INNOVACION EN LA TECNOLOGIA DE LOSAS TRALIZADAS, REEMPLAZANDO LAS BOVEDILLAS POR LOSETAS PREFABRICADAS DE FERROCEMENTO

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1 INNOVACION EN LA TECNOLOGIA DE LOSAS TRALIZADAS, REEMPLAZANDO LAS BOVEDILLAS POR LOSETAS PREFABRICADAS DE FERROCEMENTO Memoria para optar al título de: INGENIERO CIVIL EN OBRAS CIVILES Profesor Guía: Sr. Hernán Arnés V. Constructor Civil Universidad de Chile Ingeniero Civil Universidad Católica de Chile ALBERTO ALFREDO TERANISHI CASTILLO VALDIVIA CHILE 2006

2 Agradecimientos A mi profesor guía Don Hernán Arnés por la gran paciencia y colaboración que ha tenido en la realización de este trabajo. Al personal del LEMCO, en especial a Marcelo por la ayuda prestada. Agradezco también a todas las personas que me ayudaron de una forma u otra a realizar este trabajo. Dedicatoria Este trabajo lo dedico a mis padres Alberto y Margarita que en forma desinteresada me han respaldado y guiado en mi vida, a mis hermanas Sachiko y Keiko, a mí cuñado Claudio y mis sobrinas Renata y Martina que en la distancia siempre los llevo en mi corazón. Los quiero mucho. A mis amigos Alejandra, Alfredo, Claudia, Eduardo, Marcelo, Miguel Ángel, Pablo, Ricardo, que siempre me han dado su ayuda y consejos en distintas partes de mi vida.

3 Índice. Resumen Summary Capitulo I: Introducción Presentación del tema Objetivos del tema Metodología de trabajo. 4 Capitulo II: Losas o Forjados de edificación Generalidades Funciones de las losas Definiciones Elementos constitutivos de una losa Losa de viguetas Losas nervadas pretensadas Historia de las losas Tipos de losas Sistema de transmisión de cargas Su constitución Sistema de construcción Grado de hiperestatismo Armaduras Disposición en planta de losas unidireccionales Comportamiento y colocación de losas semiprefabricadas Armaduras Armaduras activas Armaduras pasivas Condiciones de las piezas de entrevigado Resistencia en vano Resistencia a compresión Condiciones generales de la losa de vigueta Condiciones geométricas Armadura de reparto Armadura mínima longitudinal Construcción

4 Almacenamiento de las viguetas Colocación en obra Hormigonado de las losas Descimbrado Aberturas en las losas Patologías en losas unidireccionales Introducción Daños más comunes en losas. Origen y manifestaciones. 33 Capitulo III: El ferrocemento Definición del ferrocemento Reseña histórica Características del ferrocemento Armaduras para ferrocemento Tipos de mallas El Mortero Usos del ferrocemento Utilización en Ambiente Marino Utilización en edificación Propiedades del ferrocemento Comportamiento del ferrocemento a flexión Comportamiento del ferrocemento a tracción Comportamiento del ferrocemento a compresión Resistencia del ferrocemento al agrietamiento Resistencia del ferrocemento al impacto Durabilidad y Corrosión del ferrocemento Capitulo IV: Diseño de losas unidireccionales de viguetas y de elementos de ferrocemento Introducción Normas y códigos de diseño Diseño de losas unidireccionales Predimensionado, Canto de la losa Hipótesis de diseño y combinaciones de carga Métodos de cálculo de las solicitaciones Método de la instrucción EFHE. 54

5 Caso de losas de un solo vano o losas de varios vanos calculados como isostaticos Secciones para el cálculo Cálculo de secciones a flexión Cálculo de secciones a esfuerzo cortante Cálculo a esfuerzo rasante Calculo de las deformaciones Apoyos Diseño de elementos de ferrocemento a flexión Hipótesis de diseño Cargas de diseño y combinaciones de carga Resistencia requerida Ecuaciones de diseño. 74 Capitulo V: Diseño de una losa modular Determinación de carga de diseño Determinación de carga permanente Determinación de sobrecarga de uso Análisis estático Diseño de vigueta Hipótesis de carga Características de los materiales Armadura longitudinal de positivos en vano A Armadura longitudinal de negativos en vano A Armadura de corte en vano A Calculo de fechas vano A Diseño de loseta de ferrocemento Prediseño de losetas Cálculo de momento último Propiedades de los materiales de la loseta Calculo de la cuantía Capitulo VI: Análisis por medio del método de elemento finito Introducción Características de los elementos tetraédricos Funciones de desplazamientos Matriz de deformaciones. 95

6 6.2.3 Matriz de elasticidad Matrices de rigidez, de tensiones y de cargas Elementos compuestos de ocho nodos Modelación por medio de elemento sólido 100 Capitulo VII: Construcción de la losa modular Materiales Cemento Arena Gravilla Malla Gallinero Malla Acma Barras de refuerzo Agua Construcción de moldajes Construcción de moldajes de viguetas Construcción de moldajes de losetas Construcción de moldajes de sobrelosa Procedimiento de construcción Construcción de las viguetas Construcción de las losetas Construcción de sobrelosa y armado de la losa modular. 112 Capitulo VIII: Prueba de carga de la losa Protocolo de carga Ensayo Nº Deformación por carga mantenida Ensayo Nº Deformación por carga mantenida Ensayo a rotura de la Losa Modular Capitulo IX: Análisis de resultados Resultados de ensayos en Losa Modular Ensayo Nº 1 en Losa Modular Ensayo Nº 2 en Losa Modular Resultados de ensayos en Losa Modelada Carga Nº 1 en Losa Modelada.. 135

7 Carga Nº 2 en Losa Modelada Análisis de deformaciones Análisis de deformaciones ensayo Nº Análisis de deformaciones ensayo Nº Calculo del Modulo de elasticidad Modulo de elasticidad teórico Modulo de elasticidad práctico Deformación máxima admisible Capitulo X: Evaluación y comparación económica Análisis de costos totales Costo de vigueta Costo de loseta Costo de sobrelosa Costo total de losa modular Comparación de costos Comparación de pesos propios Aislación térmica y acústica Capitulo XI: Conclusiones Conclusiones 153 Referencias Bibliográficas. Referencias Electrónicas. Anexos. Anexo A: Cargas solicitantes. Anexo B: Propiedades geométricas de la losa modular. Anexo C: Análisis estático de la loseta. Anexo D: Análisis de la losa modular según método de la norma EFHE. Anexo E: Deformación máxima admisible de cálculo según código ACI 318S 05. Anexo F: Algunas formulas de integración para tetraedros (figura 6.1). Anexo G: Datos de salida del programa SAP2000. Anexo H: Cortes típicos de secciones resistentes de losas tralix. Anexo I: Planos de losa modular. Anexo J: Cálculo de inercia fisurada e inercia equivalente.

8 Resumen. El presente trabajo propone una innovación tecnológica que consiste en el reemplazo de la bovedilla de arcilla cocida u hormigón de las losas nervadas por losetas prefabricadas de ferrocemento, conservando el concepto de vigas paralelas y sobrelosa hormigonada in situ. El principal objetivo es verificar la viabilidad de uso de la losa modular propuesta. Una vez concluido el diseño, se procede a construir la losa modular para posteriormente someterla a las pruebas de carga. La aprobación de los resultados se hará según la metodología de aceptación o rechazo propuesta en el capitulo 20 del código ACI 318S 05 y de la norma EFHE. De los ensayos se puede concluir que la rigidez del sistema cumplió con los criterios de aceptación del código ACI 318S 05 y de la norma EFHE., además se puede considerar que el costo de fabricación, resulto ser más económica que la losa tradicional y la losa tralix, y finalmente la losa modular tiene un peso propio muy inferior al compararlas con las losas Tralizadas y tradicionales. Summary. The present work proposes a technological innovation that consists on the substitution of the burned clay or concrete tile fillers of the ribbed slab for precast ferrocement plate, conserving the concept of parallel beams and in situ concrete separate floor finish. The main objective is to verify the viability of use of the modulate slab proposal. Once concluded the design, you proceeds to build the modulate slab it stops later on to subject it to the load tests. The approval of the results will be made according to the methodology of acceptance or rejection proposed in the chapter 20 of the code ACI 318S 05 and of the norm EFHE. Of the rehearsals you can conclude that the rigidity of the system fulfilled the approaches of acceptance of the code ACI 318S 05 and of the norm EFHE., you can also consider that the cost of production, I turn out to be more economic than the traditional slabs and the Tralix slabs, and finally the modulate slab has a very inferior own weight when comparing them with the Tralizadas and traditional slabs.

9 Capitulo I: Introducción. 1

10 1.1. Presentación del tema. La prefabricación consiste en fabricar partes importantes de una construcción fuera de su lugar definitivo. Esta fabricación se realiza en un lugar apropiado, en una posición más cómoda y en donde se pueda desarrollar un proceso repetitivo cuando se trate de muchos elementos iguales. Puede prefabricarse en la misma obra o en una planta o taller especializado, el que adopta características propias de la industria. En el mundo la tendencia es a buscar soluciones más flexibles, por lo que se prefiere la prefabricación abierta, es decir, la producción de elementos que pueden utilizarse en múltiples proyectos, combinándose con estructuras in situ o con prefabricados hechos en obra. En toda Europa, desde hace décadas, usan un tipo de losa cuyo procedimiento constructivo combina la utilización de un elemento prefabricado con la posterior colocación de hormigón in situ. Este tipo de losa se denomina losa de viguetas, en Chile conocido como sistema Tralix. La losa de viguetas esta compuesta por viguetas, bovedillas y una sobrelosa de hormigón. Las viguetas autosoportantes están formadas por una cadeneta de acero electrosoldada, una placa base rellena de hormigón y armaduras adicionales según calculo. Las bovedillas o platabandas pueden ser de cerámica u hormigón y la sobrelosa armada es ejecutada en obra. Según catálogos Tralix tienen ventajas estructurales como menor peso, monoliticidad, continuidad y empotramiento. Las ventajas económicas se producen pues no necesitan moldajes, se tiene mayor rapidez en la construcción, no hay pérdidas de material y la colocación de las instalaciones es fácil. Por esta razón los esfuerzos por una innovación tecnológica aplicada a losas piso de los edificios debe considerar disminuir la masa y los costos involucrados al compararla con otras tecnologías aplicadas actualmente en nuestro país. En nuestra universidad, a través de trabajos de titulación se ha propuesto aplicar la tecnología del ferrocemento en prefabricados de hormigón y se han desarrollados losas de 5 mts de luz y 3 cm de espesor 10 (Sandoval., V. 2006), losas ortotrópicas de 6 mts y 3 cm de espesor 8 (Sade C., N. E. 2005), perfilerías livianas como ángulos y canales 5 (González., L. 2004), perfilería de viga T 4 (Carrillo M., R. A. 2003), doble T 11 (Uribe S., R. A. 2004), costaneras de perfil omega 12 (Velásquez P., J. L. 2004), vigas compuestas con alma de ferrocemento y alas de perfilería ángulos apernados 9 (Sandoval A., C. A. 2004), cerchas con perfilerías ángulos 6 (Mas M., J. A. 2006) y 2

11 galpones de ferrocemento fabricados con alma y perfilería ángulo 7 (Peroldo M., V. M. 2005). El presente trabajo de titulación propone como innovación tecnológica el reemplazo de la bovedilla de las losas de viguetas por losetas de ferrocemento, conservando el concepto de vigas paralelas y sobrelosa hormigonada in situ. La ventaja que se visualiza con este cambio es económica y estructural, ya que de ser posible será necesario un menor número de viguetas y losetas para cubrir un determinado espacio. El aumento de la separación de viguetas a 100 cm, comparada con la losa Tralix tradicional de 44 cm, y menor peso de la loseta de ferrocemento de 70 kg/m 2, respecto a la bovedilla de hormigón que pesa 140 kg/m 2, produce un 30 % de menor peso Objetivos Objetivo general. 1. Verificar la viabilidad de uso de la losa modular propuesta en el presente trabajo de titulación Objetivos específicos. 1. Establecer si las deformaciones están de acuerdo a los criterios de aceptación y de rechazo del código ACI 318S 05 y de la norma EFHE. 2. Verificar la ventaja de costos por m 2 de la losa modular propuesta vs una losa tradicional y la losa Tralix. 3. Verificar la ventaja del peso propio por m 2 de la losa modular propuesta vs una losa tradicional y la losa Tralix. 3

12 1.3. Metodología de trabajo. La metodología utilizada para abordar el presente trabajo de titulación consta de: primeramente describir los aspectos generales de las losas y del ferrocemento con el fin de establecer un compendio básico sobre estos temas (capitulo II y III). Posteriormente se realiza el diseño de una losa modular y sus elementos, para lo cual se estudiaran las cargas solicitantes de norma con el fin de tener una probeta valida para su uso en el rango elástico. En Chile, la normativa vigente no contempla las losas de viguetas por lo que se recurrió a normas españolas para realizar el cálculo y las especificaciones correspondientes. En el siguiente capítulo se aplicaron estas al análisis y diseño de la losa que se ensayara (capitulo V). Se modelara por medio del método de elemento finito a esta nueva tipología de losa mediante el software SAP2000 V9, con fin de establecer la rigidez teórica del sistema. Una vez concluido el diseño, se procede a construir la losa modular en el Laboratorio de Ensaye de Materiales de Construcción (L.E.M.C.O.), del Instituto de Obras Civiles de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Austral de Chile para posteriormente someterlo a las pruebas de carga. La aprobación de los resultados se hará según la metodología de aceptación o rechazo propuesta en el capitulo 20 del código ACI 318S 05 y de la norma EFHE. Finalmente, se realiza una evaluación técnico económica de la aplicación de la losa modular a modo de establecer conclusiones de viabilidad de la alternativa; tomando en cuenta sus aspecto de diseño, comportamiento estructural y evaluación técnico económica. 4

13 Capitulo II: Losas o Forjados de edificación. 5

14 2.1. Generalidades. 17 La losa es un elemento estructural, generalmente horizontal, que recibe directamente las cargas y las transmite a los restantes elementos de la estructura Funciones de las losas. Las principales funciones de las losas son: Recibir las cargas y transmitirlas a las vigas y/o pilares y, a través de éstos, a la fundación y al terreno (figura 2.1). Dar rigidez transversal a las vigas. Cuando se asocian monolíticamente a las vigas, incrementar la capacidad resistente a flexión y torsión de éstas. Solidarizar horizontalmente los entramados a nivel de cada planta. Figura 2.1: Transmisión de cargas del forjado. Estas funciones del forjado 1 permiten suponer que cualquier fuerza horizontal sobre un entramado se transmite a los restantes entramados de la estructura, que colaboran, por tanto, en resistir esa fuerza y en reducir la traslacionalidad de la estructura. Los forjados pueden funcionar, si los detalles constructivos se diseñan adecuadamente, como vigas de gran canto frente a las acciones horizontales de viento, 1 Forjado nombre que reciben en España las losas. 6

15 sismo, etc., haciendo que todos los entramados y pantallas colaboren en resistir a este tipo de acciones (figura 2.2). Figura 2.2: Contribución del forjado frente a acciones horizontales Definiciones Elementos constitutivos de una losa. Vigueta: elemento longitudinal resistente, prefabricado en instalación fija exterior a la obra, diseñado para soportar cargas producidas en forjados de pisos o de cubiertas. Pueden ser armadas o pretesensadas. Vigueta autorresistente: vigueta capaz de resistir por sí sola, en un forjado, sin sopandas 2 intermedias y sin la colaboración del hormigón vertido en obra, la totalidad de los esfuerzos a que habrá de estar sometido el forjado. Losa alveolar pretensada: elemento superficial plano de hormigón pretensado, prefabricado en instalación fija exterior a la obra, aligerado mediante alveolos longitudinales y diseñado para soportar cargas producidas en forjados. Sus juntas laterales están especialmente diseñadas para que, una vez rellenadas de hormigón, puedan transmitir esfuerzos cortantes a las losas adyacentes. Pieza de entrevigado: elemento prefabricado de cerámica, hormigón, poliestireno expandido u otros materiales idóneos, con función aligerante o colaborante, destinado a formar parte, junto con las viguetas, la losa superior hormigonada en obra y las armaduras de obra, del conjunto resistente de un forjado. Losa superior de hormigón: elemento formado por hormigón vertido en obra y armaduras, destinado a repartir las distintas cargas aplicadas sobre el forjado y otras funciones adicionales que le son requeridas (acción diafragma, arriostramiento y atado, resistencia mediante la formación de sección compuesta, etc.). 2 Sopanda nombre que reciben en España el Alzaprimado. 7

16 Losas de viguetas. Sistema constituido por: a) viguetas prefabricadas de hormigón u hormigón y cerámica, armadas o pretensadas. b) piezas de entrevigado cuya función puede ser de aligeramiento o también colaborante en la resistencia, c) armaduras de obra, longitudinales, transversales y de reparto, colocadas previamente al hormigonado, y d) hormigón vertido en obra para relleno de nervios y formación de la losa superior del forjado. Forjados de viguetas armadas Forjados de viguetas pretensadas Figura 2.3 Tipos usuales de forjados de viguetas Losas nervadas pretensadas. a) losas alveolares prefabricadas de hormigón pretensado, b) armadura colocada en obra, en su caso, y c) hormigón vertido en obra para relleno de juntas laterales entre losas y formación de la losa superior. Excepto cuando existan acciones laterales importantes, puede prescindirse de la losa superior hormigonada en obra siempre que se justifique adecuadamente el cumplimiento de los estados limite últimos y de servicio. Figura 2.4. Tipos usuales de forjados de losas alveolares pretensadas. 8

17 2.3. Historia de las losas. 13 Desde las primeras cabañas, uno de los procedimientos más sencillos para construir tejidos consistía en utilizar vigas de madera, colocadas en paralelo unas junto a otras, cuyos extremos se apoyaban en los muros; sobre ellas se apoyaban tablas de madera que completaban una superficie plana que protegía de la lluvia. Este mismo principio es el de los forjados unidireccionales: el plano horizontal se apoya en dos lados opuestos, de manera que su peso y el de todo lo que se apoye sobre él se distribuye hacia las vigas o muros de carga en una sola dirección, que es la de las viguetas. Viguetas es el nombre que reciben las vigas que conforman el plano del forjado por su carácter secundario frente a las vigas y pilares de la estructura principal del edificio. Por lo tanto, un forjado unidireccional se compone de dos elementos: un conjunto de viguetas paralelas y cercanas entre sí cuyos extremos se apoyan en la estructura principal del edificio y un plano superior sobre el que se habita y que distribuye las cargas a dichas viguetas Como se ha dicho, los forjados tradicionales se construían con viguetas de madera situadas a no más de medio metro de distancia entre sí; el plano superior podía ser también de madera o de ladrillo que, según los casos, se utilizaba como tablero plano o para formar pequeños arcos llamados bovedillas. Otra solución muy habitual era rellenar con yeso el espacio entre las viguetas de madera. En el siglo XIX comenzaron a emplearse las viguetas de acero, que eran más resistentes aunque algo más pesadas que las de madera; sin embargo, el nuevo material no marcó ninguna evolución reseñable en el procedimiento constructivo. La aparición del hormigón armado inició una lenta evolución en la construcción de los forjados unidireccionales hasta el alto grado de industrialización que el procedimiento posee actualmente. El forjado unidireccional de hormigón es un sistema constructivo totalmente integrado con el resto de la estructura. Se construye a la vez que las vigas en las que se apoya. Una vez colocada sobre el encofrado la armadura de dichas vigas, se disponen las viguetas de hormigón distanciadas entre sí unos setenta centímetros; entre las viguetas se disponen piezas prefabricadas de hormigón o cerámica, llamadas bovedillas, cuya función es aligerar, al ocupar un espacio que, si no, se rellenaría de hormigón. El siguiente paso es situar barras de acero en toda la superficie del forjado. Una vez colocadas las viguetas, las bovedillas y las armaduras se vierte el hormigón tanto en las vigas como en el forjado, de modo que así quedan perfectamente unidos. 9

18 El hormigón va rellenando el espacio entre las viguetas y las bovedillas hasta cubrirlas totalmente, de manera que el conjunto formado por la malla de acero y el hormigón forman el plano superior del forjado llamado capa o losa de compresión. En los últimos años se ha desarrollado un nuevo tipo de forjado unidireccional, que utiliza piezas prefabricadas de hormigón llamadas prelosas o losas alveolares. Integran en una sola pieza la vigueta y la bovedilla, al tratarse de paneles de hasta 1,20 m de anchura de hormigón pretensado y aligerados por huecos longitudinales (alvéolos); entre las prelosas se sitúan armaduras de refuerzo a modo de viguetas y la malla de reparto. Sobre el conjunto, se vierte el hormigón. Este sistema resulta muy adecuado en edificios de oficinas o centros comerciales en los que la distancia entre las vigas y la magnitud de las cargas son mayores de lo habitual; pero en la construcción de viviendas convencionales su precio por el momento, resulta elevado Forjado de madera. Forjado de bovedilla de madera. Forjado de viguetas metálicas. Forjado de viguetas y bovedilla. 10

19 Forjado alveolar. Figura 2.5. Evolución de los forjados a través del tiempo Tipos de losas. 17 La clasificación de los forjados se puede realizar atendiendo a distintos criterios: Sistema de transmisión de cargas. Según el sistema de transmisión de cargas los forjados se clasifican en: Unidireccionales: Flectan básicamente en una dirección y transmiten las cargas a las vigas, y éstas, a los soportes (figura 2.6). Figura 2.6: Forjados unidireccionales. Figura 2.7: Forjados tipo losa maciza. Una variante muy utilizada en la actualidad son las losas macizas apoyadas en muros, según el sistema «encofrados túnel» o alguno de sus derivados (figura 2.7). Bidireccionales: Flectan en dos direcciones y transmiten las cargas a las vigas en dos direcciones (placas sobre vigas en dos direcciones, figura 2.8), o bien directamente a los pilares (forjados reticulares, figura 2.9). 11

20 Figura 2.8: Forjados tipo placas sobre vigas. Figura 2.9: Forjados reticulares Su constitución. Según su constitución se clasifican en: Forjados de viguetas resistentes con bovedillas y relleno de senos (figura 2.10). Figura 2.10: Forjados de viguetas resistentes con bovedillas y rellenos de senos. Forjados de semiviguetas con bovedillas y relleno de senos (figura 2.11). Figura 2.11: Forjados de semiviguetas con bovedillas y relleno de senos. Forjados de semiviguetas en celosía (figura 2.12). Figura 2.12: Forjados se semiviguetas en celosía. Forjados de viguetas dobles (figura 2.13). 12

21 Figura 2.13: Forjados de viguetas dobles Sistema de construcción. Por el sistema de construcción, los forjados se clasifican en: Forjados construidos totalmente in situ. Forjados semiprefabricados. Constituidos por viguetas o semiviguetas, piezas de entrevigado y hormigón colocado in situ, con sus correspondientes armaduras. En las figuras 2.10, 2.11, 2.12 y 2.13 se muestran algunas de las soluciones de uso más frecuente. Forjados prefabricados. Sólo es preciso proceder a su montaje en obra, o como máximo realizar pequeñas operaciones de relleno de juntas Grado de hiperestatismo. Por el grado de hiperestatismo, los forjados se clasifican en: Forjados simplemente apoyados. Su empleo se reduce casi exclusivamente a cubiertas. Forjados continuos. Son los más utilizados y los que cumplen las funciones de dar rigidez transversal a las vigas y solidarizar horizontalmente los entramados a nivel de cada planta Armaduras. Según su armadura se clasifican en: Forjados armados. Forjados pretensados. Se realizan con armaduras pretensas casi en su totalidad. 13

22 Forjados con pretensado parcial, es decir, aquéllos en los que la armadura está constituida simultáneamente por armaduras activas y pasivas. En el caso de los forjados de semiviguetas pretensadas, los momentos negativos son absorbidos con armaduras pasivas, por lo que estamos en un caso de sección compuesta, con armaduras activas pretensas para resistir los momentos positivos y armaduras activas y pasivas para resistir los momentos negativos Disposición en planta de losas unidireccionales. 17 Es necesario establecer la dirección de trabajo de estos forjados, que corresponde a la que seguirán sus nervios, ya sean viguetas, semiviguetas o de cualquier otro tipo. Para ello se señalará esta dirección en cada zona de las diferentes plantas de estructura en que vendrán representados los soportes y las vigas. Figura 2.14: Representación de la dirección de los forjados con una doble flecha. 14

23 Figura 2.15: Representación de los forjados mediante líneas. Es suficiente marcar esta dirección con una doble flecha (figura 2.14), si bien el forjado quedará mejor definido representando todos los nervios con líneas rectas si se conoce la distancia de entrevigado (figura 2.15). Este segundo procedimiento define mejor las soluciones adoptadas en voladizos, huecos, escaleras, zonas irregulares, bordes, etc., además de facilitar el recuento de los elementos prefabricados necesarios de cada longitud Comportamiento y colocación de losas semiprefabricadas. 17 Recibe el nombre de pieza compuesta la constituida por hormigones de diferente edad que se unen formando un todo, de manera que conjuntamente colaboran a su resistencia. Casi siempre son el resultado de complementar la resistencia de un elemento prefabricado de hormigón, con otro hormigón vertido in situ sobre él. Se obtiene así un conjunto parcialmente prefabricado, o semiprefabricado, cuyo análisis es más complejo que el de las piezas constituidas por un solo hormigón. Al unirse hormigones de diferente edad, el hormigón del elemento prefabricado habrá experimentado ya una buena parte de su retracción, mientras que el hormigón colocado in situ comienza su retracción en el instante de la unión de ambos, produciéndose una retracción diferencial en virtud de la cual el hormigón joven tratará de acortarse más que el viejo, con lo que, si no falla la unión entre ambos, éste se encontrará comprimido y aquél traccionado, originándose además momentos internos debido a la excentricidad de los esfuerzos. 15

24 Por otra parte, los hormigones suelen ser de diferente calidad. Normalmente el hormigón del elemento prefabricado se ha producido en instalación industrial fija, posee mayor resistencia, ha sido compactado con sistemas especiales de vibración y ha experimentado un cuidadoso curado, frecuentemente a temperaturas más altas que las ambientales, además de haber sido sometido a un meticuloso control en todas sus fases. El hormigón in situ no alcanza habitualmente la misma calidad. Como consecuencia de todo lo expuesto, el módulo de deformación longitudinal del hormigón del elemento prefabricado es en general bastante mayor que el del hormigón in situ. Lo que diferencia fundamentalmente a las secciones compuestas es la existencia de una superficie de contacto entre ambos hormigones en la cual se produce una tendencia al deslizamiento (tensiones rasantes) que la unión debe resistir. En los forjados compuestos, el elemento prefabricado recibe el nombre de vigueta semirresistente, o simplemente semivigueta. Una semivigueta es, por tanto, un elemento prefabricado de hormigón (o cerámica) armado o pretensado, destinado a formar parte de un forjado cuya resistencia total precisa la colaboración de una cabeza de hormigón colocado en obra. Figura Como ya hemos visto al hablar de tipos de forjados según su sistema de ejecución, llamamos forjado semiprefabricado al constituido por semiviguetas, piezas de entrevigado y hormigón colocado in situ, con sus correspondientes armaduras (figuras 2.16 y 2.17). 16

25 Figura En el trabajo de estos forjados existen dos etapas. Inicialmente y hasta que el hormigón in situ haya alcanzado la resistencia suficiente para aportar su colaboración, la semivigueta debe ser capaz de soportar por sí sola la carga del forjado. Esta carga está constituida por el peso propio de la semivigueta, el de las piezas de entrevigado y el del hormigón fresco vertido sobre ellas, más cualquier otra carga que pueda aplicarse durante la ejecución. Para que la semivigueta, de reducida resistencia, pueda soportar esta carga, es necesario con frecuencia apoyarla sobre una o más sopandas que disminuyen su luz, y por tanto sus momentos y cortantes. La semivigueta adquiere así una deformación y desarrolla unas tensiones que se fijan al endurecer el hormigón in situ. En la segunda etapa, el forjado compuesto debe soportar las cargas previstas menos su propio peso, que ya ha sido absorbido por las semiviguetas, más el efecto de la retirada de las sopandas cuando hayan existido Armaduras Armaduras activas. Se entiende por armaduras activas aquéllas mediante cuyo tensado se introducen tensiones previas en el hormigón. En el caso particular de los forjados pretensados, éstos se construyen casi sin excepción con armaduras pretensas, es decir, que se tensan con anterioridad al hormigonado y se anclan posteriormente al hormigón cuando éste ha alcanzado un cierto grado de endurecimiento. 17

26 Las armaduras activas de uso habitual en forjados son las siguientes: Alambre. Es el producto de sección maciza, procedente de un estirado en frío o trefilado de alambrón. Normalmente se presenta en rollos. Figura 2.18: Alambres ondulados y alambres grafilados. Aparte de las especificaciones de la Instrucción EP-80, la calidad, métodos de ensayo y condiciones de aceptación y rechazo figuran en la Norma UNE Alambres de acero para hormigón pretensado, Parte 1 y , Parte 2. Para Chile es la norma NCh 859 Of 72 Acero - Alambres desnudos sin tensiones internas para tendones para hormigón pretensado Especificaciones. En general, los alambres se fabrican en tres tipos superficiales: alambres lisos, alambres ondulados y alambres grafilados. Estos dos últimos tipos se muestran en la figura 2.18 en sus modalidades más frecuentes Torzal. Es el producto formado por dos o tres alambres enrollados helicoidalmente. Aparte de las especificaciones de la Instrucción EP-80, la calidad, métodos de ensayo y condiciones de aceptación y rechazo figuran en la Norma UNE Torzales de acero para armaduras de hormigón pretensado, Parte 1 y , Parte 2. En Chile no hay una normativa para este tipo de dispositivo Cordon. Es el producto formado por un cierto número de alambres del mismo diámetro arrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central. 18

27 Durante muchos años, se dudó en emplear cordones como armaduras pretensas, especialmente por sus condiciones de adherencia. El desarrollo de la prefabricación ha acabado imponiendo su uso por las ventajas tanto técnicas como económicas que representan. Su empleo en forjados queda naturalmente reducido a piezas de cierta magnitud, como es el caso de forjados especiales tales como losas, piezas de sección π, etc. Aparte de las especificaciones de la Instrucción EP-80, la calidad, métodos de ensayo y condiciones de aceptación y rechazo figuran en la Norma UNE Cordones de 7 alambres de acero para armaduras de hormigón pretensado (Partes 1 y 2). En Chile norma NCh 860 Of 72 Acero Cordones desnudos de acero, sin tensiones internas, para tendones para hormigón pretensado Especificaciones Armaduras pasivas. Son las armaduras habituales de hormigón armado. En la construcción de forjados se utilizan las siguientes: Barras lisas. Son de uso cada vez menos frecuente, debido a que las barras corrugadas presentan ventajas sobre ellas, tanto desde el punto de vista técnico como económico. Aparte de las especificaciones de la Instrucción EHE, la calidad, métodos de ensayo y condiciones de aceptación y rechazo figuran en la Norma UNE Redondo liso para hormigón armado. Para Chile es la norma NCh 204 Of. 77 Barras laminadas en caliente para hormigón armado. El límite elástico característico es f yk 2200 kg/cm 2. (España) El límite elástico para acero A44 28H es f y = 2800 kg/cm 2. (Chile) El límite elástico para acero A63 42H es f y = 4200 kg/cm 2. (Chile) Barras corrugadas o Barras de refuerzo para hormigón. Aparte de las especificaciones de la Instrucción EHE, la calidad, métodos de ensayo y condiciones de aceptación y rechazo figuran en la Norma UNE

28 Barras corrugadas para hormigón armado (Partes 1 y 2). En Chile corresponden las normas NCh 203 Of. 77 Acero para uso estructural Requisitos, NCh 204 Of. 77 Barras laminadas en caliente para hormigón armado. Se entiende por barra corrugada, según la Instrucción EHE, aquélla que cumple con los requisitos del ensayo de adherencia por el método «Beam Test», que figura como Anejo número 5 en la citada Instrucción. Existen dos clases de barras desde el punto de vista del proceso de fabricación. Las barras de dureza natural están fabricadas exclusivamente por laminación en caliente, alcanzándose en esa etapa la resistencia requerida. Las estiradas en frío, además de laminarse en caliente, se someten posteriormente a un proceso de estirado y torsión en frío, que aumenta el límite elástico y la carga de rotura y reduce el alargamiento. Las características mecánicas se recogen en la tabla 2.1 y 2.2. Tabla 2.1 Características mecánicas mínimas garantizadas de las barras corrugadas (España) Designación Clases de acero Limite elástica f y en kp/cm 2 no menor que Carga unitaria de rotura f s en kp/cm 2 no menor que Alargamiento de rotura. Relación en % sobre base de 5 diámetros no menor que Relación f s /f y en ensayo no menor que AEH 400 N Dureza natural AEH 400 F Estirado en frió AEH 400 S Soldable AEH 500 N Dureza natural AEH 500 F Estirado en frió AEH 500 S Soldable AEH 600 F Estirado en frió AEH 600 S Soldable

29 Tabla 2.2 Propiedades mecánicas mínimas (1) en el ensayo a la tracción. (Chile) Características Grados del acero (2) A44-28H A63-42H Resistencia a la tracción, R m (MPa) Fluencia, R e (MPa) Máximo (3) 580 Mínimo Alargamiento de ruptura (%) en probeta de L 0 = 200 mm K R m (1) Para el grado A63-42H se indica el valor máximo admisible para la fluencia. (2) En esta tabla, no se consideran los grados A37-24H y A56-35H por estar en la práctica, en desuso. (3) (R m / R e ) 1,33 En que: L 0 = Longitud inicial entre marcas de la probeta R m = Resistencia a la tracción efectiva registrada (MPa) K = Coeficiente que depende del diámetro nominal y cuyo valor se indica en la tabla 2.3 para los distintos diámetros nominales normales Tabla 2.3 Coeficiente K para ensayo de alargamiento (Chile) Diámetro nominal normales (mm) Coeficiente K 2,0 1, ,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5, Mallas electrosoldadas. Aparte de las especificaciones de la Instrucción EHE, la calidad, métodos de ensayo y condiciones de aceptación y rechazo figuran en la Norma UNE Mallas electrosoldadas de acero para hormigón armado (Partes 1 y 2). Para Chile corresponde las siguientes normas NCh 218 Of 77 Acero Mallas de Alta Resistencia para Hormigón Armado Especificaciones, NCh 219 Of. 77 Mallas soldadas de acero de alta resistencia Condiciones de uso en el hormigón armado, NCh 1173 Of. 77 Acero Alambre liso o con entalladuras de grado at56-50h, para uso en hormigón armado Especificaciones, NCh 1174 Of. 77 Construcción Alambre de acero, liso o con entalladuras, de grado at56-50h, en forma de barras rectas Condiciones de uso en el hormigón armado. 21

30 Se dividen en mallas lisas y mallas corrugadas. Para ambas, las características de los alambres son las indicadas en la tabla 2.4 y 2.5. Tabla 2.4 Características mecánicas mínimas garantizadas de los alambres que forman las mallas electrosoldadas. (España) Designación de los alambres Limite elástico f y (kp/cm 2 ) (2) Ensayo de tracción (1) Carga unitaria f s (kp/cm 2 ) (2) Alargamiento de rotura (%) sobre base de 5 diámetros Relación f s /f y Ensayo de doblado simple α= 180º (5). Diámetro del mandril D Ensayo de doblado - desdoblado α= 90º β= 20º (6). Diámetro del mandril D AEH 500 T (3) (4) 4 d (7) 8 d AEH 600 T (4) 5 d (7) 10 d (1) Valores característicos inferiores garantizados. (2) Ver apartado 9.1 de la norma UNE (3) Alargamiento % = f i, no menor del 8 %, siendo f i el limite medido en cada ensayo f (4) s f i < 1.03, siendo f i el límite elástico obtenido en el ensayo. fy f y (5) α = ángulo de doblado. (6) β = ángulo de desdoblado. (7) d = diámetro nominal de alambre. Tabla 2.5 Propiedades mínimas mecánicas en el ensayo a tracción. (Chile) Características Unidad de medida Grado AT56-50H Valores numéricos Resistencia a la ruptura MN/m (Kgf/mm 2 ) (56) Limite de fluencia MN/m (Kgf/mm 2 ) (50) Alargamiento en probeta en que L 0 = 10 d (1) % 6 (1) L 0 es al distancia entre marcas, d es el diámetro nominal, milímetros Condiciones de las piezas de entrevigado. 17 Existen dos tipos generales de bovedillas o piezas de entrevigado: las fabricadas con mortero de cemento y las fabricadas con cerámica (figura 2.19). 22

31 Figura 2.19: Diferentes tipos de bovedillas. Es importante registrar el abandono progresivo de las formas convexas de bovedillas, tales como la indicada en la figura 2.20 a), y que tenían su origen en el deseo de minimizar el volumen de hormigón in situ. La tendencia actual es hacia formas cóncavas, como la de la figura 2.20 b), que mejoran la unión del hormigón in situ con las viguetas y, por lo tanto, la resistencia a esfuerzo rasante del conjunto. Figura 2.20: Formas convexas y cóncavas de las bovedillas. Desde el punto de vista de su colaboración en el forjado, las bovedillas se clasifican en bovedillas aligerantes y bovedillas resistentes. Para las aligerantes se exige únicamente que el material de que estén constituidas no resulte agresivo para el hormigón ni para las armaduras y que la carga característica de rotura en vano sea igual o mayor que 100 kp. Su posible colaboración se desprecia en el cálculo. Para las bovedillas resistentes, los requisitos son los mismos que para las aligerantes, pero se exige que sean de mortero o de cerámica, con una resistencia a compresión no inferior a 175 kp/cm 2 en el hormigón in situ Resistencia en vano. La carga característica de rotura en vano se mide sobre un número de piezas no inferior a seis, después de 24 horas de inmersión en agua. La pieza se coloca (figura 2.21) sobre dos apoyos paralelos con entregas de 1 cm y se aplica hasta rotura una carga sobre una faja de 5 cm de anchura paralela a los apoyos y centrada en el vano. La intención del ensayo es asegurar que, aunque las bovedillas no sean resistentes en 23

32 cuanto a su colaboración con el forjado, no ofrezcan peligro al ser pisadas durante la construcción del forjado. Ordenadas las n cargas de rotura obtenidas por valores crecientes x x... x... x, siendo 1 2 m n carga característica P uk resulta: o para n=6 n m= 2 si n es par, o bien x1+ x xm-1 P uk =2 -x m-1 P uk = x 1 + x 2 x 3 m n-1 m= 2 si n es impar, la Figura 2.21: Prueba para determinar la carga de rotura en vano de una bovedilla Resistencia a compresión. La resistencia a compresión exigida a las piezas resistentes se determina sobre no menos de seis probetas, constituidas por piezas enteras o partes representativas obtenidas de la pieza de corte con disco (figura 2.22). La altura de la probeta estará comprendida entre una y dos veces la menor de las dos dimensiones de su sección transversal. La compresión se ejerce en la dirección de los huecos después de 24 horas de inmersión en agua. La tensión se refiere al área neta de la sección transversal de la probeta. 24

33 Figura 2.22: Resistencia a compresión de una bovedilla. 16, Condiciones generales de la losa de vigueta Condiciones geométricas. La sección transversal y longitudinal de la losa cumplirá con los siguientes requisitos (figura 2.23 y 2.24). Figura 2 23: Condiciones geométricas del forjado. Figura 2 24: Condiciones geométricas del forjado. a). En forjados de viguetas: El canto total no excede los 50 cm. La luz de cada tramo no excede de 10 m. La separación entre ejes de nervios no excede de 100 cm. 25

34 b). El espesor mínimo de la superior de hormigón será: 3 cm sobre viguetas. 4 cm sobre piezas de entrevigado. 5 cm en los demás casos. c). El perfil de la pieza de entrevigado será tal que, a cualquier distancia c de su eje vertical de simetría, el espesor h de hormigón será superior a c/8 en el caso de piezas de entrevigado resistente, y a c/6 en el caso de piezas de entrevigado aligerantes o cuando éstas no existan. d). En el caso de viguetas sin armaduras transversales de conexión con el hormigón in situ, el perfil de la pieza de entrevigado dejará a ambos lados de la cara superior de la vigueta un paso al menos de 3 cm Armadura de reparto. En la losa superior se dispondrá una armadura de reparto con alambres de acero de al menos 4 mm de diámetro en las dos direcciones, a intervalos no superiores a 35 cm en las dos direcciones (perpendicular y paralela a los nervios), y tales que la sección total de esta armadura, en cm 2 /m, sea: * En la dirección perpendicular a los nervios * En la dirección paralela a los nervios A A 500 h 0 1 fyd 250 h 0 2 fyd siendo: h 0 : Espesor mínimo de la losa superior sobre piezas de entrevigado. f yd : Resistencia de cálculo del acero en kp/cm Funciones de la armadura de reparto. La armadura de reparto cumple un papel esencial para la distribución transversal de las cargas locales, evitando la fisuración del revestimiento de la cara inferior del forjado. 26

35 Sirve para repartir las fisuras producidas por la retracción y las variaciones de temperatura. Da resistencia, en el plano de forjado, frente a las acciones horizontales que actúan sobre el conjunto de la estructura. Asegura el enlace entre el forjado y el resto de la estructura frente a acciones imprevistas. Por ello se prescribe que la armadura de reparto esté constituida por barras en las dos direcciones, aunque predomine en la dirección perpendicular a los nervios. Por ejemplo, se consigue con 20 x 35 cm φ 4 AEH-400 o con 25 x 35 cm φ 4 AEH-500 y con h 0 = 4 cm Armadura mínima longitudinal. En forjados de hormigón armado con nervios, tanto prefabricados como enteramente construidos in situ, la armadura de tracción tendrá una sección A 0 que verifique: b h f A 0.08 < b h 0 cd 0 fyd b 0 h para AEH b 0 h para AEH siendo: b 0 : Ancho mínimo del nervio (figuras 2.25 a y 2.25 b). h: Canto total del forjado. f cd : Resistencia de cálculo del hormigón in situ. f yd : Resistencia de cálculo de la armadura. Figura 2.25: Comprobación previa al hormigonado. 27

36 Esta armadura mínima formada por al menos 2 barras deberá disponerse en toda la zona inferior traccionada de la vigueta y, al menos, en la zona de la cabeza superior sometida a momentos negativos. Además, en el caso de un tramo extremo o aislado, deberá llegar hasta el extremo de la pieza al menos la tercera parte de la armadura máxima de momentos positivos y en el caso de tramo interior al menos la cuarta parte. El resto de la armadura inferior, en el caso de nervios prefabricados, se dispondrá simétricamente respecto al centro de la luz de la vigueta. En forjados con viguetas de hormigón pretensado, la armadura pasiva mínima en la zona de momentos negativos cumplirá las mismas condiciones impuestas para los forjados de viguetas armadas Construcción Almacenamiento de las viguetas. Se recomienda apoyar siempre cerca de los extremos (figura 2.26). Figura Colocación en obra. Figura 2.27: Apoyo en muros. En el caso de que el apoyo sea en muro, la vigueta, semivigueta o semilosa se apoya sobre un tabloncillo para que quede elevada sobre el nivel inferior de la cadena 28

37 de atado, un mínimo de 5 cm. Esto asegura un buen reparto de las reacciones de apoyo en las piezas sobre el muro (figura 2.27) y permite pasar la armadura longitudinal bajo la pieza prefabricada. Figura 2.28: Apoyo en vigas. En el caso de apoyos en vigas, dos soluciones típicas son las indicadas en la figura Atención especial merece el apoyo de las viguetas de celosía (figura 2.29). Figura 2.29: Apoyo en vigas de viguetas de celosía. La solución (a) es correcta. La (b) introduce una excentricidad e de apoyo que produce un momento que puede fisurar o romper la suela. Figura 2.30: Colocación de sopandas. La colocación de sopandas es muy importante en el caso de semiviguetas. Para piezas armadas, la fase inicial (figura 2.30 a) consiste en nivelar las sopandas al mismo nivel que los tablones de apoyo en las vigas para después, en la fase final, colocar las piezas, las cuales permanecerán horizontales. 29

38 Hormigonado de las losas. El hormigón se encargará indicando su resistencia característica, tamaño máximo del árido y la consistencia. Normalmente, el tamaño máximo de árido se limita a 20 mm. La consistencia vendrá determinada por el descenso en el ensayo mediante el Cono de Abrams, aceptándose valores de 6 a 9 cm (consistencia blanda), que con la tolerancia aceptada en EHE de ±1 cm, queda en 5 a 10 cm la banda de recepción. Esta consistencia facilita el vibrado y evita que se quede muy seco el hormigón fresco al apropiarse de parte del agua el hormigón in situ, con lo que disminuiría la resistencia a rasante. Se recomienda regar la superficie del hormigón prefabricado y dejar secar hasta que se pueda apreciar a simple vista, y posteriormente hormigonar. Antes del hormigonado, debe revisarse la limpieza de moldes, piezas prefabricadas y bovedillas. En el caso de piezas compuestas, puede ocurrir que se haya depositado polvo o arena durante el almacenamiento, siendo estos finos los responsables de la caída notable de la resistencia a esfuerzo rasante (esfuerzo de corte) que se produce. Por consiguiente, es importante asegurar la limpieza de esa superficie, debiéndose realizar la limpieza con aire comprimido y en la zona de almacenamiento. Si se hace la limpieza en el emplazamiento definitivo, lo único que se consigue es cambiar el polvo de sitio. El hormigonado no suele presentar problemas al ser la altura de vertido pequeña. Debe recordarse que el hormigón debe depositarse contra el hormigón ya vertido (figura 2.31). Figura 2.31: Ejecución correcta del hormigonado Descimbrado. En el caso habitual de que el forjado se construya total o parcialmente apoyado en sopandas, las cuales a su vez apoyan en una cimbra formada por puntales, un problema crítico es el de la edad de descimbrado. Consideremos el caso de un forjado que ha sido construido sobre un cimbrado apoyado en una solera (figura 2.32). 30

39 Figura 2.32: Proceso de descimbrado. Al pasar de la situación a) a la b), el forjado se encuentra sometido a su peso propio más las eventuales sobrecargas de construcción y en su caso la posible sobrecarga de nieve. El problema consiste en decidir el momento de descimbrado, que se puede resolver conociendo la evolución de la resistencia del hormigón de modo que cuando se descimbre a los j días resulte que: f α f ckt,j ckt,28 siendo f ckt,28 la resistencia a flexotracción del hormigón, de valor 3 2 f ckt,28 =0.45 f ck,28, y α el porcentaje de carga total que debe soportar el forjado a los j días. La tabla 2.6 relaciona los valores de compresión con las demás resistencias. Tabla 2.6 Relación de resistencia en función de la resistencia a compresión del hormigón. Relación a Tracción y Corte, Rasante y Flexión compresión adherencia Deformaciones Punzonamiento 2 fcj f f Cuantía Cuantía fcj ct,j cj 3 f Baja Alta c28 fct,28 f fc28 c La operación de descimbrado debe realizarse como se indica en la figura 32. En vanos interiores (figura 2.32 a) se efectúa desde el centro hacia los apoyos (orden 1, 2, 3), mientras que en voladizos (figura 2.32 b) el descimbrado se ejecuta desde el vuelo hacia el arranque (orden 1, 2, 3). La operación debe realizarse con suavidad y observando cuidadosamente el forjado, tanto por su cara superior como inferior. 31