Estructura mixtas

Estructura mixtas

Se definen estructuras mixtas aquellas en que se utiliza miembros de construcción de acero y hormigón, incluido el hormigón armado, la más común de las aplicaciones de este concepto. Sin embargo, el interés de este documento es mostrar otras aplicaciones de estructuras mixtas que hagan actuar en conjunto elementos de hormigón y elementos de acero distintos de las barras de refuerzo que corresponden al hormigón armado. Más que profundizar en aspectos específicos del cálculo estructural, para lo cual recomendamos algunos documentos (Roberto León; Ricardo Herrera, Juan Felipe Beltrán y Leonardo Massone), intentaremos compartir una visión de estas estructuras mixtas como un recurso disponible al servicio de los proyectos de arquitectura. Las ventajas de las estructuras mixtas y las motivaciones que llevan a su aplicación pueden ser de variada índole, desde estructurales, de resistencia al fuego o incluso constructivas.

Pese a las evidentes ventajas en materia de resistencia al fuego que proveen los recubrimientos de hormigón de los perfiles de acero, no hay que confundir esa solución constructiva con las estructuras mixtas. En efecto, en dichos casos, el hormigón de recubrimiento sólo cumple la función de protección.

En términos estructurales, las estructuras mixtas permiten optimizar el trabajo de cada uno de los componentes (el acero a tracción o compresión, y el hormigón a compresión), logrando atractivas soluciones tanto desde el punto de vista de la estructura como del diseño. Comentaremos más adelante algunos ejemplos de soluciones para distintos componentes de un edificio.

Por otra parte, en algunos casos la cantidad de barras de refuerzo en los miembros estructurales de hormigón reforzado dificulta el adecuado vaciado y vibrado de los mismos, lo que ha llevado a proponer concentrar las secciones de acero en barras en algunos perfiles de acero. Esta situación se puede dar tanto en las soluciones con perfiles de acero embebidos en el hormigón (perfiles HEB, por ejemplo) como aquellas en que elementos de acero envuelven la estructura (como “encamisados” de planchas de acero en pilares de sección circular). Un ejemplo de esto último lo mostramos en el caso del edificio de la Torre Titanium, de Santiago de Chile. En ese caso, la envoltura de acero actúa tanto como encofrado (moldaje) como parte del refuerzo de acero.

Torre Titanium – Santiago de Chile

En la misma línea de estructuras mixtas se levantaron algunos edificios de media altura con el sistema de Hormigón Armado Prefabricado (HAPE) desarrollado en Chile por el ingeniero Jorge Espinoza Otto. En este sistema prefabricado en planta, las columnas, vigas y arriostramientos se prefabrican en base a un núcleo interior en perfiles soldados doble T en dimensiones según cálculo que se complementa con las barras de refuerzo del hormigón y el recubrimiento de concreto. Las uniones se materializan en terreno entre los miembros de acero y son soldadas y/o apernadas, según corresponda al detalle. El nodo es, posteriormente recubierto con concreto vaciado en obra.

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Una aplicación interesante y reciente de la construcción mixta acero – hormigón corresponde al Edificio Cruz del Sur, de los arquitectos Izquierdo y Lehmann, en Santiago de Chile. El edificio terminado en septiembre de 2009 (pocos meses antes del terremoto de febrero 2010) tiene una forma de pirámide invertida y representa un desafío estructural muy interesante. Cabe mencionar que tuvo un excelente desempeño en el terremoto que afectó a Chile el año 2010, al que resistió sin sufrir daños.

Estructuralmente, las cargas laterales que pueden afectar al edificio son tomadas por los muros del núcleo central, mientras las columnas del perímetro toman las cargas verticales. La transferencia de estas cargas verticales desde el perímetro al núcleo en el punto de quiebre se logra mediante el uso de columnas mixtas. En los anexos se adjunta un breve artículo con más antecedentes de este proyecto.

Edificio Cruz del Sur; Izquierdo y Lehmann; Fuente http://ingenieriaycomputacion.blogspot.com

En general, aunque más adelante mostraremos por separado los componentes de una solución mixta, la aplicación de estos componentes estructurales mixtos es posible en sistemas estructurales convencionales como, por ejemplo, marcos de momentos, marcos arriostrados y/o conexiones de muros de hormigón armado mediante vigas mixtas.

1. Vigas Mixtas

Una de las primeras aplicaciones de la construcción mixta fue la combinación de vigas de acero y losas de hormigón. El aporte de la losa a la rigidez permite reducir el la altura de las vigas. Sin embargo, para que esta colaboración realmente sea efectiva se debe asegurar que las vigas de acero y la losa de hormigón actúen en conjunto, evitando los desplazamientos relativos entre ambos componentes. Para ello se hace necesaria la incorporación de conectores de corte entre ambos componentes.

Existen diferentes soluciones para materializar estas conexiones de corte pero, básicamente, lo que se espera es que, por una parte se evite el deslizamiento entre los componentes y por otra que, resultado de la actuación conjunta de la losa y la viga de acero, el eje neutro se desplace hacia la losa, con lo que la altura total de la viga estará solicitada a tracción, su condición de trabajo más eficiente, como se expresa en la figura 02. Al aplicar esta solución mixta, adicionalmente también se puede reducir la anchura de ambas alas de la viga.

  • La figura a es una viga mixta con pernos de corte y losa de hormigón armado realizada in situ.
  • La figura b es una losa prefabricada con huecos en los pernos de corte para asegurar la unión entre los dos materiales.
  • La figura c es una losa prefabricada con una junta longitudinal que cae sobre la viga de acero donde se sitúan los pernos de corte.

 

Soluciones de vigas mixtas La figura d y e son unas vigas mixtas con una unión entre acero y hormigón por rozamiento, mediante pernos. La losa puede ser prefabricada o realizada in situ.

  • La figura f es una viga mixta de entramado con losa prefabricada, en la cual la viga no cuenta con el cordón superior y es fijada con pernos a la losa.

Esta solución es posible de aplicar en losas tradicionales vaciadas in situ y también (aunque con algunas complejidades de construcción adicionales) en soluciones de losas o losetas prefabricadas de hormigón armado y/o pretensado. En estos últimos casos, se deben dejar perforaciones en los componentes de hormigón prefabricado que permitan materializar la conexión y completar mediante vaciado in situ el hormigón que completa la solución.

2. Losas mixtas

Hoy en día se han desarrollado sistemas conocidos como Steel deck (sofitos metálicos) que ya hemos comentado anteriormente y que permiten resolver en forma eficiente aspectos de constructividad importantes: la eliminación de los encofrados o forjados necesarios para vaciar el hormigón de la losa y la drástica reducción de los sistemas de soporte o alzaprimados de los forjados de losas, lo que permite una mayor libertad de trabajo en el piso inmediatamente inferior. En el sistema de steel deck, las tensiones de tracción en la cara inferior de la losa son resistidas por la chapa de acero. Aunque en el lenguaje corriente se suelen mencionar como losas colaborantes, en estricto rigor los steeldeck o sofitos metálicos pueden ser colaborantes o no colaborantes. El grado de colaboración cubre una amplia gama, desde 0 al 100 %. En Latinoamerica, hay varias patentes asociados a esta solución.

Igual que en el caso anterior, es importante asegurar la conexión entre la chapa de acero del steel deck y la losa de hormigón a fin de lograr un efectivo trabajo conjunto. Para ello, los productos tipo steel deck desarrollados suelen tener indentaciones en sus caras que aseguren esa conexión mecánica. Es importante señalar que en el caso de las soluciones de losas con Steel deck, se deben instalar igualmente los conectores de corte que conectan las vigas y la losa de hormigón.

Aunque están concebidos como soluciones que se complementan muy bien con una estructura principal de acero, se conocen aplicaciones en edificios estructurados con marcos de hormigón armado que han optado (por las razones de constructivas ya mencionadas: velocidad de construcción, eliminación de forjados o moldajes y por la reducción de las alzaprimas en los pisos inferiores). Es el caso de otra de las grandes torres construidas en los años recientes en Chile: la Torre del Costanera Center.

3. Columnas

En el caso de las columnas se conocen básicamente dos tipos de miembros mixtos, a saber, los confeccionados con perfiles embebidos en el hormigón (conocidos como ferroconcreto) y los perfiles tubulares rellenos de hormigón (concrete-filled tubes o CFT) como los ya comentados en el caso del edificio Titanium.

En el caso de los miembros tipo ferroconcreto, el perfil embebido aumenta su capacidad al pandeo y su resistencia al fuego. Se requiere de armadura de refuerzo transversal para confinar el hormigón y restringir el pandeo de las barras de refuerzo.

En los casos de los CFT el tubo o encamisado de acero actúa como forjado o moldaje y, simultáneamente como parte de la enfierradura de refuerzo transversal y/o longitudinal. Como ya hemos visto, dependiendo de las solicitaciones y del proyecto, esta solución es posible de complementar con barras de refuerzo longitudinal y transversal. El hormigón actúa, a su vez en la doble función de retrasar el pandeo local del tubo de acero y como disipador del calor por masa térmica, colaborando a mejorar la resistencia a altas temperaturas de la columna mixta (Shakir-Khalil 1988, Wang 2002 en Disposiciones de diseño para elementos compuestos; Herrera, R; Beltrán, L.F)

4. Arriostramientos

Para edificios con marcos arriostrados existen distintas soluciones de miembros de arriostramiento que combinan las soluciones comentadas arriba: un encamisado exterior en acero que contiene un relleno de hormigón que lleva, además uno o más insertos de perfiles de acero. Como se muestra en los esquemas siguientes, núcleos cruciformes o núcleos en base a pletinas simples o dobles son los encargados de tomar las cargas axiales de compresión y tracción en tanto el relleno de concreto tiene la responsabilidad de evitar el pandeo del núcleo. En este caso, es importante que no exista adherencia entre el acero del núcleo y el hormigón A su vez, el encamisado actúa muy eficazmente en el confinamiento del hormigón. Sin embargo, como señalan Herrera y Beltrán, muchas de estas soluciones están asociadas a patentes que llevan a que para la utilización de esta solución se deba acudir a los fabricantes exclusivos.

Hemos anexado algunos documentos que permiten profundizar en algunos aspectos del proyecto estructural y otras consideraciones que pueden ser de interés. En ellos, se da cuenta del estado del arte en materia de estructuras mixtas y se comentan algunas de las recomendaciones y códigos atingentes, como las AISC. Ellos son:

  • Desarrollos recientes en construcción mixtas en los Estados Unidos de Norteamérica; León, Roberto T. 
  • Disposiciones de diseño para elementos compuestos; Herrera, Ricardo, PhD., Beltrán, J. Felipe, PhD. 
  • Diseño Sísmico de estructuras mixtas; Herrera, Ricardo, PhD.
  • Recomendaciones de Diseño de Columnas Mixtas; Carrasco N., Sebastiçan; Herrera, Ricardo; Beltrán, J. Felipe; Massone, Leonardo; ALACERO
  • Artículo Interesante utilización de construcción mixta; Inmobiliaria Paz.

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