultar complicado, por lo que sugiero simplemente recordar que los paneles compuestos no son totalmente compuestos. Este comportamiento compuesto parcial tiene la ventaja de reducir el riesgo de problemas de deformación térmica asociados con el comportamiento totalmente compuesto. La deformación térmica se produce cuando la capa exterior se calienta (o enfría) a temperaturas mucho más altas que la capa interior, lo que hace que la capa exterior se expanda (o contraiga) a un ritmo diferente al de la capa interior, que es más estable.
La construcción compuesta no es nada nuevo y se ha utilizado ampliamente en sistemas de pisos de acero y hormigón (por ejemplo, montantes con cabezales), tableros de puentes y tubos de acero rellenos de hormigón. Incluso los sistemas de muros compuestos de hormigón llevan décadas utilizándose. Sin embargo, los paneles tilt-up compuestos son más complejos en cuanto a diseño y construcción que los paneles tilt-up aislados no compuestos, y presentan problemas específicos que los diseñadores y constructores deben tener en cuenta, algunos de los cuales se enumeran a continuación.
- Arco térmico
- Diseño de conector patentado
- Cortocircuitos térmicos importantes que comprometen el funcionamiento nominal
- Valores R
- Dificultad para levantar y apuntalar debido al escaso espesor de los tabiques
- El costo de la mano de obra para instalar los conectores
- La falta de una comprensión precisa del comportamiento estructural
Ante toda esta complejidad, la gran pregunta es: ¿por qué deberían involucrarse un diseñador y un contratista especializados en construcción tilt-up? En otras palabras, ¿por qué meterse en esto? Al igual que ocurre con muchos avances en el sector de la construcción, hay varias respuestas:
- Puede reducir considerablemente la cantidad de hormigón necesaria en un
panel de pared. - Los paneles suelen ser mucho más rígidos que otros similares no...
diseños compuestos y aislados. - Puede reducir considerablemente las fuerzas sísmicas gracias a su menor peso.
- Permite obtener un panel mucho más ligero, lo que puede reducir los costos de
erección. - Puede proporcionar un aislamiento de borde a borde que cumple totalmente con la normativa.
Figura 2
Si se suman todas estas ventajas, el contratista especializado en construcción tilt-up podría obtener un panel más económico y con un mejor rendimiento que un diseño de una sola capa. La figura 2 muestra diseños típicos para un panel de 32 pies con una resistencia al viento típica de 90 mph y exposición C. En otras palabras, un panel habitual para almacenes.
Figura 3
Rendimiento de las paredes compuestas
La forma más sencilla de comprender las ventajas del rendimiento de las paredes compuestas es comparar un diseño típico. Utilizando los ejemplos de la figura tres, el diseño de cada panel se puede resumir en la tabla que figura a continuación.
Comparación de paneles de 32 pies
Tomando como referencia el panel macizo, el panel aislante no compuesto utiliza un 35 % más de hormigón y la misma cantidad de armadura, sin incluir malla ni fibra en la capa exterior. El panel aislante no compuesto ofrece un aislamiento que cumple con la normativa, mientras que el panel de hormigón macizo no proporciona ningún tipo de aislamiento. Por supuesto, el diseño de una sola capa puede utilizar un aislamiento adherido en el interior, pero esto suele considerarse un enfoque de calidad inferior y no es el preferido por el mercado.
Ahora bien, si comparamos el panel compuesto con el panel macizo, el diseño compuesto utiliza un 17 % menos de hormigón que el macizo. En comparación con el panel aislado no compuesto, utiliza un 49 % menos de hormigón y un 15 % menos de acero, sin contar la malla ni la fibra del diseño no compuesto. Es evidente que el diseño compuesto ofrece ventajas estructurales.
Las ventajas del diseño compuesto se hacen más evidentes a medida que aumenta la longitud del panel. Los paneles relativamente cortos, de menos de 24 pies, tienden a comportarse más bien como dos capas de paneles individuales que simplemente comparten la carga. Es decir, hay menos esfuerzo cortante entre las capas. A medida que aumenta la longitud de los paneles, el esfuerzo cortante cobra importancia y se convierte en la clave para el éxito del diseño estructural de los paneles compuestos.
El flujo de cizallamiento, la cuestión clave
El esfuerzo cortante es el criterio de diseño que realmente define la versión compuesta. Los sistemas tradicionales de pasadores no compuestos no tienen la resistencia necesaria para transferir un esfuerzo cortante significativo. En el mejor de los casos, funcionan únicamente como elementos sometidos a tracción y compresión. Los conectores compuestos están diseñados para funcionar tanto bajo esfuerzo cortante como bajo tracción y compresión. Esta es una diferencia estructural fundamental que proporciona la vía de carga necesaria para soportar la acción compuesta o semicompuesta.
Métodos actuales de aislamiento de paredes compuestas
Debido a la fuerte demanda de productos de aislamiento mejorados, la variedad de tipos de paneles aislantes está aumentando. Los costos aproximados recientes para un valor R-10 oscilan entre 1,40 y 1,50 dólares por pie cuadrado para el poliestireno expandido (panel blanco) y alrededor de 1,40 y 1,30 dólares para el poliestireno de grafito de 1 pulgada (panel gris). El poliestireno extruido ha sido un producto aislante muy común en paredes prefabricadas (placa azul o rosa) y ofrece un valor R de aproximadamente 6,1 por pulgada. También se ha utilizado el poliisocianurato, y un nuevo producto en el mercado es el aislamiento de espuma fenólica. Este producto ofrece un valor R fenomenal de 8 por pulgada, pero solo se vende en espesores métricos.
La ventaja de una pared compuesta es que el espesor del aislamiento se convierte en un parámetro de diseño estructural, y no solo en un factor de rendimiento térmico, lo que influye considerablemente en la resistencia y el comportamiento frente a la deformación del panel. En los paneles más altos, un aislamiento más grueso, pero menos costoso, puede dar lugar a un panel más resistente y rígido para un espesor de pared determinado. Sin embargo, en los paneles más bajos, donde el rendimiento compuesto es menos pronunciado, un aislamiento más delgado, pero más costoso, puede ser una mejor opción. La industria debería esperar que los precios de los productos de aislamiento mejoren a medida que aumente el volumen utilizado.
El sector de la construcción con paneles prefabricados y los paneles aislantes
El uso de paneles aislantes para construcción tilt-up y las exigencias del código de energía no son, en realidad, nada nuevo. Sin embargo, la mayoría de los sistemas aislantes actuales que han tenido éxito no son de tipo compuesto. Los sistemas de pasadores han sido la opción preferida para el aislamiento en muchos proyectos y es probable que sigan utilizándose ampliamente en el futuro. Si bien los sistemas compuestos en la construcción tilt-up existen desde hace más de una década y han sido utilizados con gran éxito por algunos contratistas, la mayor parte del sector aún no los ha adoptado.
Del pasado al presente
A pesar de la tecnología fácilmente disponible y de todas las ventajas mencionadas en este artículo, el sector de la construcción con paneles prefabricados (tilt-up) ha tardado en adoptar este enfoque. Los fabricantes de muros prefabricados en planta han estado promoviendo activamente la tecnología de conectores y suministrando paneles de muro compuestos durante los últimos 10 a 20 años, aunque estos no siempre han sido ideales. Los primeros conectores eran simples sistemas de vigas metálicas, diversos conectores de tirantes de acero e incluso hormigón de borde sólido entre las capas. Si bien estos enfoques funcionaban desde el punto de vista estructural, fracasaron por completo a la hora de demostrar su eficacia como paneles aislantes, ya que los enormes cortocircuitos térmicos destruían la eficiencia. A menudo reducían los valores R nominales en un 40 por ciento o más y no alcanzaban los niveles exigidos por la normativa.
Tanto la industria del hormigón prefabricado como la del hormigón moldeado in situ utilizan actualmente diversos sistemas patentados para eliminar el problema de los puentes térmicos y ofrecer productos competitivos. Todos los sistemas de calidad disponibles en el mercado utilizan algún tipo de material avanzado no conductor, como la resina de fibra de vidrio o la fibra de carbono. Aunque no se publican las cifras de producción de este tipo de productos, sé que la industria del prefabricado está experimentando un rápido crecimiento en el sector de los paneles de pared que cumplen con los códigos. No es de extrañar que este crecimiento sea especialmente fuerte en el noreste, el medio oeste y Canadá.
Entonces, ¿por qué la implementación ha sido tan mediocre en el sector de la construcción con paneles prefabricados?
Joel Foderberg, de IconXUSA, sugiere que parte de las dudas en el sector de la construcción con paneles prefabricados (tilt-up) pueden deberse, en parte, a la responsabilidad del diseño. “La familia de conectores IconX ha tenido un uso limitado en el sector del tilt-up”, afirma Foderberg. “He encontrado mucha más resistencia al cambio en el mundo del tilt-up con este sistema que con los prefabricados. Creo que la cuestión de la responsabilidad del diseño es una barrera importante para los constructores de tilt-up a la que las empresas de prefabricados no se enfrentan”.”
Si bien la industria de los prefabricados cuenta con varias décadas de experiencia en la producción de paneles aislados y pretensados que requieren un alto porcentaje de comportamiento compuesto, gran parte de la construcción de muros tilt-up se ha realizado con hormigón de una sola capa sin aislamiento. El método de diseño de muros esbeltos del código parte de este tipo de construcción, y la ingeniería de elevación y arriostramiento también lo aborda con facilidad. La mentalidad de muchos contratistas de gran volumen de construcción con el método tilt-up ha sido que el aislamiento es un tema de otro gremio o que no es necesario en absoluto. Han pasado por alto la valiosa oportunidad de diseño adicional que ofrece el uso de la construcción compuesta.
Actualmente se están llevando a cabo iniciativas para definir la sistemología y las condiciones de comportamiento. Entre ellas se incluyen los informes técnicos que están elaborando los comités del Instituto Americano del Concreto (ACI), en paralelo a la investigación sobre los tipos de conectores y las capacidades de corte.
Novedades recientes
La reciente adopción del Código Internacional de Ahorro Energético de 2015 por parte del estado de Texas debería ser un indicador muy claro de que se avecinan cambios. Aunque es posible que el impacto total de esta medida no se conozca hasta dentro de algún tiempo, resulta muy significativo que un estado importante del «Sun Belt» haya adoptado este código. Esto significa que el uso generalizado de paneles sin aislamiento va a ir disminuyendo. Incluso sin esta normativa estatal, cada vez son más los propietarios que, como mínimo, solicitan cotizaciones de paneles con aislamiento.
¿Hacia dónde se dirige ahora el sector?
La incorporación de requisitos de aislamiento de paredes en el código energético supone un verdadero desafío para el futuro de todos los métodos de construcción. Como todos los desafíos, también ofrece oportunidades. En el caso de la industria de las paredes de hormigón compuesto, el carácter patentado de los sistemas de conexión da lugar a un enfoque de diseño tipo “caja negra” o hermético, lo que impide llegar a un consenso sobre los principios de diseño. Sin unos principios de diseño adecuados, los productos pueden utilizarse de forma incorrecta, lo que provocaría un rendimiento irregular de los paneles y, por consiguiente, una disminución de su calidad. Una mayor comprensión de cada sistema y un mejor conocimiento del proceso de diseño y construcción serían de gran ayuda.
La verdadera pregunta para el sector es cómo adoptar la construcción con materiales compuestos y ofrecer un panel de pared de alta calidad que mantenga las ventajas actuales de la construcción tilt-up y proporcione un panel compuesto que claramente iguale o supere el rendimiento de otros sistemas.
La Convención y Exposición Internacional Tilt-Up 2017, que se celebrará en Miami (Florida) del 28 al 30 de septiembre, será una gran oportunidad para profundizar en este tema. Se han programado varias charlas relacionadas con este tema. Para obtener más información, consulte el programa completo en línea en www.tilt-up.org/convention.
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