CONCRETO PREFABRICADO

CONCRETO PREFABRICADO Eficiencia, Seguridad y Sustentabilidad para Zonas de Alta Sismicidad Ing. Danilo Hernández Guerrero, M.Sc. Costa Rica

¿Qué es Sustentabilidad? Desarrollo sustentable es aquel que satisface las necesidades del presente sin comprometer las necesidades de las futuras generaciones. Fuente: Informe de la Comisión Brundtland de la ONU, 1987

¿Por qué Sustentabilidad? La población mundial alcanzará 9.731 millones de habitantes en 2050, contra 7.141 millones en el 2013, según un estudio bienal del Instituto francés de Estudios Demográficos (INED) de reciente publicación. La proyección para el final del siglo XXI, es que el planeta tendrá de 10.000 a 11.000 millones de habitantes.

Ante una cantidad finita de recursos y una población en continuo crecimiento, el desarrollo sustentable no es una opción, es una NECESIDAD. La sustentabilidad debe buscar un balance entre el impacto económico, social y ambiental.

Desarrollo Sustentable

Qué es LEED? Leadership in Energy & Environmental Design

Es una certificación desarrollada por el U.S. Green Building Council para aquellas edificaciones que cumplan con criterios de eficiencia energética y ambiental

El concreto prefabricado puede aportar puntos en las siguientes categorías para la certificación LEED:

Sustainable Sites Water Efficiency Energy and Atmosphere Materials and Resources Indoor Environmental Quality Innovation and Design Process

Ventajas ambientales del Concreto Prefabricado • Muy poco desperdicio de materiales debido a dosificaciones de mezclas más precisas y controladas en planta. • Mayor posibilidad de reciclar desechos y aguas grises. Una fracción de los agregados puede estar constituida por concreto reciclado con el tratamiento adecuado.

Ventajas ambientales del Concreto Prefabricado • Los componentes principales del concreto son obtenidos principalmente a nivel local, lo cual reduce los requerimientos de transporte, y por ende de la energía y emisiones asociadas a éste.

Ventajas ambientales del Concreto Prefabricado • Cerca del 80% del concreto está constituido por los agregados (piedra y arena), los cuales requieren niveles relativamente bajos de energía para su producción. El proceso de producción del cemento sí es más intensivo en el uso de energía, pero la inclusión de adiciones como ceniza volante y humo de sílice ha ayudado a atenuar este efecto.

Ventajas ambientales del Concreto Prefabricado • Los encofrados metálicos en planta permiten múltiples re‐usos, disminuyendo o eliminando el uso de encofrados de madera. • En el sitio de obra se reduce el polvo, los escombros y otros desechos. • Se reducen los plazos de montaje y por ende el impacto sostenido del proceso constructivo.

Ventajas ambientales del Concreto Prefabricado • Se reduce la contaminación sónica en el sitio de obra. Esto se vuelve aún más importante en proyectos de ampliación de edificios en operación. • El uso del presfuerzo permite optimizar el tamaño de los elementos prefabricados, reduciendo por ende el consumo de materiales.

Ventajas ambientales del Concreto Prefabricado • El uso cada vez más extendido de concretos de alto desempeño permite entre otras ventajas, obtener concretos menos permeables, con mayor durabilidad y por ende con menores requerimientos de mantenimiento.

Ventajas ambientales del Concreto Prefabricado • El albedo (porcentaje de radiación que cualquier superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre la misma) del concreto es relativamente alto, lo cual le proporciona muy buenas propiedades de aislamiento térmico y permite reducir los requerimientos de iluminación artificial.

Costa Rica es un país con alta sismicidad

Subducción de la Placa del Coco debajo de la Placa del Caribe frente a la costa Pacífica de Costa Rica

Imagen en 3D de zona de subducción frente a Costa Rica FUENTE: (GEOMAR No.94, Cruise report SO144/1&2, San Diego‐Caldera,September 7‐november 7,1999. GEOMAR Research Center)

Principales terremotos en Costa Rica en los últimos 25 años Nombre Fecha Epicentro Mw

MM Prof. Notas Muertos

Principales terremotos en Costa Rica en los últimos 25 años Nombre Fecha Epicentro Mw

MM Prof. Notas Muertos

Zonificación Sísmica según el Código Sísmico de Costa Rica 2010

Aceleraciones pico efectivas de diseño según el Código Sísmico de Costa Rica 2010

Ejemplos de casos exitosos de aplicación de nuevas tecnologías para edificios sismorresistentes de concreto prefabricado en Costa Rica

Proyecto: Ampliación Hospital Clínica Bíblica Ubicación: San José

Equipo de Diseño • Plan Maestro elaborado por Stopinal Group para la Clínica Bíblica • Equipo Consultor Multidisciplinario: • Ing. Pablo Martínez, gerente de proyecto • Arq. Maggi Cercconi, asesor en arquitectura • Ing. Fernando Zamora, ingeniero eléctrico • William Bolaños, consultor mecánico • Ing. José Francisco Zúñiga, ingeniero estructural • Proveedor del Sistema Estructural Prefabricado: Productos de Concreto S.A. • Ingeniero Estructural por Productos de Concreto: Ing. Luis Diego Salas, M.Sc.

Requisitos del Sistema Estructural y Constructivo • Continuidad de la prestación de servicios en el edificio existente durante la construcción: sistema constructivo que minimice contaminación y ruido. • Sistema estructural que permita flexibilidad del uso del espacio interno debido a rotación de equipos y áreas de servicio. • Objetivo de desempeño del CSCR para Estructura de Grupo A (Esencial): Edificio Operativo para Sismo Extremo. • Imposibilidad de evacuación de un hospital (Life Safety Code, NFPA): sistema con buena resistencia al fuego.  El equipo consultor selecciona un sistema estructural con base en marcos rígidos de concreto prefabricado con uniones postensadas híbridas (UPH)

Programa PRESSS (Precast Seismic Structural Systems) • Programa teórico‐experimental realizado en E.E.U.U. y liderado por el Dr. M.J. Nigel Priestley Cuarta fase de un programa de pruebas desarrollado en conjunto por E.E.U.U. y Japón • Duración: 12 años • Desarrollo de sistemas prefabricados sismo‐ resistentes que no emulan al concreto reforzado • Edificio experimental escala 60%

Concepto de Unión Postensada Híbrida (UPH)

a) Unión monolítica de concreto reforzado b) Unión postensada híbrida



Concepto de Unión Postensada Híbrida (UPH) Comportamiento histerético sólo con barras de acero convencional

Comportamiento histerético sólo con cables de postensión (elástico no‐lineal)


Comportamiento histerético híbrido combinando barras de acero convencional y cables de postensión

¿Por qué desadherir los cables de postensión? Estudios experimentales realizados en Estados Unidos (Cheok, 1991) utilizando especímenes de conexiones viga‐columna con cables de postensión completamente adheridos, demostraron que estos desarrollaban ductilidades similares a conexiones monolíticas equivalentes. No obstante después de experimentar niveles moderados de ductilidad, sufrieron una excesiva degradación de rigidez para bajos desplazamientos. • Tal degradación es causada por una reducción de la fuerza efectiva de presfuerzo a través de la junta debido al grado de deformación inelástica del cable en la zona crítica. • Al proporcionar la longitud desadherida necesaria, el desplazamiento último requerido puede alcanzarse sin exceder el límite de proporcionalidad del acero de presfuerzo. Consecuentemente, no hay pérdida de presfuerzo en la descarga para la ductilidad de diseño. •

Ventajas de las Uniones Postensadas Híbridas (UPH) • Se minimizan los desplazamientos y deformaciones residuales en el edificio posteriores al sismo, debido a la presencia de las fuerzas restauradoras de los cables de postensión («self‐centering action»). Por ende el desempeño es superior al de edificios prefabricados con uniones que únicamente emulan el concreto reforzado. • La deformación para altas demandas de deriva se concentra en la interfaz viga ‐ columna. El nivel de daño en el nudo y en las vigas es inferior al de una conexión equivalente de concreto reforzado. • El plazo de construcción se reduce considerablemente al sacar el colado de los nudos de la ruta crítica, lo cual tiene un impacto directo en la reducción del costo de la obra, incluyendo su costo financiero (puesta en marcha).

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN:

Pruebas experimentales de Uniones Viga‐Columna de Marcos Sismorresistentes de Concreto Prefabricado (Tesis de Maestría del Programa de Posgrado en Ingeniería Civil, Universidad de Costa Rica) Desarrollado bajo convenio de cooperación entre el Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales de la Universidad de Costa Rica (LANAMME‐ UCR) y la empresa Productos de Concreto S.A.) AUTOR:

Ing. Jorge Ruiz, Tesiario DIRECTOR:

Ing. Juan Pastor, Ph.D. (q.d.D.g), Director

Se “extrae” un nudo de un marco estructural y se evalúa el mismo cuando se somete a carga lateral.

Estudio Experimental de Uniones Viga‐Columna Prefabricadas

•Construcción de cuatro uniones prefabricadas: • Dos uniones con refuerzo pasivo convencional (SP‐1a, SP‐1b). • Dos uniones tipo Unión Postensada Híbrida (UPH) (SP‐2, SP‐3).

Sistema convencional con unión de concreto reforzado (Pruebas SP‐1a y SP‐1b).

Fabricación de los elementos en planta

Fabricación de los elementos en planta

Montaje de la prueba en el LANAMME

Montaje de la prueba en el LANAMME

Resultados

Unión SP-1b al (Deriva 1.5%)

Unión SP-3 al (Deriva 1.5%)

JUNTA CONCRETO REFORZADO

Unión SP-1b al (4%)

UNIDAD SP-1b (Deriva 4.00%)

Unión SP-1b al (Deriva 4%)

Unión SP-3 al (Deriva 4%)

SP1-b(mod)

250

250

200

200

150

150

100

100

50

50

0 -80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Fuerza(KN)

Fuerza (KN)

SP-1a (mod)

0 -100

-80

-60

-40

-20

0

-50

-50

-100

-100

-150

-200

-250

Desplazamiento(mm)

20

40

-150

-200

Desplazamiento(mm) -250

60

80

100

Prueba SP-2

Prueba SP-3 250

250 200

200 150

100

100

50

50

0 -100

-50

0

50

-50

100

Fuerza (KN)

F u e rz a (K N )

150

0 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

-50

-100 -100

-150 -150

-200 -200

-250 -250

-300

Desplazamiento (mm)

Desplazamiento (mm)

60

80

100

Disminución de Resistencia (%)

Reducción de Resistencia Unidad (SP-1a)

30 25 20 15 10 5 0 0.00

3% (2.5% real) límite 20.0%

2.00

4.00

deriva de entrepiso (%)

6.00


Reducción de Resistencia Unidad SP-1b 30 25 20 15 10 5 0 0.00

3% (2.5% real) límite 2 0 .0%

2.00

4.00

Deriva de entrepisos (%)

6.00

Reducción de Resistencia Unidad SP- 2


30

3% (2.5% Real)

25

límite 20.0%

20 15 10 5 0 0.00

2.00

4.00

Deriva de entrepisos (% )

6.00

Reducción de Resistencia Unidad SP-3

Disminución de resistencia (%)

30 25 20

3% (2.5% real ) límite 20.0%

15 10 5 0 0.00

2.00

4.00

Deriva de entrepiso (%)

6.00

CONCLUSIONES DE LA INVESTIGACIÓN 1. Todas las uniones prefabricadas (unión prefabricada convencional y unión postensada híbrida) pueden ser clasificadas como uniones de ductilidad local óptima de acuerdo con el Código Sísmico de Costa Rica. 2. En general se observó que las uniones postensadas híbridas (UPH) sufrieron menor daño estructural que las uniones convencionales y también se producen menores deformaciones residuales. 3. En los cuatro tipos de uniones se produjo la grieta diagonal cuando se alcanzó una deriva de entrepiso (“drift”) del 1.50%. Al mismo tiempo los aros del nudo comienzan a trabajar, sobre todo los aros en la elevación central del nudo.

CONCLUSIONES DE LA INVESTIGACIÓN 4. Los refuerzos longitudinales de las vigas alcanzan deformaciones por encima de los valores de cedencia, lo que verifica las suposiciones teóricas que se utilizan en el diseño. 5. Los sistemas prefabricados de concreto no necesariamente deben emular los sistemas de concreto reforzado, sino que tienen la oportunidad de mejorar su comportamiento con soluciones que aprovechen sus ventajas comparativas.

CONCLUSIONES 4. Los refuerzos longitudinales de las vigas alcanzan deformaciones por encima de los valores de cedencia, lo que verifica las suposiciones teóricas que se utilizan en el diseño. 5. Los sistemas prefabricados de concreto no necesariamente deben emular los sistemas de concreto reforzado, sino que tienen la oportunidad de mejorar su comportamiento.

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Configuración del Edificio

• Área de construcción: 18 000 m2 • Duración de la construcción de la estructura prefabricada (desde fundaciones hasta fachadas): 10 meses

• Estructura destinada a un hospital, se clasificó como Esencial (Grupo A) con un factor de importancia I=1.50 , de acuerdo al Código Sísmico de Costa Rica 2002, vigente al momento de hacer el diseño. Nivel de Desempeño

Nivel Sísmico de Diseño

Operativo

Seguridad de Vida

Moderado I=0.75

-

E

Severo

C

D

A

B

I=1.0 Extremo I=1.5

Posibilidad Categoría de Límites a los Requisitos de de la Edificación desplazamientos ductilidad Irregularidad según relativos local Severa Importancia A. Esencial

Se Prohibe

Severo (1%)

Ductilidad Local Óptima

Placas y Vigas de Cimentación

• Espesor variable en placas para reducción de peso y costos • Conexiones y completamientos colados en sitio

Sótanos y muros de retención • Dos sótanos con muros estructurales prefabricados tipo Doble‐Te en su perímetro. • Cinco pisos sobre el nivel de calle. • Todos los niveles de 4.08 m de altura de piso a piso

Sótanos y muros de retención

Sótanos y muros de retención

Vigas • Luces principales de 6.4 m (vigas de carga) y 8 m (vigas de amarre) • Vigas de carga de 75x30 cm y vigas de amarre de 65x30 cm (todas prefabricadas y pretensadas)

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Vigas

• Vigas parcialmente prefabricadas: • Pretensadas en planta y postensadas en sitio (UPH) • Concreto de alta resistencia (f´c= 700 kg/cm2)

Entrepisos

• Entrepisos prefabricados en la dirección de 8 m. • Entrepiso de losa alveolar pretensada de 20 cm de peralte con firme o sobrelosa de 6 a 10 cm, de acuerdo al nivel.

Prueba de carga en laboratorio para losa alveolar pretensada, los resultados comprueban su excelente capacidad de deformación previo a la falla.

Columnas • Columnas de 75x75 cm hasta el 2do nivel y de 70x70 cm en el resto. • Concreto de alta resistencia (f´c= 700 kg/cm2)

Columnas

• Producción de columnas en planta: • Simplificación de la inspección • Alta precisión en ubicación de ductos y previstas

Fachadas de Concreto Prefabricado

Conexiones y detalles especiales • El concreto en los extremos de la viga debe estar confinado para evitar el aplastamiento y el pandeo del acero en compresión. Se recomienda el uso de angulares de acero o refuerzo en espiral alrededor de las varillas. • Deben tomarse las medidas necesarias para evitar la corrosión del cable de postensión en la zona desadherida. Lo más recomendable es utilizar torones recubiertos de grasa y con una funda de polietileno de alta densidad. • Si la losa es muy rígida, debe prevenirse que esta contribuya a la resistencia de la conexión y que produzca rotaciones concentradas en los extremos de las vigas. Si los objetivos de desempeño son muy severos se recomienda un material de relleno alrededor de las columnas.

Conexiones y detalles especiales • Nudo viga‐columna prefabricado: • Mayor control de calidad • Disminución de plazos de construcción. • Conexiones viga‐ columna del tipo unión postensda híbrida (UPH) diseñadas para deriva del 3.5%

Conexiones y detalles especiales


• Detallado especial • Acero de refuerzo con pequeña longitud desadherida según diseño • Espirales de confinamiento • Anclajes de postensión previstos en nudos perimetrales o de borde


Proceso de montaje (1)






Diseño Simplificado de las Uniones Postensadas Híbridas (UPH)

REFERENCIA: Alpízar, 2002

Procedimiento racional propuesto por Cheok et al. (1996) basado en pruebas

experimentales del NIST (National Institute of Standards and Technology)

Principios de Diseño (UPH) Principal función del acero de presfuerzo desadherido: • Proveer una fuerza restauradora capaz de producir la fluencia en compresión del acero de refuerzo que ha fluido en tensión durante un ciclo determinado de carga. Condiciones para el acero de presfuerzo desadherido: • La fluencia del acero de presfuerzo produce pérdida de la fuerza de tensado durante el comportamiento cíclico. Por esto, el acero de presfuerzo debe permanecer en el rango elástico de deformación. • El acero de presfuerzo debe proveer más de un 50% de la capacidad a momento en ambas direcciones (M+ y M‐)

Principios de Diseño (UPH) Principales funciones del acero de refuerzo: • Proveer una parte de la capacidad a flexión • Disipar de energía por comportamiento inelástico Condiciones para el acero de refuerzo: • Debe desadherirse lo suficiente en los extremos de la viga para que no se fracture antes de alcanzar la deriva demandada • No debe desadherirse más de lo requerido para que fluya. De lo contrario se reducirá su habilidad para disipar energía

Principios de Diseño (UPH) • La resistencia a cortante vertical en la interfase es suministrada por la fricción debida a la fuerza de postensión y a la fuerza generada en el bloque en compresión:

Vn   Fp  C 

• El acero de presfuerzo provee una confiable fuerza normal para resistir las cargas gravitacionales en la interfaz viga‐columna:

Fp,mín 

1.2Vp 1.6Vt



 se define en ACI 318‐11 11.6.4.3

 = 0.75

Uso de ménsulas • Durante las pruebas llevadas a cabo en el programa PRESSS no se produjo deslizamiento vertical entre la viga y la columna, por lo que la presencia de ménsulas no interfieren con el comportamiento de la unión • Se recomienda por seguridad incluir una pequeña ménsula en las columnas para soportar las cargas gravitacionales y para facilitar el proceso de montaje . Por su geometría (relación de aspecto) siempre rige el diseño por cortante fricción:

Avf 

1.2Vp 1.6Vt

  f y

 se define en ACI 318‐11 11.6.4.3

 = 0.75

Requisitos adicionales • Debe asegurarse que se cumpla el principio de columna fuerte‐viga débil. • El diseño a cortante de las vigas y de las columnas debe realizarse por capacidad. • Deben tenerse en cuenta los requisitos de confinamiento en vigas y columnas para ductilidad local óptima.

Verificación del diseño • Deriva máxima calculada por análisis modal elástico: 0.98% • Deriva máxima calculada con el Método de Capacidad Espectral en el punto de desempeño: 0.89%

Método de capacidad espectral

Análisis de Empuje Progresivo (“Pushover Analysis”)


Análisis de Empuje Progresivo

(“Pushover Analysis”)


Curva de capacidad de la estructura


Obtención de la ductilidad global intrínseca de la estructura


Curva de capacidad

Curva de capacidad espectral


Espectros inelásticos de ductilidad constante, CSCR-2010


Obtención del punto de desempeño

Proyecto: Edificios de Zona Franca América para compañías de alta tecnología Ubicación: Heredia

• Proveedor del Sistema Estructural Prefabricado: Productos de Concreto S.A. • Ingeniero Estructural por Productos de Concreto: Ing. Luis Diego Salas, M.Sc. • Se propone un sistema dual basado en marcos rígidos con uniones postensadas híbridas (UPH) y muros postensados híbridos (MPH).

Muros Postensados Híbridos (MPH) • Sistema económicamente viable • Es capaz de soportar altos desplazamientos laterales • Es autocompensante: regresa a su configuración inicial tras ser sometido a altos desplazamientos laterales («self‐ centering») • Bajos costos de reparación tras el evento de diseño

Montaje de las columnas prefabricadas multinivel

• Tramos de 10 m x 9 m resueltos con entrepiso de losa alveolar pretensada de 25 cm de peralte con firme o sobrelosa de 6 a 10 cm, de acuerdo al nivel.

Muros Postensados Híbridos (MPH)

Montaje de los muros MPH y las uniones UPH

Montaje de los muros MPH y las uniones UPH

Metodología de Diseño Plástico Basado en Desplazamientos (DPBD), Gutiérrez y Alpízar (2004)



MUCHAS GRACIAS !! ¿PREGUNTAS?

CONCRETO PREFABRICADO

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