Download ejecución de estructuras mixtas, en jácenas de sótanos

V CONGRESO DE
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EJECUCIÓN DE ESTRUCTURAS MIXTAS, EN JÁCENAS DE SÓTANOS
PARA APARCAMIENTO DE VEHÍCULOS. ENSAYOS EXPERIMENTALES
SOBRE SU COMPORTAMIENTO MECÁNICO
Eduardo MARTÍNEZ MOYA
Arquitecto
Edartec Consultores, S.L.
Director
eduardomm@edartec.com
Manuel SÁNCHEZ GARROTE
Ingeniero Industrial
Edartec Consultores, S.L.
Director Área Técnica
msanchez@edartec.com
RESUMEN
Para construir un sótano de aparcamiento de vehículos de seis plantas de profundidad, se decidió
adoptar un modelo estructural a propuesta de la empresa adjudicataria de las obras, consistente
en la ejecución de unos forjados de jácenas de estructura mixta: hormigón armado + acero
laminado. La aprobación por parte de la Dirección Facultativa para poder adoptar este modelo
estructural conllevó la realización de determinadas pruebas experimentales del comportamiento
real que presentan estas jácenas mixtas, ante la inexistencia de un marco normativo consolidado
en España sobre estas estructuras. Así ha sido posible analizar la interacción y comparar los muy
interesantes resultados del comportamiento empírico obtenido, en lo que respecta a
comportamiento a flexión, cortante, adherencia, rasante. Los mismos podrían calificarse de
excelentes, con respecto a las referencias normativas teóricas, bastante más conservadoras.
PALABRAS CLAVE: sótano, forjado, mina, excavación, jácenas mixtas, prueba de carga,
prelosas.
1. ANTECEDENTES
La Empresa Municipal de la Vivienda de Sevilla (Emvisesa), encargó a los arquitectos D. Alberto
Donaire Rodríguez y D.Eduardo Martínez Moya la redacción de un Proyecto inicial de 40
Viviendas, Locales Comerciales y Estacionamiento, situado en cinco parcelas del Plan Especial
C1 de Reforma Interior, Guadalquivir, Clavijo, Mendigorría en Sevilla. Este Proyecto de enorme
complejidad técnica y jurídica (por lo que suponían las estrictas condiciones urbanísticas), fue
redactado desde julio de 2002 y finalmente entregado en mayo de 2005. En paralelo, otro
organismo público, el Instituto Municipal de Deportes del Excmo. Ayto. de Sevilla, encargó a los
mismos arquitectos la redacción de un Proyecto de Centro Deportivo (Polideportivo, Graderío,
Gimnasio e instalaciones anexas), en el mismo sitio, ubicado sobre el techo del sótano del
estacionamiento de vehículos correspondiente al Proyecto anterior.
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D. Eduardo Martínez Moya es el proyectista y director de obra encargado de la estructura y
cimentación de los citados Proyectos.
Una explicación más detallada de las especialmente complicadas condiciones de partida de esta
obra se encuentra incluida en la ponencia remitida a Ache, número 086.
En relación al objeto de la presente, la ejecución de las obras ha contado con una problemática
básica que ha sido la necesidad de ejecutar seis plantas de excavación en sótano, mediante un
sistema ascendente-descendente, con tres de las plantas excavadas mediante el procedimiento
en mina. Ante las extremas condiciones de la obra para la empresa adjudicataria de las obras
Acsa Sorigué, la Dirección Facultativa aprobó la idea de un modificado de la estructura
consistente en el empleo de un modelo novedoso en el diseño de los forjados. El objetivo era
mejorar tanto las condiciones de construcción, como el plazo de las obras. Se propuso un
procedimiento de construcción semiindustrializado, mediante el empleo de útiles que permitieron
el movimiento controlado de placas prefabricadas (prelosas) sobre jácenas de estructura mixta de
hormigón armado + acero laminado. Sobre las prelosas se ejecutaba una capa final de
compresión de hormigón armado. Así, el modelo de estructura empleado en la ejecución de los
forjados, que originariamente era de losas macizas, ha pasado a construirse mediante un modelo
de trabajo unidireccional apoyado sobre vigas jácenas de naturaleza mixta y sin descuelgues:
estructura plana. Sin embargo, se sabe que no existe marco normativo consolidado en España,
existiendo bastante dispersión en las diferentes hipótesis de trabajo estructural sobre la
interacción de estas soluciones mixtas. No existen tanto normas, como referencias y realizaciones
(sobre todo es de interés la experiencia británica y nórdica). Por tanto, según las condiciones
exigidas por la Dirección Facultativa, se han realizado comprobaciones teóricas de gabinete que
han llevado a rediseños de los planteamientos primeros y además se han realizado
comprobaciones empíricas en la obra. Lo que se ha realizado es diseñar, calcular y construir en
base a criterios y conceptos de referencia normativa, y después comprobar con hasta tres pruebas
de carga de diferentes alcances y objetivos, el comportamiento real de las secciones construidas.
2. MODELO DE FORJADO EMPLEADO.
El diseño del forjado es variable en las seis plantas de sótano, dependiendo su dimensionado de
las condiciones de trabajo que cada uno de ellos tiene en función de sus solicitaciones respectivas
referentes a los empujes del terreno. Básicamente el modelo de forjado es el mismo, con matices
diferenciales en las seis plantas. Tan sólo varía el diseño de forma radical en el primero, el que
constituye la planta baja del edificio de aparcamientos (cota -0,00 m) que es el techo del primero
de los sótanos bajo rasante y además suelo de las pistas del polideportivo: en este caso se trata
de un forjado bidireccional (reticular) de hormigón armado con aligeramiento de poliestireno
expandido. Éste forjado es un forjado de tipo convencional y no tiene más interés para la presente
exposición.
Los forjados que aquí sí que se relacionan son de tipo unidireccional. Las luces típicas a cubrir
son de 800 cm x 750 cm. La luz de 8,00 m es la que corresponde a las vigas jácenas mixtas y la
luz de 7,50 m es la que resuelve con el forjado unidireccional que emplea la patente de prelosas
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de hormigón prefabricado HP-35, tipo Farlap-II. Los forjados que se diseñan son de cantos
325+75 (400 mm) para los sótanos de los niveles -1, -2 y -3; y de canto 325+100 (425 mm) para
los sótanos de los niveles -4 y -5. Como ya se ha comentado, ya que están realizados mediante el
empleo de unas prelosas de hormigón prefabricado sobre las que se ejecutó su correspondiente
capa de compresión de hormigón armado, el forjado propiamente dicho, no aporta mayor interés
conceptual que cualquier otro forjado con piezas prefabricadas (unidireccionales clásicos). Es
también sabido, que las piezas prefabricadas prelosas no acostumbran a ser usuales y menos con
las exigencias técnicas esencialmente derivadas no sólo de la carga a soportar, sino de su papel
de protección/resistencia y estabilidad contra incendios en zona del aparcamiento de vehículos
(R120).
Figura 1. Detalle general de los forjados empleados en los sótanos: de 40 cm y de 42,5 cm de canto.
Figura 2. En la imagen de la izquierda agrupación de prelosas preparadas para ser colocadas sobre
las vigas jácenas que ya están montadas. En la parte inferior de la misma fotografía las prelosas
están colocadas y el poliestireno (aligerante) sobre las mismas. En la imagen de la derecha una de
las prelosas con el útil diseñado ex profeso para la manipulación de las mismas. .
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Figura 3. Planta general del forjado de nivel -3 del sótano para aparcamientos de vehículos.
3. MODELO DE VIGAS JÁCENAS EMPLEADAS.
El diseño de las vigas jácenas del forjado corresponde a un tipo de estructura mixta. Básicamente
su diseño es siempre el mismo, aunque con variaciones motivadas por dos razones: bien por las
características geométricas en sí (por ejemplo que sea obligado el dejar un hueco para paso de
instalaciones en el interior de la propia jácena), bien por las distintas solicitaciones, que hacen que
su armado sea el preciso y necesario en cada caso. El cálculo se ha efectuado como vigas en
continuidad para lo cual se han dispuesto una serie de armaduras de negativos sobre los pilares
(según necesidades). La armadura a positivo queda resuelta por la colaboración/interacción tanto
de una serie de barras corrugadas (convencionales), unidas mediante soldaduras a unos perfiles
de acero laminado de sección doble T, tipo IPE 200 ó UPN 200 más chapa inferior unida al
conjunto. Otras barras en distinta disposición resuelven la conexión y el rasante entre los
diferentes materiales, así como las necesidades de trabajo de la sección a cortante.
Figura 4. Detalle general tipo de viga jácena plana mixta: armaduras corrugadas+perfiles laminados.
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Figura 5. Planta parcial del forjado de nivel -4 del sótano: jácenas, macizados, placas y apoyos.
Figura 6. Sección de la jácena mixta. Perfiles laminados y corrugados. Chapa inferior y pasamanos.
Figura 7. Montaje del forjado unidireccional. Prelosas HP-35, aligerantes, ferralla y jácenas mixtas.
Armadura de negativos a ambos lados del pilar HEM y armadura adicional de cortante.
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Figura 8. Armadura de negativos, macizado sección en “T”, armadura de cortante y de unión placas.
Figura 9. Detalle de sección antes de hormigonado. Incluso “pasamanos” de conexión a rasante.
4. DIMENSIONADO DE JÁCENAS MIXTAS Y FUNDAMENTOS TEÓRICOS.
Los elementos del sistema estructural descrito son las jácenas mixtas de los cinco forjados
inferiores del sótano: -1, -2, -3, -4 y -5. Básicamente y en general su armadura de acero laminado
está formada por una placa base de 450x10 mm soldada a dos perfiles IPE-200 que van además
empresillados en sus alas superiores con platabandas de 180x80x5 mm cada 1,50 m. Las almas
de los perfiles IPE van también enlazadas mediante barras corrugadas de acero Ø12 espaciadas
cada 25 cm y soldadas en ambos extremos; estos conectores soportan a su vez y llevan soldadas
la armadura longitudinal (3Ø25 ó 4 Ø25 en las jácenas de los forjados de sótano -1 a -3 y 4Ø25 ó
2Ø20 en las jácenas de los forjados -4 y -5). Todo este dispositivo va embebido en el hormigón,
dentro del canto del forjado. La armadura superior en zona de momentos negativos es de 8Ø25
(en los niveles de los sótanos -1, -2 y -3) y de 8Ø25 + 2Ø20 (en los niveles de los sótanos -4 y -5).
Las jácenas van estribadas con cercos trapeciales corrugados de cuatro ramas Ø12, separados
cada 15 cm (cuatro cercos en cada intereje de nervios). Transversalmente, cruza las vigas la
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armadura superior que resiste los momentos negativos del forjado y da continuidad a los tramos
contiguos, más una barra Ø16 enlazando cada pareja de nervios a uno y otro lado de las vigas.
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Figura 10. Modelo geométrico elaborado para el estudio de la sección homogeneizada.
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Figura 11. Modelo geométrico elaborado para el cálculo de la sección homogeneizada en “T”.
Figura 12. Cálculo de las vigas jácenas mixtas en función de la sección homogeneizada.
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Figura 13. Análisis de tensiones fase en servicio. Viga V1.Sección transversal en apoyos (negativos).
Figura 14. Análisis de deformaciones ELS. Viga V1. Combinación 2 (permanentes + puntuales uso).
5. CONTROVERSIA DE TRABAJO A RASANTE.
Durante la ejecución de las obras se produjo un interesante debate técnico sobre la capacidad de
trabajo a rasante del modelo de diseño de estructura que se estaba construyendo. En el mismo
intervinieron además de los presentes, prestigiosos especialistas en este campo, como fue la
ingeniería Proes Consultores S.A. (D. Jorge Calvo Benítez, ICCP nº 10796.), la ingeniería Ayesa
(D. Ginés Aparicio Soto, ICCP), y el Departamento de Ingeniería de la Construcción de la UPC (D.
Antonio Marí Bernal y D. Enrique Mirambel Arrizabalaga, catedráticos ICCP y D. Jesús M. Beirán
García, profesor ICCP).
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La incapacidad del actual marco normativo español para establecer justificaciones numéricas
sobre la conexión básica mediante adherencia, la aplicación de la teoría del Eurocódigo 4, las
últimas experiencias que se tienen (fundamentalmente británicas y nórdicas), las tesis doctorales
sobre comportamiento estructural de los sistemas de forjados mixtos “slim floor”, las orientaciones
de la British Standard, el efecto de acuñamiento por confinamiento “shearfriction”…,etc; fueron
interesantemente analizados y esgrimidos en diferentes estudios al respecto de esta obra y estos
forjados.
La realización de tres pruebas de carga fue absolutamente decisivo y determinante sobre el
verdadero comportamiento de estos forjados. Más allá de los debates teóricos, la enseñanza
empírica fue palmaria y ha de reconocerse completamente esclarecedora. De la misma,
entendemos que aún será necesario seguir extrayendo conclusiones técnicas en el futuro que
avancen en el conocimiento mecánico de estas secciones, ya que el estado actual de
conocimiento si bien se reconoce asimismo insuficiente para el estudio y análisis previo de estas
secciones, aquí además habría que incluso calificarlo de “distante” para predecir el verdadero
trabajo mecánico de las mismas y explicar su comportamiento real. Las referencias teóricas que
se tienen sobre la tensión de adherencia entre hormigón y acero han acreditado su necesidad de
avance y desarrollo, por no decir su obsolescencia. Por un lado y con claridad, se podría concluir
sobre la mucha mayor complejidad del mecanismo real, que los descritos simplificadamente por
ciertos presupuestos teóricos establecidos en aplicación de la teoría actual. Por otro lado resulta
extraordinariamente significativo e interesante los muy apreciables resultados empíricamente
obtenidos sobre la mejora del comportamiento por interactuación de los materiales de estas
secciones mixtas.
6. PRUEBAS DE CARGA REALIZADAS.
El estudio “in situ” del comportamiento estructural de las jácenas mixtas empleadas ha sido
contrastado muy eficazmente mediante la realización de tres pruebas de carga. Las tres
realizadas en situaciones diferentes dentro del edificio y con distintos objetivos a analizar. Se
instalaron galgas extensométricas y flexímetros, se establecieron los adecuados protocolos de
carga y desacarga, se realizaron todas las mediciones, con sus pertinentes controles y de esos
datos se extrajeron resultados que condujeron a interesantes conclusiones experimentales sobre
la interacción de estas estructuras mixtas. Las pruebas de carga, fueron realizadas entre los días
4 al 6 de mayo, 13 al 16 de octubre y 14 al 16 de noviembre, todas en el año 2009. La primera se
realizó en base al contenido del artículo 101.2 de la EHE-08, (antiguo 99.2 de la EHE), apartado
“B”, como información complementaria con cargas en servicio. La segunda y la tercera se
realizaron según el mismo articulado pero según su apartado “C”, esto es, “pruebas de carga para
evaluar la capacidad resistente”.
Criterios relativos a conectores, adherencia, comportamientos a flexión y cortante han podido así
ser estudiados de forma excepcional, para un diseño estructural poco conocido por escasamente
empleado. Los datos obtenidos empíricamente pueden calificarse como excelentes, en todos los
casos superiores a todas las expectativas de cálculo teóricas que se habían manejado.
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Figura 15. Prueba de carga: piscina en ambos vanos más puntuales en centro de jácena.
Figura 16. Prueba de carga: flexímetros y control de temperatura y humedad.
Figura 17. Pruebas de carga: curvas de tensión-deformación según flexímetro (carga y descarga en
prueba de carga nº 2) y galga extensométrica (descarga de galga 2 en prueba de carga nº 1).
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