Por Craig Coppersmith, Ingeniero Profesional, C2 Consulting, LLC
Desde principios de la década de 1980, los paneles sándwich de hormigón aislante se han utilizado como técnica de diseño y construcción para el método tilt-up. Este tipo de paneles se compone de una capa interior y una exterior de hormigón, separadas por una capa de espuma rígida aislante. Se utilizan conectores para unir las dos capas de hormigón. Hasta la fecha, la mayoría de los paneles aislantes se han diseñado utilizando una acción no compuesta, lo que significa que solo se consideraba una capa de hormigón para la integridad estructural del panel. La amplia aceptación y adopción del Código Internacional de Conservación de Energía (IECC) ha reforzado los beneficios aislantes de los sistemas de paneles sándwich y ha motivado a muchos en la industria del tilt-up a analizar más de cerca las formas de maximizar el rendimiento y la constructibilidad mediante la creación de un estándar para el comportamiento compuesto de los sistemas aislantes. Con ese fin, la Asociación de Hormigón Tilt-Up (TCA) ha colaborado con la Escuela Durham de Ingeniería Arquitectónica y Construcción de la Universidad de Nebraska para llevar a cabo lo que se cree que es la prueba de campo a escala real más grande de este tipo. El objetivo del estudio es desarrollar una metodología de diseño de muros delgados que pueda predecir el comportamiento compuesto bajo fuerzas axiales y de flexión combinadas.
“Este es un momento emocionante para la comunidad de ingeniería, ya que avanzamos en la comprensión del comportamiento de los paneles prefabricados parcialmente compuestos en un elemento de hormigón agrietado”, dijo Philip Kopf, PE, SE, FTCA, y copresidente del grupo de trabajo de ingeniería sobre paneles sándwich compuestos con Kopf Consulting Group, Inc. “Si bien los paneles parcialmente compuestos se han utilizado en elementos de hormigón pretensado y sin agrietar, realmente no comprendemos el comportamiento en un elemento de hormigón agrietado. Esta es la primera prueba significativa a gran escala de paneles prefabricados desde principios de la década de 1980. Creo que el conocimiento que obtengamos de este programa de pruebas de paneles parcialmente compuestos será tan significativo como las pruebas de paneles macizos a gran escala realizadas en ese entonces”.”
Al momento de escribir este artículo, la fase de pruebas del estudio está en gran medida completa. Se espera que las pruebas de los dos paneles finales se realicen esta primavera, y que el análisis de los datos y un esperado informe resumen se publiquen a finales de 2021. “Estos son tiempos emocionantes, de hecho, para el avance de los protocolos de diseño que utilizan la acción compuesta de paneles sándwich de concreto aislado en la construcción con paneles prefabricados”, dijo Kopf.
LIDERAZGO DE ESTUDIO
Agencia/Supervisión de Pruebas
Marc Maguire, PhD – Escuela de Ingeniería y Construcción Arquitectónica de Durham, Universidad de Nebraska-Lincoln
Grupo de Tareas de Ingeniería en Paneles Sándwich Compuestos
Andrew McPherson, FTCA – Seretta Construction, Inc.
Craig Olson, PE – C. E. Doyle, LLC
James R. Baty, FACI, FTCA – Asociación de Concreto Tilt-Up
John Hart, FTCA, 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 especímenes de prueba y montaje
Steve Miers – Tilt-Up Concrete, Inc.
Consejo Asesor de Fabricantes Participantes
Brad Nesset – Leviat
Matt Saguibo – HK Composites
Sean Hirka – Dayton Superior Corporation
Joel Foderberg – Iconx, LLC
Kim Blackburn – Soluciones Estructurales Innovadoras
Gestión de proyectos 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 trabajo preparado que estuvo expuesto a la intemperie (no en un entorno interior controlado).
Construcción de todos los paneles de prueba – Las cuadrillas de Tilt-Up Concrete (de Lincoln, Nebraska y propiedad de Steve Miers) completaron todas las actividades de construcción requeridas para fabricar, acabar y levantar los paneles de prueba. Durante la construcción de los paneles, se verificó el asentamiento del concreto y se fabricaron cilindros de concreto y vigas de flexión para pruebas de compresión y tensión. Los asistentes de posgrado, que trabajan para la Universidad de Nebraska, gestionaron y realizaron todos los esfuerzos de prueba de materiales durante la construcción de los paneles de prueba para verificar las propiedades del material del concreto. Además, instalaron y monitorearon los medidores de deformación.
Tamaño y configuración de los paneles aislados de muro tipo sándwich – Se construyeron tres paneles de prueba para cada sistema de panel con aislamiento específico. Cada panel de prueba se construyó con unas dimensiones generales de 41’ de largo por 4’ de ancho. Todos los paneles de muro tipo sándwich con aislamiento (excepto los paneles Innstruct que usan un sistema diferente) se construyeron utilizando una configuración de 3 capas que consiste en 4” de concreto, 2” de aislamiento y 4” de concreto, para un total de 10” de espesor. La configuración de pines/tirantes se determinó y especificó según el proveedor apropiado del sistema de panel con aislamiento. Las mallas de refuerzo consistían en #4 barras de refuerzo con 6 barras longitudinales y una distancia de 1¾” desde el borde de la barra longitudinal hasta la cara del concreto. Todos los paneles de prueba se construyeron con los soportes apropiados de rodillos de media tubería de acero en cada extremo (a lo largo de la dimensión de 4’) para permitir la aplicación de las cargas de prueba adecuadas.
Cabe señalar que también se construyeron probetas de cizallamiento doble para cada tipo de conector/pasador para probar y verificar el rendimiento del material respectivo.
Tamaño y Configuración del Panel de Prueba de Control – También se construyeron paneles de control no aislados (con fines comparativos), con dimensiones generales de 41 pies de largo por 4 pies de ancho. El espesor del panel de los paneles de control era de 8 pulgadas. Las esteras de refuerzo consistían en #4 barras de refuerzo con 6 barras longitudinales y una distancia de 1 pulgada desde el borde de la barra longitudinal hasta la cara del concreto. Todos los paneles de control se construyeron con soportes de rodillo de media tubería de acero apropiados en cada extremo (a lo largo de la dimensión de 4 pies) para permitir la aplicación de cargas de prueba adecuadas.
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 Mezcla de Concreto – El concreto se adquirió de las empresas de concreto premezclado Ready Mixed Concrete Company y Husker Ready Mixed Concrete, propiedad de NEBCO, Inc. Ambas empresas 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 y el equipo de la Universidad de Nebraska proporcionarán datos detallados en el informe final sobre los detalles del diseño de mezcla y los aditivos que se utilizaron.
Compuesto de curado – Todos los paneles de prueba se curaron usando Silcoseal Select Cure and Bondbreaker, fabricados por Nox-Crete Products Group, Inc.
Sensores internos – Cada panel de prueba fue fundido con dos galgas extensométricas vibratorias y una galga de humedad relativa (HR) estratégicamente posicionadas en cada capa de todos los paneles. Sensores de termistor y transductores de deformación monitorean la temperatura interna longitudinal y las deformaciones durante la vida útil del panel de prueba. Todos los sensores colocados internamente son (y serán) monitoreados continuamente.
PRUEBA
Las pruebas de los paneles se completaron en el sitio de 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. Quedan dos paneles por probar, a la fecha de redacción de este artículo.
Las pruebas consistieron en aplicar cargas axiales muertas en el extremo del panel; las fuerzas laterales se aplicaron mediante presión distribuida de una bolsa de aire/vejiga. El aparato de prueba para la aplicación de estas cargas se sometió a un protocolo de verificación para garantizar un rendimiento preciso y la recopilación de datos. “Durante las pruebas de carga de cada panel, los 44 sensores generaron aproximadamente 1.000.000 de puntos de datos totales (que fueron) recolectados y analizados para cada uno de los 19 paneles probados hasta la fecha”, dijo Marc Maguire, PhD, de la Escuela de Ingeniería y Construcción Arquitectónica de Durham, Universidad de Nebraska-Lincoln.
Para fines de prueba, la orientación del panel incluyó 41 pies de la longitud del panel (altura) colocada horizontalmente y 4 pies del ancho del panel colocados verticalmente (es decir, con el panel posicionado de lado). Durante las pruebas, se midieron las deflexiones en los puntos de un cuarto y a la mitad, y los desplazamientos diferenciales de las capas (wythes). También se monitorearon las cargas en cada ubicación del ariete y de la vejiga/bolsa de aire, así como las cargas muertas axiales.
“Los datos recopilados mostraron que todos los sistemas de conectores compuestos excedían la carga factorizada del diseño del panel”, dijo la Dra. Maguire. “Un representante de cada fabricante estuvo presente para observar la construcción y las pruebas del panel. Estos datos se están utilizando actualmente para desarrollar modelos analíticos para que los ingenieros diseñen muros parcialmente compuestos en el rango post-fisuración, un requisito para el diseño de muros esbeltos”.”
Se probaron especímenes de doble cizallamiento para verificar el rendimiento del material del conector. “Se realizó una prueba de doble cizallamiento para todos los conectores involucrados en el estudio”, dijo el Dr. Maguire. “Esta prueba es la forma en que se pueden determinar la resistencia unitaria y la rigidez de un conector para el diseño”. En la página 39 se presenta un ejemplo de una prueba de doble cizallamiento.
RESULTADOS, CONCLUSIONES Y PRÓXIMOS PASOS
“En la actualidad, hay dos iniciativas en marcha dentro del Instituto Americano del Hormigón (ACI) que resultan valiosas para el posicionamiento y el avance de esta investigación”, afirmó James R. Baty II, FACI, FTCA y director de asuntos normativos y técnicos de la TCA. “La norma ACI 551 —Hormigón para construcción por elevación— está avanzando hacia la próxima versión de la Guía de Diseño (551.2R). Este documento describe el método adecuado para el diseño de paneles de hormigón tilt-up y ofrece múltiples ejemplos de cómo aplicar la norma ACI 318 a los tipos de paneles más comunes. El comité tiene la intención de ampliar la guía actual para ofrecer ejemplos de diseño de paneles de hormigón tilt-up aislados, particularmente en lo que respecta al comportamiento semicompuesto. Hay numerosos miembros de la TCA presentes en este comité con derecho a voto que se enfrentarán al reto de incorporar investigaciones oportunas”. Además, Baty es miembro con derecho a voto del ACI 319 – Código de hormigón estructural prefabricado. Este comité se creó inicialmente como un esfuerzo conjunto entre el ACI y el Instituto de Hormigón Prefabricado y Pretensado. Se ha ampliado para incorporar la perspectiva del ACI 318 sobre lo que constituye el hormigón prefabricado por definición, lo que incluye elementos de construcción de muros tilt-up o tilt-wall moldeados in situ. “Dado que esta investigación establece el nuevo estándar para la comprensión del comportamiento de los paneles aislantes semicompuestos, será de interés para la TCA ayudar 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 Expo Tilt-Up 2021 en St. Louis, Missouri. Se ofrecerá una descripción general en sesión general el 17 de septiembre y un análisis en profundidad el 18 de septiembre.
“El trabajo de este programa de pruebas proporcionará a los ingenieros procedimientos de diseño sólidos para crear paneles de concreto más económicos, altos y bien aislados para la próxima generación de construcción de hormigón prefabricado. Esto también 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 preliminares de las pruebas indican que los paneles semi-compuestos prefabricados muestran una resistencia y un rendimiento de deflexión significativos que son similares a las antiguas proyecciones del ”Libro Verde“‘, dijo Jeffrey R. Needham, PE, SE, FTCA con Needham DBS.’
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