Un alto porcentaje de los materiales estructurales de una edificación están relacionados con el sistema de piso, por lo que, en términos de ahorro de recursos y tiempos de construcción, es necesario contemplar el diseño del mismo. El sistema de piso puede cumplir con diversos beneficios, sin embargo, se debe trazar con el fin de que se comporte como un diafragma estructural; es decir, que aporte continuidad a todos los elementos del piso, además de poseer una rigidez y resistencia adecuadas para poder distribuir las fuerzas sísmicas entre los elementos sismorresistentes. Uno de los sistemas de piso que cumple con los requisitos anteriores es el sistema de losas postensadas coladas in situ, el cual permite una construcción rápida y una alta eficiencia en cuanto al uso de materiales estructurales. Por regla general, las edificaciones de concreto reforzado que utilizan losas postensadas, consisten de un sistema gravitacional de concreto formado por las mismas losas y columnas que equivalen a un sistema estructural rígido, el cual es formado por marcos resistentes a momento lo que aporta sismo resistencia a la edificación.

I. RIESGO SÍSMICO EN CENTROAMÉRICA

Esta zona tiene una alta sismicidad, por lo que las edificaciones están sometidas al diseño sismo resistente de sus elementos, el cual está determinado por la normatividad de cada país. Los terremotos que más han influenciado el desarrollo de las normativas centroamericanas son los devastadores sismos de Managua en 1972, con 11000 víctimas, Guatemala en 1976, con 23000 víctimas, y San Salvador en 1986, con 1500 víctimas (Barbara y La Torre, 2020).

El mal desempeño sísmico de algunas estructuras puede encontrarse en las deficiencias y lagunas existentes en los procedimientos actuales de diseño sísmico. Por un lado, el énfasis que se pone en la resistencia de la estructura, y la falta de atención a demandas que pueden ser relevantes en su desempeño sísmico, hace imposible para el diseñador considerar todos los aspectos de importancia durante su diseño sísmico (Terán, González y Arellano, 2009). Según Barbara y La Torre (2020) las deficiencias en el diseño y estructuración de los edificios que fallaron frente a las fuerzas sísmicas son las siguientes:

  • Falla de ductilidad
  • Subestimación de los efectos de torsión
  • Fallas por corte
  • Subestimación de efectos dinámicos en suelos
  • Subestimación del nivel de cargas sísmicas

Se ha observado que los niveles de daño estructural y no estructural que una edificación exhibe después de una excitación sísmica, dependen de los valores que durante la misma adquiere el desplazamiento máximo. En particular, mientras el desplazamiento lateral se incrementa, mayor es el nivel de daño o degradación esperado en la estructura y sus elementos no estructurales (Terán, González y Arellano, 2009). 

Si se requiere controlar el nivel de daño por sismo en una edificación, las propiedades estructurales que se le suministren a su sistema estructural deben ser tales que controlen su respuesta dinámica dentro de umbrales que sean congruentes con el nivel de daño o desempeño deseado para los elementos estructurales y no estructurales (Terán, González y Arellano, 2009). 

Por el riesgo sísmico, el desarrollo de las normativas y reglamentos de construcción en Centroamérica, aunque se ha dado de forma aislada, comparten las referencias a versiones específicas de normativas como el UBC, ACI y AISC. Para definir los sistemas estructurales las normas coinciden en los siguientes sistemas:

  • Muros sismoresistentes
  • Marcos resistentes a momentos
  • Marcos de Acero Arriostrado
  • Sistema Dual formado por Marcos y paredes de Corte
  • Sistemas de Péndulo Invertido

Estos sistemas tienen diferentes límites de altura para la zonificación sísmica, pero la principal diferencia radica en las derivas permisibles por sistema estructural (Barbara y La Torre, 2020).

II. EDIFICIOS ALTOS

Se considera alto a todo edificio que esté controlado por deformaciones laterales. A medida que los edificios son más altos, los materiales requeridos adicionalmente para poder controlar las deformaciones laterales son mayores respecto a los que contribuyen a la estabilidad vertical (Barbara y La Torre, 2020).

Figura 1. Peso de componentes estructurales en función de la altura.

Para edificios en altura, es común especialmente el uso de los sistemas siguientes:

  • Marcos espaciales (pórticos) de concreto reforzado o acero interactuando con paredes de corte y/o crucetas metálicas.
  • Muros de corte que absorben el 100% de cargas laterales y columnas que absorban cargas verticales. Estos muros tienen la función principal de absorber las cargas sísmicas (o cargas laterales), sin embargo, tienen grandes requerimientos de resistencia de compresión, por lo que las columnas que absorben las cargas verticales en este sistema en realidad están ayudando a las placas con una cantidad de carga vertical.
  • Muros de corte combinadas con vigas de rigidez (outriggers) para absorber la totalidad de las cargas laterales y sistemas de marcos resistiendo cargas gravitacionales. El uso de estas vigas de gran peralte es necesario para poder ejercer un control adecuado de las derivas, y su funcionalidad dependerá de la ubicación del piso en el que se encuentren.

En cuanto a los sistemas de fundición utilizados comúnmente se encuentran:

  • Pilotes de concreto reforzado fundidos in situ flotantes o apoyados en el manto rocoso.
  • Losas de fundición combinadas con vigas profundas.
  • Fundiciones utilizando losas de cimentación. Estas losas (con espesores de hasta 2 m) trabajan de buena manera en suelos con estratos que produzcan un gran asentamiento diferencial.
  • Cimentaciones poco profundas conectadas por vigas de cimentación.
  • Muros de retención con anclajes.

III. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES

Todas las estructuras son diseñadas con el fin de poseer ciertas características, estas deben garantizar cierto grado de seguridad, respaldado en los esfuerzos que puedan resistir y los comportamientos que realizarán durante la acción de las fuerzas actuantes en su periodo de vida. Para esto, se establecen ciertos parámetros tanto en la filosofía de diseño de las edificaciones, como en el análisis del modelamiento de las estructuras (Barbara y La Torre, 2020). Los procedimientos de análisis sísmico son los siguientes:

  • Análisis estático o de fuerzas estáticas equivalentes
  • Análisis dinámico modal espectral
  • Análisis dinámico tiempo historia

De estos 3 tipos de análisis, es de carácter obligatorio seguir los 2 primeros (estático y dinámico modal espectral), y se denomina al tercer tipo de análisis (tiempo historia) como un análisis de verificación, más no sustituye a cualquiera de los 2 primeros análisis correspondientes.

Por otro lado, hoy en día han incrementado su popularidad los procedimientos basados en desplazamientos para la evaluación de estructuras existentes y para el diseño sísmico de estructuras nuevas. En particular, se ha ido solidificado la idea de que el control de las demandas máximas de deformación en la estructura a través del control de su desplazamiento lateral es una manera racional y efectiva de controlar el daño estructural y no estructural (Terán, González y Arellano, 2009).  Sin embargo, es importante mencionar que este tipo de análisis, también conocido como push-over, no es una metodología de diseño, sino que solamente es un método de análisis o verificación de la estructura.

El objetivo práctico de un procedimiento basado en desplazamientos es predecir el desempeño esperado de una estructura ante movimientos sísmicos futuros. Con este propósito, el desempeño se caracteriza en términos del nivel de daño permisible en los elementos estructurales y no estructurales. Dado que el daño estructural implica comportamiento no lineal, los procedimientos de evaluación requieren técnicas de análisis no lineal para estimar la magnitud de las demandas de deformación inelástica (Terán, González y Arellano, 2009). 

Cuadro 1. Estados límite definidos en el documento FEMA-273.

Los procedimientos de evaluación basados en desplazamientos están basados en la estimación de: A) la capacidad de deformación de la estructura, y B) la demanda de desplazamiento lateral inducida por sismo. El contraste de la demanda esperada de desplazamiento con la capacidad que tiene la estructura de acomodar dicha demanda bajo la consideración de un nivel de daño aceptable define si las propiedades estructurales del sistema estructural son adecuadas (Terán, González y Arellano, 2009). 

La primera consideración importante en la evaluación por desempeño, consiste en fomentar la aparición de un mecanismo inelástico consistente a través del uso de conceptos de diseño por capacidad (Paulay 1996). La segunda consideración de importancia se centra en plantear para la estructura el uso de un detallado que estabilice su comportamiento en el intervalo inelástico. Finalmente, es necesario aportarle una combinación de propiedades estructurales (tal como su resistencia lateral y rigidez lateral) que le permitan controlar su respuesta dinámica dentro de límites congruentes con los niveles aceptables de daño estructural y no estructural.

IV. PRESFUERZO

A.              Qué es el postensado y normativas

El concreto presforzado consiste en crear esfuerzos permanentes en un elemento estructural con el fin de mejorar su capacidad de servicio y resistencia, pero sin que estos esfuerzos resultantes excedan los que la estructura es capaz de resistir. Con el efecto de la tensión del acero de presfuerzo sobre la estructura de concreto, es posible generar en este elemento estructural esfuerzos y deformaciones contrarias a las cargas de gravedad (cargas muertas y vivas).

Figura 2. Diagrama de Momentos Flectores.

Para cada los 3 tipos de viga, el momento flector generado por la carga distribuida de gravedad W es el mismo, veremos la diferencia en los momentos flectores originados por la tensión del cable de presfuerzo:

  • Viga I: el cable de presfuerzo es tensado en el eje de la viga, originando una fuerza axial pero no un momento flector en la viga, por lo que el efecto de contra flecha del cable es nulo.
  • Viga II: el cable de esfuerzo es tensado a una distancia e del eje central de la viga, originándose un momento flector por la excentricidad del cable. En este tipo de viga el momento flector generador por la tensión del cable de presfuerzo es mayor en los extremos al momento flector generado por la carga distribuida, no generando el balance esperado por el cable.
  • Viga III: vemos que el tipo de esfuerzo generado por el cable de presforzado es el que se busca en los elementos postensados. El cable es tensado desde el eje central de la viga, pero con una excentricidad que va incrementando hasta llegar a un punto máximo en el centro de la viga. Este esfuerzo genera unos momentos flectores opuestos a los generados por las cargas de gravedad, teniendo como resultante un Diagrama de Momento Flector final con valores cercanos al 0.

Actualmente, existen dos métodos conocidos que se utilizan para tensar al concreto, el primero es conocido como el pretensado. Este método consiste en tensar el acero antes de realizar el vaciado del concreto, una vez que se haya vaciado el concreto sobre los cables de acero y este logre llegar a una resistencia específica, el acero es cortado en los extremos causando que el concreto se comprima. Por lo general, este método se emplea en plantas de fabricación y es utilizado en elementos específicos, los cuales después de ser fabricados tienen que transportarse al lugar necesitado. El segundo método de tensado es el postensado, este método consiste en armar los cables de acero como cualquier otro elemento sobre el encofrado y anclarlos a los extremos del elemento. Una vez que se haya vaciado el concreto y este logre llegar a una resistencia específica, se tensan los cables de acero.

A su vez existen dos tipos de elementos postensados:

  • Sistema no adherido de postensado. Este sistema, como su nombre lo dice, trabaja con tendones que no se adhieren al concreto que lo rodea, estos están cubiertos con una grasa inhibidora de corrosión y son protegidos con una capa de plástico para evitar la posibilidad de que entre agua y afecte al cable. El proceso constructivo de este sistema es el siguiente: Primero se coloca se hace el armado de los tendones en el elemento y al mismo tiempo se colocan los anclajes al final del encofrado para alistar el tensado. El segundo paso es vaciar el concreto en el elemento, una vez que este llegue a una resistencia especifica se retira el encofrado de los costados y se coloca unos tarugos especiales en los extremos para poder tensar los cables de acero y finalmente se cortan los pedazos de cable sobrantes y se rellena el hueco con concreto
  • Sistema adherido de postensado. En este sistema, los tendones de postensado son insertados en ductos, estos pueden ser redondos o rectangulares hechos a base de plástico o metal. Una vez que se haya realizado el armado de los cables como lo determinan los planos, se procede a vaciar el concreto y esperar hasta que llegue a una resistencia adecuada para continuar a tensar los cables. Finalmente, una vez tensados los cables, se llenan los ductos con lechada de cemento desde el punto más alto al más bajo para asegurarse que se llene todo el ducto y se adhiera el elemento a los tendones.

Las losas postensadas en dos direcciones son uno de los tipos de losas más usados en los Estados Unidos. El sistema más común de losas postensadas en EE.UU. viene a ser el sistema con tendones no adheridos. El sistema de losas postensadas con tendones adheridos no suele usarse en el país norteamericano, pero si en el resto del mundo. Como, por ejemplo, actualmente en el Perú el uso del sistema postensado suele ser con tendones adheridos ya que, se tiene la idea de que estos se comportan de mejor manera ante una falla inoportuna del cable.

Por su parte, ACI 318-14 contempla requerimientos mínimos para el refuerzo no adherido para la distribución de grietas y ductilidad en zonas con momentos negativos de gran magnitud que por lo general son áreas cercanas a las columnas. Sin embargo, no contempla requerimientos mínimos para el refuerzo adherido. Sin embargo, en el Código Europeo (EC2) sí existe un requerimiento mínimo para el refuerzo adherido, donde el esfuerzo de flexión a la tracción excede el módulo de ruptura del concreto. Este límite mínimo dentro del código europeo está en función de la resistencia a la fluencia, la separación de la armadura y el módulo de rotura del concreto. Según el EC2 los requerimientos mínimos para el refuerzo adherido son similares a los del ACI 318-14 para refuerzos no adheridos en losas de dos direcciones.

B.           Uso de las losas postensadas en edificaciones

Un alto porcentaje de los materiales estructurales de una edificación están relacionados con el sistema de piso, por lo que en términos de ahorro de recursos y tiempos de construcción es necesario contemplar el diseño de este sistema. Un sistema de piso puede cumplir con estos beneficios, sin embargo, se debe diseñar para que se comporte como un diafragma estructural, es decir, que aporte continuidad a todos los elementos del piso, además de poseer una rigidez y resistencia adecuadas para poder distribuir las fuerzas sísmicas entre los elementos sismorresistentes. Un sistema de piso que cumple con lo antes mencionado lo componen las losas postensadas coladas in situ, estas permiten una construcción rápida y una alta eficiencia en cuanto al uso de materiales estructurales. Por lo general, las edificaciones de concreto reforzado que utilizan losas postensadas consisten de un sistema gravitacional de concreto formado por las mismas losas y columnas complementado por un sistema estructural rígido formado por marcos resistentes a momento, los cuales aportan sismo resistencia a la edificación.

Dentro de las ventajas que se encuentran en el uso de las losas postensadas se encuentran:

  • Grandes luces: esta es una de las ventajas que más se aprovecha al hacer uso de losas postensadas, la luz libre entre columnas puede aumentar hasta los 25 metros reduciendo el uso de columnas, el número de cimientos y maximizando la cantidad de espacio disponible por piso.
  • Menores espesores de losa: se reduce el peso muerto de la estructura en cada piso, reduciendo el peso total que reciben los cimientos y finalmente minimiza la altura total de la estructura, haciendo posible que se pueda conseguir más pisos en una misma altura comparado con una construcción con losas tradicionales.
  • Deflexiones y Agrietamiento: Las deflexiones son reducidas notablemente con el uso del postensado ya que se generan contra flechas en las losas especialmente cuando estas son de luces largas. Adicionalmente, al controlar las deflexiones y el agrietamiento, se reduce notablemente la posibilidad de corrosión del acero y el deterioro del concreto.

Debe tomarse en cuenta que el mayor aprovechamiento de las ventajas que otorga el uso de las losas postensadas en una edificación va de la mano del sistema estructural y del criterio que el diseñador estructural presente para el diseño de la estructura. Dentro de los sistemas estructurales comúnmente usados en edificaciones altas se presentan los siguientes:

  • Sistema de marcos especiales a momentos. También llamado sistema aporticado, es aquel que está compuesto por columnas, vigas y losas. Las columnas y vigas se unen a través de nudos formando marcos en ambas direcciones (x e y) los cuales, en este sistema, son los que principalmente soportan las cargas gravitacionales y las fuerzas sísmicas. La principal ventaja de usar este tipo de sistema constructivo es que la distribución de espacios no se ve afectada por muros de corte que no pueden ser modificados, los muros de tabiquería pueden ser puestos al gusto del cliente o de alguna manera para poder ahorrar espacios en el entrepiso. Una de las desventajas más notorias que tiene este sistema a comparación de los otros es que presenta una baja rigidez ante cargas laterales y los procesos para la colocación de tuberías requieren más tiempo de ejecución. Al ser un sistema con poca rigidez, es necesario colocar una mayor cantidad de divisiones, disminuyendo las luces máximas entre columnas.
  • Sistema dual con muros perimetrales. El sistema dual es un sistema mixto que contiene marcos reforzados con muros de concreto armado. La resistencia y rigidez a las fuerzas laterales es notablemente mayor al sistema de marcos simples, lo cual resulta de gran ayuda para poder resistir fuerzas sísmicas y disminuir las derivas de la estructura en general. Este sistema puede tener la misma ventaja que el sistema aporticado en cuanto a la distribución de ambientes siempre y cuando los muros portantes sean ubicados estratégicamente.
  • Sistema dual con núcleos rígidos centrales. Este tipo de sistema, por lo general, se usa en edificaciones de gran altura donde hay presencia de oficinas, debido a que este sistema permite espacios amplios entre los núcleos de concreto armado y los marcos. Los núcleos, por lo general, son los que rodean las cajas de ascensores y escaleras de la estructura.

En México, por ejemplo, se está empleando el sistema de losas postensadas aligeradas en combinación con estructuras sismorresistente exterior conocido como sistema dual, donde el sistema sismorresistente es capaz de tomar el 100% de la carga lateral y la losa plana solo debe ser capaz de seguir al sistema sismorresistente, es decir en el análisis se desprecia su contribución a la resistencia lateral y sólo se considera como un diafragma rígido que ayuda a distribuir los desplazamientos laterales. Las losas que se emplean en México son en su mayoría aligeradas, sin embargo, debido a que la presencia del postensado contribuye a resistir fuerzas cortantes, es común que los edificios de este tipo no cuenten con una zona maciza de acuerdo con la normativa mexicana. De hecho, en casos extremos no cuenta con ninguna zona maciza. Además, que, de acuerdo con la práctica de algunos estructurales, suele colocarse el 100% del presfuerzo en una dirección propiciando una dirección fuerte en el edificio y una débil (Solano, 2014).

En la investigación experimental llevada a cabo por Solano (2014) y en investigaciones previas (Arellano, 2010) se estudió el comportamiento del sistema losa plana postensada aligerada –columna, para determinar   el   comportamiento   que   éste   es   capaz   de   desarrollar   ante   cargas gravitacionales y sísmicas.  De lo observado en la investigación experimental descrita en la presente tesis, se hacen las siguientes conclusiones:

  1. Los especímenes ensayados presentaron, en términos generales, un comportamiento dúctil, más allá de lo que actualmente supone la normativa aplicable a su diseño, el cual fija para las distorsiones laterales un valor de 0.006. Se registraron distorsiones laterales de entre 0.025 y 0.030 cercanos a la falla, lo que permite suponer que estos sistemas pudieran ser diseñados bajo límites de distorsión lateral más allá de ese valor de 0.006. Sin embargo, es importante mencionar que el concepto de estructura dual debe seguirse aplicando, por lo que la construcción de las losas postensadas implicará la implementación de un sistema sismo resistente primario que sea capaz de soportar la totalidad de las cargas laterales de sismo, dejando a los entrepisos de losa la función de soportar la carga gravitacional a la par de desplazarse junto con el sistema primario durante la ocurrencia de un sismo.

  1. Los especímenes presentaron una estabilidad en la degradación de la rigidez, aun incursionando en distorsiones laterales elevadas.  Con lo anterior, se puede suponer que este tipo de estructuras son capaces de deformarse bajo una solicitación sísmica conservando su capacidad de carga.

CONCLUSIÓN

La utilización de losas postensadas dentro de estos sistemas estructurales, tiene como objetivo ganar altura de entrepiso, de manera que se pueda obtener una mayor cantidad de niveles para una misma altura; tener una reducción considerable en el peso de la edificación; utilizar luces libres de elementos estructurales que permitan una arquitectura más flexible; y, obtener derivas que cumplan con lo estipulado por las normas sismorresistente. Además, el uso de los cables de postensado disminuye en gran medida las cantidades de acero requerido, sobre todo en las secciones de momento positivo, las cuales son las de las mayores deflexiones.

Si bien la losa postensada no tiene como objetivo resistir únicamente las cargas laterales, es un elemento que aporta continuidad a todos los elementos del piso, además de poseer una rigidez y resistencia adecuadas para poder distribuir las fuerzas sísmicas entre los elementos sismorresistentes. Además, es capaz de deformarse junto con la estructura bajo una solicitación sísmica conservando su capacidad de carga. Por lo tanto, se puede concluir que el uso de losas postensadas es ventajoso en áreas de alta demanda sísmica.

BIBLIOGRAFÍA

  • Arellano Méndez, E. (2010). “Cortante por penetración y transferencia de momentos en losas   postensadas   encasetonadas”, Reporte   septiembre   2010, Departamento   de Materiales, Área de estructuras, Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco, México Distrito Federal.
  • Barba Medina, D.; La Torre Orozco, J. (agosto 2020). Diseño estructural de un edificio de 40 pisos en el suelo rígido de Lima haciendo uso de losas postensadas. Extraído de: http://doi.org/10.19083/tesis/652574
  • Solano Salcedo, J. (noviembre 2014). Comportamiento de losas planas postensadas aligeradas. Extraído de: https://core.ac.uk/reader/286341840
  • Terán Gilmore, A.; González Cuevas, O.; Arellano Méndez, E. (diciembre 2009). Determinación de las características mecánicas de edificaciones sismorresistentes con losas postensadas. Extraído de: http://materiales.azc.uam.mx

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *