DISEÑO Y CÁLCULO DE ESTRUCTURAS PREFABRICADAS DE HORMIGÓN. CASO DE ESTUDIO EL TÚNEL FALSO

Diseño y cálculo de estructuras prefabricadas de hormigón. Caso de estudio: el túnel falso Jaume Armengou, 2016 Dr.. Ingeniero Dr Ingeniero de Caminos, Caminos, Canales y Puertos Vicer Vi cerrec rector tor de Orden Ordenaci ación ón Aca Académ démica ica y Profes Profesora orado do Universitat Internacional de Catalunya

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Prefabricados de hormigón: introducción Edificación industrial Obra civil  Aspectos técnicos Conclusión

… una excepción: vivienda industrializada.

Origen de la documentación: PRECON (Prefabricaciones y Contratas, S.A.U., Grupo Cementos Molins. Ingeniero Cristóbal Baliña)

1. Introducción Las estructuras de hormigón prefabricadas se diferencian fundamentalmente de las estructuras hormigonadas o ejecutadas “in -situ” por las uniones entre los diferentes elementos estructurales y su colocación o puesta en obra. 

Las principales ventajas que se derivan de la utilización de este tipo de estructuras, es decir de la industrialización en la producción de los elementos prefabricados son: 

• Utilización de materiales de calidad. • Control en la producción en planta. • Mejores condiciones de trabajo, que conlleva una mejor calidad de ejecución. • Estandarización de los elementos y control de costes. • Reducción de plazos.

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Estas ventajas tendrían en contraposición: • La necesidad de transportar y ensamblar las piezas en obra. • La ejecución de nudos en condiciones relativamente peores a las de fábrica y utilizando materiales de menor calidad. • El menor conocimiento generalizado de las soluciones a adoptar.

En esta exposición se intentarán introducir someramente diversas soluciones que actualmente se utilizan en el prefabricado.

Precast concrete structures

Precast concrete structures

2. Edificación Industrial

2.1. Naves Industriales. La tipología de la nave industrial es sumamente diversa en cuanto a luces y alturas se refiere. Además los requerimientos funcionales de la misma puede exigir diferentes distancias entre pilares, así como la necesidad de puentes grúa u otras instalaciones que dan una diversidad importante de cargas a aplicar. No obstante, es el tipo de estructura donde la estandarización de piezas es más evidente y donde las uniones están más predeterminadas. La utilización del pretensado en las vigas de cubierta ha permitido alcanzar luces y ámbitos de carga muy grandes. En la actualidad se ofrecen soluciones para naves con cubiertas en viga peraltada alcanzando los 45 m de luz máxima y cubiertas planas con vigas de sección rectangular o sección doble T, llegando estas últimas a 30 m de luz. Además existen otras soluciones como son el pórtico industrial y los pórticos agrícolas, más limitadas en luces e interejes pero permitiendo alturas libres interiores mayores.

 A continuación se muestra una relación gráfica de obras de naves industriales:

SOCIEDAD COOPERATIVA AGROPECUARIA DE HERRERA, HERRERA. SEVILLA.

INDUSTRIAS ESPEJO. LUCENA. CÓRDOBA.

NAVES ADOSADAS EN GÁDOR. ALMERÍA.

TRANSPORTES AZKAR. ALCALÁ DE GUADAIRA. SEVILLA.

2.2. Forjados. Las superficies para forjados se resuelven en la inmensa mayoría de los casos mediante placas alveolares, para las que se dispone gran variabilidad de cantos.

Se utilizan fundamentalmente combinadas con vigas pretensadas, alcanzando el conjunto importantes niveles de luces y cargas. Las vigas utilizadas son siempre vigas de cuelgue sobre las que se apoyan las alveoplacas y sobre las que se hormigona “in-situ” la capa de compresión, completando además la sección de la viga. Esto permite realizar los cálculos en continuidad para las placas, y continuidad en las vigas dependiendo si se utiliza como solución el nudo húmedo (continuidad) o el apoyo simple (biapoyada).

Los aceros para momentos flectores negativos tanto de placas como de vigas, si se calculan en continuidad, son elementos que se colocan en obra, antes del hormigonado “in-situ”. Hay que resolver dilemas entre estandarización y soluciones particulares (huecos, detalles arquitectónicos, etc.)

BODY FACTORY. ZONA FRANCA, CÁDIZ.

NAVE CON FORJADO PARA ELECTROSTOCKS. PELIGROS. GRANADA.

URENDE. MARBELLA. MÁLAGA.

2.3. Cerramientos. La ejecución de fachadas mediante paneles de cerramiento de hormigón prefabricado es una solución bastante extendida en la construcción de edificios singulares (centros comerciales, estadios de fútbol, centros de convenciones) y algo menos extendido, aunque se está desarrollando, en edificación para viviendas. La amplia gama de acabados y geometrías les confiere una alta versatilidad en el diseño, pudiendo elegir entre colores (gris, blanco o coloreado), espesores (12, 16 ó 20 cm), con o sin aligeramiento (porexpan) y acabados superficiales (liso, árido lavado o chorreado, bajorrelieve con fondo de goma). La estandarización (geometrías, acabados, anclajes, modularidad, etc.) da precios competitivos.

Se diseñan principalmente como complemento a las estructuras prefabricadas.  A continuación se muestra una relación gráfica de obras de cerramientos de hormigón prefabricado:

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS. EDIFICIOS PARA LABORATORIOS. ISLA DE LA CARTUJA. SEVILLA.

EDIFICIO NAVINCO. MÁLAGA.

EDIFICIO DIARIO SUR. MÁLAGA.

CAMPUS ASUNCIÓN, UNIVERSIDAD DE CÁDIZ, JEREZ DE LA FRONTERA.

2.4. Edificios Industriales y Centros Comerciales. Estos edificios se pueden concebir como la combinación de los elementos anteriormente descritos. En ellos se mezclan las soluciones vistas para las naves industriales, los forjados y los cerramientos prefabricados. En estos tipos de edificios prima el tiempo de ejecución. Debido a los elevados ingresos que pueden proporcionar y la cantidad de instalaciones posteriores que llevan, la pronta ejecución de la estructura se convierte en requisito casi indispensable, por ello la solución prefabricada se ha convertido en una de las más requeridas para este tipo de estructuras. La utilización de elementos pretensados, vigas y placas alveolares, permite ofrecer soluciones de grandes luces y cargas configurando edificios muy diáfanos y funcionales.  A continuación se muestra una relación gráfica de importantes obras de este tipo:

EDIFICIO KINEPOLIS. PULIANAS (GRANADA).

CONCESIONARIO TOYOTA. TORINO MOTOR. MÁLAGA.

EDIFICIO INDUSTRIA CONSERVERA. CONSERVAS UBAGO. LA LINEA DE LA CONCEPCIÓN (CÁDIZ).

ISOFOTON. PTA, MÁLAGA.

CENTRO MEDIA MARKT. PULIANAS (GRANADA).

PARQUE JOYERO. CÓRDOBA.

2.5. Instalaciones deportivas y de ocio. Las estructuras para campos de fútbol, plazas de toros, graderíos de cines,..., se ejecutan con elementos específicos: - Vigas inclinadas o zancas, con o sin peldañeado y apoyadas o resueltas con nudo húmedo. - Gradas, piezas en forma de L que configuran el graderío. Los pilares son similares a los utilizados en cualquier otro tipo de obra de prefabricados. Estas estructuras pueden configurar en sí toda la obra o estar combinadas con otras como forjados, naves. Además puede llegar a resolverse en prefabricado la visera o cubierta volada.  A continuación se muestra una relación gráfica de obras con graderío:

GRADAS. ESTADIO DE LA ROSALEDA. MÁLAGA.

CAMPO DE FUTBOL NUEVO COLOMBINO. HUELVA.

PALACIO DE LOS DEPORTES MARTIN CARPENA. MÁLAGA.

2.6. Cementerios. Conforme a las necesidades planteadas por los distintos Organismos Municipales de solucionar las unidades de enterramiento, existen elementos prefabricados de hormigón armado, con los que puede lograrse un reducido plazo de ejecución. Tales soluciones permiten resolver con rapidez la necesidad planteada. El prefabricado da homogeneidad de calidad y admite un desarrollo modular. Los prefabricados funerarios (nichos, osarios, tumbas, fosas y panteones) se pueden producir para stock. El diseño de los nichos que se muestran es una patente de PRECON.  A continuación se muestra una relación gráfica de obras con elementos funerarios:

CEMENTERIO DE ARCOS DE LA FRONTERA. CÁDIZ.

CEMENTERIO DE MÁLAGA.

EDIFICIO DE NICHOS.

3. Obra civil

3.1. Tableros de Puente. - Vigas Doble T: Via ferrea Loja-Tocón, vigas doble T sobre dinteles prefabricados.

- Vigas Artesa: Autovía Jerez-Los Barrios.

- Puentes-Losa.

3.2. Pasos Inferiores. - Marcos.

- Galerías Biarticuladas: Detalle de catálogo

- Galerías Triarticuladas: Falso Túnel en Algar (Cádiz).

Falso Túnel Doble, en Autovía Jerez-Los Barrios (Cádiz).

DrenajeTransversal en Autovía A7 Cartagena-Vera (Murcia y Almería).

3.3. Muros. - Muros Nervados.

- Escamas de Tierra Reforzada: Paso elevado sobre FFCC, Granada.

- Muros con sección “L”.

3.3. Obras Hidráulicas. - Acequias: Comunidad de Regantes Canal de Orellana (Badajoz).

- Canales.

4. Aspectos técnicos

4.1. Nave Industrial: Cálculo, Soluciones y Uniones. Como se vio anteriormente la nave industrial tiene una amplia posibilidad de diseño, en cuanto a luces, alturas, ámbitos y cargas se refiere.

Detallamos aquí los procesos básicos para su definición. La nave industrial se calcula como pórtico hiperestático donde los pilares se consideran empotrados en cimentación y articulados en cabeza, en el apoyo de las vigas de cubierta.

Esquema de nudos, cargas y flectores:

Las cargas a aplicar son las que siguen:

Cargas en cubierta (verticales). Sobrecarga de nieve. Según altitud geográfica (NBE-AE.88) Sobrecarga de uso o instalaciones. (NBE-AE.88) Peso de la cubierta. (según especificaciones Fabricante/Instalador)

Peso de las correas (calculadas a su vez como biapoyadas con las tres cargas anteriores).

Cargas Horizontales. Viento. Según situación geográfica y altura de la nave(NBE-AE.88) Sismo. (NCSE-2002) Las vigas de cubierta se consideran biapoyadas calculándose a flexión simple (flexocompresión si son pretensadas) y los pilares se calculan a flexión compuesta recta o esviada según el caso.

Otras Cargas. Puentes grúas, cartelería, cerramientos,... Los coeficientes de seguridad a aplicar son los de control intenso

Uniones Pilar-Cimentación:

Cáliz

Vainas

Buzón

Unión Viga de Cubierta-Pilar 

Unión Correa-Viga de Cubierta

4.2. Forjados: Cálculo, Soluciones y Uniones. La solución más común en forjados de ejecución mediante elementos prefabricados, es la de placa alveolar sobre viga rectangular pretensada. Estos elementos permiten una amplia gama de soluciones siendo posible ejecutar cuadrículas de forjado bastante diáfanas con cargas relativamente grandes. Los elementos horizontales de forjado (placas y vigas) se pueden calcular de dos formas, como biapoyados (isostático) o en continuidad, pero en ambos casos habrá que realizar una doble comprobación o fases de cálculo.

Cálculo de Placas Alveolares. Alveolares. Cálculo Isostático:

Fase I: Sección simple de la placa (Comprobación sin la capa de compresión fraguada). Las cargas serán los pesos propios y la sobrecarga de montaje (1 kN/m²).

Fase II: Sección Sección con con capa capa de compr compresió esión n fraguad fraguada. a. Las cargas serán las de servicio (pesos propios concarga y sobrecargas de uso).

Cálculo en continuidad: (EFHE. Artículo 7º. Análisis estructural)

Fase I: Sección simple de la placa (comprobación sin la capa de compresión fraguada). Cálculo Isostático Las cargas serán los pesos propios y la sobrecarga de montaje (1 kN/m²). Fase II: Sección con capa de compresión fraguada. Las cargas serán las de servicio (pesos propios, concarga y sobrecargas de uso). La distribución de esfuerzos será la indicada en la norma.

Cálculo de Vigas. Cálculo Isostático: Fase I: Sección simple de la viga (comprobación sin la capa de compresión fraguada). Las cargas serán los pesos propios y la sobrecarga de montaje (1 kN/m²). Fase II: Sección con capa de compresión fraguada. Sección compuesta. Las cargas serán las de servicio (pesos propios, concarga y sobrecargas de uso).

Cálculo en continuidad: Fase I: Sección simple de la viga (comprobación sin la capa de compresión fraguada). Cálculo Isostático

Las cargas serán los pesos propios y la sobrecarga de montaje (1 kN/m²). Fase II: Sección con capa de compresión fraguada. Las cargas serán las de servicio (pesos propios, concarga y sobrecargas de uso). La distribución de esfuerzos será la indicada en la norma. La ejecución en los casos isostáticos es simplemente apoyar los elementos prefabricados unos sobre otros, la unión pilar y viga o ménsula y viga se ejecuta de manera similar a la vista anteriormente en las vigas de cubiertas de las naves industriales. El los casos de continuidad para que esta sea efectiva es necesario la colocación de armadura de negativos tanto para placas como para vigas.  A continuación se muestran detalles de las posibles uniones y ejecuciones descritas sobre un pórtico de un edificio de tres plantas.

Pórtico de vigas empotradas.

 Aparentemente no existe diferencia con un portico de ejección “in-situ”, los detalles de las uniones que aparecen a continuación definen la forma de ejecutar la estructura .

Detalle 1.

Unión a cimentación mediante pilar-buzón

Detalle 2.

Ejecución de nudo húmedo para vigas y placas en continuidad. Continuación a planta siguiente mediante pilar-buzón.

Detalle 3.

Sección transversal de viga. Apoyos de placas y negativos.

Pórtico de vigas biapoyadas.

Edificio de construcción prefabricada convencional.

5. Conclusión En esta presentación se han descrito brevemente algunas tipologías de construcciones prefabricadas de manera básica. Existen otras tipologías de estructuras prefabricadas no menos interesantes, no reseñadas aquí, y que darían pie a una presentación mucho más amplia. Casetas prefabricadas para telecomunicaciones, aparcamientos subterráneos, estaciones de transformación eléctrica, pórticos ganaderos e industriales, forjados con placa nervada armada, depósitos, edificios penitenciarios, piscinas cubiertas, son ejemplos de otras estructuras prefabricadas muy extendidas, sin olvidar la traviesa para ferrocarril.