CONSTRUCCIONES MIXTAS MIXED CONSTRUCTIONS RESUMEN Se presentan aspectos básicos básicos respecto a lo que es una una construcción mixta (concreto estructural y acero) y su diferencia con el concreto armado, siendo esta última llamada concreto estructural que apoya a la composición compleja de la construcción mixta. También se hará una breve descripción de los materiales utilizados en las construcciones mixtas. Se abordará sus componentes así como las ventajas y desventajas del uso de construcciones mixtas y finalizaremos con las l as aplicaciones de las estructuras mixtas.
Palabras claves: Construcción mixta, acero, concreto estructural. ABSTRACT Presented basics about what are a composite construction (concrete and structural steel) and its difference with reinforced concrete, structural concrete latter being called that supports the complex composition of mixed construction. There will also be a brief description of the materials used in mixed buildings. Components as well as the advantages advantages and disadvantages of using mixed constructions will be addressed and finish with applications of composite structures.
Keywords : Composite construction, steel, structural concrete. INTRODUCCIÓN Las construcciones mixtas se han perfilado como una seria alternativa a los sistemas en concreto, debido a sus altas prestaciones mecánicas. mecánicas. Las construcciones construcciones mixtas se basan en crear sistemas mixtos que aprovechen al máximo tanto las propiedades del concreto estructural como las del acero, haciendo posible que trabajen a compresión y tracción respectivamente. Estos sistemas constan de un elemento muy importante llamado conector que es el que permite un trabajo solidario de los dos materiales, tanto el concreto como el acero. La construcción mixta ofrece, en base al empleo de la gran gama de materiales que la integran, una diversidad de tipos constructivos y formas posibles que, adecuadamente combinadas por el proyectista, son aplicables a todas las necesidades que la práctica constructiva requiere. De esta forma, los importantes logros y avances tecnológicos recientes de ambos materiales; el concreto armado armado ligero, los los aceros soldables soldables de alta resistencia, los nuevos sistemas de unión (tornillos y roblones de alta resistencia, resinas sintéticas), etc., tienen una inmediata adaptación, potenciando el empleo de la construcción mixta en forma muy notable.
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Noel Villanueva
CONSTRUCCIONES MIXTAS Se tiene la definición de Elemento mixto como “elemento estructural compuesto por
concreto y acero estructural o conformado en frío, interconectados por conectadores para limitar el desplazamiento longitudinal entre el concreto y acero; y el despegue de un componente del otro” 1. Las estructuras mixtas o construcciones mixtas se pueden formar, en general, concretomadera, concreto-acero o madera-acero. Un sistema de conexión entre los dos materiales debe ser utilizado para asegurar la transferencia de los esfuerzos, y también para evitar el desenganche vertical de los dos materiales. Las construcciones mixtas utilizan el concreto y el acero en forma conjunta, ya sea en elementos estructurales o en sistemas estructurales, para resistir las solicitaciones que actúan sobre una estructura. En las últimas tres décadas, la asociación de acero y concreto se ha utilizado en los sistemas estructurales de edificios. Esta asociación se llamó - estructuras mixtas. Estos se diferencian de las estructuras de concreto armado y de acero. Una estructura mixta de acero-concreto está compuesta en elementos mixtos. En las estructuras de concreto armado: vigas, columnas y losas son constituidas por de calidad estructural y las barras de armaduras adecuadamente dimensionadas y detallados, inmersas en concreto simple. Las estructuras metálicas, vigas o columnas son perfiles laminados, soldados, adecuadamente dimensionados y detallados, cuya unión se realiza mediante conexiones que pueden ser soldadas o atornilladas.
Fig 1 Inicio de una construccion mixta
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EUROCÓDIGO N4 (EC-4)
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Las estructuras mixtas se forman por la combinación de perfiles de acero y concreto estructural de manera que los materiales trabajan conjuntamente para resistir las fuerzas internas o solicitantes. De esta forma, es posible explorar las mejores características de cada material tanto en vigas y columnas, como en losas. El uso de elementos mixtos y, en consecuencia, de los sistemas mixtos, acero-concreto se amplía considerablemente el conjunto de soluciones de concreto armado y acero. De manera general, la creciente utilización de estructuras mixtas es atribuida a diversos factores, el uso de construcción mixta tiene variadas ventajas sobre la construcción convencional en acero. Entre estas ventajas podemos mencionar: •
Optimización del material: al complementar las ventajas del acero y el concreto se consiguen estructuras que son más livianas, en que todo el material se está aprovechando.
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Mayores luces libres: la alta relación resistencia/peso del acero combinada con la rigidez adicional proporcionada por el concreto permiten que para igual miembro estructural de acero, el elemento mixto permite cubrir mayores distancias que el elemento de acero u concreto por separado.
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Mayor resistencia a la corrosión: el concreto, en el caso de elementos estructurales consistentes en una sección de acero recubierta en concreto, constituye una barrera adicional a la corrosión.
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Mayor resistencia a incendios: el concreto actúa como barrera contra el fuego y/o como disipador de calor, proveyendo al elemento mixto de una mayor resistencia a altas temperaturas
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Rapidez de construcción: es posible avanzar con la estructura de acero sin necesidad de esperar por el curado del concreto.
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Menor costo de construcción: es el resultado de la mayor rapidez de construcción, además del posible ahorro de moldajes y alzaprimas. Además, el uso de elementos de menor peralte permite reducir la altura entre pisos, con el consiguiente ahorro en elementos no estructurales y terminaciones.
Existen también ciertas desventajas que deben mencionarse: •
Conseguir que concreto y acero trabajen en conjunto requiere normalmente del uso de conectores especiales y trabajo adicional al caso de la construcción convencional en acero u concreto.
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Durante el proyecto, la resistencia despreciable a la tracción del concreto agrega un grado de complejidad a la hora de determinar la rigidez de los elementos estructurales. Además, el efecto de fenómenos como la fluencia lenta o creep y 3
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la retracción del concreto puede ser mayor que en el caso de estructuras de concreto armado. •
Durante la construcción, es necesario combinar dos especialidades (construcción en concreto y construcción en acero) trabajando al mismo tiempo, lo que complica la programación y ejecución de la obra.
La característica fundamental que define a la construcción mixta es la acción compuesta de los dos materiales. Esto quiere decir, en el caso de elementos mixtos, que ambos materiales responden como uno solo, y en el caso de sistemas estructurales, que elementos de concreto y elementos de acero trabajan conjuntamente para resistir las solicitaciones. Para ilustrar este concepto consideremos las siguientes figuras. La figura de la izquierda representa una viga en que acero y concreto actúan independientemente, es decir, no hay acción compuesta. Se puede ver que parte del concreto no será aprovechado debido a que se encuentra en tracción, mientras que sólo la mitad de la sección de acero está en tracción, el esfuerzo para el que el acero es más eficiente. En contraste, la figura de la derecha muestra una viga en que sí hay acción compuesta. En este caso, todo el concreto se encuentra en compresión y está, por tanto, siendo aprovechado, a la vez que la sección de acero se encuentra mayormente traccionada.
A c ci n n o c om p u es ta
A c ci n c om p ues ta
Fig. 2 Diferencia entre una acción compuesta y no compuesta
Para que ocurra acción compuesta es necesario que haya transferencia de esfuerzos entre el acero y el concreto y viceversa. Los mecanismos típicos de transferencia son: •
Adherencia: el vínculo por fricción o adhesión entre una superficie de acero y una de concreto. Su resistencia es limitada.
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Trabazón: contacto mecánico, por ejemplo a través de insertos embebidos en el concreto y soldados al acero. Es la solución cuando la adherencia no es suficiente.
En este tipo de situación, los elementos mixtos permiten la reducción de las dimensiones de la sección, ampliando las zonas libres y reduciendo las fuerzas verticales que llegan a las fundaciones Otro aspecto importante es la necesidad de cumplir con los plazos de entrega de la edificación, factor que requiere el empleo de sistemas estructurales para los cuales es posible obtener la velocidad y facilidad de ejecución, sin grandes aumentos en el costo final de la edificación. También es importante la ubicación del edificio que a veces resulta en espacio reducido para el montaje de la obra y las limitaciones impuesta por la vecindad. Los avances tecnológicos de las últimas décadas han contribuido al uso creciente de las estructuras mixtas. Tales avances también hicieron posible la aparición de equipos para facilitar el transporte y colocación de elementos mixtos. Además de la variedad de opciones y combinaciones posibles para estructuras mixtas, específicamente en relación con las estructuras de concreto armado, existe la posibilidad de prescindir de encofrado y apuntalamiento, reduciendo los costos de materiales y mano de obra, la reducción de peso de la estructura debido al uso de elementos mixtos estructuralmente más eficientes y cada vez mayor precisión dimensional de los elementos. Por otro lado, en relación con las estructuras de acero, estructuras mixtas hacen posible reducir el consumo de acero estructural y lo reemplaza por concreto, que tiene un costo menor. El conjunto de todos estos factores es responsable en gran medida por los avances tecnológicos en los procesos de construcción. Es importante subrayar que el empleo de elementos mixtos constituye no sólo una opción de sistema estructural, sino también el proceso constructivo. La aparición de elementos mixtos y su asociación con elementos de concreto armado y acero, impulsado la aparición de estructuras híbridas. Es cada vez más común para componer el sistema estructural de un edificio con columnas de acero, vigas compuestas, núcleos o paredes de concreto armado que aseguran la estabilidad horizontal. Los primeros elementos mixtos usados fueran las vigas, las columnas estuvieron involucrados con concreto estructural, a fin para aumentar la resistencia al fuego.
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Vigas Metálicas
Columnas de concreto
La construcción de puentes fue la primera en comenzar a utilizar construcción mixta. Las figuras muestran cortes transversales de puentes, donde normalmente las secciones de acero en conjunto con la losa de concreto se consideran como un solo elemento.
Viga de acero con losa colaborante
Elementos mixtos surgieron la necesidad de protección de perfiles de acero contra la acción del fuego y la búsqueda de una mayor rigidez de estos elementos. Su uso, ya sea en forma de vigas mixtas, losas mixtas o columnas mixtas, han mostrado un gran crecimiento en las últimas décadas. La construcción mixta se utiliza cada vez más en edificios urbanos, normalmente combinando elementos estructurales convencionales y mixtos. Los edificios de la derecha son ejemplos de utilización de columnas mixtas en edificaciones en altura, incluyendo el edificio más alto del mundo actualmente, Taipei 101, ubicado en Taiwán. 6
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En edificios urbanos es práctica común la utilización de losas de concreto mixtas, donde el concreto se coloca sobre una plancha de acero plegada, la que agrega rigidez al sistema de losas. En edificios de acero la losa va montada sobre vigas de acero las que también actúan en forma compuesta con la losa.
Losa de concreto sobre plancha de acero plegada
La construcción mixta puede dividirse en dos tipos principales. El primer tipo consiste en la utilización de elementos mixtos hechos de acero y concreto, en que ambos materiales responden como uno ante solicitaciones externas. En este caso, es necesario asegurar que las cargas pueden transferirse del acero al concreto y viceversa. El segundo tipo corresponde a sistemas estructurales que combinan elementos estructurales de acero, de concreto, e incluso mixtos, los que se conectan entre sí para resistir las solicitaciones sobre la estructura. En este caso, es necesario asegurar la transferencia de cargas entre los distintos elementos que conforman el sistema estructural. Los elementos mixtos pueden clasificarse de acuerdo a su configuración. Tenemos entonces: •
Vigas de acero con losa colaborante: la viga de acero y la losa que esta soporta forman un solo elemento. Dependiendo de la aplicación, puede prescindirse de 7
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alzaprimas. La rigidez y resistencia del conjunto son mayores que las del perfil de acero solo, por lo que se pueden utilizar secciones más livianas.
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Losa de concreto sobre plancha de acero plegada: como su nombre lo indica, la losa es vaciada sobre una plancha de acero plegada. Esta plancha hace las veces de moldaje y, además, puede permitir prescindir de alzaprimas.
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Perfiles de acero embebidos en concreto: un perfil de acero o una plancha que está total o parcialmente rodeada de concreto. Puede estar adherida o no adherida al concreto circundante. El concreto restringe el pandeo local del perfil de acero y provee protección contra el fuego.
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Perfiles tubulares de acero rellenos de concreto: perfiles rectangulares, cuadrados o circulares que se rellenan con concreto. No requieren moldajes y si bien no están recubiertos por el concreto, el relleno les da una mayor resistencia al fuego al actuar como disipador del calor.
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Debido a la gran variedad posible de sistemas mixtos, solo vamos a mostrar algunos ejemplos, para luego concentrarnos en los elementos mixtos. Uno de los sistemas mixtos más comunes consiste en reemplazar las columnas de acero de un marco de momento por columnas mixtas, tanto embebidas como rellenas de concreto. El resultado principal es la disminución del tamaño de las columnas, ya que la resistencia y rigidez aportadas por el concreto permiten usar secciones más pequeñas. Además, el concreto restringe el pandeo local de la sección de acero, permitiendo usar secciones más esbeltas, y provee una mejor resistencia al fuego, reduciendo la necesidad de medidas de protección adicionales.
Marco rigido mixto
Recientemente ha concentrado gran interés el uso de marcos arriostrados con diagonales de pandeo restringido. Este tipo de sistemas permite usar la capacidad de los arriostramientos tanto en tracción como en compresión. Debido a que el pandeo está restringido, los arriostramientos pueden ser sometidos a varios ciclos de deformación inelástica sin perder capacidad ni generar fracturas.
Marco arriostrado con diagonales de pandeo restringido
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Otro sistema novedoso consiste en la utilización de vigas de acople mixtas entre muros de concreto armado. La placa de acero embebida se hace cargo del corte, generalmente alto, que se genera en estos elementos cortos, mientras el concreto armado toma la flexión. Los muros de concreto acolpados presentan desplazamientos menores que iguales muros de concreto actuando independientemente, conectados solo por la losa.
Muros de concreto con vigas de acople mixtas
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CONCLUSIONES
La construcción mixta es una gran alternativa para bajos costos y aspectos innovadores de en las edificaciones, pudiéndose optimizar para los sectores C o sociedades emergentes.
Una alternativa ideal sería que la industria de la construcción se una para alentar y participar en el desarrollo e implementación de nuevas tecnologías en las nuevas obras civiles, sobre todo en aquellas que representan una inversión fuerte para cierta región.
El refuerzo de antiguas estructuras metálicas o de concreto armado, para su transformación a estructuras mixtas, es una de las formas más adecuadas para incrementar la capacidad portante de las mismas, y hacer frente al creciente aumento de las sobrecargas de utilización por motivo de nuevas necesidades como pueden ser maquinarias adicionales o nuevos métodos de trabajo, que sobrepasen los límites a los cuales fueron diseñados.
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Construcciones Mixtas 12 Diseño en la construcción
BIBLIOGRAFÍA
LIBRO LA RELACIÓN FORMA-FUNCIÓN EN EL LENGUAJE ESTRUCTURAL DEL SIGLO XX. Nancy Dembo. Caracas, Venezuela. 2003 PANORAMA ACTUAL DE LA CONSTRUCCIÓN MIXTA, Juan Martinez. España PRECAST CONCRETE IN MIXED CONSTRUCTION, Kim S. Elliot. EE.UU.
PÁGINAS WEB ARQHYS, arquitectura. Consultado septiembre 26, 2013, de http://www.arqhys.com/articulos/construccion-mixta.html
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