La Asociación de Concreto Tilt-Up ha participado recientemente en esfuerzos de promoción para impulsar una mayor adopción y aceptación en el mercado de los paneles de muro sándwich aislados de material compuesto.
Si bien no es una invención nueva, estos paneles están experimentando un aumento en la demanda debido a sus numerosas ventajas sobre otros sistemas. La popularidad de estos paneles se ve impulsada por los cambios en la aplicación del Código Internacional de Conservación de Energía, principalmente el requisito de aislamiento continuo junto con la expansión geográfica de los requisitos de valor de aislamiento. El aumento de la demanda se está encontrando con cierta vacilación por parte de importantes adoptantes de la industria, lo que podría suprimir el impacto final y la escala del mercado de la tecnología.
En este tema, miembros de la comunidad de ingeniería de concreto precolado han realizado un llamado a la acción. Desean hacer más transparentes y accesibles la forma en que se analizan estos paneles, cómo se diseñan y, en última instancia, cómo se desempeñan en el mundo real. El tema ha sido discutido durante varios años en las reuniones del comité de concreto precolado del American Concrete Institute (ACI 551), así como por la junta directiva de la Tilt-Up Concrete Association. El tema también ha sido objeto de múltiples ponencias en la International Tilt-Up Convention and Expo durante los últimos dos años.
En respuesta al creciente interés en una comprensión definida del comportamiento y la confianza en la previsibilidad del diseño global, el TCA ha formado un grupo especial de trabajo. El Grupo de Trabajo de Ingeniería del TCA sobre Paneles Sándwich Parcialmente Compuestos, reunido junto con la convención de otoño de la ACI el año pasado, ha llegado a un consenso sobre: uno, la necesidad de una mejor comprensión del comportamiento de estos sistemas y sus componentes; dos, el tipo de investigación que se debe realizar; y tres, un esquema para un enfoque unificado para el diseño de dichos sistemas.
Hay una enorme superposición entre ACI 551 y el Grupo de Trabajo de Ingeniería de TCA sobre Paneles Sándwich Parcialmente Compuestos. El grupo de trabajo anticipa trabajar muy de cerca con ACI 551 en la aplicación de este esfuerzo al código de concreto existente. Andrew McPherson (Seretta Construction, Orlando, Florida), el actual presidente de ACI 551 y expresidente de la junta directiva de TCA, presidirá el grupo de trabajo de TCA. Contará con el apoyo de Philip Kopf, PE, FTCA (The Kopf Consulting Group Inc., Marietta, Georgia), quien se desempeñará como presidente técnico.
El grupo de trabajo ha recibido una propuesta del Dr. Marc Maguire, de la Universidad Estatal de Utah, que describe en detalle un plan para desarrollar los datos y las herramientas necesarias para apoyar los objetivos del grupo de trabajo TCA.
¿QUÉ SON LOS PANELES SÁNDWICH PARCIALMENTE COMPUESTOS Y CUÁLES SON SUS BENEFICIOS?
Los paneles tradicionales no compuestos de muro sándwich de concreto prefabricado y aislados están compuestos por una capa delgada de concreto (arquitectónico) en el exterior, una capa de aislamiento y una capa más gruesa de concreto (estructural) en el interior. Las capas se mantienen unidas con conectores no conductores de diversa geometría y especificaciones de rendimiento. En esta aplicación, los conectores transfieren la carga vertical y horizontal de la fachada de regreso a la capa estructural. Solo la capa de concreto estructural interior está diseñada para resistir cargas estructurales.
Los paneles sándwich parcialmente compuestos se diferencian en que ambos paramentos de concreto están destinados a contribuir a la capacidad de carga y resistencia a las fuerzas del panel. Esto se logra mediante un diseño de conector más complejo y robusto entre los paramentos que facilita la transferencia de cargas de un lado a otro a través del medio aislante que los separa. Con ambos paramentos actuando conjuntamente, se logra un comportamiento más cercano al que se podría asumir del panel de espesor completo, lo que resulta en un uso más eficiente del concreto. Esta eficiencia puede permitir un uso más económico y eficiente de los materiales. La Figura 1 muestra diseños típicos para un panel de 32 pies con un viento típico de 90 mph, exposición C. En otras palabras, un panel de almacén común.
Como se mencionó anteriormente, los paneles parcialmente compuestos reducen la cantidad de concreto requerida en un panel de pared, lo que genera un ahorro de costos. Existe la posibilidad de que estos paneles más ligeros sean adecuados para áreas sísmicas al reducir la masa de las paredes de un edificio. Incluso podrían proporcionar cierta amortiguación o absorción de energía cuando se usan en aplicaciones de muros de corte. Los paneles más ligeros también pueden ayudar a reducir los costos de construcción (ya que pueden ser manipulados por una grúa más pequeña) y pueden extender la construcción basculante a paneles incluso más altos de lo que es posible actualmente al aumentar la profundidad efectiva sin aumentar la cantidad de concreto.
MERCADO ACTUAL
Casi 180 millones de pies cuadrados de paneles precolados se construyeron en 2017 y menos del 10 por ciento de los edificios de paneles precolados utilizan algún tipo de construcción de panel sándwich aislado (compuesto o no compuesto).
Los paneles de concreto aislados entregados por la industria de prefabricados (a través de la fabricación en planta) se diseñan normalmente asumiendo que tienen un alto porcentaje de acción compuesta que se aproxima a la densidad de un panel de muro completamente espeso. El porcentaje de paneles de muro aislados en la industria de "tilt-up" (levantamiento de muros) que utilizan acción compuesta parcial para su diseño es mucho menor. Una porción muy pequeña, menos del 5 por ciento, de todos los "tilt-up" aislados son compuestos parciales. Nuestro grupo de trabajo estima que esto podría aumentar a más del 50 por ciento una vez que la tecnología se generalice.
La altura de estos paneles también podría verse afectada por esta investigación. La altura promedio actual de los paneles prefabricados inclinados es de alrededor de 35 pies. Esta cifra podría aumentar drásticamente con el apoyo de más investigación y metodologías de diseño accesibles.
Potencial de crecimiento y aplicación casi ilimitados
Como se mencionó anteriormente, el mercado de paneles de pared aislados experimentará un crecimiento tremendo a medida que se implementen los cambios en el código energético. Sin entrar en los detalles de la aplicación del Código Internacional de Conservación de Energía, se requiere que más del 98 por ciento de todas las paredes de edificios tengan un valor R mínimo de 5.7 o mayor. Valores R tan bajos son solo para las zonas climáticas 1 y 2, que cubren solo la franja costera más al sur de EE. UU. y Hawái. Todos los demás climas continúan aumentando a partir de ahí. El estado de Texas, que es el mercado de concreto prefabricado (tilt-up) más grande en la actualidad, tiene requisitos continuos de valor R para todos los edificios de 5.7, 7.5 y 9.5, que van de sur a norte sin que ninguna parte del mercado esté exenta de aislamiento continuo por razones climáticas. Por lo tanto, la aplicación de paneles sándwich aislados a la industria de concreto prefabricado (tilt-up) tiene un potencial de volumen virtualmente ilimitado.
En cuanto a los tipos de edificaciones, la construcción con paneles precolados ya se emplea regularmente en todo el país para edificios de oficinas de varios pisos, centros de distribución, escuelas, bibliotecas, centros comerciales, instalaciones industriales, edificios gubernamentales y más. El apoyo a la innovación en la industria de paneles precolados tiene un impacto amplio y diverso.
UN ENFOQUE MÁS ACCESIBLE
Aunque hay cosas que desconocemos sobre los paneles sándwich aislados parcialmente compuestos, se ha hecho un buen trabajo en el pasado. El Comité de Paneles de Muro Sándwich Prefabricados del Instituto de Prefabricación publica un informe titulado “Estado del arte de los paneles de muro sándwich de concreto prefabricado/pretensado”. Este informe contiene una gran cantidad de información relacionada con la historia, aplicación, diseño, consideraciones de detalle, rendimiento del aislamiento, tensado, montaje y arriostramiento de los paneles de muro sándwich. El informe no llega a proporcionar ningún tipo de metodología de diseño universal.
Actualmente, cada fabricante de conectores para paneles compuestos utiliza una metodología de diseño propia, similar a la de una cercha de madera de ingeniería o un panel de muro prefabricado, para entregar un producto de ingeniería. El problema con este enfoque en la industria del tilt-up es que el fabricante de los conectores no es el ingeniero responsable del diseño del panel. Otra consideración es que los ingenieros no tienen control sobre la fabricación de la manera en que lo tienen en la industria de prefabricados. La realidad de la producción laboral mediante licitaciones competitivas y la responsabilidad de la construcción del panel aumentan la separación entre el diseño y la construcción. Adicionalmente, a diferencia de una cercha de madera de ingeniería donde cada elemento tiene propiedades bien definidas y documentadas, existen incógnitas o, como mínimo, discrepancias asociadas con los conectores en paneles aislados parcialmente compuestos de concreto.
Como se mencionó anteriormente, esto es problemático para los ingenieros de estructuras prefabricadas de hormigón que desean una mejor comprensión del comportamiento y las metodologías de diseño de estos sistemas. Esta solicitud de la comunidad de ingeniería de más investigación y transparencia, si bien aborda un posible problema de responsabilidad, surge de su responsabilidad como profesionales con licencia.
Por lo tanto, dada la realidad del mercado que impide una fuente única y responsable para el diseño del sistema de aislamiento y la construcción de paneles (similar a lo que existe en la producción de una cercha de madera o un panel prefabricado), la relación tradicional de diseño y construcción es un vehículo de entrega esencial.
EL CAMINO A LA ADOPCIÓN EN EL MERCADO
La intención del Grupo de Trabajo de Ingeniería de TCA sobre Paneles Sándwich Parcialmente Compuestos es trabajar dentro del marco establecido de ACI 318 y pasar por los procesos de aprobación del International Code Council y la American Society for Testing and Materials para promover metodologías de prueba y diseño universales que puedan conducir al reconocimiento o modificación de los códigos. La facilidad con la que estos sistemas pueden incorporarse al diseño de un proyecto sin circunstancias o consideraciones especiales es fundamental para su escala de impacto. Para ello, la compatibilidad de diseño corroborada con, y la posible aceptación de, dichos códigos es precisamente lo que se necesita para que los ingenieros de diseño aprovechen todo su potencial sin esfuerzo o riesgo indebidos.
La meta es lograr que esta prometedora tecnología se generalice eliminando las barreras creadas por prácticas propietarias, la investigación limitada específica de la industria de paneles prefabricados y la falta de pruebas estandarizadas, y además permitiendo a la comunidad de ingeniería de paneles prefabricados un acceso completo al conocimiento del comportamiento, rendimiento y previsibilidad global de los paneles sándwich aislados parcialmente compuestos. Lograr esto proporcionará a los propietarios un medio de alto rendimiento, pero económico, para cumplir con los códigos energéticos cambiantes, en consonancia con todo lo que han llegado a esperar de la construcción de paneles de muros de concreto de calidad. Es una victoria para la industria del concreto, la comunidad de ingeniería, el medio ambiente y los consumidores.
GRUPO DE TRABAJO DE INGENIERÍA DEL TCA SOBRE PANELES SÁNDWICH PARCIALMENTE COMPUESTOS
Andrew S. McPherson (Presidente) (Presidente ACI 551)
Philip Kopf, P.E., F.TCA (Presidente Técnico)
Craig J. Olson, Ingeniero Profesional.
James R. Baty II, F.ACI (Ex Officio)
John G. Hart, P.E., S.E.
Jeffrey R. Needham, PE, SE, F.TCA
Marc Maguire, Doctor en Filosofía (Ex officio)
Mitch Bloomquist (Ex officio)
Scott Collins, I.C.
Kimberly Waggle Kramer, P.E., S.E., F.ACI
Jim Lintz, P.E., S.E., LEED AP
Joseph J. Steinbicker, P.E., S.E., F.TCA
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