Interacción Dinámica de Muros de Concreto Reforzado y Estructura de Acero en un Edificio Alto en la Ciudad de México

Transcripción

1 Interacción Dinámica de Muros de Concreto Reforzado y Estructura de Acero en un Edificio Alto en la Ciudad de México A. Zeballos Cabrera y E. Martínez Romero Enrique Martínez Romero S.A. Consultores Asociados Av. Nuevo León No. 54 2do. Piso Col. Condesa, 06140, México D.F. gpoemrsa@compuserve.com.mx RESUMEN En este trabajo se presenta el caso de un edificio alto de acero con muros de concreto reforzado, las consideraciones en su análisis y diseño estructural. Se hizo un análisis del comportamiento dinámico e interacción entre los muros de concreto y los marcos de acero, y se describen detalles de las conexiones entre ellas, las que constituyen puntos críticos de la estructura. Finalmente, se incluyen recomendaciones para el diseño de este tipo de estructuras, así como para su construcción. SUMMARY The structural analysis and design of a tall steel building with reinforced concrete shear walls is presented. A dynamic behavior analysis and the interaction between the concrete walls and the steel frames are studied, and details of their conections, which are considered weak points of the structure, are briefly described. Finally, some recommendations for the design and construction of this type of structures are presented. INTRODUCCIÓN El empleo de elementos compuestos de acero y concreto ha sido una práctica común en estructuras de edificios altos en busca de optimizar el uso de distintos materiales haciendo que estos actúen de la manera en que mejor desempeño tienen (compresión en concreto y tensión en acero). Así, los elementos compuestos más comunes son las trabes de acero actuando conjuntamente con losas de concreto reforzado (ya sea trabes totalmente embebidas en concreto o trabes unidas a la losa mediante conectores de cortante) y para las cuales el AISC ha establecido procedimientos de diseño. Otra forma de lograr construcciones compuestas es ahogar perfiles de acero en columnas o muros de concreto, o rellenar marcos completos de acero con concreto; este tipo de elementos compuestos facilitan enormemente la conexión con el resto de la estructura metálica. En muchos edificios de acero, la rigidez lateral la dan muros de concreto reforzado (usualmente los ductos de elevadores) mismo que deben integrarse al resto de la estructura metálica. Con esto se logra una gran rigidez, principalmente en los niveles bajos y con ello desplazamientos relativos de entrepiso de menor magnitud cuando el edificio es sometido a cargas laterales. Sin embargo, a medida que la altura del muro crece su rigidez disminuye significativamente, afectando su capacidad para controlar los desplazamiento en los niveles altos. Esta interacción entre el muro de concreto y la estructura de acero genera esfuerzos en los elementos característicos de este tipo de edificios. Uno de los inconvenientes de las construcciones compuestas es lograr de manera eficiente la acción conjunta de ambos materiales. Muchos autores han propuesto formas de lograr esta integración, sin embargo cada proyecto representa una problemática particular y por lo tanto debe de tenerse especial

2 cuidado en el diseño y detallado de estos puntos, ya que estos representan puntos críticos en el funcionamiento de la estructura. En este trabajo se presenta el caso de un edificio alto de acero en donde la construcción compuesta se presenta en diferentes maneras. En primer lugar se presenta una descripción del edificio, y su problemática de irregularidad arquitectónica, una descripción de su estructura y las consideraciones para el análisis estructural. Los resultados del análisis dinámico son discutidas para ver la interacción entre los elementos de concreto y la estructura metálica, y se presentan los detalles de algunas conexiones críticas. DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO Se trata de un edificio destinado a departamentos, el cual se ubica en Huixquilucan, Estado de México. El edificio es de 23 niveles, con una altura de piso a piso de 3 m y una altura total de 69 m aproximadamente. En planta, el edificio tiene una forma irregular (ver FIGURA 1), dos elevadores principales y uno de servicio, así como una escalera de servicio. Los primeros niveles tiene un pasillo que comunica al edificio con el edificio de estacionamiento, (eje 8, entre D y E) el cual esta separado del edificio principal. Como se puede ver, la estructura principal del edificio consta de marcos de acero en los ejes de letras asi como en los ejes de número. El edificio es más largo en la direccion de los ejes número que en la de los ejes letra, por lo que se decidió incorporar a la estructura los muros de elevadores y los muros divisorios de los ejes B y G entre ejes 4 y 5. Con esto se logra rigidizar la dirección más débil del edificio. Dada la forma en planta del edificio, esta no califica como edificio regular, por lo que deberá tenerse esto en cuenta al momento del análisis y diseño. A B B' C D E F F' G H 2 3 BAJA SUBE FIGURA 1: Planta Arquitectónica Tipo ESTRUCTURACIÓN DEL EDIFICIO El edificio se estructuró con base en marcos de acero en ambas direcciones mutuamente ortogonales, y se le integró los muros de concreto reforzado de los ductos de elevadores y un par de muros de los ejes B y G dispuesto de manera simétrica. Los muros del ducto de elevadores son de 25 cm de espesor, mientras que los otros dos muros tiene confinamientos extremos de 50x50 cm y el alma de 25 cm de espesor. En la

3 FIGURA 2 se presenta la estructuración en planta tipo, y se puede observar el sistema de apoyo de la losa y los marcos de acero junto con los muros de concreto. Por su ubicación y disposición respecto al resto de la estructura, los muros de elevadores se hicieron totalmente de concreto, mientras que en los otros dos muros laterales se incluyó un perfil de acero en los ensanches extremos para facilitar y hacer más eficiente la conexión entre este y las trabes de acero. Adicionalmente a los muros de concreto se incluyeron contravientos en los ejes A y H entre ejes 3 y 4. Todas las conexiones de las trabes principales se consideraron continuas, y las trabes secundarias se consideraron simplemente apoyadas. El sistema de piso consta de una losacero de 12.2 cm de espesor apoyada sobre trabes separadas en promedio 2.9m. Las trabes que sirven de apoyo a la losa se diseñaron como secciones compuestas, considerando como peralte efectivo la capa de compresión de la losa (6 cm), es decir no se considera el concreto por debajo de la parte alta de la lámina (ref 2). La cimentación del edificio se resolvió con un sistema de contratrabes y pilas coladas en sitio. FIGURA 2: Estructuración Planta Tipo RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL El análisis estructural se realizó con apoyo del programa ETABS (Extended Tridimentional Analysis of Building Structures), para lo cual se elaboró un modelo tridimensional de la superestructura completa, considerando las losas como diafragmas rígidos cuya masa traslacional y rotacional dependen de la forma de las mismas y son calculadas por el programa. Para el análisis dinámico se consideró el espectro correspondiente a la zona de terreno duro de la Ciudad de México, y un factor de comportamiento sísmico Q igual a 2x0.8=1.6 puesto que el edificio no cumple las condiciones de regularidad enumeradas en las Normas Técnicas Complementarias Diseño Sísmico del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal. En la FIGURA 2 se puede ver que los muros de los ejes B y G tienen continuidad con los marcos de los mismos ejes, sin embargo no ocurre lo mismo con los muros de elevadores. Esto no implica que estos no aporten rigidez a la estructura, puesto que el programa de análisis considera la acción de diafragma de las losas de piso. En este caso, se hizo un análisis de la competitividad de la losa para lograr la acción de diafragma.

4 En la FIGURA 3 se muestra el modelo matemático empleado en el análisis. Es un modelo tridimensional de los 23 niveles que tiene el edificio. En la tabla 1 se muestran los primeros 10 modos de vibrar, con su porcentaje de masa participante y el acumulado, respectivamente. Según la TABLA 1, el primer modo de vibrar excita la masa principalmente en dirección Y, con un periodo de 2.96 segundos, mientras que el segundo modo lo hace básicamente en dirección X con un periodo de 2.85 segundos. Estos valores tan cercanos indican que la rigidez en ambas direcciones son aproximadamente iguales. FIGURA 3: Modelo Tridimensional en ETABS.

5 TABLA 1: Modos de Vibrar y Porcentaje de Masa Participante Periodo % de Masa Participante Modo No. T(s) Mx ΣMx My ΣMy Para evaluar el aporte de rigidez de los muros de concreto y su variación con la altura, se obtuvieron los cortantes en estos en cada nivel y se dividieron entre el cortante total de cada nivel. Este factor representa la fracción de fuerza que toma el muro de concreto en cada entrepiso. En la FIGURA 4 se muestra la variación de esta fracción con la altura para el caso de sismo en la dirección Y (dirección de los ejes Letras). Se observa claramente que en los primeros dos niveles los muros de concreto contribuyen tomando el 65% y 70% del cortante de entrepiso, y este factor disminuye en los niveles superiores. Particularmente, se observa una drástica pérdida de rigidez, traducido en una disminución importante en el cortante tomado por los muros, a partir del nivel 19. En el nivel 23 se presenta una aparente recuperación de la rigidez, sin embargo esto puede ser atribuido a que en ese nivel la estructura es muy diferente a la de los demás niveles, ocupando un área mucho menor, por lo que este último valor no es representativo del conjunto de la estructura. De manera análoga, se puede ver que el porcentaje de cortante tomado por el resto de la estructura (los marcos de acero) aumenta con la altura. De acuerdo a esto, los desplazamientos relativos de entrepiso están relacionados con el comportamiento de los muros de concreto en los niveles inferiores, y por el de los marcos de acero en los niveles altos. Una muestra de esto es la gráfica de desplazamientos relativos de entrepiso para el sismo en la dirección Y (FIGURA 5). 23T 20T 17T Nivel 14T 11T 8TH 5TH 2ND V muros /V total

6 FIGURA 4: Variación en Altura de la Fracción del Cortante Tomado por Muros 23T 20T 17T Nivel 14T 11T 8TH 5TH 2ND 0.E+00 1.E-03 2.E-03 3.E-03 4.E-03 5.E-03 6.E-03 7.E-03 Desplazamiento Relativo de Entrepiso FIGURA 5: Desplazamientos Relativos de Entrepiso (Dirección Y) El desplazamiento relativo de entrepiso toma valores muy pequeños en los niveles inferiores, debido a la presencia y gran rigidez de los muros de concreto. El mayor valor se observa en el nivel 13, en donde el aporte de los muros es del orden de 30%, es menor a Es decir, se ha logrado una estructuración que satisface los requerimientos de rigidez del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal. Con el aporte de los muros, la estructura metálica se ve menos esforzada y eso se refleja en un menor peso, y por lo tanto menor costo. En este edificio, se utilizaron perfiles W14x120, W14x159 y W14x211 en as columnas de poca altura, y perfiles W33x141 y W33x152 en el resto de columnas, mientras que en la vigas se utilizaron principalmente perfiles de 16 y de 18. El peso total de la estructura de acero fue de 60kg/m 2 aproximadamente, lo cual se debe atribuir al buen comportamiento conjunto de esta con los muros de concreto en el modelo. El reto, entonces, constituye hacer un detallado adecuado para lograr en la práctica, ese buen comportamiento. CONEXIÓN DE MUROS DE CONCRETO CON ESTRUCTURA METÁLICA En este tipo de estructuras compuestas, el punto crítico lo constituyen las uniones entre los elementos de concreto y los de acero. Debe tomarse en cuenta para ello los distintos procedimientos constructivos que ambos tienen. La estructura de acero llega al lugar de la obra ya cortada y preparada para su montaje, el cual es relativamente rápido comparado con el proceso de construcción de los elementos de concreto colados en sitio. Para eso, se han propuesto muchas distintas manera de hacer la conexión, mismas que se han empleado con éxito en distintas obras de importancia. Sin embargo, cada obra y en particular cada conexión constituye un problema diferente que debe entenderse para proponer el detalle adecuado. En este edificio, se emplearon dos tipos de conexiones: 1. empleando un perfil ahogado en concreto y 2. empleando placas y anclas En la FIGURA 6 se muestra un detalle del extremo confinado del muro de concreto en el que se ha ahogado un perfil de acero. Este perfil de acero va a permitir montar la estructura de acero adyacente al muro antes

7 de colarlo, y esto evita retrasos en obra. Aunque el perfil ahogado sirve básicamente para montaje, es probable que durante un tiempo esta sostenga el peso de la estructura y de algunas losas de concreto, por lo que debe diseñarse para soportar adecuadamente este peso y, a criterio del diseñador, puede incluirse alguna excitación sísmica. FIGURA 6: Detalle Esquemático de Columna de Concreto con Perfil Ahogado Sin embargo, una vez colado el muro de concreto, el aporte de rigidez axial y lateral del perfil es despreciable comparado con el muro, siempre y cuando se logre la acción conjunta. Con ese objeto se colocan unos conectores en los patines del perfil (en este caso se usaron canales de acero pero hay en el mercado numerosos dispositivos mecánicos que se pueden emplear como conectores) y se confina adecuadamente el concreto en esa zona para evitar desprendimiento del concreto y pérdida de adherencia. Las conexiones empleadas en este edificio fueron del tipo End-Plate con 4 tornillos en tensión. Debe tomarse en cuenta que en las zonas de conexión, hay placas que impiden el paso del refuerzo transversal, y por lo tanto hay que prever agujeros para el paso de este refuerzo o alguna solución similar (como soldar el refuerzo a la placa). Otro tipo de conexiones empleado en este edificio se hizo con placas y anclas ahogadas en el concreto. Estas conexiones se usaron en los muros de elevadores, en donde, principalmente por razones de espacio y funcionalidad de los elevadores, no era posible ensanchar las esquinas para alojar perfiles de acero. Por otro lado, este muro es el de mayor rigidez, y su ubicación en planta es tal que no hay una continuidad con los marcos de acero en algunos ejes. Por estas razones, se prefirió que las conexiones de las trabes de acero al muro de concreto no transmitieran momentos, es decir, todas las conexiones a muro de elevadores son exclusivamente para transmitir cortante. Estas conexiones consisten en placas de acero en el extremo de las trabes soldadas con anclas hechas con varillas de construcción (o conectores de cortante, etc.). En la FIGURA 7 se muestra un detalle de la conexión de trabes a muro de concreto utilizada. Las placas extremas son de acero A-36 y las anclas son varillas de construcción del No. 6. Con este tipo de conexiones se permite la rotación del muro sin que esto exija mayor capacidad de la trabes. Es importante, entonces, revisar la rigidez de la losa, pues es ésta la que va a integrar el comportamiento del muro como viga en volado con el resto de los marcos de acero; para ello, se recomienda reforzar la losa en la vecindad del muro de concreto. Como la conexión requiere que el muro se cuele con la misma velocidad con que se monta la estructura metálica (pues de otra manera el mecanismo de conexión resulta inefectivo), a veces se requiere que el muro se cuele antes que las losas de techo, y en estos casos hay que considerar en el detallado varillas horizontales y muescas en el muro para lograr un engrape adecuado con la losa de colado posterior.

8 FIGURA 7: Detalle de Conexión a Muro CONCLUSIONES Se presentó el análisis y consideraciones de diseño de un edificio alto de acero con muros de concreto. El edificio, de 23 niveles, será destinado a departamentos y se encuentra ubicado en Huixquilúcan, Estado de México. El modelo matemático completo, elaborado para hacer el análisis estructural con el programa ETABS, indicó un comportamiento adecuado de la estructura en la que se incluyó los muros de concreto debidamente conectados al resto de la estructura. Se logran un ahorro en el costo de la estructura metálica al considerar los muros de concreto en el análisis, Sin embargo, debe tomarse en cuenta el costo adicional del concreto y el tiempo que la ejecución de la obra se alargará por incluir elemento de concreto en la estructura. Las conexiones de los elementos de acero con los de concreto deben ser cuidadosamente detallados. Existen numerosas propuestas para lograr estas conexiones, dos de las cuales han sido consideradas en este edificio. La conexión que tiene un perfil de acero ahogado en el muro de concreto facilita el montaje de la estructura metálica y permite avanzar con este sin depender del avance en el colado del concreto. El perfil se diseña para estas condiciones (cargas durante construcción, exclusivamente) y sus dimensiones deben permitir un recubrimiento adecuado del concreto. Las conexiones con anclas en muros de concreto tienen la desventaja de que debe colarse el muro casi al mismo tiempo que se monta la estructura.

9 REFERENCIAS 1. Gaylord E., Gaylord Ch. y Stallmeyer J. Design of Steel Structures, McGraww Hill, Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, A.C. Manual de Construcción en Acero- DEP, Vol I, Manual of Steel Construction Allowable Stress Design, Ninth Edition, American Institute of Steel Construction, Manual of Steel Construction Load & Resistance Factor Design, Second Edition, American Institute of Steel Construction, Taranath B. Steel Design & Composite Design of Tall Buildings, McGraw Hill, ETABS Version 6, Steeler, Stress Check of Steel Frames; Conker, Design of Concrete Frames by Computers and Structures, Inc. January, 1995.