Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
MUROS TILT UP VS MUROS PRECOLADOS
López Esquivel Manuel
1,2
, y González Ruiz Juan Pablo
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RESUMEN Se hace un estudio comparativo entre dos edificios fabriles utilizando en las fachadas de ambos edificios muros precolados y muros tilt up, estos últimos cada vez más utilizados en México, los constructores de muros tilt up presumen que el sistema es mucho más económico y rápido que cualquier otro sistema, en el presente trabajo se estudia el comportamiento estructural y el costo de los dos sistemas.
ABSTRACT There is a comparative study between two industrial buildings using for walls precast concrete and tiltup. The Tilt up system is every day more usual in Mexico. The Tilt up contractors assumed that this system is cheaper and faster than others. The object of this document is to compare the structural behavior and costs between the two cases. INTRODUCCION En los últimos años en México se ha hecho más frecuente el uso de muros tilt up en naves industriales, en el presente trabajo se hace una comparativa de dos naves industriales, una de ellas de 13,000 m² de construcción y la otra de 27,500 m² aproximadamente, con las alternativas de muros precolados y muros de tilt up. La opción de la fachada tradicional, con un muro de block de aproximadamente 3.00 m de altura y lámina el resto, no se hizo ya que el comportamiento estructural es prácticamente igual al de los precolados y el costo de cimentación y estructura es ligeramente menor, por lo que solo habría que modificar la tabla de costos, pero el proceso constructivo es más lento. Los muros tilt up son muros o paneles de concreto de grandes dimensiones que funcionan como elementos estructurales, las columnas de acero se eliminan donde hay muro y las armaduras y largueros se conectan directamente a los muros tilt up. Los muros precolados están conectados a la estructura de tal manera que no trabajen como parte de los edificios. Los edificios se localizan en la zona B de la regionalización sísmica del Manual de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad.
DESCRIPCION DE LOS EDIFICIOS El edificio 1 tiene una longitud de 190.20 m de largo y 63.40 m de ancho, la altura libre a la rodilla del edificio es de 9.27 m, la cubierta es a dos aguas con pendiente del cinco por ciento, está estructurado a base de marcos con columnas y armaduras en las dos direcciones y tiene muro en todo el perímetro, en la fig. 1 se muestra la planta del edificio y en la fig. 2 se muestra una elevación típica. _________________________________________________________________ 1.
Ingeniero especialista, LOES INGENIEROS, Otawa 1673-2, Providencia, Guadalajara, Jal. 44630 Tel. (33) 38177841,
[email protected] 2. Profesor de asignatura, INSTITUTO TEGNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE OCCIDENTE, UNIVERSIDAD ITESO, Guadalajara, Jal.
[email protected]
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Figura 1 Planta Edificio 1 (Opción Tilt up y opción Precolados)
Figura 2 Elevaciones Tipo Edificio 1 (Tilt up)
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural El edificio 2 tiene una longitud de 237.75 m de largo y 143.26 m de ancho, la altura libre a la rodilla del edificio del edificio es de 10.36 m, también está estructurado a base de marcos con columnas y armaduras en las dos direcciones, este edificio tiene solamente muros en los extremos, en la fig. 3 se muestra la planta del edificio y en la fig. 4 se muestra una elevación típica.
Figura 3 Planta Edificio 2 (Opción Tilt up y opción Precolados)
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Figura 4 Elevaciones Tipo Edificio 2 (Tilt up)
DESCRIPCIÓN DE LOS MUROS TILT UP En este inciso describimos los muros tilt up, no se hace una descripción similar de los muros precolados por ser muy comunes. ANTECEDENTES Hace más de cincuenta años que se inició en los Estados Unidos como una forma novedosa para construir almacenes y plantas industriales, buscando la durabilidad del concreto a un bajo costo haciendo trabajar estructuralmente como fachada y muro de cortante. Según la Asociación de Concreto de Tilt up, con esta tecnología se construyen más de 50 millones de m² de edificios cada año en los Estados Unidos. En México en la última década se ha incrementado su uso y aunque no hay un dato exacto, se construyen varios cientos de miles de metros cuadrados cada año y la tendencia va en aumento. REGLAMENTACIÓN El código ACI -318 Publicado por el American Concrete Institute incluye el diseño para muros de paredes delgadas, pero nunca le llama muros tilt up. El Uniform Building Code es el único código de diseño que se refiere específicamente al tilt up con su nombre desde 1988 publicó un procedimiento de diseño específicamente para el tilt up. La Asociación de Concreto de Tilt up ha editado el “Manual de Diseño y Construcción de Tilt Up, actualmente está en uso la sexta edición. FABRICACIÓN Y MONTAJE Para la fabricación de los muros tilt up primero se cuelan los tableros perimetrales de la losa de piso ya que esta servirá como cimbra a los muros, sobre la losa se hace el armado y colado de los muros, por esto es posible hacer grandes tableros de muros ya que el izaje será únicamente para ponerlos verticalmente en su posición final.
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Durante el izaje los muros se ven sometidos a las peores condiciones, deberá analizarse el izaje para evitar daños en el muro, se deberá tener especial cuidado en las aberturas de los muros, ya que muchos de ellos tendrán los huecos de las puertas y andenes de carga, para reforzar los huecos se lleva una cantidad importante de acero de refuerzo. Una vez puesto en su posición vertical, se colocan los puntales e insertos, los muros se conectan a una zapata corrida con placas soldadas y se conectan a la losa de piso con varillas que se dejaron previamente preparadas, ver fig. 5, la unión entre muros se muestra en la fig. 6.
Figura 5 Unión Muro Tilt up a cimentación y losa de piso
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Figura 6 Conexión tipo muro a muro
El siguiente paso es conectar la estructura metálica, tanto trabes principales como vigas secundarias y largueros, es muy importante la colocación de los contravientos horizontales de la cubierta, ya que estos son los encargados de transmitir las cargas horizontales que se generen en la cubierta a los muros. En el anexo 1 se muestras fotos del procedimiento constructivo. SOBREESTIMACION DE LA CAPACIDAD Y FALLAS EN MURO. La función estructural de los muros tilt up a demás de fachada, sustituyen a las columnas perimetrales y trabajan como muros de cortante, por lo tanto en algunos edificios la capacidad ante cargas laterales la proporcionan únicamente los muros tilt up. Considerar que toda la carga lateral será tomada por los muros es un error en edificios muy largos, pudiéndose presentar colapsos parciales al centro del edificio donde ya no influye la rigidez del muro. En edificios muy largos cuando se deja una junta de expansión al centro se generan torsiones por el hecho de tener mucha rigidez en un extremo proporcionada por el muro y del lado de la junta solo la rigidez de los marcos, deberá tenerse especial cuidado en estos casos. Durante la etapa de construcción se debe tener una inspección muy estricta, ya que si bien los muros son muy rígidos, sus conexiones son articulaciones, entonces una falla en una conexión hace al muro inestable y por lo tanto toda la estructura será inestable ante cargas laterales. Un error común que se comete es sobreestimar la ductilidad de los muros, ya que en algunos casos utilizan factores de comportamiento sísmico muy altos, cuando en la realidad las conexiones son articulaciones simples que no permiten disipar la energía. En edificios con puertas en toda la fachada hay un cambio brusco de la rigidez ya que de tener el muro rigido en toda la altura, cuando llega a las puertas solo bajan parte de ellos o columnas con una rigidez mucho menor este cambio de rigidez debe considerarse en el factor de comportamiento sísmico y en el detallado de las uniones. La masa de los muros debe considerarse al evaluar la fuerza sísmica.
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural DESCRIPCION DEL SISTEMA ESTRUCTURAL Los dos edificios están estructurados a base de columnas y armaduras en las dos direcciones, en el caso de los muros precolados no se consideró la participación de los muros como parte de la rigidez de la estructura, por lo que las conexiones de los citados precolados serán con un extremo deslizante. La estructuración con muros tilt up es similar, la única diferencia es que en el perímetro donde hay muro se eliminan las columnas siendo sustituidas por los citados muros, en el modelo matemático se incluyo el muro.
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL Los edificios se modelaron como estructuras en el espacio y se utilizo el programa STAAD PRO, el análisis fue dinámico espectral. En los dos edificios con la opción de muros precolados y con muros tilt up se cumplió con los desplazamientos permitidos por el Reglamento del Distrito Federal y todos los elementos cumplieron por esfuerzos, por lo que las dos opciones son diseños validos que cumplen con todo el Reglamento aplicado.
El desplazamiento lateral en los edificios con muros precolados es muy similar en todos los marcos ya que tienen una rigidez uniforme. En los edificios con muros tilt up el desplazamiento que se tiene cercano a los muro es pequeño y se va incrementando mientras más nos alejamos del muro, llega a haber marcos que no tienen la influencia de los muros y se comportan como si no existieran, en la tabla 1 se muestran los desplazamientos de los marco en la dirección transversal de cada uno de los marcos y en la figura 7 se muestran gráficamente los resultados en planta. Tabla 1 Desplazamientos Horizontales Edificio 1 Eje 1 3 5 7 9 11 13
∆hor 0.014 cm = 0.000h 5.322 cm = 0.005h 8.610 cm = .0081h 10.342 cm = 0.0097h 8.610 cm = .0081h 5.322 cm = 0.005h 0.014 cm = 0.000h
Eje 1 3 5 7 8 9 10 12 14 16
Edificio 2 ∆hor 0.214 cm = 0.000h 6.236 cm = 0.005h 9.846 cm = 0.008h 12.302 cm = 0.104h 12.842 cm = 0.108h 12.842 cm = 0.108h 12.302 cm = 0.104h 9.846 cm = 0.008h 6.236 cm = 0.005h 0.214 cm = 0.000h
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Figura 7 Desplazamientos Horizonatales
Este comportamiento analítico explica por sí solo el que se puedan presentar colapsos parciales en edificios muy largos donde se considere que toda la fuerza sísmica será tomada por los muros.
COMPARATIVA EN COSTO Los tres conceptos de costo que afectan en las opciones son cimentación, estructura metálica y muros, el resto de los conceptos del edificio no se ve afectado. Se calculó el costo de cada uno de los tres conceptos y se normalizó representando el cien por ciento de costo el de la opción de muros precolados, en la tabla 2 se muestran los resultados.
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural El peso total de la estructura metálica para la opción de muros tilt up es menor que para la opción con precolados, pero costo de los muros es mayor. En el edificio 1 que tiene muro tilt up en todo el perímetro el costo con la opción de muros tilt up es un cinco punto seis por ciento mayor que el de precolados y en el edificio 2 el sobre costo es de apenas un uno punto cincuenta y tres por ciento. Esta diferencia en costo ya en el total del edificio se puede perder. La velocidad en el proceso de construcción no se consideró ya que se pueden tener los mismos tiempos con las dos opciones.
Tabla 2 Comparativa de Costos
EDIFICIO 1 ACTIVIDAD CIMENTACION MUROS ESTRUCTURA METALICA SUMA
EDIFICIO 2
TILT UP
PRECOLADOS
TILT UP
PRECOLADOS
15.000 38.400
16.15 26.10
14.38 19.79
15.30 13.08
52.200
57.75
67.36
71.62
105.600
100.00
101.53
100.00
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1. Para edificios muy largos la influencia de los muros tilt up solo es en los marcos cercanos a los muros, en el resto de los marcos no hay influencia. 2. Debido a que los marcos centrales tienen más desplazamientos, deben hacerse más rígidos para evitar colapsos parciales. 3. El comportamiento de los edificios con muros precolados es uniforme, por tener prácticamente la misma rigidez todos los marcos. 4. El costo total de los edificios con muros tilt up es ligeramente más alto que los edificios con muros precolados, cuando se cumple plenamente con el Reglamento aplicable. 5. La velocidad de construcción es prácticamente igual. 6. Los edificios con muros tilt up son menos dúctiles y su estabilidad depende principalmente de las conexiones de los muros. 7. Debe tenerse especial cuidado en el proceso constructivo de los muros tilt up ya que son isostáticos y los detalles constructivos son muy especiales.
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REFERENCIAS Manual de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad (1993), “Diseño por Sismo” México Brooks H. (2005), “Manual de Diseño y Construcción de Muros tilt-up”, Tilt-up Concrete Association Gobierno del Distrito Federal, “Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal”, México American Institute of Steel Construction (2005), “Steel Construction Manual” American Concrete Institute (2007), “Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural y Comentarios” Uniform Building Code (1997)
ANEXO 1 FOTOS
FOTO 1 COLADO DE MUROS TILT UP SOBRE LOSA DE PISO
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FOTO 2 IZAJE DE MURO TILT UP
FOTO 3 UNION MURO CIMENTACION
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FOTO 4 IZAJE DE MURO ESPECIAL
FOTO 5 MONTAJE DE FALDON
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FOTO 6 EDIFICIO TERMINADO
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