Inglés | Traducción patrocinada por Grupo de productos Nox-Crete
Por Craig Coppersmith, Ingeniero Profesional, C2 Consulting LLC
Desde principios de la década de 1980, los paneles de hormigón con aislamiento sándwich se han utilizado como técnica de diseño y construcción para el método tilt-up. Estos paneles están formados por un muro de hormigón de medio espesor en el interior y en el exterior, separados por una capa de aislamiento de espuma rígida. Se utilizan conectores para unir los dos muros de hormigón de medio espesor. Hasta la fecha, la mayoría de los paneles aislados se han diseñado utilizando una acción no compuesta, lo que significa que solo se consideraba un muro de medio espesor de concreto para la integridad estructural del panel. La aceptación y adopción generalizada del Código Internacional de Conservación de Energía (IECC) ha reforzado los beneficios de aislar los sistemas de paneles sándwich y ha motivado a muchos en la industria del tilt-up a buscar maneras de maximizar el desempeño y la constructividad al crear una norma para el comportamiento compuesto de los sistemas aislados. Con este objetivo, la Tilt-Up Concrete Association (TCA) ha colaborado con la Escuela de Ingeniería y Construcción Arquitectónica de la Universidad de Nebraska para llevar a cabo lo que se cree que son las pruebas de campo a gran escala más importantes de este tipo. El objetivo del estudio es desarrollar una metodología de diseño de muros esbeltos que pueda predecir el comportamiento compuesto bajo fuerzas axiales y de flexión combinadas.
“Este es un momento emocionante para la comunidad de ingeniería a medida que avanzamos la comprensión del comportamiento de los paneles prefabricados de concreto a través de un elemento de concreto agrietado”, dijo Philip Kopf, PE, SE, FTCA, codirector del Grupo de Tareas de Ingeniería en Paneles Compuestos Sándwich en Kopf Consulting Group, Inc. “Si bien los paneles compuestos se han utilizado en un elemento de concreto pretensado agrietado, realmente no entendemos el comportamiento en un elemento de concreto agrietado. Esta es la primera prueba significativa a gran escala de paneles prefabricados de concreto desde principios de la década de 1980. Creo que el conocimiento que obtendremos de este programa de pruebas compuestas será de la misma importancia que las pruebas a gran escala de paneles sólidos realizadas en ese entonces”.
Al momento de escribir este artículo, la fase de pruebas del estudio estaba mayormente terminada. Se espera que las pruebas de los dos últimos paneles se lleven a cabo esta primavera y que el análisis de los datos, junto con un muy esperado informe resumido, se presenten más adelante en 2021. Ciertamente, este es un momento emocionante para el avance de los protocolos de diseño que utilizan una acción compuesta de paneles emparedados de concreto aislados en la construcción de muros prefabricados.
LIDERAZGO DEL ESTUDIO
Agencia/supervisión de pruebas
Marc Maguire, PhD – Escuela Durham de Ingeniería y Construcción Arquitectónica, Universidad de Nebraska-Lincoln
Grupo de trabajo de ingeniería sobre los paneles sándwich compuestos
Andrew McPherson – Seretta Construction, Inc.
Craig Olson, PE – C. E. Doyle, LLC
James R. Baty – Asociación de Concreto Tilt-Up
John Hart, PE, SE – Peak Engineering, Inc.
Jeffrey R. Needham, PE, SE, FTCA – Needham DBS
Marc Maguire, PhD – Universidad de Nebraska-Lincoln
Mitch Bloomquist – Asociación de Concreto Tilt-Up
Philip Kopf, PE, SE, FTCA – Kopf Consulting Group, Inc.
Scott Collins, PE – Leviat
Kimberly Waggle Kramer, PhD, PE, SE, FACI – Universidad Estatal de Kansas
Joseph J. Steinbicker, PE, SE, FTCA – Steinbicker & Co., LLC
Jim Lintz, PE – LJB Inc.
Contratista para la muestra de prueba y montaje
Steve Miers – Tilt-Up Concrete, Inc.
Consejo de asesores de los fabricantes participantes
Brad Nesset – Leviat
Matt Saguibo – HK Composites
Sean Hirka – Dayton Superior Corporation
Joel Foderberg – Iconx LLC
Kim Blackburn – Soluciones Estructurales Innovadoras
Gestión del proyecto en el sitio
Craig Coppersmith, PE – C2 Consulting LLC
Director de Fotografía
Tim Lillethorup – Lillethorup Productions, Inc.
CONSTRUCCIÓN
Los paneles de prueba se construyeron entre el 14 de septiembre de 2020 y el 29 de octubre de 2020. Los paneles de prueba se construyeron en un “sitio de obra preparado” expuesto a los elementos (no en un entorno interior/“controlado”).
Construcción de todos los paneles de pruebalas cuadrillas de Tilt-up Concrete, Lincoln, Nebraska, propiedad de Steve Miers, completaron todas las actividades de construcción necesarias para fabricar, terminar y levantar los paneles de prueba.
Durante la construcción de los paneles, se verificó el asentamiento del concreto y se elaboraron probetas cilíndricas y vigas para flexión a fin de realizar las pruebas de compresión y de tensión. Los asistentes de posgrado, que trabajaban para la universidad, administraron y llevaron a cabo todas las pruebas de materiales a lo largo de la construcción de los paneles de prueba para verificar las propiedades del material de concreto. Además, instalaron y monitorearon indicadores de tensión y deformación.
Tamaño y configuración de los paneles de muros emparedado aislados: se construyeron tres (3) paneles de prueba para cada sistema de paneles aislados específico. Cada panel de prueba se construyó con dimensiones generales de 41’ de largo y 4’ de ancho. Todos los paneles de muro emparedado aislados (excepto los paneles Innstruct que usan un sistema diferente) se construyeron usando una configuración de 3 muros de media asta que consistieron en 4” de concreto, 2” de aislante y 4” de concreto para un espesor de panel total de 10”. La configuración de pasador/tirante fue la que el proveedor del sistema de paneles aislados apropiado determinó y especificó. Los tapetes de refuerzo consistieron en una barra de refuerzo #4 con 6 barras longitudinales y una distancia de 1 ¾” desde el borde de la barra longitudinal hasta la cara del concreto. Todos los paneles de prueba se construyeron con rodillos de media caña de acero insertados en cada extremo (a lo largo de la dimensión de 4’) para permitir que se aplicaran cargas de prueba apropiadas.
Se debe considerar que la muestra de prueba de esfuerzo cortante doble también se construyó para cada tipo de conector/perno con el fin de probar y verificar el desempeño respectivo del material.
Tamaño y configuración del panel de prueba de control: también se construyeron paneles de control sin aislante para fines de comparación, los cuales se construyeron con dimensiones generales de 41’ de largo x 4’ de ancho. El espesor de panel de los paneles de control fue de 8”. Los tapetes de refuerzo consistieron en una barra de refuerzo #4 con 6 barras longitudinales y una distancia de 1” desde el borde de la barra longitudinal hasta la cara del concreto. Todos los paneles de control se construyeron con rodillos de media caña de acero insertados en cada extremo (a lo largo de la dimensión de 4’) para permitir que se aplicaran cargas de prueba apropiadas.
Resumen de los paneles construidos:
| Sistema de paneles | Paneles # |
| HK Composites | 3 |
| Thermomass | 3 |
| IconXusa | 3 |
| Dayton Superior | 3 |
| Innstruct | 3 |
| Panel de control | 3 |
| TOTAL | 18 |
Diseño de la mezcla de concreto: El concreto se compró a las compañías de concreto premezclado, Ready Mixed Concrete Company y Husker Ready Mixed Concrete, propiedad de NEBCO, Inc. Las dos compañías de concreto premezclado tuvieron acceso al diseño de mezcla aprobado por el grupo de trabajo de la TCA. En la mayoría de los casos, se utilizó Glenium para mejorar el flujo y la trabajabilidad de la mezcla. El Dr. Maguire del equipo de la Universidad de Nebraska proporcionará los datos detallados en el informe final sobre el diseño de mezcla y los aditivos utilizados, proporcionados por las compañías de concreto premezclado de NEBCO.
Compuesto de curado todos los paneles de prueba fueron curados utilizando Silcoseal Select Cure y desmoldante como los fabrica Nox-Crete Products Group, Inc.
Sensores internos: cada panel de prueba se equipó con (2) indicadores de tensión vibrante y (1) indicador de humedad relativa (HR) estratégicamente colocados en cada muro de media asta de todos los paneles. Los indicadores de tensión monitorearon la temperatura y las tensiones internas longitudinales a lo largo de la vida del panel de prueba. Todos los sensores colocados en el interior están siendo (y continuarán siendo) monitoreados continuamente.
PRUEBAS
Las pruebas de los paneles se realizaron en el “sitio de la obra preparado” donde se construyeron los paneles. Las pruebas se llevaron a cabo entre el 7 de diciembre de 2020 y el 23 de enero de 2021. Al momento de redactar este artículo, aún faltaba realizar pruebas en dos paneles.
Las pruebas consistieron en aplicar cargas axiales muertas al extremo del panel y se aplicaron fuerzas laterales utilizando una presión distribuida de una bolsa de aire. El aparato de prueba para aplicar estas cargas se sometió a un protocolo de verificación para garantizar un rendimiento y una recopilación de datos precisos. “Durante la prueba de carga en cada panel, los 44 sensores resultaron en aproximadamente 1,000,000 de puntos de datos en total recopilados y analizados para cada uno de los 19 paneles probados hasta la fecha”, dijo Marc Maguire, PhD, Facultad Durham de Ingeniería y Construcción Arquitectónicas, Universidad de Nebraska-Lincoln.
La orientación del panel, para fines de las pruebas, fue de 41 pies de largo del panel (altura) avanzando horizontalmente y 4 pies de ancho avanzando verticalmente (es decir, el panel colocado de lado). Durante las pruebas, se midieron las flechas en puntos de ¼ y a medio tramo, así como los desplazamientos diferenciales del muro de media asta. También se monitorearon las cargas en cada ubicación de impacto y desde la bolsa de aire, así como las cargas muertas axiales.
“Los datos recopilados mostraron que todos los sistemas de conexión compuestos excedían la carga considerada de diseño del panel”, dijo Maguire. “Un representante de cada fabricante estuvo presente para observar la construcción y la prueba de los paneles. Estos datos se están utilizando actualmente para desarrollar modelos analíticos para que los ingenieros diseñen muros parcialmente compuestos en el rango de agrietamiento posterior: un requisito para un diseño de muro delgado.”.
Se realizaron pruebas de esfuerzo cortante doble en las muestras para verificar el desempeño del material de los conectores. Se llevó a cabo una prueba de esfuerzo cortante doble para todos los conectores involucrados en el estudio. Esta prueba es la forma en que se pueden determinar la unidad de resistencia y rigidez de un conector para el diseño. Un ejemplo de una prueba de esfuerzo cortante doble se muestra en la página 39.
RESULTADOS, CONCLUSIONES Y PASOS SIGUIENTES
“En este momento, hay dos iniciativas en marcha dentro del American Concrete Institute con respecto al estado y el avance de esta investigación”, afirmó James R. Baty II, F.ACI, F.TCA, gerente de Asuntos Regulatorios y Técnicos de la TCA. “La norma ACI 551 – Concreto Tilt-Up está avanzando hacia la próxima versión de la Guía de Diseño (551.2R). Este documento describe el método adecuado para diseñar paneles tilt-up y ofrece múltiples ejemplos sobre cómo aplicar la norma ACI 318 a tipos de paneles comunes. El comité tiene la intención de ampliar la guía actual para incluir paneles tilt-up aislados, particularmente en relación con el comportamiento semicompuesto. Hay numerosos miembros de la TCA presentes en este comité con derecho a voto que se enfrentarán al reto de incorporar la investigación oportuna”. Además, Baty es miembro con derecho a voto en ACI 319 – Código de Concreto Estructural Prefabricado. Este comité se creó inicialmente como un esfuerzo conjunto entre ACI y el Precast/Prestressed Concrete Institute. Se amplió para incorporar la perspectiva de ACI 318 sobre lo que constituye el concreto prefabricado por definición, lo cual incluye el vaciado in situ de tilt-up o los elementos de construcción de muros de tilt-up. “Si bien esta investigación establece el nuevo estándar para comprender el comportamiento de los paneles aislantes semicompuestos, será de interés para la TCA colaborar en el desarrollo de secciones específicas para este nuevo código”, dijo Baty.
El Dr. Maguire presentará los resultados, conclusiones y próximos pasos en la Convención y Exposición de Tilt-Up que se celebrará en St. Louis, Missouri. Se presentarán las generalidades en una sesión plenaria el 17 de septiembre, así como un análisis profundo para quienes estén interesados el 18.
“El trabajo de este programa de pruebas brindará a los ingenieros procedimientos de diseño sólidos para crear paneles de concreto más económicos, más altos y mejor aislados para la próxima generación de la construcción *tilt-up*”, dijo Jeffrey R. Needham, PE, SE, FTCA con Needham DBS. “Además, valida los procedimientos de diseño actuales que no han sido verificados desde principios de la década de 1980, a pesar del importante aumento en el tamaño y la complejidad de los paneles. Finalmente, los resultados de pruebas tempranas indican que los paneles semi-compuestos *tilt-up* muestran una fortaleza significativa y un rendimiento de flexión similar a las proyecciones del viejo ‘Libro Verde’”.
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