Análisis de edificios a base de marcos rígidos de concreto reforzado en zonas sísmicas

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 BREVE HISTORIA DE LOS EDIFICIOS ALTOS

Los edificios altos han tenido gran auge desde principios del siglo XX debido a la funcionalidad que representan, ofrecen un gran espacio en su interior, utilizando relativamente superficies de terreno muy pequeñas. Es mas común encontrarlos en las grandes ciudades, en donde el espacio es muy reducido y el que escasamente existe es muy costoso. Siendo éstas las causas principales que hacen de los edificios altos una necesidad más que una excentricidad por parte de quienes poseen el capital para construirlos.

Un ejemplo muy claro de lo que se acaba de mencionar es el Distrito Federal, en donde se puede notar ya por muchas partes diferentes edificios con alturas considerables.

Para la construcción de estos edificios se cuenta con materiales de diversas características como lo son el concreto y el acero, teniendo cada uno ventajas y desventajas las cuales entran en juego a la hora de seleccionar el material que se usará en la construcción del edificio.

Ambos materiales han mostrado ser excelentes aliados en la construcción de edificios altos y la elección de uno de ellos esta principalmente en función del costo y del tipo de cimentación que se dispondrá en tal edificio.

En el caso de la Ciudad de México, al tener un suelo muy inestable debido a condiciones naturales y al abatimiento del Nivel de Aguas Freáticas, se prefiere hacer construcciones muy ligeras, en donde el principal material con esa característica es el acero.

Aunque el concreto ofrece también una gran resistencia y mayor rigidez ante cargas horizontales, su uso se esta dejando a edificios de altura baja y mediana debido a que es un material muy pesado y su empleo en edificios altos implicaría una cimentación de dimensiones grandes y por lo tanto costosas.

La clasificación de los edificios en función al número de niveles es relativa, sin embargo, algunos ingenieros consideran la siguiente:

Edificios Bajos ­ de 1 a 5 niveles

Edificios Medianos ­ de 6 a 10 niveles

Edificios Altos ­ de 11 niveles en adelante

En otros lugares en donde el suelo ofrece resistencias muy aceptables y en donde la carga lateral se adjudica solamente a la ejercida por el viento ya que el sismo sería de alguna manera insignificante, la elección del material para la estructuración de un edificio alto, se deja en función de variantes secundarias como son el costo y la estética o requerimiento arquitectónico mismo del edificio.

En este caso se estudiará el análisis y diseño de un edificio mediano ubicado en el Distrito Federal, por lo que se tiene que su estructuración puede ser con acero o con concreto, al ser un edificio de tamaño mediano, el costo en caso de que sea estructurado con acero sería muy alto en relación a los niveles con los que contara, por lo que se diseñara con concreto.

Un factor que no se debe olvidar en el análisis del edificio es el sismo, ya que experiencias pasadas en el Distrito Federal han dejado muy claro la seriedad de este efecto, el cual es muy significativo y su omisión puede resultar en el colapso de la estructura.

Un edificio en su estructuración se clasifica en: Superestructura e Infraestructura. La Infraestructura se refiere a la parte del edificio que soportara al resto, es decir, la cimentación. La superestructura se entiende como la parte del edificio en la cual estarán llevándose a cabo las acciones para las cuales fue diseñado el edificio, es decir, la parte de uso del edificio, la cual esta ubicada a partir del Nivel de Terreno Natural hasta el último piso.

1.2 SUPERESTRUCTURA Y SUS SUBSISTEMAS

La superestructura esta formada por diferentes subsistemas, los cuales trabajarán en conjunto para satisfacer todas las necesidades propias del edificio. Entre los subsistemas tenemos los siguientes:

Subsistema Estructural (Subsistemas verticales y horizontales)

Subsistema Eléctrico

Subsistema Sanitario

Subsistema de Aire acondicionado

Subsistema de Elevadores, etc.

Antes de continuar se deberá entender por sistema al conjunto de partes o componentes que se conforman de manera ordenada para cumplir una función dada.

Ahora según este enfoque en el diseño del sistema total, o sea el edificio, se debe de tener en cuenta la interacción entre todos los subsistemas.

De esta manera al diseñar el edificio se debe tomar en cuenta no solamente la eficiencia estructural, sino también la influencia o interacción de los otros subsistemas con la estructura, lo cual implica un posible uso de materiales mayor que el puramente necesario por la estructura.

En otras palabras, la interacción entre todos los subsistemas puede conducir a que los componentes estructurales realicen otra función además de la que originalmente estaban contemplados para desempeñar. Por ejemplo, un muro de carga puede ser además de un elemento estructural, una fachada arquitectónica.

1.2.1 SUBSISTEMAS VERTICALES

1.2.1.1 MARCOS RÍGIDOS ESPACIALES

Este tipo de estructura esta formado por columnas y vigas soportando diversos sistemas de piso. Los muros son de relleno y pueden ser de diversos tipos de tabique o bloques de elementos prefabricados. Debido a que esta clase de estructuración es flexible, no se recomienda para alturas grandes, algunos ingenieros estructuristas la recomiendan hasta para edificios de 20 pisos.

Para el análisis estructural ante cargas verticales y laterales, se usó en la tercera década del siglo pasado el método de distribución de momentos y posteriormente métodos como el de Cross o Takabeya, a estos métodos se les denominó exactos, que resultaban efectivos pero laboriosos y poco prácticos, por lo que se presentaron otros métodos, sobre todo para cargas laterales como el del portal modificado por Naito, Naylor, del Cantiliver, Bowman, etc. Actualmente, con el auxilio de la computadora, se ha recurrido a los métodos matriciales, generándose programas de computadora, tales como el denominado STRESS, STRUDL, NASTRAN, TABS, STAAD, RAM, por nombrar a los más conocidos, aunque muchos ingenieros han elaborado sus propios programas usando microcomputadoras o hasta en calculadoras, recurriendo a métodos como el de las subestructura para poder tener mayores posibilidades de analizar estructuras de tamaño regular. En muchos de estos programas se analizan estructuras ya no modelándolas como marcos planos sino en el espacio con los cuales se obtienen respuestas más realistas. Tal vez este tipo de estructuración sea de mayor uso en México ya que edificios de tamaño regular son más comunes tanto en diferentes estados de la República como en el Distrito Federal.

1.2.1.2 MUROS DE CORTANTE

Esta estructuración es común en edificios de poca altura o en casas habitación, sobre todo cuando los muros son de mampostería, hechos de tabique, bloques de concreto u otros tipos. De acuerdo con el tipo de muro podemos considerar la siguiente división:

Muros de mampostería simples o no confinados.

Muros de mampostería confinados con dalas y castillos.

Muros diafragmas.

Muros de concreto reforzado.

Muros de concreto prefabricados y/o presforzados.

Los muros de mampostería se usan mucho en México, en edificios de hasta 4 o 6 niveles, en las regiones sísmicas. En cambio los muros de concreto se han empleado para edificios altos, para alturas mayores a las del caso anterior, hasta 30 pisos como máximo.

La resistencia de edificios de muros, es mayor que la hecha a base de marcos rígidos, los desplazamientos de piso son menores para edificios altos comparables con edificios hechos con marcos rígidos.

Las estructuras que resultan en el plano, puede ser muros de cortante simple o muros de cortante acoplados. Los métodos pueden ser aproximados o métodos exactos dentro de las limitaciones de partida. Existen métodos analíticos, basados en la resolución del modelo matemático que se obtenga de la idealización de la estructura, como el método de la conexión por cortante, o métodos aproximados como el de la estructura equivalente. Así como el poderoso método matricial del elemento finito.

Para muros de mampostería se han hecho varias investigaciones y existen diversas publicaciones de estos trabajos, hechas por el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Actualmente se tienen dos métodos para el diseño de muros de mampostería contenidos en las Normas Técnicas Complementarias del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería, estos son el Método Simplificado de Diseño y Método Detallado de Diseño.

1.2.1.3 MARCOS CON MUROS DE CORTANTE O DE RIGIDEZ

En muchos edificios altos, actualmente se ha recurrido a muros de cortante, con el objeto de aumentar la rigidez, en el uso de la losa plana o aligerada que resulta un sistema de piso flexible, es necesario que los elementos verticales absorban efectos de cargas laterales, de ahí la necesidad de este tipo de muro.

Es común que estos muros que se coloquen formando núcleos para encerrar elevadores, escaleras o cuartos de servicio o bien en las cabeceras. Estos muros pueden ser de mampostería o concreto reforzado o prefabricado. Desde luego que los muros de concreto son los que tienen mayor resistencia. Para su análisis, existen varios procedimientos, así como recomendaciones para el diseño en diversos artículos y también en los reglamentos de construcción.

En 1964, los profesores Fazlur R. Khan y John A. Sbarounis presentaron un método iterativo para analizar marcos con muros de cortante, método que fue muy usado pero resulta laborioso, de aquí que se hayan buscado métodos aproximados pero que presenten mayor rapidez como sucede con el método de la estructura equivalente. Con el uso de la computadora, el método del elemento finito es el indicado a emplear, de hecho muchos programas de computadora para el análisis estructural tienen este método. Se recomienda usar también las Gráficas de Khan y Sbarounis.

1.2.1.4 ESTRUCTURACIÓN EN TUBO O TUBO ESTRUCTURADO

Este tipo de estructuración fue introducido en la década de los sesentas, consiste en lados o perímetros estrechamente espaciados por columnas exteriores, conectadas con vigas, como se ilustra en la figura 1.1

La eficiencia de este sistema se deriva del gran número de vigas rígidas actuando a lo largo de toda la periferia, creando un gran tubo. La estructura de tubo representa una evolución lógica de las estructuras convencionales, reuniendo la rigidez lateral necesaria con excelentes cualidades de torsión, así como conservando la flexibilidad de proyecto la cual queda aislada interiormente debido a la acción de las columnas.

Si se visualiza la acción del sistema de tubo, ésta resulta siempre como un muro sólido periférico el cual obviamente actuará como una gran viga en cantiliver con un momento de flexión en la base. Aunque la pared este perforada con pequeños orificios redondos abiertos, seguirá comportándose como una viga en voladizo. En cambio, si las aberturas son grandes y rectangulares en vez de redondas, entonces parte de las fuerzas laterales son resistidas por el esfuerzo cortante de deformación de las columnas y vigas, y solamente una parte será resistida por la capacidad de deflexión del tubo.

La relación del momento de deflexión con el esfuerzo cortante de deformación depende de la relación de rigideces entre las vigas y las columnas. El rango de esfuerzo cortante dentro del rango elástico depende de la relación de rigideces de la trabe – columna y del numero de pisos.

El efecto de esfuerzo cortante realmente se notará con el incremento de la rigidez en las vigas e incrementando el número de niveles, una gran participación de los costados de barlovento y sotavento puede llevar la estructura de tubo a limitar la rigidez de la misma. En suma, la estructura de tubo tiene una gran resistencia a la torsión pero es poco usual, debido a la rigidez localizada en toda la periferia.

1.2.1.5 TUBO EN TUBO

Cuando el sismo o fuerza del viento empieza a ser de gran importancia en el diseño de un edificio (alrededor de los 40 pisos), la estructura de tubo es suplida por un centro, creando el sistema de "tubo en tubo", el cual es esencialmente un sistema estructural de muros al corte con todas sus ventajas. La estructura "tubo en tubo" mas alta consta de 52 niveles y 714 pies de altura, construida en Houston, Texas cuando menos hasta 1974. Cuando se alcanzan 70 u 80 pisos, la longitud del tubo en tubo puede no ser un sistema lo suficientemente rígido para que actúe al 100 por ciento de flexión como un cantiliver. Tampoco un juego de miembros diagonales en de la periferia del tubo crean un sistema de armaduras exteriores en voladizo, o una conexión interior de muros de cortante actuando como vigas ligadas a las caras opuestas dentro de una sola unión.

Aunque el uso de las diagonales en el exterior del tubo aún no ha sido aplicado en edificios de concreto reforzado, su empleo ha sido estudiado en investigaciones hechas en el Instituto Tecnológico de Illinois sobre un edificio de 115 pisos y 1450 pies de altura. La investigación contemplo los aspectos arquitectónicos, mecánicos, estructurales, constructivos y de costos con lo que la edificación es técnicamente factible y a más bajo costo estimado que el edificio John Hancock de 100 pisos construido en acero.

1.2.1.6 TUBO CELULAR

Este tipo de estructuración es una alternativa de la forma anterior arreglando de tal manera que se generan varias celdas, ya sea por medio de columnas o de muros en ambas direcciones, en la figura 1.1 se ilustra este tipo de estructuración.

1.2.1.7 ESTRUCTURACIÓN TIPO SOMBRERO O PLANTAS COLGANTES

Las estructuras tipo sombrero consisten de un núcleo o mas localizados en el cetro de la planta del edificio, este núcleo esta formado por muros de concreto de donde se encuentran suspendidos los pisos. Este tipo de estructuración puede tener muros de cortante acoplados o no, en donde como ya se ha indicado resultan elementos estructurales con resistencia a la torsión, cuando presentan formas tubulares. El profesor Vitelmo V. Bertero, nos dice que desde el punto de vista de los costos de construcción este sistema es muy atractivo; sin embargo, tal como se diseña y construye actualmente, existen serias dudas respecto a su eficiencia como un sistema resistente a sismos. Se mencionan como principales inconvenientes la falta de hiperestaticidad, ya que no solo se tienen columnas en cantiliver y la presencia de cargas axiales grandes en la parte superior del núcleo, sino que también puede producir serios efectos. Además nos dice que actualmente no se tienen datos de su respuesta bajo sismos severos.

Con la siguiente figura se pretende aclarar los conceptos descritos anteriormente:

FIGURA 1.1.­ DIFERENTES TIPOS DE ESTRUCTURACIÓN

1.2.2 SUBSISTEMAS HORIZONTALES

En las grandes o pequeñas ciudades en donde constantemente se están construyendo edificios de dos o más niveles, se recurre a diversos sistemas de piso. Estos sistemas estructurales se seleccionan tomando en consideración, la funcionalidad, la resistencia estructural, la construcción y la economía. Estos criterios deberán conjugarse para la elección del sistema.

Desde el punto de vista de la funcionalidad es importante considerar las condiciones de servicio, la planeación del uso á que estará sujeta, así por ejemplo la elección de columnas en lugar de muros es mejor para la circulación de personas, las instalaciones eléctricas, sanitarias, dúctos de aire y drenajes. En casos especiales como en estacionamientos se debe considerar el mantenimiento del edificio, acabados y pisos, el destino del edificio, entre otros aspectos, esto es, los servicios que presentará así como la seguridad en el empleo de concretos y de aceros.

El objetivo en el diseño estructural de los sistemas, es proporcionar una estructura resistente y económica. Para dar la resistencia al edificio se deberán considerar varios factores tales como las cargas, claros y espesores, deflexiones, durabilidad, efectos del flujo, transmisión de sonido y vibraciones. Los elementos estructurales que constituyen el sistema de piso, no solamente conducen las cargas verticales si no que también proporcionarán resistencia a cargas laterales, a menos que no se quiera y se recurra a otros elementos estructurales para tomar estas cargas horizontales. La carga propia de la losa puede resultar grande sobre todo en claros mayores, esto puede reducirse recurriendo a vigas secundarias soportadas por vigas principales o usando concreto ligero. Se dice que las losas reticulares se pueden usar para claros grandes o también elementos de concreto presforzado. Es importante anotar que el peralte no es proporcional al claro, pero los claros grandes dependen del peso y del espesor y los momentos flexionantes son función del claro y de las cargas y condiciones de apoyo.

Las deflexiones de losas deberán limitarse, el comportamiento estructural es diferente para grandes desplazamientos, estos grandes desplazamientos se generan por las cargas, tamaño del claro y la respuesta del material, las flechas en losas siempre serán objetables por diversas razones tanto desde el punto de vista estructural como funcional.

El aspecto económico en la elección del sistema de piso, dependerá de los materiales, la cimbra, la mano de obra especializada, por lo que será necesario estudiar los costos de varios tipos de losas.

Los procedimientos de construcción tienen importancia para la selección del tipo de losa, debiéndose tomar en cuenta el sistema de construcción, y que éste pueda ser de estructura de concreto reforzada colada en el lugar, para lo cual se tendrá que recurrir a cimbra, o bien por medio de elementos prefabricados, que generalmente son elementos elaborados fuera de obra y actualmente existen diversos tipos como se indicará posteriormente. Otros sistemas tienen características mixtas, esto es que se pueden tener elementos prefabricados o presforzados y además colar en el lugar otros elementos. Cada uno de ellos tiene sus ventajas y desventajas. Cualquier proyecto deberá ser evaluado individualmente, considerando las restricciones de diseño, aprovechando los materiales del lugar, el equipo necesario, el acceso a la obra, y la experiencia de los constructores.

1.2.2.1 LOSAS MACIZAS APOYADAS EN UNA DIRECCIÓN

Es un tipo de piso que consiste de una losa maciza de espesor uniforme cuyos bordes son apoyados sobre dos vigas paralelas las cuales transmiten la carga a las columnas; el refuerzo de la losa va colocado en una sola dirección, de viga a viga. La cantidad de vigas que haya en un tablero depende principalmente de la separación entre columnas y de la carga viva que deba soportar; la separación entre las vigas debe ser uniforme, por lo general estarán apoyadas en el centro de las trabes o en los tercios o cuartos de su claro. A este tipo de construcción se le conoce también como piso de vigas y trabes, su construcción es fácil y la cimbra es bastante sencilla. Son económicas para soportar cargas vivas medianas y pesadas en claros relativamente cortos, de 1.80 m a 3.60 m; estos claros pueden aumentarse para cargas vivas ligeras, de 200 a 300 Kg. /m2, pero al tener claros largos en este tipo de losas se obtienen cargas muertas que por lo general son grandes.

En la figura 1.2 se muestra un tipo de losa maciza en una dirección, y en la figura 1.3 se observa como las vigas secundarias se apoyan en los tercios del claro de las trabes principales.

FIGURA 1.3.­ SISTEMAS DE LOSA MACIZA Y VIGAS TRABAJANDO EN UNA DIRECCIÓN

El concepto de losa reforzada en una dirección se aplica cuando la losa tiene una longitud mayor del doble de la anchura, cuando precisamente esta relación es menor a 0.5.

1.2.2.2 LOSAS MACIZAS APOYADAS EN DOS DIRECCIONES, LOSAS PERIMETRALMENTE APOYADAS

Una losa maciza reforzada en dos direcciones o perimetralmente apoyadas, es aquella que cubre tableros cuadrados o rectangulares cuyos bordes, descansan sobre vigas a las cuales les transmite su carga y estas a su vez a las columnas. Se supone que los apoyos de todos sus lados son relativamente rígidos, con flechas muy pequeñas comparadas con las de la losa en una dirección. Estas losas aunque estén en tableros aislados, es necesario que su análisis se haga en forma tridimensional ya que son elementos estructurales altamente indeterminados.

El sistema reforzado en dos direcciones indica que la losa deberá llevar acero de refuerzo correspondiente a los momentos calculados en dos direcciones.

Este tipo de piso es fácilmente adaptable a diseños irregulares.

FIGURA 1.3.­ LOSA MACIZA APOYADA EN DOS DIRECCIONES

1.2.2.3 LOSAS PLANAS APOYADAS SOBRE COLUMNAS CON CAPITELES

Una losa plana, es una losa de concreto reforzado en dos direcciones de manera que transmita su carga directamente sobre las columnas en que se apoya, generalmente sin la ayuda de vigas y trabes.

Este tipo de losa se refuerza con varillas en dos direcciones y puede tener un peralte uniforme o se puede engrosar con un área simétrica, más o menos cuadrada llamada ábaco, alrededor de la columna.

En pisos de este tipo se puede aumentar el tamaño de las columnas cerca de su extremo superior formándoles una cabeza acampanada llamada capitel. Cuando la losa no lleva ábaco ni capitel, la losa sería completamente plana y a este tipo de piso se le da el nombre de placa plana, la cual se describirá más adelante.

Los pisos de losa plana son económicos en cuanto al uso de los materiales y proporcionan una construcción rígida; generalmente estas losas se utilizan en la construcción de edificios industriales con cargas vivas muy grandes. En la actualidad este sistema es muy popular en la construcción de edificios con múltiples pisos de oficinas en donde la flexibilidad del espacio es requerida.

Las instalaciones de servicio pueden ser dispuestas dentro del espesor de la losa, quedando el sistema de piso por su misma construcción con una grata apariencia arquitectónica.

No obstante este sistema se combina frecuentemente con cielos suspendidos, los plafones pueden ser utilizados cuando dúctos del sistema de aire acondicionado requieren ser instalados.

FIGURA 1.4.­ LOSAS PLANAS APOYADAS SOBRE COLUMNAS CON CAPITELES

Largas aberturas pueden ser acomodadas en el sistema de piso en todas las áreas excepto en la zona del tablero rebajada donde medidas especiales son requeridas.

Economía de materiales, velocidad de construcción y un ahorro en la altura total para alturas libres dadas son sus principales características.

1.2.2.4 PLACA PLANA

Una variante en la solución de entrepisos sin trabes perfiladas son las llamadas placas planas, formadas por una placa de concreto de sección constante, que descarga directamente en las columnas. El hecho de no existir trabes o capiteles en el entrepiso, ofrece al arquitecto una mayor elasticidad en la solución arquitectónica, lo cual, sumando a otras ventajas que a continuación se enlistan, las colocan entre los pisos de mayor empleo en la actualidad:

Facilidad en el cimbrado, disminuyendo los costos.

Facilidad en los colados.

Elasticidad en la solución de: División interior Alumbrado Instalaciones diversas

Reducción en la altura del edificio, conservando la altura libre de entrepisos escogida.

Reducción del peso total del edificio con las consiguientes ventajas estructurales.

Eliminación de falsos plafones o rellenos, que se requieren en el caso de las soluciones convencionales cuando las trabes sobresalen del lecho inferior o superior de la losa.

FIGURA 1.5.­ PLACA PLANA

La figura 1.6 muestra el ahorro en la altura libre del entrepiso de la placa plana comparada con otros sistemas de piso.

FIGURA 1.6.­ AHORRO EN LA ALTURA LIBRE DE ENTREPISO DE LA PLACA PLANA.

1.2.2.5 LOSA PLANA ALIGERADA CON SONOVOIDES

Con este tipo de losa se logran resultados semejantes a otros sistemas, desde el punto de vista estructural, ya que aligeran la losa y trabajan así mismo en dos sentidos, no obstante que aparentemente, se constituye un sistema de Vigas "I" en un sentido; en el otro, según experiencias comprobadas con cálculo, se integra un sistema de vigas Vierendeel.

Los sonovoides se fabrican en longitudes del orden de los 7 m. y de diámetros que varían de 5 a 100 cm., por lo que se pueden ajustar a las más diversas solicitaciones de proyecto.

La secuela de cálculo, análisis y diseño más empleado en estos sistemas, es por su facilidad, la que se basa en las especificaciones del American Concrete Institute (A.C.I.), la cuál en determinadas ocasiones en estructuras con características ideales, se reduce al empleo de coeficientes totalmente empíricos y de sencilla aplicación.

Cuando no se cumplen ciertos requisitos, tales como una cierta relación entre la longitud y el ancho del tablero, o cuando éstos no son continuos en más de tres en una dirección, es necesario recurrir al diseño, por análisis elástico, siguiendo una secuela de trabajo que por comodidad puede ser la siguiente:

Se divide virtualmente la estructura en marcos tanto longitudinal como transversalmente.

Cada marco puede ser analizado hiperestáticamente en su totalidad o por el método de células parciales.

Cuantificación de momentos flexionantes en secciones críticas.

Distribución de la flexión entre franjas de columnas centrales.

Diseño.

Cálculo y diseño por esfuerzo cortante en caso de ser necesario.

En la figura 1.9 se muestra un esquema mas generalizado acerca de este tipo de sistema de losa específicamente se trata de una planta y el corte de la losa en cuestión.

1.2.2.6 LOSA PLANA ALIGERADA CON BLOQUES DE POLICARBONATO

Esta es una forma muy inteligente de disminuir cargas muertas al mismo tiempo que se logra economizar. Ya que los bloques de Policarbonato son relativamente ligeros y económicos.

FIGURA 1.8.­ DISPOSICIÓN RECOMENDADA PARA LOS SONOVOIDES EN UNA LOSA PLANA

1.2.2.7 LOSA PLANA ALIGERADA CON BLOQUES DE CONCRETO

El aligeramiento de la losa puede lograrse igualmente con bloques de concreto. En nuestro país existen varias patentes y medidas de dichos bloques, así que el proyectista deberá elegir los que se acomoden a sus necesidades de proyectos.

FIGURA 1.9.­ LOSA PLANA ALIGERADA CON BLOQUES DE CONCRETO.

1.2.2.8 LOSA RETICULAR O CELULAR CON CASETONES O DOMOS FIJOS

Está constituida por un sistema de nervaduras ortogonales que trabajan en conjunto con bloques prefabricados, los cuales ocupan los espacios definidos por las intersecciones de las nervaduras como se puede observar en la siguiente figura:

FIGURA 1.10.­ ACOMODO DE LOS CASETONES EN UNA LOSA CELULAR RETICULAR.

Cada una de las piezas que forma un bloque, es un cajón abierto en una de sus caras (la opuesta al fondo) de manera que al acoplarse dos de estos elementos en tal plano, se integra una celda cerrada en todas sus caras. Estos elementos se fabrican con un concreto de f"c = 140 Kg. /cm2, y de las siguientes dimensiones: en planta de 65 cm. 75, y 85 cm., combinados indistintamente o sea 65 x 65; 65 x 75; 65 x 85; etc.; y en alturas de 12.5, 17.5 y 20 cm, de manera que al combinarse dos de altura igual o de distinta, se tiene una gama de peraltes que se adaptan fácilmente a las distintas solicitaciones de proyecto. Es recomendable instalar las de mayor peralte en contacto con la cimbra.

En este sistema de entrepisos los moldes tienen mayor durabilidad, debido a que la superficie de contacto del concreto vaciado in­situ con la cimbra es mínima.

Como dato constructivo resulta de interés citar que el procedimiento de tender la tubería de conducción del sistema de iluminación, se efectúa ranurando los bordes de las paredes verticales del elemento inferior de cada célula, antes de colocar el superior; la lámpara se aloja en un bloque cuya cara inferior tiene el recorte y los dispositivos necesarios para su instalación.

Como se indicó al principio, las nervaduras de la retícula, por su geometría son rectangulares, pero en su funcionamiento trabajan como una sección tipo "I", por incorporárseles estructuralmente los cajones, debido a su propia adherencia y a su condición de confinamiento (cada célula está rodeada de nervaduras), lo que da como resultado un conjunto monolítico.

También trabajan como vigas "T" si sobre los casetones se tiende una capa de concreto.

El refuerzo empleado en el armado de las nervaduras es recto, estando dotadas de más refuerzo las que van entre columnas; en las proximidades de la columna, o sea en el contorno de ésta al nivel de la losa se reduce la dimensión de los bloques para alojar el refuerzo de proyecto y en caso necesario se vacía ésta zona íntegramente de concreto reforzado.

1.2.2.9 LOSA RETICULAR O CELULAR CON DOMOS DE PLÁSTICO DESMONTABLES

Este sistema llamado también Waffle combina el poco peso y la rigidez de un piso nervurado con la acción en dos direcciones de una losa plana.

Los casetones se tienen en medidas estándar o hechos especialmente para un proyecto en particular y pueden quedar fijos o bien ser removibles dependiendo del tratamiento de acabado requerido.

Los casetones de plástico o domos, son de menor peralte que la losa; quedando los bordes en contacto entre sí, eliminándose con ello el empleo de la cimbra, con la consiguiente economía.

FIGURA 1.11.­ LOSA CELULAR CONSTRUIDA CON DOMOS DE PLÁSTICO

Únicamente es preciso erigir la obra falsa; los domos apoyan directamente sobre los largueros de ésta. El descimbrado se efectúa con extrema facilidad, a base de inyectar aire en un punto de los domos de plástico.

El efecto de los casquetes resulta de gran estética y no requieren aplanado por la excelente textura de la superficie de contacto de los domos con el concreto.

El diseño de estos sistemas se puede hacer utilizando los métodos del American Concrete Institute o el presentado por el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal en sus Normas Técnicas Complementarias (2004).

1.2.2.10 SISTEMA DE PISO A BASE DE BÓVEDAS SOBRE VIGUETAS

Este sistema de piso es muy utilizado en la región del Bajío de nuestra República, debido al sistema tradicional de construcción.

Los elementos de soporte lo constituyen viguetas "I" prefabricadas y presforzadas. Aunque dada la demanda de estos perfiles en acero, que con frecuencia se agotan en el mercado; la vigueta I presforzada, a demás de ser considerablemente más económica, tiene particulares propiedades estructurales: Momento de Inercia más o menos veinte veces superior y módulo de elasticidad alrededor de diez veces menor que en una viga equivalente de acero, lo cual da como resultado que la flecha es menor que en los perfiles de acero, a iguales condiciones de carga. Además las viguetas de concreto se fabrican con una ligera contra flecha (regulable por disposición del presfuerzo).

Como a diferencia de las vigas "I" de acero, las de concreto tienen patines de 3 cm. y peralte de 18 cm. se obtienen entrepisos más gruesos, con las consiguientes desventajas. En estos casos conviene recortar los tabiques para que el aplanado del plafón sea de menor espesor, dado que el relleno superior a base de hormigón jalisco, es más barato.

El perfil equivalente a la vigueta de acero de 5" de peralte cuenta con 5 varillas de alta resistencia, una en el patín superior y cuatro en el inferior; la de cuatro pulgadas tiene como única diferencia de 3 alambras de 5 mm de diámetro en el lecho inferior.

Por lo general este sistema resulta más económico en la localidad debido a la destreza y bajo costo de la mano de obra de la región.

La capacidad de la losa puede incrementarse aumentando el espesor de la capa de compresión a un máximo de 5 cm. o cambiando las condiciones de apoyo, etc. y de acuerdo con nuestras especificaciones.

1.2.2.11 LOSA ARMADA CON MALLAS DE ALAMBRE ESTIRADO EN FRÍO

Este tipo de losa se empezó a utilizar en Estados Unidos en donde se realizaron las primeras investigaciones hechas por el Wire Reinforcement Institute el cual en 1966 publicó un estudio titulado: "Welded Wire Fabric, Designing and Detailing Manual for Structural Concrete Slabs".

En nuestro país también se empezó a utilizar este sistema de piso pero fue hasta el año de 1976 que el Investigador Carlos J. Mendoza del Instituto de Ingeniería realizó un estudio para el Instituto del Fondo Nacional de la Vivienda para los Trabajadores (INFONAVIT) titulado: "Recomendaciones para diseñar y construir losas armadas con mallas de alambre estirado en frío" El cual aconseja que las mallas empleadas en la construcción de losas de concreto deben cumplir con la norma DGN B­290­1973 "Malla de alambre de acero soldado para refuerzo de concreto".

En el caso de losas perimetralmente apoyadas el refuerzo proporcionado por mallas en forma de láminas normalmente resulta ventajoso sobre el empleo de mallas en forma de rollos.

Sin embargo, cuando el área del acero inferior depende en gran parte de los requisitos mínimos de los porcentajes de acero, se puede pensar en una combinación de mallas proporcionadas en rollo para este acero y mallas en forma de láminas para el acero complementario.

En todos los casos, la cantidad de acero requerido por metro de losa puede proporcionarse con una o más capas de malla cuyas características (tamaño, calibre y separación del alambre) pueden o no ser iguales.

Lo anterior permite seleccionar las mallas de manera que, olvidar el hecho de que mientras más combinaciones de mallas se hagan las oportunidades de errores y el tiempo requerido en la colocación serán mayores.

1.2.2.12 LOSAS DE CLAROS PEQUEÑOS MACIZAS O ALIGERADAS

En nuestro país día a día se hace necesario el crear nuevos métodos constructivos para viviendas de interés social. Esto se debe tanto a la explosión demográfica como a lo incontrolable de los asentamientos humanos, que suceden con mayor frecuencia en las grandes ciudades. Es por esto que desde el año de 1968, los investigadores del Instituto de Ingeniería: J. Díaz Padilla, R. Díaz de Cossío y R. Guzmán R.; patrocinados por el Fondo de Operación y Descuento Bancario a la Vivienda y La Cámara Nacional de la Industria de la Construcción han realizado estudios sobre losas de claros pequeños, dadas las dimensiones pequeñas de los tableros de losa en edificios para viviendas de interés social, que están sujetos a cargas bajas y soportados sobre muros en la mayor parte de su perímetro, se ha venido estudiando el comportamiento de losas aligeradas, reforzadas solamente en su lecho bajo, bien sea con malla de alambre estirado en frío e intersecciones soldadas o con varillas corrugadas. No se coloca refuerzo negativo para resistir los momentos debidos a la continuidad. Dado que para este tipo de losas macizas de peralte pequeño (8 cm de espesor) es sumamente dudosa, difícil y costosa la correcta colocación del refuerzo por momento negativo (refuerzo del lecho superior) también a que los armados son complicados (lo que origina costos de mano de obra y tiempos de construcción elevados), y que por las dimensiones de éstas losas los requisitos de armado mínimo rigen en una gran parte del área.

1.2.2.13 SISTEMAS DE PISO DE BOVEDILLAS

Un sistema de piso sumamente difundido y utilizado por constructores es el de combinar vigas presforzadas planas y dovelas de material ligero, con un colado in situ que constituye la zona de compresión.

La viga presforzada desarrolla dos funciones: servir de cimbra antes de efectuar el colado y ya integrada la estructura, tomar la tensión originada por la flexión. El bloque precolado completa la cimbra, e incluido en la losa, proporciona un peralte mayor sin aumentar excesivamente el peso.

La rapidez y economía de este sistema se deriva de los pequeños volúmenes de material que se manejan en la obra, ya que los elementos prefabricados representan un 70% del total de la losa. El concreto de f"c = 175 Kg./cm2 que se vacía in situ, varía de 40 a 70 lt./m.2 dentro de este se coloca una malla de refuerzo de ¼" destinada a absorber los esfuerzos por temperatura.

La obra falsa que se requiere para soportar las vigas prefabricadas y sus cargas, antes de que este elemento entre en servicio, representa una cantidad mínima que no excede de 10 Pies Tablón de madera por m2 de losa.

Existen un sin número de patentes de este sistema, entre los que cabe mencionar el de Vibosa, Pretsa, Katzenberger, Losa Stalton, etc. En este último sistema, la variante la constituye el hecho de que la viga presforzada está constituida por bloques de barro ranurados en forma de peine, que se elaboran por procedimientos de extrusión; por estos peines se pasa el acero de alta resistencia para aplicar la carga de presfuerzo, misma que se transmite a los peines por adherencia, al rellenar las ranuras con cemento.

Con el bloque B­10 se libran claros hasta de 6.50 m con 200 Kg. de sobrecarga, pesando el techo 210 Kg. /m2. Con los bloques tipo B­21 y tipo C­22 se salvan con iguales sobrecargas, claros de 9 y 10.90 m respectivamente, con cargas muertas de 360 y 380 Kg.

Un bloque C­20 de igual ancho que el C­22 se combina con este para dar mayor peralte a la losa y conseguir con ello mayores claros y sobrecargas.

En la patente de Armacreto los elementos de soporte se colocan cada 75 cm. y el peralte de la losa es variable dependiendo de la bovedilla que se utilice.

En la patente de las losas prefabricadas Katzenberger, se utilizan como miembros de soporte largueros armados en fábrica a base de estructura electro soldada, es decir, constan de una armadura fabricada con acero de alta resistencia electro soldada en forma tridimensional con estribos diagonales continuos en forma de "V". La armadura de acero lleva un patín o zapata precolado en fábrica de 12 x 5 cm., donde se integra el acero adicional según cargas y claros a cubrir.

El acero de la armadura es de alta resistencia de 5000 Kg./cm² y el patín es de un concreto de un f"c = 250 Kg. /cm2. Las viguetas se ponen a 75 cm. y entre vigueta y vigueta se colocan las bovedillas. Arriba de las estas se coloca una malla electro soldada para absorber los momentos negativos, finalmente se realiza un colado in situ para lograr una losa totalmente monolítica.

Las principales ventajas de este sistema son la economía y la rapidez de construcción, para la cual no se requiere de personal especializado lográndose un ahorro del 60% en mano de obra.

El diseño de sistemas de viguetas y bovedillas difiere del de secciones monolíticas principalmente en dos aspectos: se requiere estudiar cuidadosamente los efectos de las distintas etapas constructivas y garantizar el comportamiento del conjunto como una unidad mediante una liga adecuada entre los elementos prefabricados y el concreto colado en el lugar.

Las bovedillas deberán ser capaces de soportar una carga concentrada de 100 Kg. en un área de 5 x 5 cm. aplicada en la zona más desfavorable.

Las bovedillas se consideraran como relleno y no tendrán ninguna función estructural.

1.2.2.14 LOSA DE CONCRETO COLADA EN SITIO SOBRE VIGAS DE ACERO

Existen, en teoría, un número considerable de opciones que implican variaciones en los materiales, tipos de sistemas, formas, disposición, y detalles específicos en la construcción de un sistema de piso.

Como alternativa se tiene el sistema de losa de concreto colada in situ sobre vigas de acero como lo muestra la figura 1.14

FIGURA 1.15.­ LOSA DE CONCRETO COLADA EN SITIO SOBRE VIGAS DE ACERO.

El uso de dispositivos soldados en la parte superior de las vigas de acero permitiría el desarrollo de una acción compuesta entre la losa de concreto y las vigas de acero, lo que daría por resultado una reducción en las dimensiones de las vigas típicas.

1.2.2.15 LOSAS DE CONCRETO PREFABRICADAS SOBRE VIGAS DE ACERO