revisión en las prácticas de diseño de losas postensadas

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CCL
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REVISIÓN EN LAS
PRÁCTICAS DE
DISEÑO DE LOSAS
POSTENSADAS
Por: Dra. Carol Hayek (*)
Gerente de Investigación y Desarrollo de CCL International
E
l uso de losas postensadas ha crecido enormemente y se ha convertido en el sistema
preferido de construcción en muchos mercados de las Américas, Europa, Australia y
África, cubriendo zonas geográficas con un bajo riesgo
sísmico hasta zonas con alto riesgo sísmico como Nueva
Zelanda, Chile, la costa oeste de Estados Unidos, etc.
La razón de esta gran popularidad es su eficacia estructural y su probada eficiencia en durabilidad, seguridad
y resistencia.
Desde la difusión del postensado a mediados del
siglo XX, CCL ha estado envuelta en el diseño y construcción de incontables estructuras postensadas alrededor
del mundo con un reconocido rendimiento durante su
historia. La atención a los detalles, requerimientos locales e hipótesis de diseño son los factores claves para
proveer diseños seguros.
Aspectos de diseño
La técnica del diseño postensado se debe a T.Y. Lin quien
revolucionó el diseño del postensado al introducir el
enfoque del balanceo de cargas. La técnica de postensado en losas vaciadas in situ en el estado de servicio
tienen esencialmente dos componentes principales:
la pre-compresión y el efecto del balanceo de cargas.
La pre-compresión representa la compresión axial
actuando en la losa; esta contrarresta parte de la tensión
en el concreto y ayuda a comprimir la losa en conjunto.
Este efecto produce fisuras limitadas que, a su vez,
circunscriben la exposición a la corrosión dando lugar
a una mayor durabilidad y una vida útil prolongada del
edificio.
El efecto del balanceo de cargas, por otro lado, ocurre
cuando el acero del postensado no sigue un desarrollo
recto como en la mayoría de estructuras pre-fabricadas;
este sigue la envolvente del diagrama de momentos a
flexión. Típicamente, el acero del postensado (PT) es
colocado de forma parabólica, siguiendo el diagrama
de momentos para paños continuos, los cuales tienen
un punto bajo al medio del paño y un punto alto en los
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apoyos. La carga balanceada resultante es un conjunto
de reacciones sobre los apoyos y una fuerza uniformemente distribuida hacia arriba que contrarresta las
fuerzas verticales aplicadas; consecuentemente, esto
produce una reducción de los efectos globales de las
cargas aplicadas, así como esfuerzos de tensión en el
concreto y, lo más importante, ayuda a controlar las
deflexiones.
emplean cables de siete alambres de acero de PT. Para la
construcción de losas, el sistema adherido típicamente
utiliza un sistema plano multi-torón donde varios cables
se colocan en un ducto ovalado el cual es inyectado con
lechada de cemento después del tensado de los cables.
El sistema adherido está totalmente unido al concreto y
tiene el mismo comportamiento que el concreto armado
en cuanto a la compatibilidad de las deformaciones.
Por otro lado, el sistema no adherido es típicamente
un sistema de un solo cable, el cual está cubierto de
grasa y revestido de plástico para su protección. Como
el nombre sugiere, el sistema no adherido está completamente desunido del concreto, por lo que el tendón
puede moverse libremente dentro de su envoltura, el
cual no se ve afectado por las deformaciones del concreto y se apoya en los anclajes que retienen la fuerza
de pretensado.
Gráfico N°2
Sistema de postensado no adherido
Gráfico N°1
Efecto del balanceo de cargas
Efectos del postensado en la estructura
Para las mismas luces entre apoyos, las losas postensadas son entre 20% a 30% más delgadas que las losas
de concreto armado. Esta reducción de espesor de la
losa provoca un ahorro de material y una reducción
en el peso propio de toda la construcción, lo cual es
sumamente crítico para el diseño en zonas sísmicas.
Mientras las fuerzas sísmicas son directamente
proporcionales al peso propio del edificio, la reducción
de peso conduce a que las fuerzas sísmicas sean más
pequeñas y, por lo tanto, los elementos verticales sismo
resistentes sean más pequeños y que la cimentación se
reduzca. Las losas delgadas también conllevan a una
reducción de altura de entrepiso del edificio y una disminución general de la altura del edificio con el mismo
número de plantas. Todo esto produce un ahorro indirecto a los propietarios en el costo de los materiales y la
mano de obra en los elementos verticales de concreto
y elementos de fachada.
Sistemas de postensado
En la práctica, hay dos sistemas de postensado comúnmente utilizados: adherido y no adherido. Ambos
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adecuados para la construcción. Las razones del uso
de un sistema versus el otro es por lo práctico, por los
costos laborales y las facilidades después de la construcción. El sistema que predomina en la construcción
de puentes es el sistema adherido, mientras que el
sistema usado en la construcción de edificaciones
difiere según el mercado. En Australia, por ejemplo, no
se permite el uso del sistema no adherido. En Estados
Unidos, el predominante en el mercado es el sistema
no adherido, mientras que en países como Chile que
tienen una alta sismicidad, el sistema adherido es el
sobresaliente
Tabla N°1
Diferencias entre los sistemas adheridos y no adheridos.
→
Durabilidad
Cuando se construye adecuadamente, ambos sistemas
presentan una excelente durabilidad.
→
Análisis
estructural
La filosofía de diseño es la misma, con ligeras
diferencias.
→
Vaciado de
concreto
No adherido. Las
deformaciones son
distribuidas a lo
largo del tendón
↔
Adherido.
Compatibilidad
de deformaciones con
el concreto es similar al
concreto armado.
→
Fabricación
Fabricación controlada
en planta
↔
Fabricación controlada
en obra
→
Tensado
Monotorones tensados
↔
Tensado de multitorones
→
Inyección
No requiere
↔
Requerido después del
tensado de los torones
→
Demolición
Requiere especial
cuidado
↔
No requiere especial
cuidado
Requiere precaución.
La fuerza PT se pierde
si falla el anclaje o el
tendón se corta
↔
La fuerza PT puede
ser transmitida a través
de la adherencia al ser
inyectado
↔
Sencillo
→ Mantenimiento
y cuidado
Gráfico N°3
Sistema de postensado adherido
→
Flexibilidad Requiere técnica
de aberturas especializada
Disposición de postensado adherido
La Tabla N° 1 resume las principales diferencias
entre los sistemas adherido y no adherido; ambos
ofrecen un rendimiento similar y son igualmente
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Artículo
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Disposición de postensado no adherido
Perspectiva sísmica
Para realizar el diseño sismo resistente, es crucial
comprender los requisitos de sismicidad y los códigos
locales de cada país, especialmente en zonas sísmicas
altas como Lima, Perú. Agradezco la valiosa información proporcionada por los ingenieros Antonio Blanco
de Antonio Blanco Ingenieros; Carlos Cassabone, de
Gallegos Casabonne Arango Quesada Ingenieros, y
Marcos Tinman, de Prisma Ingenieros, para la redacción
del presente artículo que no pretende señalar todas las
diferencias entre los códigos peruanos y los estadounidenses, pero se centra en los elementos claves.
Las losas postensadas son diseñadas como diafragmas, lo cual genera una complicación baja y los requisitos de postensado son mínimos. Sin embargo, las vigas
-que son parte del momento sísmico resistente- tienen
que cumplir con estrictos requisitos de ductilidad.
Revisando la Norma peruana E.030 - 2003, es evidente
que hay grandes similitudes con ACI 318 capítulo 21 el
cual trata el diseño sísmico. El sistema Dual Tipo I, al
cual se refiere la Norma E.030, es idéntico al Sistema
de Pórticos Intermedios resistentes a momento (PIM)
del ACI318-21.3, y el Sistema Dual Tipo II de la norma
E.030 - 2003 es similar al sistema de Pórticos Especiales
resistentes a momento (PEM) del ACI318-21.5.
Sin embargo, en zonas altamente sísmicas especificadas en el ACI como Categoría de Diseño Sísmico (SDC) D y
mayores, el ACI no permite el uso de pórticos intermedios y
sólo admite el uso de pórticos especiales, esto para estructuras típicas de concreto armado y postensado; mientras
que la norma peruana permite al uso del Sistema Dual
Tipo I y Dual Tipo II dependiendo de la contribución de
los muros de corte a la resistencia de las fuerzas laterales.
La norma E.030 y el ACI318 tienen requisitos similares
para el refuerzo tradicional no pretensado pero el código
peruano omite los requisitos sísmicos en postensado.
Por esta razón, el código ACI318 es usado cuando se
trata de postensado.
De acuerdo al ACI318, cuando el sistema que toma
las fuerzas sísmicas están diseñadas como PIM, no hay
ninguna limitación en el sistema de postensado a usarse, ya sea adherido y no adherido, los pórticos pueden
beneficiarse de todas las ventajas del postensado que
se encuentran dentro de los requisitos de PIM. Cuando
el diseño requiere el uso de un sistema PEM, el ACI318
pone límites a ambos sistemas de postensado (adherido
y no adherido) descritos en el capítulo 21.5.2.
Los requisitos aplicables a ambos sistemas son:
• El postensado es limitado al 25% de la capacidad en
la zona de la rótula plástica.
• La pre compresión máxima es de 3.5 MPa o 10 % de
la resistencia a la compresión del concreto f’c.
• Los anclajes deberán ser ensayados con cargas
cíclicas.
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Opinión del ingeniero Carlos Casabonne
El artículo es muy claro al describir las
bondades y características del concreto
postensado en su empleo para la construcción de losas, así como las de las
dos variedades de cables adheridos y no
adheridos, disponibles hoy en el mercado.
El concreto pre tensionado, postensado
y pretensado, es un material diferente al
concreto armado con refuerzo pasivo. Su
desarrollo y empleo abrió a la ingeniería
infinidad de posibilidades para el diseño
de elementos de mayores luces, más esbeltos, nuevos tipos estructurales, etc. En
muchos casos ha hecho posible el diseño
de estructuras en concreto que no eran posibles con refuerzo pasivo, particularmente
por el tamaño de las secciones requeridas
para controlar los esfuerzos y por temas de
fisuración por contracción, como es el caso
de estructuras de contención de líquidos o
de materiales a granel, prefabricados de
grandes luces y muchos otros tipos es-
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tructurales en los que este nuevo material
los hizo factibles por sus grandes ventajas
técnicas y económicas.
La primera obra en el país con el empleo
masivo de losas postensadas fue la del
Centro Comercial Jockey Plaza Shopping
Center, con 130,000 m2 techados que se
construyó y entregó en 11 meses en un proceso de fast-track en el año 1996. Esto solo
se hizo realidad con el empleo masivo de
losas postensadas y por la posibilidad que
da el sistema de reducir sustancialmente el
tiempo del ciclo constructivo de encofradoarmado-concretado-desencofrado, además
de permitir el vaciado de grandes áreas
continuas de losa en una sola jornada.
El postensado de losas tiene condicionantes y cuidados que son importantes conocer. Las losas constituyen los diafragmas
rígidos de una edificación y para asegurar
que cumplan con su cometido de elemento
integrador de la edificación y de distribuir
las fuerzas horizontales, debe ser analizado
ya no solo por cargas de gravedad sino también para fuerzas en su plano. Otro aspecto
es el control de contracciones durante su
proceso constructivo a nivel de proyecto;
debe estudiarse con detenimiento las juntas
temporales para controlar los efectos de la
contracción del concreto que, en el caso de
elementos pretensionados, ocurre además
por el esfuerzo de compresión producido por
la fuerza tensora. Dicho cuidado es indispensable cuando se trata de grandes plantas
o cuando en la edificación hay elementos
verticales muy rápidos como muros o placas.
El comentario de la Dra. Carol Hayek
referido al diseño de vigas postensadas en
zonas sísmicas, es pertinente y debe llamar
a reflexión sobre la necesidad de revisar
nuestra norma para adecuarla al estado del
arte, considerando que esta data del 2003
y la norma ACI318, que se actualiza cada
tres años ya está en su revisión del 2014.
CONSTRUCTIVO
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Este último requisito de los anclajes es más crítico
para los sistemas no adheridos, donde la fuerza del postensado se pierde si los anclajes fallan, a diferencia de
los sistemas adheridos donde después de la inyección
el torón se une al concreto en toda su longitud. Además, ya que los mismos anclajes adheridos se utilizan
generalmente en los puentes, éstos son probados para
pasar cargas cíclicas más rigurosas como se define
en la norma AASHTO y aprobaciones europeas ETAG.
Un último requisito establece que el postensado
tiene que garantizar la no adherencia en la zona de
rótula plástica, limitando de esta manera el diseño a
deformaciones en el acero de PT a 1%. Según el ACI318,
los torones de siete cables deben cumplir con la norma
ASTM416 que exige una deformación mínima última
de 3.5%.
CCL especifica una deformación última mínima de
4.5% para todos los proyectos que se encuentran en
altas zonas sísmicas, incluyendo el Perú. Esto pone un
margen adicional para evitar que el torón llegue a su
capacidad de rotura.
Es importante tener en cuenta que los requisitos del
postensado para el sistema PEM se basan en varios
estudios de investigación no necesariamente de concreto vaciado in situ. Dada la situación del mercado
de Estados Unidos, la mayoría de investigaciones en
sistemas adheridos se basan en elementos prefabricados pretensados.
Una de las investigaciones realizadas por el Instituto
Nacional Americano de Estándares y Tecnología (NIST)
que investigó el híbrido de pórticos (reforzado y post
tensado) fue hecho con conexiones pre-fabricadas y
concluyó que se debería tener una parte no adherida del
postensado, así como parcialmente adherido el refuerzo
tradicional en la conexión de viga-columna. Se sabe que
en el prefabricado la acción inelástica se concentra en
la conexión mientras que en las estructuras vaciadas in
situ, la región plástica se distribuye sobre una longitud
de porción de la viga a cada lado de la columna.
La idea detrás de la diferencia del comportamiento
entre los sistemas de postensado adherido y no adherido
es que el sistema adherido contribuye a la disipación
de energía que se asemeja a la del concreto armado,
siempre y cuando la deformación en el torón no alcance la capacidad de rotura; mientras que el sistema no
adherido se mantiene en el rango elástico y, por lo tanto,
no disipa la energía sísmica pero tiene un efecto que se
centra nuevamente. Para las estructuras que dependen
de gran disipación de energía, el ingeniero debe evaluar
cuidadosamente la idoneidad de cada sistema, dar
mecanismos de disipación de energía y examinar los
niveles de deformación.
Para evaluar el comportamiento del sistema adherido
vaciado in situ, se recomienda que se revisen los códigos
en mercados con sistemas predominantemente adheridos. Un importante estudio referenciado por el ACI318
1.
2.
actualizado y publicado por Thompson1 que se realizó
en concreto vaciado in situ del sistema postensado
adherido es la esencia de la actual norma de Nueva
Zelanda NZS: 31012.
La norma NZS especifica en detalle los requisitos de
diseño para el postensado, el cual difiere de los requisitos de ACI318 en algunos aspectos; el más perceptible
en este es que el sistema no requiere una longitud de
no adherencia, pero sí que el postensado esté más cercano al centro de gravedad de la sección para limitar
las deformaciones en los torones.
Experiencia de diseño
Con el fin de realizar un diseño confiable, los ingenieros
buscan concebir a la estructura en forma global y no a
cada elemento por separado. El ingeniero responsable
tiene que llevar con cuidado el diseño y entender el
proyecto y las particularidades del sistema, junto con
la base detrás de las exigencias de la norma.
Las estructuras postensadas han sido probadas a
través de los años a servicio, durabilidad, seguridad y
la resistencia contra sismos, incluyendo el efecto de
terremotos severos como el acontecido en Chile en
el 2010, Nueva Zelanda-Christchurch en el 2011 y el
terremoto de Northridge de California, en 1994. Ya sea
que se trate de una estructura de concreto armado o
de una estructura post-tensada, en el caso del Perú y
dado que el ACI tiene requisitos más estrictos sobre la
idoneidad de los sistemas a usarse PIM frente al PEM, el
ingeniero estructural tiene que definir el uso adecuado
de los sistemas Dual tipo I y Dual tipo II para vigas y
columnas primero, y luego observar las necesidades
individuales.
Vista aérea de una losa postensada adherida
(*) Ph. D. Civil Engineering, Johns Hopkins University, Maryland, Estados Unidos;
M.Sc. Civil Engineering, Johns Hopkins MBA, Ecole Supérieure des Affaires, Beirut,
Líbano; Structural Engineering Degree, ESIB; Lebanon Professional member of
Post Tensioning Institute; Professional and consulting member of ACI Chapter 23;
Professional member of American Society of Civil Engineer con 17 años de experiencia
local e internacional en el diseño de estructuras pretensadas y postensadas (edificios,
puentes, tanques).
Kevin Thompson and Robert Park, “Ductility of Prestressed and Partially Prestressed Concrete Beam Sections”. PCI Journal, March-April 1980.
New Zealand Standards - Concrete Structures Standard NZS 3101:Part 1:2006.
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