REFUERZO DE COLUMNAS A TRAVES DE ENCAMISADO DE HORMIGON ARMADO

Halac, Matias Diego

Ingeniero Civil TECBIM

matias@tecbim.com

RESUMEN

El presente trabajo, tiene como objetivo mostrar el proceso de cálculo y diseño de un refuerzo estructural de columna a través del método de recrecido de hormigón. Dichas columnas, pertenecen a estacionamientos de un edificio de oficinas, a partir de las cuales se proyecta elevar una torre metálica destinada a albergar sanitarios externos a las oficinas.

Además, se mostrará el proceso constructivo y ciertas prácticas recomendables propuestas a raíz de numerosos ensayos en especímenes controlados.

ABSTRACT

The present work aims to show the calculation and design process of a structural column reinforcement through jacketing method. These columns belong to parking lots of an office building, from which it is planned to raise a steel tower destined to external toilets to the offices.

In addition, the construction process and certain recommended best practices proposed as a result of numerous tests on controlled specimens will be shown.

 

  

  

PLANTEO DEL PROBLEMA

A pedido de un cliente, se solicita evaluar la posibilidad de construir una torre metálica para albergar sanitarios sobre las columnas existentes del sector de estacionamientos de un edificio destinado a oficinas. En la Figura 1, se muestra el proyecto original y en la Figura 2, la torre descripta.

Figura 1. Estructura original de estacionamiento

 

  

  

Figura 2. Torre metálica sobre estructura de estacionamiento existente

 

  

  

Se contaba con los planos originales de la estructura existente de HA, tanto de armado de elementos, como de fundaciones.

Con dicha información, se procedió a elaborar un modelo computacional y así recrear las distintas etapas a las que estará sometida la estructura. Las mismas son:

1. Columnas en estado original -> Cargas: peso propio elementos + carga permanente + sobrecarga + torre metálica (Estado para evaluación)

2. Columnas sin recubrimiento -> Cargas: peso propio de elementos + sobrecarga de operarios y maquinaria presente

3. Columnas con recrecido realizado -> Cargas: peso propio elementos + carga permanente + sobrecarga + torre metálica

Ante la necesidad de incrementar la resistencia de las columnas, se llevo a cabo una investigación de los principales factores que la afectan, teniendo en cuenta que el método para tal fin es el encamisado a través del recrecido de la sección.

Finalmente, se propuso una metodología de cálculo y verificación, motivo del presente trabajo.

Verificación inicial

Como primer paso, se procedió a dimensionar la estructura metálica, con el objetivo de obtener los esfuerzos que inducirá en la estructura existente.

A continuación, se verificaron las columnas actuales con el armado dispuesto según planos de esta, y para ello se elaboro un diagrama de interacción biaxial de cada una, mostrado en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama interacción biaxial de columna sin refuerzo

 

  

  

Como se observa, tomando como ejemplo una columna central, la columna existente es incapaz de resistir a las cargas actuantes, motivo por el cual se propone incrementar su resistencia a través del recrecido de la misma.

Recrecido de la sección como método de refuerzo estructural

Existen muchos métodos para aumentar la capacidad de carga de un miembro, como por ejemplo el empleo de fibras de polímero, perfiles metálicos, lazos pretensados, chapa con flecha inicial, recrecido.

El recrecido es el método clásico para aumentar la resistencia de las columnas, y correctamente diseñado, su ductilidad. En ingles es conocido como jacketing columns y es el más empleado y documentado de los últimos 50 años.

Este método, consiste en aumentar la sección de hormigón agregando una capa externa a la existente de hormigón con una dosificación específica, y armaduras en esta.

Dentro de esta nueva armadura, tenemos armadura longitudinal, transversal, y fundamental, conectores de corte para compatibilizar deformaciones y por ende esfuerzos entre la sección existente y la nueva.

El principal factor para lograr un aumento en la resistencia de la columna es el confinamiento originado por este encamisado exterior. Otros factores, como la interface entre los estratos, conectores de corte, espesor de recrecido, dosificación, armadura longitudinal también impactan en los valores finales de rigidez, resistencia y ductilidad.

Factores que impactan en el comportamiento del encamisado

Espesor del recrecido: Estudios de Bousias, 2007, demuestran que aumentan la resistencia, ductilidad y rigidez. Valores recomendados se encuentran entre un 10% y un 20% de la sección original para secciones sin estribos y 30% para secciones con estribos garantizando un recubrimiento acorde.

Grado de acción compuesta: Se refiere al deslizamiento relativo entre superficies hormigonadas en distintos tiempos. Es bien conocida la implicancia de este valor con la resistencia final de la columna. Varios métodos existen para lograr una sección monolítica, como por ejemplo, enarenado de la sección, remoción de recubrimiento, productos epoxidicos, conectores de corte. Si bien no existe consenso entre varios estudios llevados a cabo en cuanto a la preparación previa o no del estrato externo, el consenso entre los ingenieros es dotar de cierta rugosidad previo al hormigonado del recrecido en conjunción con el uso de conectores de corte que van a cumplir 2 fines: uno es reducir la longitud de pandeo tanto de las barras longitudinales como del

 

  

  

nuevo estrato de hormigón y el otro es garantizar que el deslizamiento relativo entre estratos sea el mínimo posible. Si comparamos la rigidez de una columna recrecida a una con una sección hormigonada monolíticamente, se encuentra que la primera es menor, debido a un deslizamiento relativo, aunque es mínimo para el caso conjunto de rugosidad + conectores de corte. Este fenómeno se incorpora al calculo estructural mediante un coeficiente η, con el cual se obtienen las deformaciones de las fibras fuera del núcleo original. Varios estudios analíticos validados mediante ensayos a escala, lograron determinar que dicho coeficiente puede valer: 0.75 para superficies sin tratamiento, 0.80 para superficie rugosa, 0.85 para uso de conectores de corte y 0.90 para uso conjunto de conectores de corte y rugosidad de la superficie. Finalmente, encontramos un aumento de resistencia con respecto a una sección monolítica, debido a que por lo general, el hormigón utilizado en el recrecido tiene una resistencia característica a la compresión mucho mayor que el núcleo.

Figura 4. Diagramas de deformaciones unitarias para a) sección monolítica b) sección con deslizamiento relativo

Refuerzo transversal: Aplicando el modelo de Mander, es esperable un incremento tanto de la resistencia como de ductilidad. El refuerzo transversal proporciona confinamiento pasivo. El hormigón no está confinado fuera del área del refuerzo trasversal y se espera que este hormigón tenga características esfuerzo deformación distintas a las que si están confinadas. Impidiendo la libre dilatación en sentido trasversal del hormigón, teóricamente la carga admisible axial P tiende a infinito. Es importante establecer que zonas de hormigón estarán efectivamente confinadas, sobre todo, para secciones rectangulares. Para ello son útiles las siguientes imágenes:

 

  

  

Figura 5. Región confinada para sección inicial, sin recrecido

Figura 6. Región confinada para sección con recrecido

 

  

  

Figura 7. Sección columna con disposición final de armadura y recrecido

Refuerzo longitudinal: Es difícil obtener refuerzo longitudinal continuo, ya que, por lo general, las zonas en donde las barras se anclan o atraviesan la losa, tienen mucha congestión de barras existentes. En términos de costos, es recomendable primero verificar la necesidad o no de colocar armadura longitudinal. Muchas veces con garantizar un confinamiento adecuado, el incremento de resistencia es alcanzado.

Precarga: Al momento de encamisar la columna, la misma se encuentra en precarga debido a las cargas actuantes en dicho momento. Las columnas precargadas tienen resistencias ultimas similares a las monolíticas sin precarga, sin embargo, el desplazamiento vertical de las primeras es mayor (y por ende su rigidez menor). Con el objetivo que el encamisado tome mayor carga axil, se aconseja apuntalar las columnas y con una pretensión, aunque este método rara vez se justifica. Solo se implementa cuando la columna ha sufrido daño estructural.

Aplicación de la carga: Para movilizar instantáneamente la capacidad del recrecido, es importante hacer tope con la losa en ambos extremos. El efecto de confinamiento en este escenario se alcanza más rápido que cuando el recrecido no se extiende por completo. En este sentido es clave el método constructivo para lograr dicho objetivo. Además, ensayos con las condiciones de carga indicadas en la Figura 8, demostraron un pequeño incremento en la capacidad ultima de la columna cuando la carga es del tipo C.

 

  

  

Figura 8. Condición de carga

Verificación de encamisado armado propuesto

Partiendo de las premisas nombradas, se propuso el siguiente encamisado (tomando como ejemplo la columna central cuya sección era rectangular):

Figura 9. Sección propuesta del encamisado.

 

  

  

Figura 10. Vista frontal del encamisado propuesto.

Características del ensamisado:

- 80 mm espesor de recrecido, de los cuales 20 mm aproximadamente corresponden al recubrimiento a demoler

- Colocación de llaves de corte ubicadas de manera alternada, desfasadas 15 cm en altura con la vecina, ancladas con químico, talado profundidad 80 mm. Se utilizan también para tomar la armadura longitudinal.

- Ganchos de corte, utilizados también para sujetar la armadura transversal - Armadura longitudinal, dimensionada a partir del diagrama de iteración

propuesto en la sección analítica siguiente y las cargas actuantes - Armadura transversal, suficiente para obtener zonas confinadas. No se cumple

sin embargo, con las especificaciones del INPRES en cuanto a zonas con

 

  

  

rotulas plásticas, lo cual es innecesario en este caso. - Empotramiento de barras longitudinales en losa, 200 mm, a través de anclajes

químicos. - Demolición de recubrimiento de barras de losa

Figura 11. Sección analítica con encamisado. Refuerzos en negro, zonas confinadas en amarillo y en verdes la no confinadas equivalentes.

Una vez finalizada la creación de la sección analítica, e implementada en el modelo de cálculo, se procedió a verificar mediante el diagrama de iteración, las solicitaciones ultimas, mostrado en la Figura 12.

Figura 12. Diagrama interacción biaxial de columna con encamisado

Es útil recalcar que para tener en cuenta el coeficiente de deslizamiento relativo, se escalo el diagrama constitutivo del grout por el factor 0,9.

 

  

  

Materiales empleados

En todos los casos, el grout u hormigón de relleno deben poseer una resistencia característica igual o mayor a la del hormigón existente.

Grout para últimos 5 cm: Es importante que posea buena adherencia con el hormigón existente, y tenga una fluidez suficiente para rellenar todos los intersticios y cavidades presentes en la zona de contacto. Además, es vital que su cambio volumétrico sea nulo, es decir, endurecer sin retracción. Para este fin, fue exitoso la utilización de SIKADUR 41.

Grout para encamisado: Se debe cuidar los espesores máximos a partir de los cuales es necesario utilizar agregado para controlar los cambios volumétricos. En el caso presente, se utilizo piedra 6-9, logrando con éxito trabajabilidad y capacidad para rellenar los espacios entre barras. Para asegurar un correcto grouteado, se realizo en dos etapas. Para este fin, fue exitoso la utilización de SIKA GROUT 212.

Proceso constructivo

1) Se remueve el recubrimiento de las caras en las columnas a reforzar, tal como se muestra en la Figura 13. Además, se marca la posición de los conectores de corte y se remueve el recubrimiento de las barras de losas, en una zona delimitada. Esto último, para posterior rellenado con grout especial, garantizando el correcto contacto y entrada en carga del recrecido.

Figura 13. Remoción de recubrimiento en columna a reforzar

 

  

  

2) Colocación de conectores de corte y ganchos: Para ello se emplea un taladro y anclaje químico. En esta ocasión, se utilizó el SIKA Anchor Fix 3001. Ver figura 14.

Figura 14. Colocación de ganchos y conectores de corte

3) Se realizan los taladros en la zona de losa removida para colocar, mediante anclaje químico, los tramos de barras longitudinales. Estos, servirán además para anclar los tramos centrales de armadura longitudinal.

4) Se continua con el agregado de los tramos centrales de barras longitudinales. Ver Figura 15. Esta imagen es del piso inmediato inferior a la torre metálica, las barras de refuerzo que se divisan en el extremo superior forman parte de un capitel para esfuerzos de punzonado, en zona de anclaje de las placas base

 

  

  

metálica.

Figura 15. Remoción de recubrimiento en losas y agregado de barras longitudinales.

5) Se groutea la base removida de losa con SIKA Dur 41, compactando con varilla de madera.

6) Se realiza el encofrado para el grout. Dicho grout es el SIKA GROUT 212. El grouteado, por practicidad, se realiza en 2 etapas. Se procede también con el

 

  

  

segundo tramo, dejando 5 cm en la parte superior para posterior rellenado con SIKA Dur 41.

Figura 16. Encofrado y grouteado del primer tramo de columna

7) Desde un piso superior, se rellenan los 5 cm restantes. Se garantiza que el fluido rellena toda la cavidad al aparecer en el agujero previsto para tal fin en otro extremo opuesto de la columna.

 

  

  

Figura 17. El espacio mostrado de 5 cm antes de ser rellenado con SIKA Dur 41.

Figura 18. Columna finalizada

 

  

  

Bibliografía:

James D. Gaitan, 2017. “Retrofit of Reinforced Concrete Columns”. The Ohio State University, Columnbus, USA.

Alexander Sichko, Halil Sezen, 2017. “Review of Methods for Reinforced Concrete Column Retrofit”. Smart Monitoring, Assessment and Rehabilitation of Civil Structures.