Sustitución de cerchas de acero por pórticos de pilares y vigas

Estimados, en esta oportunidad republicamos un artículo del Blog e-Struct, encontrado en: https://e-struc.com/2017/10/17/sustitucion-una-cercha-acero-porticos-pilares-vigas/ , que como siempre esperamos sea de interés para Uds.

Cómo ejecutar la sustitución de cerchas de acero por pórticos

 Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

En este artículo explicaremos el procedimiento y el orden de ejecución de un cambio estructural en altura paso a paso, de la eliminación de cerchas para colocar pórticos de acero en séis plantas de un edificio.

Edificio original

Un edificio de nueve plantas se reformó en los años 80 con una estructura de acero. Uno de los pórticos, a partir de la planta baja, se resolvía con pilares y cerchas de 11 m de longitud. Las cerchas se situaban cada dos plantas de modo que llevaban un forjado en cada cordón. En el inferior apoyado el forjado de la planta más baja, y en el superior el de la siguiente.

Cada dos plantas era obligatorio ocultar la cercha, por lo que se embutía en un tabique. Plantas alternas quedaban, con este sistema, diáfanas. En la imagen una de las plantas diáfanas.

Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

La adaptación a un nuevo uso preveía eliminar dichos tabiques, de manera que habían de ser sustituidas las cerchas. En la imagen, estructura sin revestimientos.

Sustitución de cerchas de acero por pórticos de pilares y vigas

El programa de arquitectura permitía conservar la última cercha, la de la planta más alta, entre la sexta y la cubierta.

Solución estructural

Los forjados estaban en buenas condiciones, aunque era necesario reforzarlos. Desmontar los forjados es una tarea costosa y compleja, por lo que se buscó una forma de eliminar solo las diagonales de las cerchas. La solución propuesta es suplementar los cordones de las mismas para hacerlos trabajar como vigas.

En la planta baja existían dos pilares, a media distancia, por lo que se planteó continuar en todas las plantas dichos pilares. Así, se proyecta repetir el pórtico de la planta sótano en todas las demás, incorporando dos nuevos pilares intermedios en toda la altura del edificio.

Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

Los refuerzos consistirán en colocar, por la cara inferior del cordón, los perfiles correspondientes. Éstos serán dos UPN 160 en los cordones superiores y un IPE 330 en los cordones inferiores. Aunque la carga final será la misma, sobre los inferiores se apoyará el forjado superior provisionalmente durante el apeo. Esta es la razón de que no sean iguales los refuerzos en plantas alternas.

Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

Los apoyos intermedios están separados 5 metros entre sí y 2,85 de los pilares que sujetan la cercha. Luces relativamente pequeñas para resolver la nueva estructura de refuerzo. Los pilares de planta baja son de hormigón, sin embargo los nuevos serán de acero. Las dimensiones y la puesta en obra son los factores que determinan esta decisión.

La nueva estructura apoyará sobre la cimentación y los pilares de hormigón, por lo que:

a) Comprobada la capacidad, los pilares de la planta semisótano se han de reforzar, para prolongarlos hacia arriba en todas las plantas.

El refuerzo consiste en la colocación de cuatro perfiles angulares en las esquinas, cosidos mediante chapas de acero en toda la altura de la pieza de hormigón. Los angulares se tomarán con mortero sin retracción, para asegurar el contacto.

Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

b) La cimentación original tampoco es suficiente. La zapata para un pilar de una planta no está preparada para cimentar siete plantas más.

Por lo tanto, a los refuerzos de los cordones y los nuevos pilares se añade el recalce de las zapatas de los pilares que existen originalmente solo en la planta semisótano.

Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

Puesta en obra

En los apartados previos hemos visto las actuaciones necesarias en la sustitución de cerchas de acero por pórticos de pilares y vigas para plantas alternas. Para la ejecución de la obra se procurará que la actuación sea lo más sistemática posible y que no se altere el comportamiento estructural y que la estructura esté preparada para las sobrecargas durante el proceso.

Se establecerá el siguiente procedimiento de ejecución:

  1. Recalce de las zapatas de los pilares existentes.

  2. Refuerzo de los pilares existentes.

  3. Refuerzo del cordón inferior de la cercha a la altura de la planta baja

    Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

  4. Colocación de los nuevos pilares hasta la planta baja.

  5. Apeo del forjado de planta primera sobre planta baja

    Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

    Puesta en obra del apeoSustitución de cerchas de acero por pórticos de pilares y vigas

  6. Demolición de las diagonales de la cercha

    Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

  7. Refuerzo del cordón superior de la primera cercha en planta primera

  8. Levantado de los pilares hasta la planta primera

  9. Retirada de los apeos de la planta primera

Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

Con estos pasos se completa la sustitución de cerchas de acero por pórticos de pilares y vigas. Repetir los pasos anteriores en todas las plantas, salvo en la última es la totalidad de la intervención.

Finalmente la estructura de la planta queda como en el esquema e imagen:

Sustitución de una cercha de acero por un pórtico de pilares y vigas

Se ha logrado eliminar por completo las cerchas sin necesidad de demoler los forjados. Además la estructura inicial forma parte de la estructura final. El aprovechamiento de los elementos estructurales originales contribuye a la eficiencia en construcción. La estructura no se demuele, y no es necesario más acero que el imprescindible para dar la capacidad requerida, mediante el suplemento de la original. Mantener estructuras inactivas en una rehabilitación no es recomendable, pero sí reforzar forjados, vigas o cimentaciones. Estos refuerzos pueden construirse tanto con el propio material como con la generación de estructuras mixtas, combinando acero con madera, hormigón y acero o madera y hormigón, como hemos visto en otros artículos de este blog.

Aisladores y disipadores sísmicos

Estimados, en esta oportunidad republicamos un artículo del Ing. José Antonio Agudelo Zapata, del Blog Estructurando, encontrado en: http://estructurando.net/2014/10/14/aisladores-y-disipadores-sismicos/, que como siempre esperamos sea de interés para Uds.

Aisladores y disipadores sísmicos

En este post veremos dos tipos de sistemas que permiten mejorar la respuesta sísmica de las estructura: los Aisladores y los Disipadores sísmicos. Podréis ver como actúan en unos vídeos muy ilustrativos.

ayd

 

Estos sistemas se colocan entre la subestructura y la superestructura de edificios, puentes y también en algunos casos, en la misma superestructura de edificios, y permiten mejorar la respuesta sísmica aumentando los periodos y proporcionando amortiguamiento y absorción de energía adicional, reduciendo sus deformaciones según sea el caso.

Sin embargo, desde el punto de vista estructural, ambos sistema trabajan de forma muy diferente. Veamos las diferencias:

Los aisladores sísmicos consiguen desacoplar la estructura del terreno colocándose estratégicamente en partes especificas de la estructura, los cuales, en un evento sísmico, proveen a la estructura la suficiente flexibilidad para diferenciar la mayor cantidad posible el periodo natural de la estructura con el periodo natural del sismo, evitando que se produzca resonancia, lo cual podría provocar daños severos o el colapso de la estructura.

aislador

Es decir, la idea es separar una estructura de los movimientos del suelo mediante la introducción de elementos flexibles entre la estructura y su cimentación. Los aisladores reducen notablemente la rigidez del sistema estructural, haciendo que el periodo fundamental de la estructura aislada sea mucho mayor que el de la misma estructura con base fija. Como una imagen vale mas que mil palabras, os pongo un vídeo donde se puede ver la diferencia entre una estructura sin aislador y otra con aislador.

Los disipadores sísmicos tienen como función disipar las acumulaciones de energía asegurándose que otros elementos de la estructuras no sean sobresolicitados, evitando daños a la estructura. Es decir, los disipadores sísmicos ofrecen un incremento de la amortiguación a la estructura.

disipador
En el siguiente vídeo podemos ver como se comporta una estructura con y sin disipadores sísmicos:

Los japoneses usan estos sistemas en sus edificios con regularidad. En el siguiente vídeo se puede observar como se mueven unos rascacielos de Japón con estos sistemas sísmicos, sin sufrir daños, durante el terremoto de marzo de 2011:

En futuros post os pondré unas pinceladas de cómo se calculan las estructuras con estos sistemas. Pero ya podéis imaginaros que estas estructuras no son lineales por lo que no se puede realizar un cálculo espectral y por tanto hay que recurrir a acelerogramas sintéticos. En el post anterior (Descárgate un programa para generar Acelerómetros Sintéticos. Otra forma de calcular una estructura ante el sismo) os expliqué como generar estos acelerómetros. Os recomiendo que leáis ese post.

Espero que os haya gustado.

Otro de nuestros Servicios: CÁLCULO de PUENTES GRÚAS y VIGAS CARRILERAS

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Losas Combinadas con Pilotes: Economizando la cimentación.

Estimados, en esta oportunidad republicamos un artículo del Ing. José Antonio Agudelo Zapata, del Blog Estructurando, encontrado en: http://estructurando.net/2012/07/03/losas-combinadas-con-pilotes-economizando-la-cimentacion/, que como siempre esperamos sea de interés para Uds.

Una de las pocas cosas “buenas” que tiene la crisis (seamos positivos) es que nos obliga a esforzarnos a buscar nuevos métodos y caminos para hacer las cosas de la mejor manera y, sobre todo, de la manera mas económica. Si la labor del ingeniero es hacer lo que cualquier otro puede hacer pero que además funcione, sea seguro e infinitamente mas barato, eso quiere decir que la “crisis” nos obliga a ser “mejores ingenieros”.

Es por ello que os presento las “Losas Combinadas con Pilotes” ó LCP (“Kombinierte Pfahl-Platten Gründung”, KPP en alemán, “Piled Raft Foundation” en inglés ó Losas de Fundación Combinadas con Pilotes, LFCP, en Latinoamérica) que es un tipo de cimentación que, aunque ya se usan en centro Europa desde los años setenta, en España su uso es casi nulo. Es más, cuando hace 4 años tuve la suerte de calcular una en un edificio en Motril (Granada) no conseguí ninguna referencia de ninguna obra anterior en España y creo que desde entonces solo se ha utilizado para la cimentación de un estribo de un pequeño puente en la provincia de Granada (que yo tenga constancia claro).

 

Imagen 1.

¿En qué consiste una LCP? En general, es usual ir a losas cuando el terreno tiene una suficiente consistencia y no es de esperar grandes asientos. En el caso contrario (grandes asientos esperables), se recurre a encepados de pilotes. Con el primer sistema (ver imagen 1.a) conferimos la transmisión de las cargas totalmente a la losa y con el segundo (ver imagen 1.b) la conferimos totalmente a los pilotes despreciando lo que pueda contribuir el encepado. Pues bien, una LCP (ver imagen 1.c) es una cimentación que está en el punto intermedio entre losa y encepado de pilotes, consiguiendo minorar en gran medida tanto los asientos esperables si se hubiera elegido una cimentación losa, como el coste de hacer un encepado plagado de pilotes. Es decir, funciona, es seguro y es mucho más barato ¿Por qué no usarlo?

Básicamente, con el uso de LCP, se logra que una parte de la carga de la estructura (y no toda) sea traspasada a mayores profundidades. Esto hace, por lo tanto, que las LCP sean particularmente efectivas cuando la calidad del suelo, como es lo típico, mejora con la profundidad.

Una LCP se caracteriza por el coeficiente αKPP, que representa la relación entre la carga que toman los pilotes y la carga total de la cimentación:

fkkp-300x147

Este coeficiente puede tomar valores entre 0 y 1. En caso de que αKPP = 1, se trata de un encepado con pilotes; para αKPP = 0 se trata de una cimentación directa (losa en este caso). La experiencia muestra que para obtener una reducción efectiva de los asientos el valor αKPP debe ubicarse cerca de 0,6.

El problema con este tipo de cimentaciones radica en la modelación de la interacción entre los elementos portantes losa y pilotes, lo cual es necesario para el diseño. Si ya con encepados tenemos que tener en cuenta la interacción entre pilotes (efecto grupo) ahora tenemos unas cuantas más interacciones; concretamente:  Mientras que para el diseño de un encepado de pilotes, basta con adoptar un modelo de la capacidad de carga de los pilotes despreciando el encepado del lado de la seguridad, para las LCP se hace necesario conocer con mucha mayor precisión las características de la relación carga-deformación de los pilotes, dado que el comportamiento del conjunto depende fuertemente de éstos. Por ejemplo, pilotes muy rígidos podrían producir punzonamiento de la losa (la losa en este caso es de menor espesor que el encepado para conferir al sistema de flexibilidad), mientras que pilotes muy poco rígidos llevarían a asientos diferenciales importantes. El cálculo se dificulta por el hecho que además de la influencia recíproca entre la losa y los pilotes, existen interacciones de grupo entre los pilotes, entre pilotes y suelo y además entre losa y suelo, las cuales también deben ser consideradas en el diseño. Esto hace que el cálculo de las LCP sea un problema complejo, que por lo general sólo puede ser resuelto mediante métodos numéricos bajo la suposición de una ley de comportamiento del suelo no-lineal.

Esto exige un gran esfuerzo de proyecto y cálculo, así como la ejecución pruebas de carga de pilotes, mediciones geotécnicas para la observación del comportamiento del edificio y para la verificación de los cálculos realizados…etc, pero la reducción del coste de la cimentación puede merecer la pena.

De manera aproximada, sin tener que recurrir a modelos de elementos finitos de comportamiento no-lineal, se puede obtener un encaje de este tipo de cimentación de la siguiente manera:

Se puede modelizar la losa de manera tradicional con resortes lineales según el coeficiente de balasto del terreno y dimensiones de la losa (formulaciones de Terzaghi, de Vesic, Vogt…) y modelizar el pilote como un único resorte individual lineal con rigidez vertical Kv.

Para evaluar la rigidez vertical del pilote individual podemos usar, por ejemplo, la formulación propuesta por la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera del Ministerio de Fomento:

f2lcp-1024x598

Pero este modelo lineal propuesto no tiene en cuenta todas las interacciones que hemos explicado antes ni la no linealidad del terreno, por lo que le hace falta una cosa: que unos alemanes simpáticos y de nombre casi impronunciable realicen estudios con modelos no lineales a base de curvas tensión-deformación de pilotes reales y nos ofrezcan coeficientes de modificación del valor Kv para poder tener en cuenta dichas interacciones  y no lienalidades. Concretamente en “Katzenbach, R. et al.: Análisis del comportamiento estructural de LCP Pfahlsymposium; Braunschweig 1999” se nos ofrece un coeficiente ξ con el que modificar Kv de la forma:

KvLCP = Kv · ξ

Y este ξ viene en función de la longitud de los pilotes “L”, su diámetro “D”, la distancian entre ellos “e” y su posición relativa dentro de la losa:

reduccp

 

Como ya digo, este método aproximado solo sirve para hacer un encaje preliminar pero si hacéis números os asombrareis de la reducción del coste económico de la cimentación. Concretamente, en el caso que tuve la suerte de calcular, obtuvimos una reducción del 55% sobre el coste de la cimentación si la elección hubiera sido de encepado de pilotes y conseguimos reducir los asientos máximos teóricos en torno al 45% de los esperados si hubiéramos construido una cimentación directa tipo losa.

Para el que quiera saber más sobre el tema, comentar que existe una “Guía para el diseño, análisis y la construcción de las losas combinadas con pilotes, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2000” donde se describe exhaustivamente este tipo de cimentación.

Desde aquí, mi llamamiento a que aprovechemos esta “crisis” para desarrollarnos más como ingenieros, como por ejemplo, en la búsqueda de la optimización de lo que ya conocemos.

FUENTES:

-Concepción y diseño: Losas de fundación combinadas con pilotes. Aldo Guzmán G.et all.

-Guía para el diseño, análisis y la construcción de las losas combinadas con pilotes, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2000

Espero que haya gustado.

Ing. José Antonio Agudelo Zapata

Edificio Av. Corrientes 5600 – C.A.B.A 1ra Etapa: SUBMURACIÓN y FUNDACIONES

Estimados, en esta oportunidad queremos compartir algunas imágenes de una obra en la que realizamos el Proyecto y Cálculo Estructural de Hormigón Armado.

Quedamos a su disposición ante cualquier consulta.

Saludos!