Informe Estructural Estudio Estructural del...

Informe de Estudio de Comportamiento Sísmico Losas Alivianadas con Esferas o Discos Alfonso Larraín y Asociados - Prenova

Alfonso Larraín Vial y Asoc. Ltda.

I Ingenieros Civiles Estructurales

Avenida Vitacura 2909, Of.801, Las Condes, Santiago

f: (+562) 25714132 / www.alving.cl / [email protected]

Informe Estructural

Estudio Estructural del Comportamiento Sísmico

De losas aligeradas con esferas plásticas, Prenova.

Autores:

Alfonso Larraín Vial – Ingeniero Civil [email protected] Tomás Yáñez Celedón – Ingeniero Civil [email protected] Andrés Larraín Contador – Ingeniero Civil [email protected]






1.- Introducción y Antecedentes

El presente informe se realiza a solicitud del Arquitecto Ricardo Levinton, de PRENOVA

(www.prenova.com.ar), con el objetivo de validar el sistema constructivo de losas alivianadas con

esferas o discos plásticos para su uso en zonas sísmicas.

En zonas sísmicas, la losa cumple una función adicional de transferir cargas horizontales hacia los

elementos verticales. Tal como especifica el código de diseño ACI 318 en su capítulo de diseño sísmico

21:

21.11.3.1 Todos los diafragmas y sus conexiones deben diseñarse y detallarse para

que sean capaces de transferir todas las fuerzas a los elementos colectores y a los

elementos verticales del sistema de resistencia ante fuerzas sísmicas

El alcance de este estudio es determinar el mecanismo de falla y la resistencia de una losa alivianada

antes esfuerzos de corte generados por cargas sísmicas. Se pretende además entregar criterios de

diseño sísmico para el uso de losa alivianadas en zonas sísmicas.

Para este estudio se han realizado dos tipos de ensayos con 3 probetas cada uno. Los ensayos fueron

diseñados por la oficina de cálculo estructural Alfonso Larraín Vial y Asociados y se ejecutaron en los

laboratorios del Centro de Investigación y Desarrollo en Construcciones del Instituto Nacional de

Tecnología Industrial INTI en la ciudad de Buenos Aires,

Complementa el presente documento, el informe técnico de ensayos del INTI, O.T. Nº101/22207.






2.- Descripción del sistema estructural Una losa alivianada se confecciona a partir de disponer de forma reticulada discos o esferas de

plásticos de 225 mm de diámetro ente dos mallas de acero. Al hormigonar esta sección las esferas

quedan atrapadas dentro del hormigón produciendo una losa con cavidades en dos direcciones. Del

elemento de hormigón se distinguen tres partes, una losa continua superior, una losa continua inferior y

almas en dos direcciones perpendiculares que unen la losa superior con la inferior.

Figura 1: Esquema en planta y corte de discos 100mm de alto Figura 2: Disposición de discos antes de hormigonar






3. Ensayos y Probetas

Se ensayaron 3 dimensiones de discos plásticos que varían en su altura, diámetro y separación entre

ellos. Los parámetros de cada disco se resumen en la siguiente tabla:

Nombre Altura H [mm]

Diámetro D [mm]

Separación e [mm]

P100 100 225 25

P140 140 225 25

P220 220 220 30

Tabla 1: Nombre y parámetros de discos Prenova ensayados

3.1 Descripción conceptual de ensayos Para modelar el mecanismo de falla de una losa alivianada bajo esfuerzos de corte inducido por

cargas sísmicas se diseñaron dos ensayos que replican los esfuerzos al que una losa se ve sometida en

un sismo:

ENSAYO 1: Ensayo de transferencia de carga lateral

El primer ensayo se diseñó para observar el mecanismo de falla de la losa alivianada al aplicar cargas

invertidas sobre las caras continuas que conforma el recubrimientos superior e inferior de la losa. Los

esfuerzos se transmiten por el alma de hormigón que se conforma alrededor de los discos o esferas.

Figura 3: Diseño conceptual Ensayo 1






ENSAYO 2: Ensayo de corte directo.

El segundo ensayo busca determinar la resistencia a corte en el sentido longitudinal de la losa. De este

modo la losa es capaz de transferir cargas hacia los muros o marcos del sistema sismo resistente. El

ensayo consiste en aplicar dos fuerzas contrapuestas en el sentido longitudinal de la losa.

Figura 4: Diseño conceptual Ensayo 2

3.2- Descripción de las Probetas de acuerdo a Tipos de Ensayo.

Para cada ensayo se utilizaron tres probetas distintas que representan los parámetros geométricos de

los discos y esfera P100, P140 y P220.

Se optó por realizar ensayos de carga estática por lo que se adaptaron las probetas de ambos

ensayos para garantizar la estabilidad durante la prueba. El ensayo consiste aplicar una carga cuasi

estática que aumenta a baja velocidad hasta la ruptura de la probeta. Se registra la carga de falla.

Para asegurar la estabilidad del ensayo se generó una probeta simétrica en el eje de aplicación de la

carga. Ver figuras 5 y 6. La flecha “P” indica el punto o línea de aplicación de la carga, Las flechas “R”

muestran los apoyos de las probetas.






Figura 5: Probeta Ensayo 1

Figura 6: Probeta Ensayo 2

3.3- Espesores de Losa a ser ensayados, y Detalles de las Probetas. Ambos ensayos, 1 y 2, fueron realizados para espesores de 16, 20 y 28 cm. Los espesores 16 y 20 cm

fueron trabajados con discos Prenova diámetro 22,5 cm y alto 10 cm para espesor 16 cm y alto 14 cm

para losa espesor 20 cm; y por otro lado la losa de 28 cm fue trabajada con esferas diámetro 22 cm. La

siguiente tabla muestra numeración de ensayos de acuerdo a los espesores mencionados, para

ensayos tipo 1 y tipo 2, y luego se muestran imágenes con dimensiones de cada una de las probetas.

Numero de

Ensayo

Tipo Ensayo

Espesor losa [mm]

Disco Diámetro [mm]

Disco Altura H [mm]

Código Muestra INTI (*)

1.1 1 380 225 100 N° 1 – 2 probetas

1.2 1 450 225 140 N° 3 – 2 probetas

1.3 1 600 220 220 N° 2 – 2 probetas

2.1 2 160 225 100 N° 6 – 3 probetas

2.2 2 200 225 140 N° 5 – 3 probetas

2.3 2 280 220 220 N° 4 – 3 probetas

(*)Numeración del Informe de Ensayo realizado por el INTI O.T. Nº101/22207 Tabla 2: Numeración, tipo de ensayo, parámetros geométricos.






Figura 7: Probeta 1.1 ensayo 1 en espesor 16 cm, discos de 22,5 cm y alto 10 cm


Figura 9: Probeta 1.3 ensayo 1 en espesor 28 cm, espesor 22 cm de esferas








Figura 12: Probeta 2.3 ensayo 2 en espesor 28 cm, esferas de 22 cm de diámetro.






4.- Resultados de los Ensayos

Las siguientes tablas muestran las cargas de rotura de cada probeta. Se presentan el resumen de los

resultados del informe INTI, O.T. Nº101/22207

4.1- Resultados Ensayo Nº1: Transferencia de carga lateral.

Ensayo Espécimen

[N°] Carga Rotura [kN] (ton)

1.1 2523 975.80 (99.6)

2524 987.20 (100.7)

1.2 2527 829.60 (84.7)

2528 522.40 (53.3)

1.3 2525 802.00 (81.8)

2526 787.80 (80.4)

Tabla 3: Resultados Ensayo 1

La probeta 2528 mostraba un mal refrentado de las caras de la probeta que provoca una distribución

de carga no uniformes a pesar de contar con una placa base para esta función. Los resultados de la

probeta 2528 se descartan del análisis.

En las figuras 13 y 14 se observa una única grieta vertical que nace a un costado de un apoyo hasta

llegar cerca del punto de aplicación de la carga. No se observa daños ni grietas en otras zonas de la

probeta.

Figura 13: Probeta ensayo 1.3

Figura 14: Falla probeta ensayo 1.3






En las figuras 15 y 16 se observa el aplastamiento de un puntal en una esquina. El puntal recorre desde

el punto de aplicación de la carga hasta un apoyo. Grietas atraviesan el sentido longitudinal del

puntal. El hormigón se desprende y desintegra.








4.2- Resultados Ensayo Nº2: Corte directo.

Ensayo Espécimen

[N°] Carga Rotura

[kN] Observaciones

2.1

2535 557.20 Descartado

2536 634.40

2537 642.40

2.2

2532 567.60

2533 574.20 Falla a 550.00 kN

2534 491.60 Falla a 443.00 kN

Descartado

2.3

2529 725.20

2530 766.80

2531 571.60 Descartado

Tabla 4: Resultados Ensayo 2

La probeta 2531, 2534 y 2535 mostraba un mal refrentado de las caras de la probeta que provoca una distribución de carga no uniformes a pesar de contar con una placa base para esta función. Los

resultados de la probeta 2531, 2534 y 2535 se descartan del análisis.








Figura 19: Probeta ensayo 2.3


En la figura 17 se observan grietas que nacen en un apoyo. La grieta se observa en la cara lateral y

frontal. La grieta de la cara latera avanza de forma diagonal hasta la parte superior central donde se

aplica la carga.

La figura 19 muestra grietas en una probeta a ambos extremos de la cara lateral. En un extremo se

aprecia una grieta continua desde el apoyo hasta el centro del borde superior, en el otro se han

marcado tres grietas diagonales paralelos entre sí.

Figuras 19 y 20 muestran la falla de la probeta por aplastamiento de dos franjas en la carga lateral. El

puntal se desprende del resto de la probeta. El apoyo no indica aplastamiento del puntal.

4.3- Resistencia del hormigón usado en los ensayos De acuerdo al informe de Ensayo elaborado por Inti Construcciones según la O.T.I Nª 101/22207, y los

resultados de las dos probetas, y de acuerdo a reglamento argentino vigente CIRSOC 201:1982 y el

Proyecto de Reglamento CIRSOC 201:2005, se concluye que la resistencia cilíndrica del hormigón es

f’c = 20,7 MPa.






5.- Análisis de los resultados

A continuación en la tabla 5 se resume los resultados de probetas válidas. De ellos se ha considerado

el promedio de las cargas de ruptura

Numero de

Ensayo

Tipo Ensayo

Espesor losa [mm]

Disco Diámetro [mm]

Disco Altura H [mm]

Carga de Ruptura [kN]

1.1 1 380 225 100 981.5

1.2 1 450 225 140 829.6

1.3 1 600 220 220 794.9

2.1 2 160 225 100 638.4

2.2 2 200 225 140 575.9

2.3 2 280 220 220 746.0

Tabla 5: Resumen resultados Ensayo 1 y 2

5.1- Estudios sísmicos Ensayo 1 El ensayo 1 se observa dos mecanismos de fallas; la ruptura por tracción del hormigón en el borde

inferior entre apoyos y ruptura por aplastamiento de puntal diagonal. Ambos mecanismos se pueden

describir mediante un modelo puntal tensor que se produce en la sección completa de hormigón.

Ver figura 21.

Figura 21: Modelo puntal tensor de la sección completa. Modelos para espesores de 600, 454 y 374mm






La resistencia global de la probeta queda determinada por la resistencia a tracción de la sección

inferior de hormigón (tensor) y por la resistencia a compresión del puntal.

La falla por tracción del hormigón (tensor) no representa el fenómeno de la transmisión de cargas de

una cara de la losa alivianada a la otra, sino que es una particularidad del diseño de la probeta. La

falla por aplastamiento del puntal diagonal representa de mejor manera la transmisión de esfuerzos

de una cara de la losa a otra.

El puntal buscará transmitirse por la sección más rígida del elemento, por lo que el puntal se

desarrollará sólo en las secciones completas de hormigón, despreciado cualquier otra sección que

contenga algún vacío.

En la figura 22 se grafica la resistencia de cada probeta y las cargas de falla teórica del puntal y el

tensor. En el eje de las abscisas se indica relación Ancho / Alto (B/H) de la probeta como índice de

esbeltez.

Figura 22: Gráfico resultados ensayos y modelos de ruptura puntal tensor Ensayo 1

A partir del gráfico se aprecia que los valores teóricos indican una resistencia menor a los resultados

obtenidos del ensayo, esto es esperable debido a la dispersión de resultados que se obtiene de

ensayos de hormigón y que los valores teóricos representan la cota inferior del comportamiento del

hormigón. No se atribuye esta resistencia adicional a la particularidad de la geometría de las

probetas.

El gráfico muestra que la resistencia del puntal es menor a la resistencia del tensor, por la probeta

debe fallar primero por el aplastamiento del puntal antes que el tensor.

0

200

400

600

800

1000

1200

0.40 0.50 0.60 0.70 0.80


B/H

Ensayo 1

Tensor

Puntal






5.2 Estudio sísmico Ensayo 2. El ensayo 2 muestra principalmente un mecanismo de falla de aplastamiento de hormigón de las

caras laterales. Este mecanismo es posible explicarlo mediante un modelo puntal tensor. No se

observó fallas del tensor debido a la armadura presente en las caras de la probeta.

Figura 23: Modelo puntal tensor ensayo 2

Figura 24: Gráfico carga ruptura y modelo puntal tensor Ensayo 2

Parámetros y criterios de diseño referirse a ACI 318-11 A.1

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5


B/H

Ensayo 2

Tensor

Puntal






6.- Conclusiones

A partir de los ensayos y los análisis realizados se concluye lo siguiente:

- El comportamiento de una losa alivianada a esfuerzos de corte puede representarse por un

modelo puntal tensor

- El puntal a compresión se desarrolla sólo en las secciones completas de hormigón, por lo que

sólo se debe considerar el área de hormigón que pertenece a una sección completa como

área resistente a corte.

- Dado que el modelo puntal tensor representa de forma apropiada la resistencia de la probeta,

se recomiendo usar las resistencias a corte expresadas en ACI318-11 utilizando sólo la sección

superior e inferior como área resistente a corte. Ver figura 25.

- El diseñador estructural debe tomar precaución en identificar las zonas de altos esfuerzos

sísmicos. Se recomienda crear lozas macizas donde sea necesario transmitir esfuerzos cíclicos.

- Para aumentar la resistencia a esfuerzos de corte sísmico se recomienda:

o Como primera alternativa y la más eficaz, aumentar el espesor superior e inferior de la

losa alivianada indicada como bw en figura 25.

Figura 25: Parámetros de área de corte de esfuerzos sísmicos

o Aumentar armadura en los espesores superiores e inferiores (bw). Respetando los límites

de armadura de corte máxima según ACI considerando la sección bw de la figura 25,

pudiéndose ésta ubicar entre la malla de acero mostrada en dicha figura, que es una

zona donde la armadura quedará con mayor recubrimiento.






o Adicional a la armadura indicada en punto anterior, podrá instalarse trabas en la

sección (be) indicada en figura 26 de modo de unir ambas armaduras adicionales

Figura 26: Armadura adicional para esfuerzos sísmicos.

Finalmente se concluye que la losa alivianada Prenova tiene la capacidad para transmitir cargas hacia colectores y elementos verticales del sistema resistente del sismo como el exige el Capítulo 21 del ACI-318 2011. Se puede aumentar la resistencia a corte generado por esfuerzos sísmicos siguiendo las indicaciones descritas en este capítulo.

SANTIAGO, 19 de abril de 2013.

ALFONSO LARRAÍN VIAL INGENIERO CIVIL ESTRUCTURAL ALFONSO LARRAÍN VIAL Y

ASOC. LTDA.

ANDRÉS LARRAÍN CONTADOR INGENIERO CIVIL ESTRUCTURAL ALFONSO LARRAÍN VIAL Y

ASOC. LTDA.

TOMÁS YÁÑEZ CELEDÓN INGENIERO CIVIL ESTRUCTURAL ALFONSO LARRAÍN VIAL Y

ASOC. LTDA.

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