CONEXIÓN TRABE-COLUMNA DE ELEMENTOSPREFADRICADOS SIN PERNOS NI SOLDADURA

R Carranza Aubry’, R Martínez Hernhdez’ y E. Reinoso Angula’

’ Servicios y Elementos Presfonados S. k de C. V.Av. Nuevo Lebn 249, PB

Hipódromo Condesa, 06100 México D.F.

2 Instituto de Ingeniería, UNAMCiudad Universitaria, Apdo. Postal 70-472

Coyoacán 045 10, México D.F.

RESUMEN

Éste trabajo se centra en las conexiones entre elementos prefabricados que es uno de los aspectos mas importantespara el buen funcionamiento de este tipo de estrocturas. Se propone un tipo de conexibn innovadora que estáexenta de placas de acero y soldadura, lo que nos permite evitar los cambios bruscos de secciones y materiales,ademas de que es mas agradable a la vista al simular a una estructura monolítica. Se presenta la aplicación de laconexión propuesta en dos obras diferentes, en donde se obtuvieron excelentes resultados en cuanto a los tiempos deejecucion, comportamiento y economia.

SUMMARY

This work meant about to the connection between precast concrete elements that is one of the most importantaspects in the development of precast concrete shuctures. A new cormection that does not need to be welded isproposed without changes on precast elements sections neither materials. This connection avoids fragile failures.Also its appearance as a monolithic structure connection seems pleasant. The propose comrection is showed in twodifferent buildings where excellent results were obtained in terms of time, performance and economy.

INTRODUCCIÓNÉl ingeniero involucrado en el análisis, disefio, prefabricación, transporte y montaje de una estructura reticularprefabricada de concreto tiene como un gran reto el conectar las piezas prefabricadas que la integran, especialmentela unión columna-trabe, ya que en algunas ocasiones concurren hasta cuatro trabes en diferente direccibn en unamisma columna en cada nivel de la estructura. .

Uno de los mayores problemas que se presentan en tma estructura prefabricada, no es un análisis deficiente de laestructura, sino la poca importancia que se le ha dado al diseño de las conexiones entre los diferentes elementos quela forman. Debemos tomar en cuenta que la conexión recibir6 las descargas de cada elemento que se conecte a ella ydeberá ser capaz de soportalas y transferirlas a los demas elementos ( Arthur H. Nilson, 1982).

En los pricipios de la prefabricación en M&ico, únicamente se prefabricaban sistemas de piso como son vigueta ybovedilla, losa doble te y losas extnúdas, los cuales se colocan simplemente apoyados sobre trabes de soporte por loque no se tema la necesidad de diseflar sistemas de conexión entre elementos. Sm embargo, con el paso del tiempose fueron demostrando las ventajas de las estructuras prefabricadas sobre las tradicionales. Por ejemplo: Un menortiempo de ejecución de la obra y por lo tanto una recuperaci¿m mas rápida de la inversión, claros más grandes conelementos esbeltos y obras mas limpias durante su ejecucion. Estas ventajas han hecho que, hoy en día, lase&uc&ms sean casi totalmente prefabricadas y sea de suma importancia las conexiones entre los diferenteselementos que las forman.

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CONEXIONES PREFABRICADA!3

Características Generales

El disefio correcto de una conexión es indispensable para que la estructura trtije de acuerdo al modelo físico ymatemático con el cual se realizo el análisis estructural. A través de los silos se ha resueho este problema deconexión usando el ingenio y llegando a diferentes soluciones, tales como, mensuhts de concreto 0 acero las cualespueden ser visibles por debeljo de la trabe o se pueden disimular con éstas; las trabes pueden estar simplementeapoyadas o se les puede dar continuidad por medio de pernos, soldadura o postensado (figura 1).

Fig. 1 . - Diferentes tipos de conexión cohnnna-trabe empleadas.

Pocas conexiones han resuelto el problema de una forma totalmente satisfactoria, ya que en cualquier tipo deconexión se busca simplificar las diferentes etapas de una obra, como son:

Fabricacibn:-Que sea sencilla, es decir, que la fabricación de los diferentes elementos que la forman, como sontrabes y cohmmas, no se complique con accesorios soldados a su acero principal como placas de acero,elementos de anclaje para postensado, etc.

-Que no aumente la tipificación de cohmmas, es decir, que las columnas no sean muy diferentesgeometricamente entre sí, ya que esto representa un mayor trabajo de gabinete además de quecomplica la coordinacion entre la fabricaci¿m y el montaje de las piezas.

-Que no requiera del uso de muchos planos en obra para poder reahzame, ya que esto, ademas derequerir un mayor trabajo de gabinete es poco práctico de realizar en la planta y posteriormente enobra.

-La fabricaci¿m de los moldes debe ser sencilla para evitar retrasos en su elaboración y que no sean muycosmsos. Ademas no se debe requerir una gran cantidad de ellos ni deben requerir muchos cambiosentre cada colado.

Transporte:-Debe poder realizarse de una forma eficiente, es decir, que se puedan transportar el mayor número depiezas por viaje, ya que esto reducirá el mímero total de fletes que se tienen que realizar y porconsecuencia bajara el costo por este concepto.

-No se deben requerir de accesorios especiales para sujetar las piezas a las plataformas, ya que éstos soncostosos y difkultan la carga y descarga de las piezas.

Montaje:-La maniobra de montaje de las diferentes piezas se debe poder realizar en una forma rápida y sencilla,ésto evitará tiempos muertos de equipo, maquinaria y personal, lo que nos permitirá un sustancialahorro en el tiempo de ejecución de la obra.

-Se debe evitar el uso de equipo y mano de obra especializada como soldadores y personal depostensado, ya que esto eleva el costo de la obra y puede afectar el tiempo de ejecución en caso de notener sufkiente personal capacitado.

-Evitar o mittimizar el uso de soldadura de campo, ya que, requiere de un estricto control de calidad, selleva mas tiempo en su ejecución y además su costo es muy elevado.

-Que requiera poco 0 nulo soporte temporal de los elementos, ya que esto retrasa los tiempos deejecución.

-La apariencia final de la conexión debe ser agradable a la vista, es decir, debemos tratar de ocultar loselementos de sujeción, como son placas de acero, soldaduras, etc.

Principales tipos

A través de los aflos las conexiones en las estructuras prefabricadas se han resuelto, en forma global , en cuatrograndes grupos (IMCYC, 1966,1976,1981; PCI, 1988).

Con mf?nsulu corta.-Ésta es una conexión cercana al paÍl0 de la columna.Uno de los principies problemas constructivos que se presentan es almomento de colar las columnas, cuando se requiere ménsulas en las cuatrodirecciones, ya que debido a la gran concentración de acero en esa zona serequire de soldadura tanto dentro de las piezas a conectar como la uniónentre ellas (soldadura de campo), lo que hace que sea una conexión pocodtíctil (Cuevas y Robles, 1986). Como normalmente en una obra lascolumnas tienen diferente mímero y pusición de las ménsulas, es necesariocortar los costados y el fondo de los moldes y taparlos cuando no serequieran. Lo anterior provoca que los tiempos de colado se retrasen y obligaa tener un mayor numero de moldes aumentando el costo de la obra. Eltransporte se vuelve menos eficiente para las columnas debido a que las

FIG No 2- COLUMNA PREFABRICADACON CUATRO MENSULAS CWff6

ménsulas aumentan el ancho de las piezas, por lo que el numero de piezasque por geometria se pueden transportar por viaje es menor, aumentando el precio por este concepto. En lamaniobra de montaje tambion se tienen algunos problemas adicionales cuando no se tienen ménsulas en formaasimétrica, ya que al momento de izar las columnas para insertarlas en su posición en la cimentación estas seinclinan unpoco por el desequilibrio de peso fuera de su eje longitudinal(figura 2).

Con ménsula lurgu.-Ésta es una conexión alejada del paflo de la columnaque busca llevar la unión a una zona donde el momento es menor. Presentalos mismos problemas que la anterior (mfkula corta) aunque algunos enforma mas severa. Cuando se tienen ménsulas largas en las cuatrodirecciones se presenta un grave problema al momento de realizar el coladode la columna, ya que las ménsulas que quedan hacia el fondo y hacia arribason difíciles de realizar, los problemas de transporte y montaje son tambiénmayores, debido a que la geometria de las columnas las hace pocomanejables. Todo lo anterior hace que los precios de fabricación, transportey montaje de las piezas se incrementen aun mas (figura 3).

C O L U M N A PREFABRICbDh

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Con po~ewu&.-Este tipo de conexiones no tiene problemas de ductilidad,las columnas pueden o no estar provistas de m&rsulas. Cuando tienenménsulas presentan los problemas que anteriormente mencionamos, sinembargo cuando las cohmmas no cuentan con mensulas de apoyo, las trabestendrán que soportarse temporalmente por medro de apuntalamiento. Sedebe tener mucho cuidado con la posición de los duetos y anclajes para elpostensado durante el diseílo y fabricación de las trabes y columnas, ya queestos deben coincidir perfectamente al momento de montar las piezas paraque permitan el paso de los cables y se realice el postensado sin causarmomentos adicionales a la estructura. Todo lo anterior aunado al alto costodel postensado incrementa el tiempo y costo final de la obra (figura 4).

Solución propuesta.-Este tipo de conexión proporc’iona un nodo que es el más parecido a los nodos monolíticos delas estructuras tradicionales. La fabricación de las columnas se simplifica en gran medida, ya que al no contar conm&wlas no es necesario cortar el fondo ni los costados de los moldes. Ésto nos permite disminuir el mímero totalde moldes necesarios al poder darles un mayor número de usos sin grandes cambios. No se requiere dejar ahogadosen columnas ni trabes anclajes especiales ni elementos soldados al acero de refuerzo. El transporte se optimiza alllevar una mayor cantidad de piezas por cada viaje, bajando los costos por este concepto. El montaje de lascolumnas se facilita al coincidir su eje longitudinal con el centro de grave&& lo que evita inclinaciones de laspiezas al momento de izarlas. No es necesario el empleo de personal especializado para el armado y colado de losnodos, pudiéndose utilizar el mismo personal que se emplea en las construcciones tradicionales (figuras 5 y 6).Todo lo anterior permite obtener una mayor economía de tiempo y costo ademas de una mejor apariencia final a unbajo costo con respecto a los otros tipos de conexiones (fotos 5 y 6).

FIG N o 6 - CONEXION T R A B E - C O L U M N APROPUESTA

Existen una infinidad de tipos de conexiones, pero las anteriores son las nuk comunmente usadas en el medio. Enla Tabla 1 podemos apreciar una comparativa de las principales características de las conexiones. Sin embargo, lanecesidad de encontrar una conexi6n más eficiente &retodo ante los efectos sísmicos nos llevo a desarrollar unaconexión diferente, que nos permite tomar la eficiencia de una estructura prefabricada sin perder las bondadesestmchdes de una colada “in situ”. No debemos olvidar que el Reglamento de Construcciones del Distrito Federalconsidera que las estructuras prefabriwlas deben tener desplazamientos menores que las estructuras coladas “insitu”, y esto se debe en parte a las conexiones. Todos los tipos de conexiones que- hasta ahora se han estado usandoson a base de pernos 0 soldadura y presentan un tipo de fálla frágil, que es algo que se quiere evitar.

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Tabla 1 .- Comparación de grupos de conexiones.

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DESCRIPCI6N DE CONEXIÓN PROPUESTA

En una estructura prefabricada es deseable la continuidad de los elementos y que no tengan cambios bruscos desecciones y materiales, razón por la cual desarrollamos una conèxión que se asemeja lo mejor posible al colado “insitu”. La conexión propuesta es una variante en el sistema de construcción y fabricación de los elementosprefabricados.

Las preparaciones de los elementos se hacen en la planta de producción, las trabes están provistas del acero positivonecesario de acuerdo al diseño y pueden contar, si se desea, con el acero negativo; inmediatamente después delmontaje de las trabes una cuadrilla de fierreros comienza con el armado, cimbrado y colado de la conexión en obra,mientras se continua con las maniobras de montaje.

Se deben tomar en cuenta ciertas consideraciones estructurales al utiliz.ar este tipo de conexiones, ya que lasprimeras condiciones de apoyo y empotramiento de los elementos no son iguales a las condicones finales. Lascolumnas tienen una parte hueca donde su rigidez, antes de colarse la conexion, es considerablemente menor que elresto de su seccion, las trabes deben diseñarse para dos condiciones de apoyo, la primera simplemente apoyada y lasegunda con continmdad en la que formaran marcos ortogonales con las col-.

Si se tiene una estructura de varios niveles se debe revisar la primera etapa de montaje, cuando las columnas estanempotradas en la cimentacibn y las trabes que están montadas se encuentran simplemente apoyadas, ante cargas

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accidentales tales como sismo, viento e incluso posibles golpes de otras piezas al momento de montarlas, ya que enésta etapa las columnas trabajan en cantiliver y pucdc ser muy peligroso para la estabilidad de la estructura si sepresentan desplazamientos grandes. También se recomienda en estos casos, en la medida de lo posible, colar losnodos de los niveles inferiores antes de contin~ con el montaje de los niveles superiores.

Fabricación

Una de las principales ventajas, es la sencillez de los moldes para fabricar las cohnnnas y el poco trabajo querequieren para su habilitado entre cada colado, lo que hace que se optimicen sus usos con un considerable ahorro.Por otro lado el no necesitar fijar ningún tipo de acccesorio adicional, como son placas de acero 0 elementos paraanclaje de postensado en los armados de trabes y columnas, agiliza la producción.

EL colado de las columnas se realiza dejando zonas sin colar (huecas) en los diferentes niveles donde se conectaranlas trabes, las que en lo futuro denominaremos “ventanas”, en las cuales únicamente contimuui8 el acero principal ysi cs necesario se colocaran varillas en forma de contravente0 en cada cara. El extremo inferior de las ventanas delas columnas, donde apoyaran las trabes, debe tener una superficie lisa y nivelada para evitar concentración deesfuerzos al apoyar las trabes correspondientes, y se debe dejar un peque* hueco rectangular en el centro de lacolumna que haga las veces de dentellón. El otro extremo de las ventanas debe terminar en forma de punta(piramide invertida)con una inclinación de 30” para facilitar el colado del nodo y evitar que no queden burbujas deaire atrapado, ademas de no presentar una superficie horizontal dc contacto entre concretos de diferentes edades yevitar problemas de cortante. 0

También se recomienda dejar ahogado un dueto que vaya desde la punta ha& un costado superior de la columna,para permitir la salida de aire cuando se efectue el colado del nodo correspondiente. El tamafío de la ventana estaen función del peralte de las trabes que se insertaran, tomándose dos veces el mayor de los peraltes medidos desdela superfkie lisa inferior hasta la punta de la parte superior.

La fabricaci¿m de las trabes portantes y de rigidez tambien se facilita ya que tampoco requieren ningún tipo deaccesorio especial, lo que agiliza el habilitado de los armados dentro de los moldes. En caso de que el ancho de lastrabes lo requiera se les MxicarA en sus extremos una “nariz” ( reducción de su seccion), en este punto debemostener especial cuidado ya que el éxito de la conexion depende en gran parte del espacio con el que se cuente paramontarlas y conectarlas, En ambos extremos de las trabes, o en la nariz si es el caso, se dejaran duetos transversalesde 1/2” de diámetro a una separación de 15 cms. entre cada uno aproximadamente, estos duetos tienen la finalidadde que una vez montadas las trabes nos permitan colocar unas varillas en forma de ganchos, que abrazarán al aceroprincipal de la columna y funcionaran como estribos de ésta, se recomienda dejar dos líneas de duetos para asegurarque una de las dos quede fuera del acero principal previniendo posibles diferencias de longitudes al montar lascolumnas. No se recomienda dejar mas de dos líneas de duetos para no debilitar la trabes por cortante.

La principal ,ventaja de la conexion propuesta en ésta etapa se tiene en las columnas. El transporte de las columnasse optimiza de una manera muy eficiente, ya que, al no contar con ninguna ménsula se pueden colocar juntas sobrela plataforma, ademas de que no se necesita fabricar ningún tipo de accesorio especial para fijarlas sobre eltractocamión, de esta manera sepledentransportarunamayorcantidaddeestaspiezasporcadaviajeysereducenotoriamente el numero total de fletes que se tienen que realizar para transportarlas, con el consecuente ahorro detiempoycosto.

Montaje

La maniobra de montaje de las diferentes piezas que forman la estructura cs bastante ágil al emplear esta conexión.Al no tener que emplear una gran cantidad de planos explicativos para colocar las diferentes piezas prefabricada&se simplifican los trabajos tanto en la elaboración del proyecto como en el campo. No es necesario el empleo deequipo y personal especializado, como suaxk en las conexiones postensadas, tampoco se requiere el uso deapuntalamientos 0 soportes temporales de las trabes y/o columnas y, lo que es mas importante, no necesitamosutilkar soldadura de campo que ademas de presentar un tipo de falla frágil requiere de una estricta supervicion, es

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costosa y necesita de mas tiempo para reakarse, ya que normalmente se tienen que soldar las trabes a las columnasantes de poder montar las losas 0 sistemas de piso, lo que hace que el tiempo total de la maniobra de montajeaumente.

Primeramente se insertan las columnas en los candeleros (huecos) previamentedejados en la cimientacion y se fijan temporalmente con cufías de madera,posteriormente se empotran por medio del colado de la junta entre columna ycandelero con un mortero con estabilizador de voltien, una vez que el coladode empotramiento ha alcanzado la resistencia de disefío se procede a cortar lasvarillas de contraventeo de las “ventanas”, si es que existieran. Ahora lascolumnas se encuentran listas para recibir a las trabes portantes y de rigidez,éstas se insertan inclinandolas lo que sea necesario hasta colocarlas en su lugar,esta maniobra puede parecer complicada de realizar sin embargo no lo es y en lapráctica es bastante rápida de realizar (fotos 1,2 y 3).

FIG. N o 7 - P L A N T A DE

Una vez colocadas en su lugar las columnas y las trabes se procedelos nodos correspondientes (foto 4) ésta actividad se traslapa conde montaje de los demás elementos de las estructura paramuertos, el armado de los nodos consiste en lo siguiente: Conectar elpositivo de las trabes por medio de estribos interiores, habilitar el acero negcorrespondiente de cada trabe, ésto representa una ventaja ya que este acero escontínuo y se sujeta por medio de estribos abierto previamente ahogados en 1trabes, futalmente se colocan los ganchos que pasando através de los ductdejados en las trabes abrazan al acero principal de las columnas, haciendofunción de estribos (fotos 3 y 4). U.na vez terminado el armado de los nodos seprocede a su cimbrado y colado, si la geometría de las trabes lo permitepueden fabricar cimbras metálicas para agilizar el proceso y bajar costos, paracolado se utiliza concreto de la misma resistencia que las columnas con estabilizador de volumen (figuras 7 y 8).

El montaje de las losas prefabricadas o el sistema de piso que se este empleando se puede realizar antes o depuesdel colado de los nodos, dependiendo del diseño de las trabes, únicamente se recomienda colar los nodos de losniveles inferiores antes de montar lasllosas de los niveles superiores por seguridad de la estructura.

CONCLUSIONES

La utilización de la conexión columna-trabe para elementos prefabricados propuesta en este trabajo, tiene muchasventajas sobre las utilizadas hasta ahora en el mercado, ventajas en la fabricación, transporte, montaje, tiempo,costo y seguridad estructural, que resulta en tma herramienta muy poderosa para el desarrollo y repunte de lasestructuras prefabricadas en el futuro.

REFERENCIAS

Arthur EL Nilson, (1982), “Disedo de Estructuras de Concreto Rresforzado”.Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C., (1966), “Detalles de Conexiones para Edifícios deConcreto de Elementos Rresforzados Precolados”.Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C, (1976), “Diseíio de Conexiones de ElementosPrefabricados de Concreto”.Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, AK, (1981), “Diseño de Vigas de Concreto Rresforzados”.Oscar M. Gonzalez Cuevas, Francisco Robles F.-V., (1986), “Aspectos Fundamentales del Concreto Reforzado”.Prestressed Concrete Institute, (1988), “Design and Typical Details of Connections for Rrecast and PrestressedConcrete”.

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FOTO 1INSERCION DE TRABES EN “VENTANA!?’ DE COLUMNASPREFABRICADAS (CONEXION PROPUESTA)

FOTO 2VISTA DE TRABES INSERTADAS EN“VENTANAS” DE COLUMNAS (CONEXIONPROPUESTA)

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FOTO 3DETALLE DE MONTAJE DE TRABES (CONEXION PROPUESTA)

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FOTO 4DETALLE DE ARMADO DE NODO

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FOTO 5D E T A L L E D E CONEXION PROPUESTA. OBRA:HIPERMERCADO AUCHAN - TlATELOLCO, CD. DE MEXICO

FOTO 6VISTA INTERIOR DE HIPERMERCADO AUCHAN-TLATELOLCO,CD. DE MEXICO

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