Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural COMPARATIVA … · de éste sistema desde los puntos...

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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

COMPARATIVA EN EL DESEMPEÑO ESTRUCTURAL Y DE COSTOS DE NAVES

CONSTRUIDAS CON SISTEMAS DE MARCOS Y CON MUROS TILT-UP

Alberto Treviño1 , Balentin Rivero Peña2, Raúl Jean Perrilliat3 y Carlos Humberto Huerta Carpizo3

RESUMEN

En el desarrollo de naves industriales en México, se está adoptando un sistema para las fachadas que consiste en muros de carga denominados “Tilt-Up”; el cual, al ser desarrollado en los Estados Unidos, cuenta con una serie de especificaciones técnicas, que podrían no ser totalmente congruentes con las condiciones de carga y calidad de materiales en México. En el presente trabajo, se analiza el sistema adaptando el diseño a las normas mexicanas correspondientes y se evalúan sus ventajas y desventajas desde el punto de vista estructural y económico con respecto al procedimiento tradicional de marcos de acero.

ABSTRACT In the industrial buildings development in México, the Tilt Up load-bearing walls are being adopted for the facades; since such system has been developed in the United States, it has his own technical specification which might not be entirely congruent with loading conditions and material qualities in México. In this work, the system is analyzed by adapting the design to the Mexican codes and evaluating the system advantages and disadvantages in terms of structural and economic development over the traditional steel frame system.

INTRODUCCIÓN Dada a la gran popularidad que el sistema de muros Tilt Up esta adquiriendo como sistema constructivo de naves industriales en México, y debido a la ausencia de normas locales para su diseño, se presentan algunas inquietudes sobre la conveniencia de su aplicación. Estas inquietudes se deben principalmente a que, éste sistema, al ser desarrollado en los Estados Unidos, emplea una serie de técnicas y especificaciones particulares de diseño y construcción, que si bien podrían aplicarse en construcciones mexicanas, en algunos casos existe la posibilidad de que no sean congruentes con las demandas de carga y efectos locales como sismicidad, tipos de suelo, velocidades y empujes de viento, entre otros; derivando en diseños que podrían ser demasiado conservadores o en algunos casos inadecuados para las demandas a las que estaría sometida la estructura. Otro punto que causa inquietudes es el factor económico en la construcción de naves con éste sistema, pues en estudios realizados en Norte América (Brooks, 2005), y diversos manuales de fabricantes de éste tipo de muros, se destacan sus bondades económicas; sin embargo tales documentos, se refieren a naves cuyos muros son fabricados por empresas especializadas que cuentan con la infraestructura suficiente para realizar la producción prácticamente en serie, permitiendo reducir significativamente los costos. Contrariamente en México al ser una técnica relativamente nueva, la mayoría de las empresas constructoras no cuentan con los

1 Gerente de proyectos, AMB Property México, Av. Prolongación de la Reforma No. 1236 Piso 9, Santa Fe,

05348 México, D.F. Teléfono: (55)5081-0800; [email protected] 2 Gerente de Construcción, Arquitectura Habitacional e Industrial S.A de C.V. Av. Universidad No. 1304,

Col. Santo Niño, C.p. 31320. Chihuahua. Chih. Telefono: (614) 442-0500, [email protected] 3 Ingeniero Estructurista, IOIS S. A., Barranca del Muerto 210 int 301, Col. Guadalupe Inn, 01020, México,

D.F. Teléfono: (55)5663-2805; Fax: (55)5563-2712; [email protected]

XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, 2008 .

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mismos recursos, ocasionando que los muros sean fabricados uno a uno en una forma prácticamente artesanal, derivando en el incremento de los costos de obra. Es entonces, el objetivo de éste trabajo evaluar de forma general, las ventajas y desventajas de la aplicación de éste sistema desde los puntos de vista de diseño estructural y factores económicos. Con esa finalidad, se llevó a cabo el diseño de varios muros; adecuando las consideraciones de diseño especificadas en el manual de diseño de muros Tilt-Up de la TCA (Asociación de muros de concreto Tilt-Up, por sus siglas en ingles), con las especificaciones indicadas en el reglamento de construcciones del Distrito Federal 2004 y los espectros para diseño sísmico indicados en el manual de obras civiles de la CFE 93, y así identificar bondades, complicaciones y posibles mejoras para el diseño de éstos muros en el país. Para evaluar el efecto económico, se comparan el sistema constructivo de muros Tilt Up, con el sistema de marcos de acero con fachadas no estructurales de diferentes materiales. Para ello, se realizó la cuantificación de los materiales, así como de los costos de obra comparando naves que tuvieran características geométricas similares (áreas de construcción, altura de cumbrera, misma zona sísmica, etc). Los valores encontrados se comparan entre sí y se estima una curva de comportamiento de costos con ambos sistemas.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE MUROS TIPO TILT-UP El término “Tilt-Up”, se aplica a aquellos muros delgados construidos en obra, que son colados directamente sobre la losa del piso de la estructura, para que, una vez alcanzada su resistencia máxima, sean izados con una grúa y colocados en su lugar en la construcción formando los muros exteriores. Los espesores de estos muros oscilan entre los 14 y 20 cm (5 y 8 pulgadas) y pueden pesar más de 40 toneladas. PROCESO CONSTRUCTIVO DE LOS MUROS TILT-UP A continuación se describe en forma resumida el proceso constructivo de los muros Tilt-Up, una descripción más aparece en el apéndice A del presente trabajo. Éste proceso, que en apariencia podría considerarse sencillo, requiere que el personal encargado de llevarlo a cabo tenga un buen nivel de capacitación en la realización de los diversos trabajos. Éste tipo de muros, dependiendo de su espesor y altura deberá tener armado en una o dos caras y una serie de refuerzos en la zonas dónde se concentran las demandas más grandes como lo son las conexiones con otros muros y la zona de apoyo con la cimentación (fig 1); el proceso constructivo de los éstos elementos, se puede dividir en seis etapas principales, las cuales se enumeran a continuación: Primera fase: En ésta fase se revisan los planos y la geometría general del edificio para se ajustar detalles como la continuidad de las molduras, verificar que la colocación de placas sea la adecuada. En ésta etapa, se determina la metodología general para el izado y se establecen los puntos dónde se colocarán los insertos que servirán para llevar a cabo éste trabajo. Segunda fase: En ésta etapa se realizan los trabajos de preparación del armado de los muros y el colado de las losas para el cimbrado de éstos, de igual modo es en éste punto donde se diseñaran las cimbras laterales y se harán los preparativos para los diferentes módulos (puertas, ventanas, etc.). Se hacen además los trabajos preparativos para conexiones y dejar listos los pasos para las diversas instalaciones de la estructura.

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Fig. 1 Armado típico de los muros Tilt-Up Con el armado preparado, y la cimbra lista, se procede la tercera fase, en ésta etapa, se hace el colado del muro (fig 2), el cual va estar apoyado ya sea sobre la losa del piso de la estructura principal o sobre una losa de colado previamente construida para éste fin. Con la finalidad de minimizar esfuerzos de succión durante el izado, la losa deberá ser previamente preparada con un elemento antiadherente (Brooks, 2005).

Fig. 2 Colado de muros Tilt-Up Paralelamente al colado de los muros, se deberá llevar a cabo la construcción de su cimentación (fig 3), por lo regular, ésta consiste en serie de zapatas corridas las cuales deberán contar con las placas de conexión para los muros.


4

Fig. 3 Construcción de la cimentación La cuarta fase comienza cuando los muros alcanzan su resistencia máxima, se procede al izado por medio de una grúa (fig 4), durante el izáje se debe tener cuidado en el manejo de éstos elementos para evitar esfuerzos que conduzcan a la formación de grietas y en casos extremos a la falla del panel.

Fig. 4 Izado de los muros Para la quinta fase del proceso, se realizan las conexiones con la cimentación y los muros laterales (fig 6.a), dejándolos apuntalados hasta que se completa la construcción de la estructura interna de la nave (fig 5). El proceder de esa forma, implica tener un diseño adecuado del apuntalamiento, pues ante la falla de algún elemento, se pondría en riesgo la estabilidad de todo el sistema.

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Fig. 5 Apuntalamiento temporal Se hacen las conexiones pertinentes con los diversos elementos estructurales que van apoyados en el muro (fig 6.b), así como con los elementos estabilizadores.

a) b)

Fig. 6 Conexiones de los muros a) entre muros b) con la estructura interna Finalmente en la sexta fase se hacen los trabajos de resane y pintura de los muros.


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CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE MUROS TILT-UP Para el análisis y diseño de los muros Tilt-Up se siguió el procedimiento mostrado en el manual de la TCA (Tilt-Up Concrete Association), pero empleando las cargas unitarias y espectros de diseño de las normas mexicanas. El diseño de los muros estará regido principalmente por tres tipos de cargas: fuerzas verticales (peso propio, carga muerta y carga viva), fuerzas laterales (sismo, viento) y fuerzas cortantes en la base (deslizamiento). Consideraciones de Análisis Además de las cargas, se tomaron en cuenta los anchos de los muros, y la ubicación de los diferentes huecos, pues en esas zonas se estimó que se encuentran los puntos más críticos para el diseño. Otro elemento que rige el diseño de los muros, es la altura libre de éstos, pues es a partir de ella que se decide tanto el grosor del muro como la cantidad de lechos de refuerzo a utilizar. Ésta altura libre dependerá de la altura a la que se ubica el diafragma rígido formado por el techo y, si se diseñan correctamente, de los elementos de conexión entre muros. Debido a su gran esbeltez, las principales preocupaciones en el diseño de los Tilt-Up, son la inestabilidad lateral, el alabeo debido principalmente a cargas laterales, y, aunque en los manuales de diseño no se especifica, limitar las distorsiones máximas (δ ≤0.012). Para las cargas verticales se consideraron las cargas transmitidas por la estructura interna al muro, así como las diferentes cargas muertas y las cargas vivas establecidas en el reglamento de construcciones del DF para naves industriales, esto es de 0.4 kN/m² (40 kg/m2) para combinaciones gravitacionales y de 0.2 kN/m² (20 kg/m2) para combinaciones de carga accidentales. En el caso de las cargas laterales por sismo, se emplearon los espectros de diseño por sismo establecidos en el manual de obras civiles de la CFE (para diseño por sismo), para realizar un análisis dinámico modal tridimensional de toda la estructura y así evaluar las fuerzas que actúan sobre el muro en ambas direcciones. Se debe mencionar que no existe forma de saber el factor de comportamiento sísmico a utilizar pues en los manuales de muro no se especifica, el único referente encontrado se ubica en la sección 6.5.2.1 del RDF 2004, dónde se indica que si los muros no cumplen con los requisitos geométricos ahí estipulados se utilice Q=2. De forma similar, se calculó el empuje de viento que actúa sobre éstas estructuras con el procedimiento indicado en el manual de CFE para análisis de viento. Las fuerzas de cortante consideradas provienen principalmente de las fuerzas sísmicas y de viento, además de un caso crítico dónde se supuso la falla de uno de los muros colindantes transmitiendo al muro en análisis la componente de cortante debida a su peso. Para la estimación de elementos mecánicos, se realizaron dos tipos de modelos, primero un modelo general de toda la estructura (fig 7) con el cual se pudieron evaluar tanto las distorsiones de los muros, como las fuerzas transmitidas por los diferentes elementos estructurales (armaduras, contraventeos, etc); posteriormente se desarrolla el modelo particular del muro por medio de elemento finito (fig 8) dónde se obtuvieron los elementos mecánicos de cada franja crítica del muro.

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Fig. 7 Modelo general de la estructura

Fig. 8 Modelo particular del muro


8

Consideraciones de Diseño. Para el diseño de los muros, se indica que el concreto deberá ser de alta calidad, con resistencia mínima a la compresión a los 28 días de 25 Mpa (250 kg/cm2), para el acero de refuerzo se indica que deberá tener un limite de fluencia mínimo de 42 MPa (4200 kg/cm2) y diámetro mínimo de 1.27 cm (1/2”). Tal como lo indica el manual, se revisó que el esfuerzo debido a la carga vertical no sobrepasara 0.04f’c y se limito el refuerzo máximo a 0.6 ρb. A su vez, se considera que el armado mínimo será el definido por el RDF es decir 24/fy, dado que el diámetro mínimo es del No 4, usando varillas A-60 (fy= 4.2 MPa (4200 kg/cm²)), el armado mínimo resulta en varillas del No 4 a cada 35 cm. En los manuales de los muros se indica que el refuerzo de acero podrá ser con una sola parrilla si el espesor del muro es menor a 20 cm. (8”), sin embargo en el reglamento de construcciones del DF 2004 se establece que éste valor deberá reducirse a 15 cm, ésta especificación se tomó en cuenta en el diseño. Las deflexiones en los muro fueron limitadas a l/150, en caso de ser sobrepasado éste valor, se incrementó el espesor del muro. Se revisaron los posibles efectos de momentos de segundo orden en los muros (efecto P-Delta), estos efectos fueron revisados de acuerdo a lo establecido en el manual TCA. En los casos dónde los muros presentan huecos, se analizó cada una de las franjas (fig 8), considerando que éstas deberán proporcionar el soporte completo a los muros, de esa forma, a las secciones de muro que quedan por arriba o debajo de los huecos, se les coloca el acero mínimo.

Fig. 7 Franjas críticas de un muro con dos huecos grandes

Para el diseño de los muros a partir de los elementos mecánicos, el manual de TCA sugiere el empleo de dos posibles códigos, el ACI 318-05, y el código UBC-97, sin embargo permite que se empleé un reglamento adicional si éste resulta más apegado a las condiciones de la estructura en análisis.

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Debido a que el reglamento ACI 318-05, es comúnmente empleado en México, se optó por revisar éste procedimiento para el diseño de los muros, particularmente en la sección 14.8 dónde se establecen los parámetros para el diseño de muros delgados. Se establece que el momento resistente calculado para la sección deberá ser menor al momento último considerando los efectos de segundo orden, esto es: Mn Muφ ≥ (1) Donde Mu Mua Pu u= + Δ Mu = momento último considerando los efectos de segundo orden Mua = momento último obtenido Pu = Carga axial ultima Δu = Deflexión horizontal debida a la carga Pu Ya que en el reglamento citado, especifica que el momento resistente se calcula de la forma tradicional, se optó por calcular éste valor por medio de diagramas de interacción (González, et al., 2005) pero en lugar de utilizar las normas ACI; se emplearon las del reglamento de construcciones del DF 2004. Cabe aclarar que en dicho reglamento, no se establece ninguna consideración para muros delgados, por lo cual se tuvieron que utilizar las mencionadas en las secciones 14.8.2.1 a 14.8.2.16 del ACI 318-05, lo cual genera una incertidumbre en el diseño. Para el diseño por cortante, se utilizaron las especificaciones indicadas en la sección 6.5.2.5 del reglamento de construcciones del DF 2004. Aplicación Práctica Del Diseño De Los Muros Para verificar que el cálculo del refuerzo por medio de los diagramas de interacción es adecuado, se optó por validarlo comparando el diseño con por medio de un programa comercial de diseño de muros de paredes delgadas desarrollado por la Portland Concrete Association denominado PCA-WALL, en la fig 10 se muestran los resultados de para uno de los muros. Para observar las posibles fallas en el procedimiento de diseño propuesto, se llevo a cabo el diseño de los muros de 6 naves cuyas demandas sísmicas y de viento fuesen distintas (tabla 1). Los resultados mostrados en la fig 11, corresponden a muros sólidos que no tienen solicitaciones adicionales a sus tributarias, esto es, bajo nivel de demanda. Por otra parte, en las figs 12 a 13, se muestran aquellos muros cuya distribución de huecos es como la mostrada en fig 7, y que, además de las tributarias, tiene cargas adicionales debidas a que descansa alguna armadura y está conectado alguno de los contravientos de cubierta.


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Elementos del análisisMuax 1.24 t-m Mux 1.73 t-mMuay 0.31 t-m Muy 0.80 t-mPu 23.54 tDu 0.021 m

Momentos Resistentes

Mn Mn/Mu Mn Mn/MuMrx (t-m) 1.92 1.11 1.79 1.03Mry (t-m) 0.88 1.09 0.84 1.04Pr (t) 23.54 1.00 23.54 1.00

Acción Diagramas de Interacción PCA Walls

Fig. 10 Comparación del diseño con diagramas de interacción y el obtenido con un programa comercial

Tabla 1: Lista de las naves industriales utilizadas

Nave Ubicación Área (m2) Zona Sismica Vel RegC-I Edo de México 23656 C 125C-II Edo de México 13468 C 125H-I Monterrey 18979 A 105H-II Monterrey 17850 A 105TR-I Edo de México 22320 C 115TR-II Edo de México 16580 C 115

11


0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

M-2 M-11 M-12 M-16 M-19 M-20 M-22 M-25 M-26 M-28 M-33 M-37 M-40 M-41 M-44 M-47 M-50 M-55

Áre

as d

e ac

ero

(cm

²)

Muros t=18.42 cmMuros t= 13.97 cm

Fig. 11 Áreas de acero en los muros sólidos, la línea horizontal indica el área de acero mínimo

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00


Áre

a de

Ace

ro (c

m²)

Muros t=18.42 cmmuros t= 13.97 cm

Fig. 12 Áreas de acero en las franjas laterales de los muros con huecos, la línea horizontal indica el área de acero mínimo


12

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00


Áre

a de

Ace

ro (c

m²)

Muros t=18.42 cmMuros t= 13.97 cm

Fig. 13 Áreas de acero en la franja central de los muros con huecos, la línea horizontal indica el área de acero mínimo

Comentarios finales del diseño de los muros Se encontró que los muros pueden ser diseñados utilizando el reglamento de construcciones del DF, sin embargo permanece la incertidumbre si los efectos de segundo orden son considerados adecuadamente, además se desconoce si el muro tendrá un buen desempeño sísmico en el caso de presentarse un fenómeno de gran intensidad. Es evidente que se requieren estudios más a fondo con pruebas en laboratorio con sismos intensos que permitan establecer de una forma más aproximada el comportamiento real de éstos muros ante demandas sísmicas más elevadas. Se debe tomar muy en cuenta que en los manuales de diseño de los muros Tilt-Up, y en algunos estudios (Carter, et al., 1993), se encontró las conexiones de estos muros son su principal punto débil ante los efectos sísmicos, pues en general tienen un desempeño pobre ante demandas intensas, y las solución propuesta por el mismo reglamento de aumentar las fuerzas sísmicas en un 30% para el diseño de las conexiones suena muy somera y probablemente no sea la adecuada.

En cuanto a los resultados presentados, se observa que todos los muros que presentan bajas demandas, no tienen huecos, y cuentan con refuerzo en dos lechos, fueron armados con el acero mínimo, sin embargo si se utiliza una sola parrilla éste valor se incrementa. Por otra parte, las cantidades de acero en los muros con éste tipo de refuerzo son muy semejantes entre si, aun cuando las condiciones de carga sean distintas. La gran dispersión en los armados de los muros con huecos muestra que no es posible generalizar el comportamiento de las franjas, por tal motivo resulta necesario hacer el análisis de cada una de ellas, bajo las diferentes condiciones de carga según sea el caso.

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CUANTIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Y COSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN Para la cuantificación de los materiales, se emplearon las mismas 6 naves del diseño más un grupo igual de naves con el sistema de marcos de acero, para que a partir de los datos de cantidades de material, trazar una curva de comportamiento de costos contra longitudes, dicha curva fue ajustada con un procedimiento estadístico a través de polinomios ortogonales (Forsythe, 1954), y así aproximar los valores que se encuentran por fuera de la muestra. Para efectos ilustrativos, se muestran los resultados de la cuantificación de dos naves, construidas en la misma zona y con áreas de construcción similares, estas se describen en la tabla 2. Tabla 2: Naves utilizadas para ejemplificar la cuantificación

Nave: Tres Ríos Edificio 4 ID: TR-IVTipo de Estructuración:Marcos de acero formados por armaduras y columnas de sección IR con fachadas de lámina de aceroCimentación Zapatas AisladasDimensiones: 140.21x 206.05Área Total: 28890 m2

Nave: Tres Ríos Edificio 1 ID: TR-ITipo de Estructuración:Marcos de acero formados por armaduras y columnas de sección IR Muros Tilt-Up en las fachadasCimentación Zapatas Aisladas y zapatas corridas en el perimetroDimensiones: 283.48x 78.417Área Total: 22230 m2

La cuantificación de las naves incluye las cantidades de material empleadas en la superestructura y las cantidades de material en la cimentación, normalizadas con respecto al área total. Se presenta junto a la tabla de resultados, su planta estructural y un corte sobre uno de los ejes principales (figs 14 y 15 respectivamente)


14

9 14 17 1417

18

16

10

1010

21

211515

10

10

19

19

19

17 14 99

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

14 13 12 11 10 9 8 7

7" 7'

6 5 4 3 2 1

M-1

M-1

P

AH AH AH AH AH AH AH AH AH AH AH AH AH

AH AH AH AH AH AH AH AH AH AH AH AH AH

M-1

M-1

M-1

M-1

M-1

M-2

M-2

M-1

M-1

M-1

M-1

M-1

M-1

P

22

A B C D E F G H I J

Fig. 14 Planta estructural y corte de la nave industrial Tres Ríos edificio 4

Tabla 4: Cuantificación de materiales en la nave TR-IV CONCEPTO kg/m² de construcción

placa Base 0.4 columnas 12.9 armaduras 3.7

trabes metálicas 0.4 marcos rígidos ------

puntal ------ arriostramiento 0.7

elementos de fachada 1.2 largueros de cubierta ------

joist de cubierta 9.7 contraflambeos 1.1

contraventeos en cubierta 0.5 contraventeos en fachada 1.5

lamina cubierta 11.1 lamina de fachada 1.5

conexiones 2.1 TOTAL 46.8

CONCEPTO m3/m² de construcción zapata concreto 0.0114

TOTAL 0.0114 AREA TOTAL= 140.21m x 206.05m = 28890 m²

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Fig. 15 Planta estructural y corte de la nave industrial Tres Ríos edificio 1

Tabla 4: Cuantificación de materiales en la nave TR-I CONCEPTO kg/m² de construcción

placa Base 0.58 columnas 9.94 armaduras 4.74

arriostramiento 0.38 joist de cubierta 9.18 contraflambeos 1.1

contraventeos en cubierta 0.48 lamina cubierta 11.1

conexiones 2.2 TOTAL 39.7

CONCEPTO m3/m² de construcción Muros Tilt-Up

Concreto reforzado 0.08 TOTAL 0.08

CONCEPTO m3/m² de construcción zapata concreto 0.011

Zapata corrida (muros Tilt-Up) 0.012 TOTAL 0.023

AREA TOTAL= 283.48m x 78.417m = 22230 m²

Tabla 5: Totales en la cuantificación Concepto TR-IV TR-IEstructura Metálica (kg/m²) 46.8 39.7Estructura de Concreto (m3/m2) 0 0.08Cimentación (m3/m2) 0.0114 0.022


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Para comparar los pesos de las naves con el sistema Tilt-Up y las naves con marcos de acero, se obtuvo el peso total de la nave (incluyendo los muros) y se normalizo con respecto al área, los pesos mostrados son los que corresponden a un solo marco tomando únicamente el peso tributario de muros que le corresponde al considerar que la separación entre ejes es de 15.85 m (52 pies).Los datos obtenidos y la curva se muestran en la fig 16 y en la fig 17 se realiza la comparación entre éstos muros y los formados por marcos de acero.

Peso versus Longitud del claro

0

10

20

30

40

50

60

70

8 16 24 32Longitud del claro (m)

Peso

(kg/

m²)

Datos de PesosCurva Ajustada

Fig. 16 Curva de peso unitario vs longitud del claro para muros Tilt-Up

0

10

20

30

40

50

60

10 15 20 25 30

Longitud (m)

Peso

(kg/

m²)

Tilt UpMarcos de Acero

Fig. 17 Comparación de curva de pesos de naves con muros Tilt-Up y naves con marcos de acero Se observa que en cuanto a materiales, las naves industriales construidas con muros Tilt-Up son hasta 6 veces más pesadas que las naves con marcos de acero. Se distingue que las cantidades de acero requeridas son ligeramente más bajas en las que tienen el sistema Tilt-Up que en las de marcos de acero, lo cual en términos económicos se puede traducir en que tan solo la parte interna de la nave con muros costará el 85% de lo que cuesta la nave marcos de acero. Otra cosa a destacar es el costo del diseño estructural, pues mientras que un edificio se cobra exclusivamente por los metros cuadrados de construcción, los muros Tilt-Up, al obligar a diseñar entre 50 y 100 paneles

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adicionales a la estructura metálica, representa una mayor cantidad de horas hombre, obligando al especialista en diseño a cobrar más cara una nave industrial con éste sistema.

Tabla 5 Ventajas y Desventajas del sistema con Marcos de acero Ventajas Desventajas

Rapidéz en su construcción El alto costo actual del acero

Los canalones se colocan por fuera, se aisla el agua Proveé menor seguridad

El firme se hace una vez que la lámina se ha colocado, esto implica que tenga menor proclibe durante la obra

Tiene menor belleza arquitectónica

Los costos de mantenimiento pueden ser menores

Se puede tener un orden en el sistema constructivo y no afecta el montaje de la estructura ni de instalaciones

Mayor posibilidad de adquirir mano de obra

Se pueden realizar las construcciones y excavacione aledañas sin interferir con el proceso

Gran facilidad para ampliaciones o modificaciones de la nave

No se requieren elementos o accesorios especiales


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Tabla 6 Ventajas y Desventajas del sistema Tilt-Up Ventajas Desventajas

Belleza Arquitectónica Construcción más lenta si no se tienen las condiciones climáticas adecuadas

Se eliminan columnas perimetráles Requiere mantenimiento continuo depintura

Rapidez de ejecución, siempre y cuando no halla calor excesivo o temporada de lluvias

Para el colado se requiere construir el firme, sobre el cual se hacen los diversos trabajos constructivos, pudiendo dañarlo

Se pueden hacer preparativos para ampliaciones futuras por medio de partes removibles (knock-outs)

Los canalones se colocan por dentro de la nave, lo cual propicia la entrada de agua en éstaEl sistema resulta en una nave más pésada, lo cual pude tener repercusiones importantes en zonas con alta sismicidadNo es posible avanzar en la obra más alla de la parte central hasta que se concluye el colado de los murosEs necesario colocar sistemas de apuntalamiento y arriostramiento temporales

Las conexiones de los muros con la estructura metálica pueden ser complicadas

En la zona de unión de la cubierta con el muro, es altamente probable que la acumulación de granizo.

Se requiere forzozamente construir zapatas corridas perimetrales para los muros

Debido al paso de la grúa de izado, no es posible hacer excavaciones ni construcciones aledañasLos costos se incrementa entre 7 y 10% para naves cuadradas y en 12 % para rectangulares

Si se construyen losas externas para el colado, los costos se incrementan en 5 %

Para tener un proceso constructivo secuencial de la nave, es necesario contar con por lo menos dos grúas, d eotra forma el proceso resulta un tanto desordenado

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CONCLUSIONES Se mostró que empleando los parámetros de los reglamentos mexicanos, se puede seguir una metodología para el diseño de los muros Tilt-Up similar a la usada en los manuales de construcción norteamericanos. Sin embargo, también se evidenció la existencia de varias incertidumbres para el diseño de los muros, pues muchos de los parámetros límite no existen en las normas nacionales, por lo cual a falta de otro valor, se utilizaron los contenidos en las normas estadounidenses, con la incertidumbre de si éstos valores son aplicables. Es evidente que para utilizar con toda seguridad muros Tilt-Up, se requiere hacer estudios de laboratorio sobre su comportamiento y así establecer esos valores que se desconocen. Resulta necesario el tener cuidado en el empleo de éste sistema de muros en zonas con una gran actividad sísmica pues la falla más común es debida a sus conexiones en la cimentación y entre muros, las cuales, de acuerdo al mismo manual de construcción de muros Tilt-Up, presentan un desempeño muy pobre ante éste tipo de demandas. Este desempeño se busca mejorarlo al incrementar las fuerzas sísmicas de diseño, sin embargo, ésta solución que probablemente sea adecuada al tipo de suelo y sismos en los Estados Unidos, -a reservar de tener pruebas que lo confirmen- podría no cubrir por completo las demandas de un sismo intenso en zonas con tipos de suelo blando. Se observó con respecto a los materiales empleados en su construcción, las naves industriales que utilizan el sistema Tilt-Up, resultan más costosas con respecto a las naves que se conforman con marcos de acero. Es evidente que éste sistema cuenta con muchas bondades, sin embargo si se aplica en México se debe hacer con una supervisión de gran nivel y el especialista en estructuras deberá estar conciente de los posibles problemas que a los que se enfrentará al diseñar los muros que los componen. RECONOCIMIENTOS. Se agradece a las empresas G-Acción y Arquitectura Habitacional e Industrial S.A de C.V (Abitat) por las facilidades otorgadas para la obtención de planos para el análisis de las naves industriales utilizadas en el presente trabajo. Se reconoce el trabajo y la colaboración en el procesamiento de la información y diseño de Sergio Valdes Constantino y Edgar Rangel Ramírez, cuya contribución fue determinante en el presente trabajo. Se reconoce además la asesoría técnica otorgada por Juan José Pérez Gavilán y Arturo Rodríguez Mendoza, así como los atinados comentarios de Manuel Antonio Taveras Montero.

REFERENCIAS American Concrete Institute; (2005); “Requisitos del código de construcción para concreto reforzado (ACI 318-05)”; ACI, Estados Unidos Brooks; H; (2002); “Ingeniería de Muros Tilt Up”; Manual TCA; Segunda Edición; Estados Unidos Carter J., Neil M.; “Seismic Response of Tilt-Up Construction”; Departamento de Ingeniería Civil universidad de Illinois; Estados Unidos Comisión Federal de Electricidad; (2003); “Manual de diseño por sismo”; CFE; México Comisión Federal de Electricidad; (2003); “Manual de diseño por viento”; CFE; México Forsythe, G. E.; (1954); “Generation and use of orthogonal polynomials for data-fitting with a digital computer”, Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, Vol 5, No 2; p 74-88 González O.; Robles, F.; (2006), “Aspectos fundamentales del concreto reforzado”, Limusa; cuarta edición; México; 802 pp


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Gobierno del Distrito Federal; (2004); “Reglamento de construcciones para el Distrito Federal”; Gaceta Oficial del Distrito Federal; México. Gobierno del Distrito Federal; (2004); “Normas Técnicas Complementarias para el diseño y construcción de estructuras de concreto”; Gaceta Oficial del Distrito Federal; México. Gobierno del Distrito Federal; (2004); “Normas Técnicas Complementarias para el diseño por sismo”; Gaceta Oficial del Distrito Federal; México. Meli, R.; (2001); “Diseño Estructural”; Limusa; Segunda Edición; México; 592 pp Tilt Up Concrete Asosiation, “Manual de diseño y construcción Tilt-Up”; TCA; Segunda Edición; Estados Unidos

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APÉNDICE A: DESCRICIÓN DETALLADA DEL PROCESO CONSTRUCITOV DE LOS MUROS TILT-UP La elaboración de muros tilt up se divide básicamente en seis etapas: Primera Etapa (Preparativos) 1.1.-Recibir y revisar los planos autorizados para construcción, en esta etapa es importante verificar las placas de conexión con la cimentación, las de conexión entre muros y aquellas donde se recibirá la estructura interna (joist, largueros, armaduras, contraflambeos etc.). Para efectos constructivos, se consideran los dos tipos de placa siguientes: A.-Placas empotradas: este tipo de placas por lo general cuenta con pernos y refuerzos (frecuentemente de varilla), que van soldados a la placa, cabe mencionar que se colocan bayonetas en el refuerzo de la placa para poder insertar en el armado del muro. Estas placas por lo general se emplean para la conexión de la cimentación, conexión entre muros y con la estructura principal (fig A.1).

PLACA CON BAYONETAS

PLANTA

PLACA CON BAYONETAS

Fig. A.1 Placas con bayoneta B.-Placas embebidas: éstas se colocan cuando esté fraguando el concreto y solamente contaran con pernos, estas son usadas generalmente como soporte secundario a la estructura.

PLACA EMBEBIDAS

Fig. A.2 Placas embebidas 1.2.-Para llevar a cabo el izado de los muros Tilt up se coloca una serie de elementos que permitan realizar el levantamiento, a estos elementos se les conoce como insertos y pueden ser de dos tipos:


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A.-COIL BOLT 3/4 X 4" BURKE (fig A.3), este tipo de inserto sirve para poder atornillar los bracers (bracer son elementos tubulares que pueden ajustarse a cierta longitud, son metálicos y muy parecidos en función a un gato hidráulico).

Fig. A.3 Coil Bolt 3/4 B.-SL III RING CLUTCH (fig A.4), este tipo de inserto sirve para poder colocar los “grilletes” (elementos de sujeción), los cuales permitirán el izaje del muro.

Fig. A.4 SL III Ring Clutch 1.3.-Se deben revisar los bordes y las molduras, de los muros pues por regularmente éstas tienen continuidad entre muros, de igual modo se deben revisar los diferentes vanos que se emplean para colocar puertas, ventanas, extractores, pasos de tuberías, etc., de igual modo se deben distinguir de aquellos que solo quedarán marcados previendo una futura expansión (knock outs). Segunda Etapa 2.1.-Preparación de área de colado: En este punto se limpiará, nivelará y pulirá la zona donde se hará el colado de los muros. Dado que la parte inferior será la fachada, es importante que ésta no tenga imperfecciones. Los muros se pueden colar en dos tipos de áreas:

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A.-En piso: se puede preparar el muro tilt up sobre el mismo piso ya colado de la estructura. El inconveniente que existe con este punto es que al momento de izar el muro se puede dañar el piso, ya que tendrá que deslizarse el muro por el piso y posteriormente se presentaran marcas que pudieran ya no eliminarse. La parte favorable se observa en la reducción de costos. B.-Casting: colada fuera de la edificación con las dimensiones del muro y con un sobre ancho para poder colocar la cimbra. Su inconveniente es que requiere de preparar el terreno, compactar, colar y posteriormente pulir elevando el costo, la ventaja de hacerla externa es que es independiente de los trabajos en el interior de la nave. NOTA: También se puede aprovechar casting y colados en piso colando muros tilt up en paquete y/o sándwich; es decir, uno encima de otro esto se tiene que consultar con la supervisión dado que en algunas ocasiones se tienen que eliminar varillas de anclaje y colocar posteriormente con epóxico. 2.2.-Diseño y preparación de la cimbra: para fabricar la cimbra, es importante que la madera sea de primera calidad y tenga acabados que no produzcan imperfecciones en los muros, durante este proceso tendrá que realizarse un trazo en el piso que se este cimbrando (generalmente se realiza con tiralíneas) para verificar la correcta colocación de las molduras, form line, placas, y otros elementos. Dentro de este proceso es importante contar con todos los elementos necesarios para no detener en ningún momento al contratista (adhesive backed shoe, reveal stix, bond breaker, tilt up insert, wall brace insert, coil bolt burke, sr III ring clutch, etc.). NOTA: En colocación de los form lines es recomendable colocar piezas completas y cuando por el ancho del muro requiera más de una hoja, deberá realizarse empatadas al ras evitando traslapes para evitar que las fachadas tengan mal acabado. 2.3.-Preparación del acero: en este punto es importante definir cuantas camas de acero requiere cada muro, asi como refuerzos adicionales, para trabes, bajadas pluviales, ventanas, cortinas, puertas, extractores y vanos a futuro, en este punto es cuando se colocan las placas empotradas. Las calzas o silletas que se ocupen para las parrillas de acero deberán de ser estrictamente plásticas y con el recubrimiento que se requiera por diseño. 2.4.-Preparación de pasos para instalaciones: es importante listos todos los pasos para instalaciones ya que aquellas que se omitan deberán realizarse cuando ya el muro este izado, complicando el trabajo y pudiendo dañar al muro: Tercera Etapa 3.1.-Colado de muro: es conveniente realizar trabajos previos de limpieza ya que durante la colocación de las molduras y acero tiende a quedar residuos que aparecerán en la fachada, los cuales son muy difíciles de retirar posteriormente y darán mal aspecto a la fachada 3.2.-Vaciado de concreto: durante este proceso es importante revisar que el concreto tenga la resistencia y revenimiento adecuados, se procurará que el vibrado del concreto sea adecuado para evitar oquedades, es importante que se deje el acabado perfectamente a nivel y sin imperfecciones. 3.3.-Colocación de placas embebidas: estas placas se deberán de colocar en cuanto comience a fraguar el concreto para evitar su hundimiento, se debe verificar que queden bien alineadas para la conexión con la estructura secundaria de la nave. NOTA: es importante anotar fecha de inicio de colados para así darles su tiempo requerido de fraguado y comenzar a solicitar la grúa que se encargara de izar los muros cuando estos ya tengan la edad y resistencia requeridas.


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Cuarta Etapa 4.1.-Ubicación de placas en cimentación: se revisa que las placas estén correctamente colocadas en la corona de la cimentación, en este punto se puede rectificar con apoyo de topografía para realizar el depieze de los muros y revisar que la colocación de éstas coincida con las de los muros. Es muy importante realizar este despieze anticipadamente ya que cualquier eventualidad se podrá resolver anticipadamente. 4.2.- Preparación de terreno para grúa: Se prepara el terreno donde circulará la grúa dado que éstas en general no se pueden desplazar por terrenos inclinados. 4.3.-Colocación de ángulo: para alinear los muros, se coloca un tramo de ángulo (30-60 cms de longitud), es importante anticipar este trabajo dado que requiere barrenar y colocar taquetes en la cimentación. 4.4.-Limpieza de muro: en esta etapa es importante comenzar a retirar todo el concreto que se halla quedado encima de las placas, descimbrar cantos de muros (en medida de que el cimbrado de los mismos lo permita), y limpiar completamente el muro, esto con la intención de evitar reparaciones cuando este izado el muro ya que se complicara la limpieza. 4.5.-Colocación de mensulas: estos elementos sirven para soportar las armaduras principales de la cubierta, en este trabajo requiere un topógrafo que proporcione el nivel para evitar posteriores ajustes. NOTA: Es importante aclarar que debe de dejarse una franja de piso sin colar, esto con la finalidad de realizar una conexión del muro con el piso, esto se logra colocando un armado en piso y ligando con las barbas y/o preparaciones de varilla que se dejen en el muro a nivel de piso. Quinta Etapa 5.1.-Ubicación de insertos: este proceso es relativamente fácil ya que los insertos cuentan con unas “barbas” de plástico para poder identificarlas, solamente se requiere retirar la tapa de protección que traen para que no les penetre el concreto y dañarlas. 5.2.-Colocación de apuntalamientos, estos deben de colocarse de acuerdo a los que se requieran por diseño en cuanto a longitud y diámetros, (comúnmente se requiere realizar o un ángulo de 45° o 60°), la colocación se realiza de la siguiente manera: 1.-se ubica el inserto (tipo coil bolt burke), 2.-se atornillan el extremo del elemento con el inserto coil bolt burke y 3.-se tiende sobre el muro. Un muro deberá llevar al menos dos elementos de apuntalamiento. 5.3.-Colocación de balancín (conjunto de estrobos, poleas y grilletes) a la grúa para poder izar el muro: la elección de la capacidad de la grúa de izaje también se debe de ver reflejada en la capacidad de carga del balancín ya que es un punto muy importante para la seguridad del trabajo. La colocación de los grilletes se realiza en los insertos de tipo sl III ring clutch. 5.4.-Izaje de muro: Para éste proceso se requieren los siguientes elementos: A.-Operador de grúa y a un coordinador de movimientos: el coordinador es la persona que se encuentra visualizando la maniobra y generalmente es la persona indicada para dar indicaciones al operador de la grúa ya que el operador tiene muchos puntos ciegos. C.-Topografía: se requiere de una cuadrilla de topografía de tiempo completo, ya que estas personas serán las encargadas de estar nivelando y plomeando los muros, esto es importante ya que cualquier desplome se vera reflejado en la colocación de las conexiones posteriores. B.-Montadores: son las encargadas de cargar y colocar los apuntalamientos durante el izaje del muro, esto es, se encargan de ubicar y perforar el piso para colocar el taquete opresor y fijar éstos elementos con tornillo.

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5.5.-Conexiones a muro: en este punto existen varias conexiones que tendrán que realizarse para darle estabilidad al muro: A.-Conexión de estructura: se realizan con las armaduras principales conectadas a las ménsulas de los muros tilt up y con el apoyo de los joist soldadas a las placas embebidas. B.-Colocación de placas de conexión muro-muro: esta conexión se realiza estando dos muros consecutivos y en esta conexión se puede ver reflejada cualquier desplome de muro, ya que las placas tendrán que quedar perfectamente empatadas. C.-Colocación de placas de conexión muro-cimentación: estas placas se encuentran en la parte inferior del muro y se conectan con las placas que fueron colocadas anticipadamente en la cimentación. Es conveniente cubrir estas conexiones con un pequeño colado de concreto pobre solamente para evitar la oxidación. D.-Colado de piso: como se menciono anteriormente se requiere dejar una franja de piso sin colar para poder unir el armado de piso con las barbas que se dejan en el muro y en este punto se requiere colar para darle completa estabilidad al muro: Sexta Etapa 6.1.-Aplicación de resane: dado a que puede existir burbujas y porosidad en los muros se requiere aplicar resane en los muros, el punto que hay que cuidar es que el acabado del resane quede completamente liso ya que de dejar un acabado poroso se vera reflejado como detalle en la pintura. 6.2.-Arreglo de molduras: durante el colado de los muros puede llegar a desplazarse alguna moldura lo cual puede ocasionar que la moldura en fachada se aprecien “torcidas”, es conveniente que durante el izaje de los muros se aprecien si existen molduras dañadas y de ser así es conveniente repararlas lo mas pronto posible ya que dichas reparaciones son tardadas. 6.3.-Aplicación de pintura: este es el último paso para la terminación de los muros tilt up, antes de aplicar pintura es recomendable lavar los muros ya que por el proceso de construcción pueden tener polvo, grasa, etc. lo cual puede generar que no exista buena adherencia de la pintura hacia el muro.

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural COMPARATIVA … · de éste sistema desde los puntos...

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