TEMAS.

GENERALIDADES DE LOS ELEMENTOS PREFABRICADOS

LA ESTRUCTURACIÓN CON ELEMENTOS PREFABRICADOS

SISTEMAS ESTRUCTURALES PREFABRICADOS

Es un hecho que los métodos constructivos del futuro van a estar basados en

la prefabricación. Estos nacen con las producciones en serie y viéndose

favorecidos con la aparición del presfuerzo, de tal modo que al producir

piezas o elementos prefabricados presforzados (pretensados o postensados)

su aplicación ha sido creciente.

Hay campos de la construcción en donde estos métodos son muy utilizados,

por ejemplo:

• en viaductos,

• puentes vehiculares,

• puentes peatonales;

también se aplica en:

• tanques de almacenamiento,

• techumbres en naves industriales,

• en losas de entrepiso y azotea,

• en viviendas de interés social,

interés medio,

• edificios de oficinas y

• centrales de abasto,

entre otros.

Ya en una fecha tan temprana como 1891 una empresa francesa prefabrica

vigas de hormigón armado, en 1904 se ejecuta en Francia el primer edificio

de grandes paneles.

Estos primeros pasos se convirtieron en las premisas de UNA NUEVA

FORMA DE CONSTRUIR

Durante las primeras décadas del siglo XX se fueron creando las

condiciones que permitirían la asimilación a gran escala de esta nueva

técnica constructiva.

Hombres como Edison, Atterbrury, May, Gropius, Le Corbusier y Perret fueron

los pioneros en el uso de esta técnica. Sus experiencias se convirtieron en

los primeros intentos de aplicación, que sin embargo, se vieron

obstaculizados por razones materiales, principalmente por el desarrollo de

los medios de transporte y de elevación, así como también por razones

subjetivas: la desconfianza, la incomprensión y el rechazo a la nueva

técnica por parte de los usuarios y especialistas (paradigmas).

Le Corbusier

Perret

No es hasta la culminación de la Segunda Guerra Mundial que se dan las

condiciones necesarias para la introducción de métodos avanzados de

construcción, a consecuencia de las gigantescas proporciones de las

devastaciones ocasionadas por el conflicto. Es precisamente en ese

momento que la prefabricación inicia su desarrollo sostenido.

La prefabricación representa una revolución dentro de los esquemas

clásicos de organización de la ejecución de una obra, ya que significa la

introducción de nuevos métodos y procedimientos técnicos, lo cual

significa un considerable ahorro de fuerza de trabajo, de materiales en

general y una reducción apreciable de los plazos de ejecución, además

de las mejoras sociales que traen aparejadas debido al cambio de las

condiciones de trabajo que se hacen más humanas para el obrero.

Puede afirmarse que la prefabricación como técnica de construcción:

• Mejora la organización del trabajo.

• Permite aumentar el nivel de mecanización de las labores.

• Posibilita introducir métodos afines a la producción industrial.

• Permite incrementar la productividad del trabajo.

• Da la posibilidad de disminuir los costos de ejecución.

Ventajas:

En la economía:

- Uso repetido de moldes.

- Economía total o parcial de madera.

- Reducción del tiempo de trabajo.

- Reducción de la mano de obra.

- Posibilidad de producir en masa

mediante la normalización y la

tipificación.

- Reducción del consumo de cemento

y hormigón en obra.

Ventajas e Inconvenientes de la Prefabricación.

En la producción:

- Permite obtener una organización del trabajo de tipo industrial.

- Brinda la posibilidad al obrero de trabajo en condiciones más racionales.

- Se puede lograr un aumento de la producción y calidad de los elementos.

- Mejora la calificación de la mano de obra.

- Se evitan las interrupciones durante el hormigonado.

En el proyecto:

- Permite el uso de secciones

estructurales más racionales.

- Da la posibilidad de menos juntas

de dilatación.

- Se disminuyen considerablemente

los efectos de la retracción.

- Ofrece la posibilidad del uso del

pretensado.

- Facilita el ensayo de elementos

antes de su colocación.

- Posibilita el uso de estructuras

desmontables.

Inconvenientes:

- Dificultad para lograr estructuras con monolitismo completo.

- La solución de las juntas no siempre es fácil y su comportamiento no

siempre es predecible.

- Requiere el uso de costosos equipos de izaje.

- Requiere del uso de elementos sustentación provisional y mano de obra

calificada .

- No siempre se puede lograr un sistema de fragmentación que garantice

un comportamiento estructural óptimo.

- Generalmente se requiere de plantas de producción cuya inversión inicial

es muy elevada y con períodos de amortización elevados.

- Elevados costos de transportación.

PERO……

Criterios generales y principios básicos para la realización de un proyecto

con elementos prefabricados de hormigón armado.

El éxito de una obra prefabricada dependerá del grado de cumplimiento

de las exigencias planteadas por cada una de las etapas que la componen:

- Producción de los elementos (en serie).

- Transporte y almacenamiento de los elementos en obra.

- Montaje de la obra.

- Solución de las juntas.

En general debe tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

1. Determinación de la forma adecuada, las dimensiones y el peso de los

elementos componentes de la estructura de manera que estén acordes

con las exigencias de la producción, el transporte y el montaje.

2. Fragmentación de la estructura en elementos componentes que

respondan a las necesidades estructurales y constructivas, y a las

restricciones que impone la producción.

3. Aseguramiento de la estabilidad de los elementos durante las etapas

de transporte, almacenamiento y montaje. Esta se logra a través de la

propia forma del elemento o con el uso de aditamentos de fijación

provisional.

4. Diseño de las juntas o conexiones de forma tal que facilite el proceso

de producción y que posteriormente ofrezca un adecuado montaje y

construcción.

5. Condiciones tecnológicas disponibles y el aseguramiento material.

¿Qué es el hormigón pretensado?

Pretensar una construcción es: “crear en ella artificialmente, con

anterioridad a la aplicación de las cargas exteriores o simultáneamente

con ellas, unos esfuerzos permanentes tales que, superpuestos a los

esfuerzos debido a cargas exteriores, los esfuerzos totales resultantes

permanezcan en todos los puntos y para todas la hipótesis consideradas

de cargas exteriores, comprendidas entre los esfuerzos límites que el

material puede soportar indefinidamente”

1928: El día 2 de Octubre de 1928,

Eugene Freyssinet y su amigo Seailles

registraban en Paris la patente No

680,547, definiendo con toda precisión

la idea teórica de la pre compresión

permanente de los hormigones o de

otras materias, y todas sus formas

posibles de realización.

Sin embargo, se requieren fuertes puntos deanclaje exteriores entre los que el tendón seestira y los tendones están generalmente enuna línea recta. Por lo tanto, la mayoría deelementos pretensados de esta forma sonprefabricados en taller y deben sertransportados al lugar de construcción, lo quelimita su tamaño. Elementos pretensadospueden ser trabes, losas de piso, vigas decimentación o pilotes.

Hormigón pretesadoEl concreto se vierte alrededor del los aceros, cables o tendones tensados.Este método produce un buen vínculo entre el acero y el concreto, el cualprotege al tendón de la oxidación, y permite la transferencia directa deesfuerzos. El hormigón o concreto fraguado se adhiere a las barras, ycuando la tensión se libera, es transferida hacia el concreto en forma decompresión por medio de la fricción.

El hormigón pretesado es el tipo depretensado que se aplica en vigasprefabricadas.

La construcción de una vigaprefabricada sigue estos pasos(simplificando el proceso):1. • Colocación de las armaduras

pasivas. Se colocan tendidas enel aire, manteniendo lasdistancias requeridas.

2. • Colocación de las armadurasactivas. Estas armaduras sepretensan, estirándolas con unosgatos neumáticos. Son armadurascon corrugas, al igual que lasarmaduras pasivas, para quehaya adherencia con elconcreto.

3. • Colocación del encofrado. El molde que servirá para hacer la viga.4. • Vertido del concreto.5. • Curado y fraguado del concreto.6. • Corte de los extremos de las armaduras activas. Gracias a las corrugas

de estas armaduras, la tensión inicial que se le ha dado se transfiere alhormigón, una vez que se liberan de los gatos.

7. • Desencofrado.

Es el término descriptivo para la aplicación de compresión tras el vertido yposterior proceso de secado in situ del hormigón.

En el interior del molde de hormigón se coloca una vaina de plástico, aceroo aluminio, para seguir el trazado más conveniente en el interior de la pieza,siguiendo la franja donde, de otra manera, se registrarían tracciones en elelemento de estructural.

Hormigón Postesado.

Una vez que elhormigón se haendurecido, lostendones se pasan através de los conductos.

Después dichos tendones son tensados mediante gatos hidráulicos quereaccionan contra la propia pieza de hormigón. Cuando los tendones sehan estirado lo suficiente, de acuerdo con las especificaciones de diseño,estos quedan atrapados en su posición mediante cuñas u otros sistemas deanclaje y mantienen la tensión después de que los gatos hidráulicos seretiren, transfiriendo así la presión hacia el concreto.

Hormigón Postesado.

RECORDANDO…..En física, la ley de elasticidad de Hooke o ley de Hooke,originalmente formulada para casos del estiramientolongitudinal, establece que el alargamiento unitario queexperimenta un material elástico es directamenteproporcional a la fuerza aplicada:

Siendo:

La ley se aplica a materiales elásticos hasta un límitedenominado límite elástico.

Esta ley recibe su nombre de Robert Hooke, físico británicocontemporáneo de Isaac Newton. Ante el temor de que alguien seapoderara de su descubrimiento, Hooke lo publicó en forma de unfamoso anagrama, “ceiiinosssttuv”, revelando su contenido un par deaños más tarde. El anagrama significa Ut tensio sic vis ("como la extensión,así la fuerza")…….. (anagrama: palabra o frase que resulta de latransposición de letras o de otra palabra o frase )

En general el postensado consiste en:

• Colocación de las armaduras pasivasy las vainas por donde irán los tendonesde pretensado.

• Colocación de las cimbras.

• Vertido del hormigón.

• Curado y fraguado del hormigón.

• Introducción de los tendones dentrode las vainas y pretensado de lostendones. En los extremos se colocanunas cuñas de anclaje.

ESTRUCTURACIÓN CON ELEMENTOS PREFABRICADOS

El empleo de sistemas de piso de concreto prefabricado puede ser un pasoimportante en la solución del problema de vivienda en México. También sonútiles en edificaciones para otros fines como comerciales, industriales uoficinas.

En la actualidad, principalmente por la poca difusión en México de este tipode sistemas de piso, su empleo no ha sido muy amplio. Sin embargo, dada latendencia actual de cambios asociados a procesos de innovacióntecnológica, es de esperarse que en un futuro cercano se utilicen más lossistemas de piso prefabricados.

Los tipos de sistemas de piso más comunes en México que se describen demanera detallada más adelante se pueden dividir en tres grupos:

• Vigueta y bovedilla, y doble T de poco peralte (h < 30 cm)• Losa alveolar o extruida• T, TT y ATT para claros grandes

El sistema a base de vigueta y bovedilla, así como la TT de poco peralte, seemplean principalmente en edificaciones habitacionales hasta de cinconiveles, aun cuando es factible su uso en edificaciones de mayor altura.

Las losas alveolares se fabrican en un molde con un proceso de extrusión,quedando una sección transversal hueca. Dependiendo del peralte de lalosa, se pueden emplear para cubrir diversos claros, principalmente entre 8y 12 m, aunque se producen en el país este tipo de losas para clarosmenores, a partir de 3 m.

Las losas T que se producen en México para edificaciones, cubren clarosdesde 6 m hasta alrededor de 12 m. Algunas secciones T y TT cubren clarosmayores, entre 10 y 25 m.

Vigueta pretensada y bovedilla

El sistema de piso denominado Vigueta y Bovedilla está formado porelementos pretensados portantes (vigueta pretensada), bovedilla decemento-arena y una losa de compresión hecha de concreto de f’c= 200kg/cm2, con espesor mínimo de 4 cm. La losa generalmente está armadacon una malla electrosoldada 6x6-10/10 y rodeada perimetralmente conuna cadena o trabe armada con 4 varillas y estribos en los que la viguetapenetra por lo menos 5 cm.

La Figura muestra un detalle general del sistema constructivo a base devigueta y bovedilla. Este sistema se usa actualmente en casas y edificios de1 a 5 niveles, básicamente en los proyectos de interés social que ejecutan losorganismos oficiales y particulares. El reglamento de construcciones delDistrito Federal no contiene nada referente a este sistema de piso.

El sistema de vigueta y bovedilla ha sido satisfactorio en edificacioneshabitacionales de pocos niveles pero su uso no está restringido solamente aestas edificaciones. Se ha utilizado en edificios de 10 y 15 niveles, puentespeatonales y vehiculares, techumbres de naves industriales, losas para taparlos cajones de cimentación, estacionamientos y andenes de carga ydescarga, entre otros.

Los fabricantes de viguetapretensada las producen condistintos peraltes. Por ejemplo:h= 11, 13, 14, 15, 16, 20 y 30 cm.Las bovedillas de cemento-arena se fabrican en alturas de13, 14, 15, 16, 20 y 26 cm y encualquier altura cuando se tratade bovedilla de poliestireno.

VIGUETA Y BOVEDILLA.

Determinación de las cargas actuantes:

a) Carga muerta (peso propio del sistema), se debe seleccionar el peraltetotal del sistema y el tipo de bovedilla a usar, por ejemplo, de cemento-arena, pómez, poliestireno o sin bovedillas utilizando módulos recuperables

b) Acabados.

c) Carga Viva

Selección del peralte total del sistema.

La Norma Oficial Mexicana de Vigueta y Bovedilla NOM-000-SCFI-1995estipula que el peralte total h del sistema debe ser mínimo el claro decálculo dividido entre 25, entendiéndose por claro de cálculo la longitud dela vigueta.

Por ejemplo, para un claro de 500 cm:

h = 500/25 = 20 cm).

Selección del peralte de la vigueta a usar en el sistema.

La capacidad de carga gravitacional del sistema está dada por dosvariables:

a) La cantidad y fuerza de tensado del acero de presfuerzo de lasviguetas.

b) La distancia que hay del centroide del acero de presfuerzo a la fibrasuperior en compresión (lecho alto de la losa o capa de compresión).

Bajo este razonamiento, cualquier vigueta que tenga la cantidad de acerorequerida puede usarse y estará dentro de los límites razonables de costo.

Procedimiento para evaluar si se requiere que el sistema se apuntale antes ydurante el colado del firme, losa de compresión Las cargas que van aactuar durante el proceso de construcción de un sistema de vigueta ybovedilla son:

a) Peso propio de la vigueta y bovedilla (dado por el fabricante de loselementos)

b) Peso propio del concreto de la losa de compresión (2,200 kg/m3).

c) Carga viva de los trabajadores (se consideran 100 kg/m2)

Con la suma de estas tres cargas se consulta el manual del fabricante paraseleccionar el peralte y tipo de viga que se recomienda para cada claro.Se debe tener en cuenta que la distancia del centroide del acero a la fibrasuperior en compresión corresponde a la de la vigueta como elementoaislado.

La solución más económica será cuando coincida la vigueta que serequiere durante el proceso constructivo, con la vigueta que se requierepara las cargas finales a que va a estar sometido el sistema. Si la vigarequerida durante el procedimiento de construcción tiene que ser demayor peralte y tener más acero que la viga requerida para el sistema, serecomienda usar la viga seleccionada para el sistema y apuntalarladurante el proceso de construcción.

BOVEDILLA BOVEDILLA BOVEDILLA60 cm 60 cm 75 cm Puntales

60‐25‐08 60‐25‐20 75‐25‐268 11 14 11 14 11 14 14 11 14 11 14 11 14 11 14 14

2.3 620 1030 960 590 540 820 750 1070 440 390 610 560 400 360 520 470 1160 02.5 470 1330 1240 810 770 1070 1020 1380 610 580 800 770 560 530 690 660 1450 03.0 230 790 760 420 420 620 580 830 310 280 440 410 260 250 370 350 870 1*3.5   680 660 370 350 520 490 720 250 230 360 340 210 200 290 280 740 14.0   740 720 410 400 560 540 770 280 270 390 380 240 230 320 310 770 1

LONGITUD 4.5 630 630 260 300 460 450 680 200 190 310 300 190 190 270 260 680 1DE 5.0 408 430 170 180 370 370 680 100 100 250 240     190 240 720 2

VIGUETA 5.5 330 380     170 170 650   170 170     190 660 26.0 160 170       380             510 26.5   170 400 37.0   430 37.5   260 38.0 180 4

152 280 280 260 260 283 283 234 250 247 272 271 253 254 272 260 340 *L>2.8m

PERALTE VIGUETA (cm)

BOVEDILLA50 cm

50‐25‐16ENTRE EJES

MEDIDA DE BOVEDILLA60 cm

60‐25‐13

BOVEDILLA60 cm

60‐25‐16

BOVEDILLA85 cm

85‐25‐16

PESO LOSA (Kg/m2)

BOVEDILLA75 cm

75‐25‐16

BOVEDILLA85 cm

85‐25‐14

BOVEDILLA75 cm

75‐25‐13

BOVEDILLA

La distancia del apuntalamiento está dada por:

donde:

l = Distancia entre puntales

M = Momento de la viga que usará el sistema sin factor de reducción oaumento)

w = Carga uniforme actuante durante el apuntalamiento (total: peso deviguetas, bovedillas, concreto y trabajadores)

5. Obtención del peralte de la losa de compresión y determinación de quétipo de malla electrosoldada debe colocarse.

Se efectúa el análisis de una franja de losa apoyada sobre las viguetaspretensadas (por ejemplo 70 ó 75 cm).

Se analiza con las cargas a las cuales va a estar sujeta esta losa de acuerdoa su uso (carga muerta + carga viva). Se diseña como si fuera una losa deconcreto reforzado calculando el refuerzo por la teoría plástica y revisadopor cortante y por deflexiones.

La recomendación en losas para uso habitacional es que la losa decompresión deberá tener un peralte mínimo de 4 cm sobre la bovedillaarmada con malla 6x6-10/10 y concreto de f´c= 200 kg/cm2.

Para otros usos el peralte y armado deberá determinarse con el métododescrito anteriormente, pero no será menor que 5 cm de peralte.

El concreto deberá ser de al menos 200 kg/cm2 de resistencia y el refuerzo

no debe ser menor que una malla electrosoldada de 6x6-10/10.

Una vez determinados los puntos 1 a 5 se procede a efectuar el análisis finalque se describe a continuación.

ANÁLISIS FINAL

Tableros Aislados:

El análisis es relativamente sencillo. Se calculan los elementos mecánicos(momento flexionante y fuerza cortante) en la parte más desfavorable y seobserva en la tabla de los fabricantes para encontrar el tipo de vigueta quesatisfaga estas condiciones (por ejemplo, franja de ancho unitario).

Tableros Continuos:

Para tableros continuos de varios claros, lo que se recomienda es que sedistribuya la vigueta de forma tal que sean colineales para entoncesanalizar una franja de ancho unitario y aplicar cualquier método dedistribución de momentos.

Del diagrama de momentos flexionantes se determina el acero superior dela vigueta y se toma el ancho de la vigueta como bloque de compresión,se arma por momento negativo con bastones encima de la vigueta en losapoyos, considerando el peralte total del sistema.

Para momento positivo se busca el tipo de vigueta a usarse como si fueratablero aislado (buscar en los manuales de los fabricantes).

Sistema de módulos recuperables PREMEX cimbra.

Este sistema constructivo de losas con vigueta pretensada difiere delanterior en que se substituye la bovedilla por un módulo recuperable defibra de vidrio que se usa como cimbra.

Aquí la gran ventaja esque se ahorra el costo dela bovedilla y se reduce elpeso propio del sistemaen 30%. El acabado quese obtiene es agradable,por lo que se puedeprescindir del yeso. LaFigura muestra un detallegeneral de la losa paraeste tipo de sistema depiso.

El procedimiento de análisis y diseño es el mismo que para la vigueta ybovedilla, pero en este caso el peso propio es menor.

Su uso no está restringido para ninguna construcción ya que su aplicaciónes muy variada: desde vivienda de interés social, hasta edificaciones quelleven falso plafón o que no requieran de él; por ejemplo: bodegas,estacionamientos, etc.

Es ideal por su ahorro en el peso de la estructura, para efectos sísmicos, decimentación y en los tiempos de ejecución.

Sistemas de piso de losas extruidas doble T de pequeño peralte (h = 30 cm)

El sistema de fabricación a base de extrusión se realiza con una máquinaque corre a lo largo de una mesa de fabricación, depositando el concretopor medio de vibración y compactación sobre dicha mesa.

La sección del elemento que se cuela dependerá del molde propio de lamáquina, por lo que en una mesa se podrán fabricar diferentes secciones.

Existen varias marcas y por lo tanto secciones en el mercado.

Una de las secciones que se extruyen es una losa de sección doble T de 30cm de peralte. Como su nombre lo indica, es una losa con dos nerviosunidas en la parte superior por una losa de 100 cm de ancho y 4 cm deperalte.

El elemento precolado se apoya con los nervios en una trabe, de la cual sedejarán los estribos sobresaliendo para integrar la losa con el firme y latrabe de apoyo.

El análisis y diseño de una losa doble T extruida será el mismo que se empleapara elementos prefabricados presforzados de mayor peralte.

Sistemas de piso de losas alveolares.

Las losas alveolares también llamadas losas aligeradas o placas decorazones huecos son elementos estructurales pretensados que se puedenusar para entrepisos, cubiertas, fachadas de edificios y como muros decarga. Son ideales para claros de 8 a 14 m, y con sobre cargas útiles altasde 500 a 2000 kg/m2.

En la mayor parte de los casos sobre estos elementos se cuela una losa(firme), con f ´c = 250 kg/cm2, armada con malla por lo general 6x6–8-8 y6x6–6–6, la cual cumple con dos fines:

a) Lograr un efecto de diafragma al darle mayor comportamientomonolítico a la losa ……. ojo.

b) Ayudar a evitar problemas de filtraciones de agua al tapar las posiblesfisuras de las juntas entre elementos

Sin embargo, estos elementos también sepueden emplear sin el firme cuando laaplicación no lo requiera (por ejemplo,estacionamientos, entrepisos de bodegas,centros comerciales)……ojo

Los peraltes más comunes que se fabrican enMéxico son: h=10, 15, 20, 25 y 30 cm, conanchos que pueden ser de 1.00 m y 1.20 m.

Si llevan losa de compresión aumentan superalte.

Se recomienda que el firme tenga un peraltemínimo de 5 cm pudiendo ser mayor, (porejemplo 10 cm), lo que dependerá del usode la losa, cargas, claros a cubrir, etc.

Cabe mencionar que el tipo de refuerzo de estos elementos varía de país apaís Por ejemplo, en Europa es común usar alambre de presfuerzo de 4 mmde diámetro, en Estados Unidos y Canadá se usa torón para presforzarlas yen México el alambre por lo general es de 5 y 6 mm de diámetro. En pocoscasos se usa torón.

Estas losas pueden trabajar como continuas tanto para momento negativocomo para positivo (inversión de los esfuerzos producidos por el sismo) odarles continuidad en los apoyos (algún tipo de empotramiento) o enclaros adyacentes.

Para ello se requerirá que los alvéolos sean colineales (al alinear éstosestamos alineando las nervaduras de cada losa), el acero de lacontinuidad se coloca en la parte superior y/o inferior de los alvéolos yposteriormente deberán de rellenarse de concreto en la parte que secolocó el refuerzo.

Sistemas de piso a base de trabes T, TT Y ATT para claros grandes

Este tipo de sistema de piso es a base de elementos presforzados deconcreto. Se emplea para claros del orden de 10 a 25 m. En el apéndicede este manual se encuentran tablas y gráficas que permiten seleccionarel tipo de trabe dependiendo del claro y carga gravitacional requerida.

Las losas ATT son elementos estructurales de concreto prefabricado deperalte variable, que se emplean únicamente como elemento de cubierta.Su patín superior a dos aguas permite desalojar el agua de lluvia demanera natural.

Las losas ATT se emplean como sistemas de cubierta en naves industriales,centros comerciales, gimnasios, escuelas, etc. En posición invertida en lascubiertas de andenes y en centrales de autobuses. En el apéndice de estemanual se muestran características detalladas de este tipo de losa quepermiten una selección adecuada.

Conexiones en sistemas de piso prefabricado.

Los sistemas de apoyo para elementos de piso de concreto precoladopueden ser del tipo simple o continuo. La conveniencia del empleo dealgunos de estos sistemas difiere del tipo de aplicación.

El apoyo simple conviene en claros largos cuando es muy difícil y costosoproveer la resistencia necesaria para momento negativo en los nudos.

El apoyo continuo, conviene más en construcciones del tipo comercial oresidencial ya que se requiere obtener continuidad.

CONEXIONES EN MARCOS

Uno de los aspectos más importantes a considerar en el diseño deestructuras prefabricadas de concreto a base de marcos es el análisis ydiseño de las conexiones.

En lo que sigue se describen y se comentan los aspectos más relevantes deestos criterios, haciendo énfasis en aspectos sísmicos.

Con el propósito de uniformizar el empleo de términos, se define como“nudo” al volumen geométrico que es común en miembros que seintersectan. Se define como “conexión” al elemento que une los doselementos prefabricados, o uno prefabricado y otro colado en sitio.

La Figura muestra diferentes formas y ubicaciones de conexiones que sonposibles en elementos prefabricados de marcos de concreto.

La experiencia que se tiene del comportamiento observado deconexiones en marcos, tanto para sismos fuertes como en ensayes delaboratorio, no es tan amplia como en el caso de estructuras monolíticasde concreto reforzado.

Por este motivo, reglamentos como el de Construcciones del DistritoFederal, en sus Normas Técnicas de Concreto (RCDF-04), especificafuerzas sísmicas mayores en estructuras prefabricadas respecto a lasmonolíticas.

En estas últimas, se puede emplear un factor de comportamiento sísmico,Q, hasta de cuatro (en el caso de marcos dúctiles colados en sitio),mientras que para marcos de concreto prefabricado se especificageneralmente para este factor un valor de dos; sin embargo, también seacepta el valor de tres si se demuestra a consideración del Departamentode Distrito Federal, que el diseño y el procedimiento constructivo de lasconexiones justifican el mencionado valor.

En este último caso, el resto de la estructura debe cumplir con los requisitosde marcos dúctiles que especifica el RCDF-04.

De manera semejante al RCDF-04, el reglamento de los Estados Unidos deNorteamérica, el Uniform Building Code (UBC), especificaba que era posibleemplear sistemas prefabricados siempre que se demostrara que teníanresistencia y ductilidad mayor o igual que las de estructuras de concretoreforzado monolíticas.

A diferencia del anterior (RCDF-04), el nuevo reglamento Uniform BuildingCode (a partír de 1997), proporciona requisitos específicos para el diseño yconstrucción de conexiones en elementos prefabricados de concreto paramarcos en zonas sísmicas.

La filosofía de diseño del mencionado reglamento para estructurasprefabricadas de concreto en zonas sísmicas se basa en tratar de lograr quelas conexiones tengan un comportamiento semejante al del concretomonolítico.

Con este criterio, se especifica que la selección de las zonas diseñadas paratener comportamiento inelástico durante un evento sísmico deben cumplircon el concepto columna fuerte-viga débil.

Para lograr que las conexiones tengan un comportamiento semejante al delconcreto monolítico se especifican las conexiones “humedas” y las “fuertes”.

Conexiones húmedas y secas.

En Estados Unidos y México ha sido poco común el empleo de lasconexiones llamadas “húmedas”.

Estas conexiones son aquellas capaces de tener incursiones cíclicasinelásticas, típicas de sismos moderados o intensos, sin que la resistencia sevea afectada.

Las conexiones húmedas son aquellas que emplean cualquiera de losmétodos de conexión del acero de refuerzo especificados por el ACI 318-95 (traslapes o conectores mecánicos). En estas conexiones se empleaconcreto colado en obra o mortero para llenar los vacíos entre aceros derefuerzo existentes en las conexiones.

Las llamadas conexiones “secas”, son aquellas que no cumplen con losrequisitos de las conexiones “húmedas” y, por lo general, la continuidad delacero de refuerzo se logra por medio de soldadura.

A raíz del terremoto de Northridge de 1994, en California, ha surgido lapreocupación sobre el empleo de soldadura en conexiones de elementosprefabricados de concreto.

En este terremoto, se observaron fallas en marcos de concretoprefabricado con las citadas conexiones, así como en marcos de aceroestructural con conexiones soldadas.

Se debe mencionar que los recientes reglamentos ACI, prohíben el empleode soldadura para empalmar el acero de refuerzo localizado dentro deuna distancia igual a dos veces el peralte del elemento medido a cara decolumna o trabe.

También lo prohíbe en secciones del elemento estructural donde se esperela formación de articulaciones plásticas durante sismos.

Conexiones “fuertes” monolíticas.

De acuerdo con el UBC 1997, una conexión “fuerte” es aquella quepermanece elástica mientras que las zonas diseñadas para tener uncomportamiento inelástico tienen incursiones inelásticas para el sismo dediseño, considerado por el reglamento empleado.

Esta condición de diseño se revisa verificando que la resistencia nominalde la conexión fuerte, en flexión y cortante, deba ser mayor que lascomponentes a las resistencias probables de las zonas diseñadas paratener un comportamiento inelástico.

Aún cuando la ubicación de las llamadas conexiones “fuertes” sonelegidas por el diseñador, reglamentos como el UBC 1997 sugieren que sedebe cumplir que el centro de la zona diseñada para comportamientoinelástico en flexión debe estar ubicada a una distancia de la conexión nomenor que la mitad del peralte del elemento que se conecta, como seaprecia en la Figura . Esta Figura muestra conexiones “fuertes” tanto parauniones “viga-columna”, como para “columna-cimentación”.

CONEXIÓN VIGA-COLUMNA.

Una conexión “fuerte” puede ser “seca” o “humeda”. En los casos que laconexión se ubique fuera de la parte media del claro de trabe serecomienda el empleo de este último tipo de conexiones, a menos queensayes cíclicos de laboratorio demuestren que la conexión “seca” esadecuada (UBC 1997).

Además, los conectores mecánicos ubicados en la conexión “fuerte”deben poder desarrollar una tensión o compresión al menos igual al 140%del esfuerzo de fluencia especificado en las barras de refuerzo que seconectan.

Lo anterior se basa en la preocupación existente sobre las posibleslimitaciones de las conexiones “secas” y en que es de esperarconcentraciones importantes de esfuerzos en la conexión que puedenllevar al acero de refuerzo a niveles de esfuerzos mayores que el valor 1.25fy comúnmente especificado por reglamentos para conectores.

CONEXIONES FUERTES COLUMNA-COLUMNA.

Los requisitos de diseño para este tipo de conexión de acuerdo al UBC1997 son bastante estrictos.

Por ejemplo, la resistencia de diseño de una conexión fuerte debe ser 1.4veces la resistencia probable de la zona diseñada para comportamientoinelástico; además, se deben cumplir requisitos especiales para el diseñodel refuerzo transversal.