criterios de diseño de

estructuras prefabricadas

Ponencia presentada en el II Con-greso Nacional de Ingeniería Sís-mica, celebrado en Veracruz, enn~ayo de 1968. Se publica con leer-ndso de la Sociedad Mexicana deIngeniería Sísmica.

JOSÉ MA. Rrosóo MARTÍN'::

SINOPSIS

En este artículo se hace ura revisión delos principales problemas que se presentanen el diseno de estrwturas prefabricadas re-sistentes a sismos. Se enfatiza Za necesidadde unifomlizar los criterios para dise7Lar estetipo de estructuras con el fin de lograr queCstos sean m(is racionales. y t.uwlbié?L su in-corporación a reglamentos de las construc-ciones oficiales. Además, se cornelztan algu-fas de las expetiencias en nuestro mediosobre este tipo de estructuras.

INTRODUCCION

La aplicación de métodos constructivosbasados en técnicas de prefabricación es ca-da vez más común en México. Sin embargo,todavía no hay normas oficiales que orien-ten al proyectista que diseña estructurasprefabricadas. Como resultado existe unagran diversidad en los criterios de diseño,sobre todo en lo que se refiere a la formade tener en cuenta las acciones sísmicas. Esevidente la necesidad de uniformizar estoscriterios, lo que requerirá amplias investi-gaciones y una evaluación cuidadosa de lasexperiencias disponibles. El campo es joven,no sólo en México, sino también en Europay los Estados Unidos. Apenas en los últi-mos años comienza a hacerse mención espe-cífica del tema en algunos códigos.

En este trabajo se pretende hacer una re-visión de los principales problemas del di-seño de estructuras prefabricadas resisten-tes a sismo. La intención es simplementeplantear los problemas con la esperanza de

SUMMARY

Main problems 01% the design of prefabri-cated structures resistant to ear thquakes ,are reviewed in this paper. The need to set-tle the cr i ter ion to design these types ofstructures, in order to obtain rational con-cepts, as well as the incorporation of thiscriterion to the official buildiltg codes, nreenzphasized. Some experiences on t h e s e ty-pes of structures in our country, are alsocommented.

que esto sirva de estímulo a futuros es-tudios e investigaciones que conduzcan acriterios racionales de diseño y a la incor-poración de éstos a los reglamentos de cons-trucción oficiales. Al mismo tiempo se co-mentarán algunas experiencias en nuestromedio. Los problemas que se reseñan abar-can tres aspectos básicos del diseño de es-tructuras prefabricadas sujetas a sismo: laestructuración, las conexiones entre los ele-mentos y el estudio de las condiciones enlas que puede encontrarse una estructuraen distintas etapas de su montaje.

ESTRUCTURACION

En cuanto se habla de prefabricación pien-sa uno en los castillos de naipes. La idea deir colocando elemento sobre elemento, sinpreocuparse gran cosa de las uniones entreellos, es sugestiva desde el punto de vistadel constructor y del fabricante.

Sin embargo, no hay que olvidar que la

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* Jefe, Depto. Técnico de Presforzados Mexicanos, S. A. Profr. Facultad de Ingeniería, UNAM.** Investigador Principal Sección de Estructuras del Instituto de

dos Mexicanos, S. A. Profrl de la Facultad de Ingeniería, UNAM.Ingeniería, Director Técnico de Presforza-

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d e t a l l e A

r e l l e n o d e m o r t e r o/ P11

r e l l e n o d ec o n c r e t o

d e t a l l e Ad e t a l l e B

Fig. 1. Estructura prefabricada a base de columnas en voladizo que soportanvigas doblemente articuladas.

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continuidad de las estructuras y la posibi-lidad de redistribuciones de fuerzas es loque a menudo nos ha protegido de las con-secuencias de usar métodos de cálculo ex-cesivamente simplistas que no, toman encuenta muchas acciones de importancia. Lasestructuras isostáticas y los castillos de nai-pes en regiones sísmicas deben tratarse conmuchas precauciones. El peligro de las so-luciones isostáticas se ha confirmado con elcomportamiento de ciertas estructuras du-rante los sismos de Agadir ’ y Anchorage.-

Sin embargo, si huyendo de las solucionesisostáticas, intenta uno reproducir el mo-nolitismo de las estructuras coladas en ellugar, se puede caer en soluciones con unio-nes complicadas y costosas. Parece indicadobuscar soluciones intermedias con conexio-nes que aseguren resistencia y ductilidadadecuadas, aunque sin reproducir idéntica-mente las condiciones de las estructuras mo-nolíticas. Esto representa un campo de in-vestigación casi virgen.

En general, parece razonable el criterioque preconiza T. Y. Lin.‘:

Según Lin, las estructuras deben diseñar-se de manera que los daños que pueda oca-sionar un sismo de intensidad mediana seaninsignificantes y que bajo sismos de intensi-dad excepcional la estructura tenga ducti-lidad suficiente para admitir deformacionessin llegar al colapso, aunque esto impli-que daños que requieran reparaciones im-portantes. Además es evidente que convieneevitar distribuciones irregulares de los ele-mentos resistentes que puedan originar tor-siones fuertes.

En los párrafos siguientes se describenalgunos de los sistemas estructurales máscomúnmente usados en edificios prefabri-cados, haciendo hincapié en su comporta-miento frente a sismos.

a. Columnas en voladizo que soportan vi-gas libremente apoyadas o articuladas(Fig. 1)

Este sistema es muy común en naves deedificios industriales. Las columnas actúancomo voladizos que deben resistir todas lasfuerzas horizontales como elementos isostá-ticos. Puesto que no puede contarse con lasreservas de resistencias típicas de una es-tructura dúctil continua, deben dimensionar-

se como criterio conservador. Aun cuandono exista continuidad entre columnas y tra-bes, éstas deben quedar amarradas por an-clas de algún tipo. (Véase detalle A de laFig. 1.)

Fste sistema ha sido usado con éxito enMéxico aunque no está claro si sería pre-ferible sacrificar sencillez constructivacreando cierto grado de continuidad entretrabe y columnas con el fin de resistir lasfuerzas laterales más eficientemente. Unejemplo típico es el mostrado en la Fig. 2.Desgraciadamente cualquier intento de es-te tipo dificulta el desarrollo de sistemasconstructivos a base de elementos prefabri-cados estándar. Cómo lograr cierta conti-nuidad sin sacrificar las ventajas de la es-tandarización es precisamente uno de losproblemas de la prefabricación que requie-re más estudio. Por el momento en Méxicosigue pareciendo adecuada la solución isos-tática en naves y bodegas con sistemas detecho ligero en donde las columnas son re-lativamente cortas. Es interesante la expe-riencia en Rumania 4 donde los edificios in-dustriales prefabricados han evolucionadode soluciones isostáticas a soluciones conti-nuas. Sin embargo, en países como Sueciadonde no se consideran los sismos en el di-seño, persisten las soluciones isostáticas.

b. Estructuras rigidizadas por muros (Fig.

3)

La idea de emplear muros de concretopara resistir las fuerzas horizontales es atrac-tiva. La Fig. (3) muestra algunas solucionestípicas. La función de las columnas quedacasi limitada a la de soportar cargas ver-ticales. Las fuerzas horizontales se transmi-ten a los muros a través de los pisos, quedeben diseñarse como diafragmas. El siste-ma tiene ventajas constructivas evidentesque permiten reducir los tiempos de ejecu-ción considerablemente. En la Fig. 4 semuestra esquemáticamente una solución tí-pica. Los muros pueden construirse concimbras deslizantes. Las conexiones entrelos elementos del sistema de piso y las co-lumnas son sencillas, puesto que no estánsujetas a momentos grandes. Es bastantefrecuente pretensar tanto los diafragmashorizontales como los muros.3 A veces, seaprovechan los muros de los cubos de es-

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Fig. 2. Nave industrial prefabricada estructurada a base de columnas envoladizo para los talleres de Petróleos Mexicanos, en Minatitlán, Ver.

d ia f ragma horizontal

muro rigidizante

r-

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Fig. 3. Dos soluciones típicas de estructuras rigidizadas por muros.

G R U A

E L E M E N T O SP R E F A B R I C A D O S

NUCLEOR I G I D I Z A N T EDE CONCRETOCONSTRUIDOC O N C I M B R AD E S L I Z A N T E

Fig. 4. Estructuración a base de un núcleo de concreto colado en el lugar,con cimbra deslizante y elementos prefabricados montados por medio de una

grúa torre colocada en el interior del núcleo

calera, de elevadores o servicios, como mu-ros rigidizantes. El diseño de estos edificiospresenta todavía aspectos dudosos. No existemucha información sobre el comportamien-to de diafragmas horizontales formadospor elementos prefabricados. iCómo de-tallar las conexiones entre éstos? iCómotener en cuenta la contribución de los fir-mes colados en lugar? iCómo reforzar es-tos firmes? iCómo lograr que funcionenmonolíticamente con los precolados? Estasson preguntas que todavía no tienen res-puestas del todo satisfactorias. Algunas re-comendaciones de tipo empírico se dan enla referencia (5) .

Los problemas del diseño de muros rigi-dizantes de concreto son bien conocidos. LaLa importancia de cimentarlos correctamen-

te es obvia. La influencia de la interacciónentre los muros y la cimentación puede sersi.gni.ficativa por su efecto sobre la rigidezrelativa de los muros. Las conexiones entrelos diafragmas y los muros ameritan toda-vía mucho estudio. Lo mismo puede afir-marse de las conexiones entre las columnasy los elementos del sistema de piso. Es du-doso también el criterio que debe seguirseen el diseño de columnas. ;Es realmenteprudente considerar que están sujetas a car-ga axial únicamente? Sino, jcon qué pro-porción de las fuerzas sísmicas que actúansobre la estructura deben diseñarse? A pe-sar de estas dificultades de diseño el siste-ma es de uso bastante común.” G Incluso enMéxico, se ha hecho algún intento como eledificio de oficinas de 4 niveles, localizado

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Fig. 5. Edificio para oficinas de 4 niveles, localizado en Viaducto MiguelAlemán y Nebraska, de esta ciudad, estructurado a base de columnas, trabesy losas prefabricadas y de dos núcleos rígidos de concreto colados en el lugar,

situados en los extremos del edificio.

en Viaducto Miguel Alemán y Minería (Fig.5) y el Edificio Centro Hogar y Cultura, enAbraham González y Barcelona, de 9 nive-les (Fig. 6). Una variante importante es lade los edificios de placas prefabricadas so-bre los que existe abundante literatura.7,sPor el momento este tipo de soluciones noha despertado gran interés en México.

c. Estructuras continuas de trabes y co-l u m n a s

En este sistema de estructuración se in-tenta conservar el monolitismo de las es-tructuras coladas en el lugar. Esto implicael empleo de conexiones rígidas que garan-ticen la continuidad. Cuando la estructuradebe diseñarse para resistir fuerzas sísmi-cas importantes, este tipo de solución suele

requerir juntas elaboradas. Sin embargo, enEuropa, y sobre todo en la Unión Soviética,el sistema se aplica con relativa frecuenciaaun en edificios de bastantes niveles.” EnMéxico es de uso común en edificios indus-triales de un solo nivel.lO

Existen diversas variantes. En el caso mássencillo las unidades prefabricadas son tra-mos rectos de columnas y trabes. Este es elsistema usual en muchas naves industriales.

En algunos casos las columnas se hacenen tramos de varios niveles con objeto desimplificar las conexiones y las operacionesde montaje. Un inconveniente serio de lassoluciones descritas es que las conexionesde las trabes quedan en las regiones dondelos momentos debidos a fuerzas horizontalesson máximos,

Fig. 6. Edificio para oficinas de 9 niveles ubicado en Abraham González yBarcelona, de esta ciudad, cuya estructura es a base de un sistema de piso

prefabricado, y dos muros rigidizantes de concreto situadosen las cabeceras del edificio.

Una forma de aliviar el problema, con- ciones. Esta solución fue utilizada con éxitosiste en diseñar los elementos prefabricados en el edificio para la Banca Lambert en Bru-de manera que las conexiones queden en’ selas.llregiones donde los momentos son pequeños. En Fig. 7 se presentan algunas variantesPor ejemplo, puede estructurarse un marco estructurales posibles. En México se hancon elementos en cruz unidos por articula- empleado estructuraciones de este tipo, por

conexiones continuascoladas/

en el lugarII -

conexione3 continuasc o l a d a s e n e l l u g a r

/m I I _

I elementos I I I Iprefabricados -*

I m m I _1

conexiones continuasconexiones continuascoladascoladas e n e le n e l

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II mm

elementoselementos

conexiones continuas conexiones articuladas/ /

elementosprefabricados

con/ones /iculadas

m m M

elementosm - - -

m II I .

Fig. 7. Distintas solucionesde estructuras continuas de

trabes y columnasprefabricadas.

Fig. 8. Edificio para laboratorios y oficinas para el Instituto Mexicano delPetróleo situado en la Colonia Vallejo, de esta ciudad; la estructura estáformada por columnas y trabes prefabricadas, formando marcos continuos.

ejemplo, en algunos de los edificios para elInstituto Mexicano del Petróleo.12 (VéaseFig. 8.) Generalmente se recurre a coladosin situ para lograr el monolitismo.

d. Soluciones mixtas

El empleo de soluciones mixtas puede re-sultar provechoso. En algunos edificios delInstituto Mexicano del Petróleo la resisten-cia a sismo se logró con muros en un sentidoy con marcos rígidos en el otro.

CONEXIONES

Probablemente el aspecto del diseño deestructuras prefabricadas que más estudiorequiere es el de las conexiones. iCuálesson las funciones de una conexión? De unamanera muy general podría decirse que de-be tener suficiente resistencia para desarro-llar la capacidad de los elementos que inte-gran la estructura, que debe ser económicay sencilla, que debe garantizar una estabi-lidad adecuada durante el montaje y quedebe asegurar un comportamiento aceptablebajo condiciones de servicio. Un examen deestos requisitos, revela algunas de las difi-cultades del problema.

i&ué debe entenderse por “suficiente re-sistencia”? En la práctica usual se hace un

análisis elástico del edificio para determinarlas acciones internas producidas por las so-licitaciones de servicio. Los elementos inte-grantes se dimensionan para que resistanestas acciones internas multiplicadas por undeterminado factor de carga. iDebe usarseel mismo factor de carga para dimensionarlas conexiones? Dadas las hipótesis simpli-ficatorias usuales en la determinación de lasacciones que obran sobre las mismas, asícomo las condiciones difíciles en que éstassuelen efectuarse en el campo, parece pru-dente dar mayor resistencia a las conexio-nes que a los elementos precolados. Unarecomendación común es la de diseñar laconexión multiplicando los factores de cargausuales por 4/3. Por otra parte, desde elpunto de vista del comportamiento ante sis-mos quizá más importante que la resistenciasea la ductilidad, requisito básico que a ve-ces se descuida. En conexiones en las quehay empalmes de varillas, por ejemplo, laconexión debe ser capaz de desarrollar unaresistencia francamente superior a la co-rrespondiente a la fluencia de las varillasunidas, si se desea contar con una ductilidadadecuada. Según algunos autores, debe des-arrollarse la capacidad de rotura de la va-rilla. También es difícil fijar criterios paradeterminar qué comportamiento es acepta-ble bajo condiciones de servicio. La infor-

ll

mación sobre correlaciones entre criteriosde diseño y comportamientos bajo condicio-nes de servicio es escasa. Por ejemplo, seríainteresante tener más datos sobre lo que su-

trabe

cede en juntas semielásticas en las que sehan utilizado detalles de neopreno o ma-teriales análogos.

La sencillez de las conexiones es un re-quisito básico que frecuentemente se olvi-da. La economía de una junta no dependede la cantidad de materiales utilizados si-no de la sencillez con que puede realizarsey del grado en que se facilite el montaje.Por otra parte una conexión complicada,congestionada de detalles, siempre tendrámayor riesgo de quedar defectuosa, ademásde requerir una supervisión más cuidadosa.Las tolerancias a fijar deben ser realistas.

Los requisitos de estabilidad en el mon-taje se reseñan en las secciones siguientes.

Esta revisión rápida de algunos de los pro-

t r a b e

blemas del diseño de juntas indica la ur-gencia de formular criterios de diseño sen-cillos y realistas, lo que requiere una amplialabor experimental previa.

Es interesante el trabajo realizado en estesentido por la Portland Cement Associationy el Prestressed Concrete Institute.“‘~~~L~l~~l’~~‘í

El comité ACI-ASCE 512, está preparandounas normas sobre prefabricación que in-cluirán recomendaciones so b r e dise ño deconexiones que se espera constituyan unacontribución importante a la solución delproblema.

Las Figs. 9, 10, 11 y 12, muestran algunasjuntas que han sido usadas en México.

PROBLEMAS DE MONTAJE

c o l a d o e n e l l u g a rDurante su montaje las estructuras pre-

fabricadas están expuestas al peligro de te-ner que soportar las acciones sísmicas antesde que hayan sido realizadas las conexio-nes que garantizan su estabilidad definiti-va. El proyectista debe revisar que en todaslas etapas del montaje se cuente con unaseguridad razonable. Nuevamente se tropie-za aquí con el problema de determinar quées una seguridad razonable. En algunos ca-sos los elementos de la estructura puedendimensionarse para que soporten las fuerzashorizontales aún antes de estar ligados entresí. En las revisiones de la estabilidad de

Fig. 9. Conexión continua trabe-columnarealizada en la parte superior de

una columna.

estas construcciones debe tenerse en cuentaque las cargas permanentes y vivas a con-siderar son menores que las que deberá so-

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columna -1-1

ta>

c o r t e A - A ’Fig. 10. Conexión continua trabe-columna

efectuada en un nivel intermediode una columna.

portar la estructura terminada. En otros ca-sos es imprescindible recurir a sistemasrigidizantes provisionales. como el mostradoen la Fig. 13.

Los criterios de seguridad con que debendiseñarse estos sistemas rigidizantes son muyvariables. Es aconsejable normalizarlos.

Es importante detallar los apoyos de loselementos prefabricados de manera que pro-porcionen cierta estabilidad a los elementosaún antes de que se realicen las conexionesdefinitivas. Esta medida sencilla ha evitadoaccidentes de varios edificios prefabricadosen México que han estado expuestos a tem-blores durante su montaje. (Detalle A de laFig. 1).

CONCLUSIONES

Es recomendable reglamentar los criteriosde diseño de estructuras prefabricadas. De-be insistirse de una manera especial en lanecesidad de lograr soluciones dúctiles conuna reserva de energía considerable quepermita a las estructuras resistir sismos deimportancia sin que se produzca el colapso.Hace falta establecer métodos racionales pa-ra el dimensionamiento de juntas basadasen la experiencia y la experimentación. Asímismo son necesarias normas para el dise-ño de los sistemas de rigidización provisio-nal requeridos durante el montaje.

pernos

neopreno -

trabe

Fig. ll. Conexión semi-continua a base deplacas de neopreno y pernos de sujeción.

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Fig. 12. Conexión contima realizada en el edificio prefabricado de aulas dela Preparatoria de Mixcoac de esta ciudad.

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Fig. 13. Rigidización temporal de una estructura prefabricada de concreto abase de contravientos metálicos.

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