Pisos Industriales
Diseño y Proceso
Constructivo
RODOLFO CARLOS LÓPEZ PÉREZ CORPORACION AIISA S.A. DE C.V. FEBRERO DE 2009
Introducción
Los pavimentos industriales constituyen un
elemento de obra civil que debe considerarse
como estructural.
Hasta la fecha el pavimento ha sido tratado
como un trabajo más dentro del proceso de
ejecución de la obra donde algunas veces no
se han tenido consideraciones especiales en
su diseño y en otras se ha adoptando
soluciones por analogía con obras anteriores.
Elementos necesarios para un proyecto exitoso
Aspectos a considerar en el diseño
Requerimientos y necesidades
del Propietario –Usuario
Destino o uso programado
de las instalaciones
Tipo de equipos a emplear
Consideraciones
y/o
Terminados especiales
Datos preliminares para el diseño del pavimento Industrial
1. Terracería y su valor K 2. Elección y espesor
deseado del concreto 3. Alternativa de refuerzo
4. Tipo y forma de cargas que actuarán sobre el pavimento 5. Necesidades adicionales
Defectos no previstos en el diseño
ALABEO TRASFERENCIA DE CARGA + POBRE SOPORTE DURABILIDAD RESISTENCIA INADECUADATerracería sobre la cual se apoyara el
pavimento
Los pavimentos se apoyan sobre un suelo que reacciona en mayor o menor medida frente a la deformaciones que pueda sufrir el pavimento por efecto de las cargas que soporta.
La “calidad” del suelo se mide, por tanto, por su capacidad elástica (deformación con recuperación), definida por su coeficiente de deformación K de balasto(habitualmente llamado K de Westergaard), obtenido a partir de un ensayo de placa circular de 760 mm de diámetro y expresado en unidades de N/mm3. El valor mínimo de k deberá ser de 0,056 N/mm3.
En caso de disponer del ensayo sobre otro tipo de placa, deberá realizarse la adecuada conversión. Otro dato que puede caracterizar al suelo es el CBR (California Bearing Ratio), cuyo valor mínimo ha de ser 13, o la relación Ev2/Ev1 (relación entre los módulos de deformación vertical), cuyo valor ha de ser inferior a 2, con un valor de Ev2 > 80 MPa (1 MPa = 1 N/mm2).
Terracería sobre la cual se apoyara el pavimento
Prueba de placa método ASTM D1196
Terracería sobre la cual se apoyara el pavimento
MODULO DE REACCION DE SUBRASANTE ( COEFICIENTE DE BALASTO)
Este factor de corrección se obtiene como el cociente de la deformación a 10 psi lo que equivale a 68.9 KPa de presión para un suelo no saturado y saturado.
Elección del concreto
La elección del concreto es fundamental, de ello dependerá el comportamiento y performance del pavimento industrial.
En ello interviene el tipo de cemento, los aditivos a emplear, la relación óptima de a/c, los agregados correctos, la contracción esperada y por supuesto la resistencia correcta o adecuada.
A mi juicio existen cuatro categorías de concreto: •Convencionales
•Estructurales
•Baja contracción con rangos que van de 450x10-6 a 350 x10-6 o menos.
•Contracción compensada
Elección del concreto
RETRACCIÓN: Una de las limitaciones más importantes que se tienen en el empleo de concretos y morteros, elaborados bajo la practica común o concretos y morteros convencionales y/o estructurales, es la retracción.
Las consecuencias de la retracción son la aparición de fisuras o grietas superficiales, generadas por las tensiones al interior de la masa del concreto, con el consiguiente trastorno de las resistencias mecánica y química del pavimento en otras palabras la DURABILIDAD del mismo.
ALABEO: que significa, la distorsión que sufre una losa tomando una forma curvada hacia arriba o hacia abajo encorvando sus bordes, dando lugar a un borde o esquina sin apoyo que puede agrietarse cuando se aplican cargas pesadas. Algunas veces el alabeo es evidente a edad temprana.
El otro factor que puede causar alabeo son las diferencias de temperatura entre las partes superior e inferior de la losa. La parte superior de la losa expuesta al sol se expandirá en relación con la porción inferior menos caliente provocando un alabeo hacia abajo de los bordes (fig.1 y 2). Alternativamente.
Fig.1 Fig.2
Elección del concreto
Otros factor que influye de manera importante, es el espaciamiento entre juntas o dimensiones de losas, pues de acuerdo al tipo de concreto estaremos en posibilidad de entregar una propuesta de solución más competitiva a largo plazo y esto lo podemos ver en el siguiente cuadro o tabla comparativa, par un pavimento de 78mts de ancho x 102mts de largo.
COMPARATIVO DE JUNTAS EN CONCRETOS EN ML
TIPO DE JUNTA CONVENCIONAL % BAJA CONTRACCIO N % CONTRACCIO N COMPENSADA % DE AISLAMIENTO 358.72 100 358.72 0 358.72 0 DE CONSTRUCCIÓN 436.58 100 436.98 0 436.98 0 DE CONTRACCIÓN 4,265.00 100 2,756.16 -35.38 0 -100 TOTAL DE JUNTAS EN ML 5,060.30 100 3,551.86 -29.81 795.70 -84.28
Proceso de diseño
Espesor de losa:
Al igual que en el método de diseño de pavimentos exteriores de la Asociación del Cemento Portland (PCA), los factores que se requieren para el diseño del espesor de losa son:
Capacidad portante de la subrasante y la sub-base valor K
Resistencia del concreto en Mr
Ubicación y Frecuencia de cargas impuestas, racks, etc
Magnitud de las cargas, incluyendo las de construcción.
Para efectos de diseño la PORTLAND CEMENT ASOCIATION considera como constantes el módulo de elasticidad y el módulo de possion
•E = 281,227 kg/cm2 (4,000,000 psi) •m = 0.15
Proceso de diseño
Uno de los pasos preliminares en el diseño de espesores de losa es determinar los esfuerzos de flexión que el concreto puede soportar, es decir, los esfuerzos de flexión permisibles. El esfuerzo permitido de trabajo se determina dividiendo la resistencia a la flexión del concreto entre un apropiado factor de seguridad.
Por experiencias, ha sido posible determinar los factores de carga para vehículos como son, repeticiones de carga, esfuerzos por contracción e impacto. No así en los que se refiere a cargas estáticas, concentradas o distribuidas.
Otro factor a considerar, en el empleo de las tablas de diseño de PCA, es que las mismas contemplan las cargas en la parte interior del tablero, por lo que es necesario, asumiendo que la carga es aplicada a cierta distancia de cualquier borde libre. Para cargas aplicadas cerca o en los bordes de la losa los esfuerzos de flexión calculados serán de un 50 a 60% mayores que los calculados para posiciones de carga en el interior de la losa
Proceso de diseño
Por ejemplo:
Para un módulo de ruptura de 42 kg/cm2 (596 psi), usando un factor de seguridad (FS) de 2.2 para las cargas localizadas en el interior provee esfuerzos de trabajo de:
42/2.2=19 kg/cm2 O [ 596/2.2=271psi]
Para cargas en los bordes, el factor de seguridad es ajustado por un factor de junta de 1.6(60% más alto que para la condición de carga interior) para considerar el esfuerzo de flexión más grande del concreto, es decir, en el borde seria:
Factor de seguridad para cargas de montacargas
Tipo de trafico Grandes o
ilimitadas Medianas bajas Factor de seguridad 2 o mayor 1.7 a 2.0 1.4 a 1.7 Relación de esfuerzos 0.45 0.54 0.64
Proceso de diseño
El diseño del piso requiere que el tráfico sea estimado de forma correcta, incluyendo la siguiente información:
oMagnitudes de las Cargas.
oFrecuencias.
oConfiguraciones de los ejes de los vehículos que circularían en el
piso.
La recomendación de la Asociación de Cemento Portland en materia de factores de seguridad es la siguiente:
Mientras la relación de esfuerzos se mantenga por debajo de 0.45, el concreto puede resistir un número ilimitado de repeticiones de carga sin presentar agrietamiento por fatiga.
Proceso de diseño
En la siguiente tabla elaborada por Portland Cement Association en 1984 en la publicación de “Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements”.
Proceso de diseño
Puesto que en el mercado existen una gran variedad de marcas y modelos de montacargas, de tamaños, cargas de ejes y espaciamiento de las llantas, eso generaría un cantidad importante de graficas, prácticamente por cada marca, por ello han elaborado un par de tablas que resumen en esencia las configuraciones de montacargas con ruedas sencillas y dobles, que afectan el diseño de los pisos.
Proceso de diseño
Las gráficas de diseño de espesores se presentan en su formato original y en las unidades en las que fueron desarrolladas, por lo que en su caso deben ser convertidas las unidades métricas a libras - pulgada antes de proceder al diseño de espesores por este método. La siguiente tabla se emplea para eje sencillo.
Proceso de diseño
Las siguientes tablas se emplean para eje doble o ejes dual, es decir, ejes equipados con doble llanta, las figuras mostradas en la parte inferior son usadas para determinar el espesor de la losa del piso. Primero, se usa la figura 1 para convertir la carga del eje dual a un a carga equivalente de eje sencillo (el eje cargado es multiplicado por el factor F). Después, con la carga equivalente, se usa la figura 2 para determinar los esfuerzos de flexión en la losa.
Proceso de diseño
A continuación presentamos un ejemplo de calculo, empleando las tablas de PCA.
Datos de diseño para montacargas
Concepto Tipo Cantidad Unidad
Montacargas Eje sencillo
Capacidad de carga en el eje 25000 Lbs
Número de ejes 2 Pza
Espaciamiento de neumáticos 37 Pulg
Presión de inflado (fab) 110 Lbs
Modulo de reacción K 100 pci
Resistencia de concreto propuesta
640 psi
Proceso de diseño
Determinar el área de contacto:
Área de contacto = carga en una llanta / presión de inflado Área de contacto = (25000/2) / 110 = 113.63 = 114pulg2 Elegir de acuerdo a las necesidades del dueño o usuario los factores de: Factor de seguridad Fs= 2.2 (repeticiones ilimitadas)
Factor de junta Fj= de 1 para carga interior
de 1.6 para carga en borde sin placa de transferencia
Esfuerzo de trabajo del Concreto: WS = (MR / FS * FJ )
WS = ( 640/(2.2 * 1.6) = 181.81 = 182psi
Esfuerzos en losa por cada 1000 lb de carga en el eje: = (WS / carga en el eje, kips)
Proceso de diseño
Empleando la grafica determinamos Datos a ingresar en tabla
Área de contacto = 114pulg2
Esfuerzo en losa = 7.3psi
Espaciamiento de ruedas = 37pulg Modulo de reacción k = 100pci Espesor de pavimento resultante
Proceso de diseño
Datos de diseño de pavimento industrial para racks
Por lo general en naves industriales y bodegas se emplean racks para el almacenamiento de productos o materiales, normalmente las cargas en los racks son pesadas, y son transmitidas a los postes que soportan la estructura del sistema, los cuales inducen esfuerzos importantes al piso. Puede darse el caso que los esfuerzos de flexión de esa concentración de cargas sean más grandes que los esfuerzos causados por las cargas de las llantas de los vehículos operando en el piso y de esta manera, la condición de carga por postes en racks lleguen a controlar el espesor de diseño del pavimento.
Como la flexión es la que controla el diseño de espesor, los factores del diseño son similares a los expuestos en el caso de cargas de vehículos y de hecho un factor de seguridad más alto es el normalmente apropiado.
Proceso de diseño
Puesto que la flexión es la que controla el diseño de espesor del pavimento, los factores para el diseño, son similares a los expuestos en el caso de cargas por montacargas y de hecho emplear un factor de seguridad mayor es lo adecuado.
La información específica para el diseño es: •Carga máxima por poste
•Área de placa base = área de contacto con carga •Espaciamiento entre postes en eje X y eje Y
•Modulo de reacción K
•Resistencia a la flexión del concreto, MR. •Factor de seguridad.
Al igual que en el punto de montacargas, han sido generadas gráficas de diseño y son usadas para determinar los requerimientos de espesor de losa, salvo que estas han sido preparadas, para módulos de reacción k de 50, 100 y 200pci.
Las gráficas fueron desarrolladas para estimar los esfuerzos en el interior de la losa para dos configuraciones equivalentes de postes y condiciones de carga representadas esquemáticamente:
Proceso de diseño
Configuración de postes y cargas que aplican para las graficas de diseño(Condición de carga interior). Múltiple Fila P/2 P P/2 P P Y X caso1 caso 2
La figura inferior muestra un esquema similar pero con condiciones de carga en el borde del pavimento de concreto, pero a diferencia de la anterior esta presenta mayores esfuerzos y por ende una mayor probabilidad de agrietamiento en el pavimento.
Proceso de diseño
Y X Área de contacto Borde P1 P1Proceso de diseño
En estas gráficas se han considerado una distancia de 40 a 100 pulgadas entre placas, por lo que será necesario interpolar las distancias intermedias en las mismas. En cuanto a racks que se definen como espalda con espalda(placa + placa), se debe considerar esta condición como la suma de las cargas de ambos y considerarlo como uno solo.
En cuanto a los valores del módulo de reacción K, estos han sido definidos como de carácter genérico y por ende su definición no contempla los componentes de la base y están considerados como de baja, mediana y alta capacidad de soporte.
En la grafica 1, el espaciamiento de postes Y es la separación en la dirección longitudinal de un rack continuo y X es el espaciamiento transversal.
Proceso de diseño
Gráfica de diseño para cargas en poste, con módulo de reacción k = 50 pci.
Proceso de diseño
Gráfica de diseño para cargas en poste, con módulo de reacción k = 100 pci.
Proceso de diseño
Gráfica de diseño para cargas en poste, con módulo de reacción k = 200 pci.
Proceso de diseño
Factor de seguridad para racks
Tipos de cargas Grandes Medianas bajas Factor de
seguridad
3.5 a 4.8 1.5 a 3.5 1.5
Los factores de seguridad específicos para condiciones de carga estática, no han sido determinados en esta presentación pues se carecen de datos que nos permitieran presentarlos, por lo que queda a juicio del diseñador y, la tabla que se presenta mas adelante pretende dar una idea de los mismos, considerando para este ejercicio el hecho de que la columna donde se indica grandes, bien podría ser empleado para racks de gran altura o de cargas importantes.
Proceso de diseño
A continuación presentamos un ejemplo de calculo, empleando las tablas de PCA.
Datos de diseño para racks
Concepto X Y Cantidad Unidad
Distancia entre X-Y 40pulg 80pulg
Carga en el poste 11000 Lbs
Placa de asiento 8 pulg
Área de contacto 64 Pulg2
Espaciamiento de juntas en el piso
columnas 768 pulg
juntas 256 pulg
Modulo de reacción K 100 pci
Resistencia de concreto propuesta
640 psi
Proceso de diseño
Elegir de acuerdo a las necesidades del dueño o usuario los factores de:
Factor de seguridad Fs= 2.2, considerando racks a 10.5m de altura o 5 niveles Factor de junta Fj=
de 1.6 para carga en borde considerando trabazón de agregados y placa de trasnferencia
Esfuerzo de trabajo del Concreto: WS = (MR / FS * FJ )
WS = ( 640/(2.2 * 1.6) = 181.81 = 182psi
Esfuerzos en losa por cada 1000 lb de carga en el eje: = (WS / carga en el eje, kips)
Proceso de diseño
Empleando la grafica determinamos
Datos a ingresar en tabla Área de contacto = 64pulg2
Esfuerzo en losa = 17psi Espaciamiento en Y= 80pulg Espaciamiento en Y= 40pulg Modulo de reacción k = 100pci Espesor de pavimento resultante
Proceso de diseño
Revisión por capacidad de carga
1. La base debe tener las dimensiones adecuadas para que la carga actuante bajo la max. Condición de carga no exceda 4.2 veces el Mr en carga interior y de 2.1 veces en borde o esquina.
4.2 MR= 4.2*640 = 2688psi = 2690psi
De 2.1 veces ( la mitad que la aplicable para carga interior) el modulo de ruptura para cargas de borde o esquina.
2.1 MR = 2.1*640= 1344 psi Esfuerzos de carga actuante:
Cargas por poste / área de contacto = 11000 lbs / 64 pulg2 = 171.87= 172psi 172 psi < 2690 psi
Proceso de diseño
Revisión por capacidad de carga
2. En el caso de los esfuerzos de cortante, el permisible será de 0.27 veces el módulo de
ruptura del concreto
0.27 MR = 0.27 * 640 = 173psi Para cargas interiores:
Carga por Poste
Espesor de losa x [ (perímetro) + (4 x Espesor de losa)]
El perímetro es igual a 4 veces la raíz cuadrada del área de contacto, es decir 4(64)^1/2 Para carga en borde
Carga por Poste
Espesor de losa x [ (0.75*perímetro) + (4 x Espesor de losa)] Para carga en esquina:
Carga por Poste
Proceso de diseño
Revisión por capacidad de carga
2. En el caso de los esfuerzos de cortante, el permisible será de 0.27 veces el módulo de
ruptura del concreto
0.27 MR = 0.27 * 640 = 173psi Para cargas interiores:
11000
10.5* [ 32+ (4 x 10.5)]
El perímetro es igual a 4 veces la raíz cuadrada del área de contacto, es decir 4(64)^1/2 Para carga en borde
11000
10.5* [ (0.75*32) + (4 x 10.5)] Para carga en esquina:
11000
10.5 * [ (0.5*32) + (4 x 10.5)]
Como se puede observar, el esfuerzo cortante permisible es considerablemente mayor por lo tanto el espesor calculado es correcto
=14.2psi
=15.9psi
Proceso de diseño
Datos de diseño de pavimento industrial para carga a piso o distribuidas La carga a piso o distribuida son cargas que actúan sobre un área grande del piso y son el resultado del acomodo del material almacenado directamente en el piso dentro del área de almacenamiento, generalmente definido por zonas de estiba y pasillos.
A diferencia de las estructuras de almacenamiento, estas no producen grandes esfuerzos sobre el pavimento de concreto salvo en los casos donde el material o producto depositado sobre la superficie sea de tal magnitud que implique un análisis más detallado por parte del especialista en mecánica de suelos.
Se debe tener cuidado en la prevención de grietas en los pasillos o áreas no cargadas, que se generan por el momento negativo actuante (tensión en la superficie de la losa) y el de evitar asentamientos debidos a la consolidación del suelo de soporte en otras palabras sobrecarga.
Proceso de diseño
Existen diferentes condiciones de diseño que permiten analizar las diversas formas de distribución de las cargas sobre el pavimento, estas pueden ser:
Para un espesor de pavimento industrial dado y un módulo de reacción K de la sub-rasante existe un ancho critico de pasillo, donde se presenta el esfuerzo máximo del pavimento de concreto, es importante aclarar que las cargas admisibles para el ancho crítico de pasillo son menores que las cargas admisibles para cualquier otro ancho de pasillo. El ancho crítico del pasillo existe cuando el momento actuante máximo debido a la carga de un lado del pasillo, coincide con el punto máximo momento debido a la carga en el otro lado del pasillo, por lo que duplica el momento negativo o la tensión en la parte superior de la losa en el centro del pasillo.
Proceso de diseño
Por ello es importante determinar las cargas permisibles y prevenir el fallo del pavimento, por lo que valdría la pena definir las formas de almacenaje, por ejemplo con un arreglo variable o fijo de la carga distribuida.
En el arreglo variable los esfuerzos de flexión y deformaciones debido a cargas distribuidas puedan variar de acuerdo al espesor de la losa y la resistencia de la subrasante. También dependen del ancho del pasillo, ancho del área cargada, magnitud de la carga y de si hay o no juntas o grietas en el pasillo. Estas variables adicionales no siempre son constantes o predecibles durante la vida de servicio del piso.
En los arreglos fijos tendrá un comportamiento parecido al anterior salvo que en este tipo de arreglos la carga se mantendrá por toda la vida útil o de servicio del pavimento.
Proceso de diseño
Al igual que en los racks, la PCA ha definido la siguiente tabla 1 que permite conocer la carga permisible a partir de un espesor pavimento, el módulo de reacción y el Mr del concreto las capacidades de carga para arreglos no definidos del pavimento industrial.
Proceso de diseño
La PCA ha definido la tabla 2 que permite conocer la carga permisible a partir de un espesor pavimento, el módulo de reacción y el Mr del concreto las capacidades de carga para arreglos definido o carga fija en pavimento industrial
Proceso de diseño
Por último presentamos a continuación las formulas o procedimientos para la determinación del área de acero, que pueden ser por los métodos de PCA, WRI y el CUERPO DE INGENIEROS en los casos de:
Determinación del área de acero a partir de la fricción entre el pavimento y la sub-base, solo para usos residenciales o comerciales ligeros.
Donde:
As= area de acero en pulgadas cuadradas por pie lineal de ancho de losa
fs = Esfuerzo permisible, en el refuerzo, psi, use 0.75fy F = El factor de fricción, use el rango de 1.5 - 2, use 2
L = Distancia en pies entre las juntas del pavimento. (the distance between the free ends of the slab that can move due to shrinkage contraction or thermal expansion)
W = El peso propio de la losa en, psf, se asume generlalmento como 12.5 psf por pulgada de espesor de losa.
Proceso de diseño
Procedimiento de capacidad confirmada.
Considera colocar un refuerzo intermedio, donde los momentos positivos y negativos son iguales.
Donde:
As= área de acero en pulgadas cuadradas por pie lineal de ancho de losa t = espesor de losa en pulgadas
f’c = resistencia a la compresión en psi
fy = valor esfuerzo de fluencia del acero en psi
Otro método o camino es empleando la siguiente formula
Donde:
SF= factor de seguridad generalmente se usa 2 MOR= módulo de ruptura en psi
Proceso de diseño
Procedimiento por temperatura.
Donde:
As= área de acero en pulgadas cuadradas por pie lineal de ancho de losa t = espesor de losa en pulgadas
fr = resistencia a la tensión del concreto en psi, (calculated at 0.4 x MOR) fs = esfuerzo de trabajo en el acero en psi
T = rango de temperatura esperado al que losa estara sujeta en °F
∝= coeficiente termico del concreto en in/in°F rango que va de 5 a 7 x 10-6in/in°F Es = módulo de elasticidad del acero en psi
Proceso de diseño
Procedimiento por resistencia equivalente.
Donde:
As= área de acero en pulgadas cuadradas por pie lineal de ancho de losa t = espesor de losa en pulgadas
fs = esfuerzo de trabajo en el acero en psi f’c = resistencia a la compresión en psi
Proceso de diseño
Procedimiento restricción de grietas
Donde:
As= área de acero en pulgadas cuadradas por pie lineal de ancho de losa t = espesor de losa en pulgadas
PROCESO CONSTRUCTIVO DE UN
PISO DE CONCRETO POSTENSADO
La construcción de cada tramo comienza con la preparación del suelo.
Emitiendo especificaciones de acuerdo con las condiciones propias de cada proyecto.
El proceso de construcción se realiza de acuerdo a las posibilidades que presenta el “Lay Out” del proyecto.
La secuencia recomendada obedece a minimizar las deformaciones diferenciales entre franjas.
Si el colado se hace desordenadamente, las contracciones que sufriría cada franja o losa serían independientes una de otra.
Otro de los procesos importantes es el control del concreto en obra, verificación de sus propiedades y su posterior control tanto en cilindros como en vigas.
El ocupar un vibrador de inmersión evita que se produzcan nidos u oquedades en el concreto.
Para los trabajos de nivelación del concreto, es recomendable el empleo de herramienta adecuada para este fin.
Para continuar con el proceso de terminación, el uso de equipo mayor resulta importante para lograr los requerimientos de proyecto.
La logística de trabajo, será cuidadosamente planeada y sujeta a condiciones locales.
En casos particulares, como por ejemplo interrupciones de otras estructuras, se deben aislar de la losa.
El primer tensado se debe realizar en forma programada.
La fuerza de tensado dependerá de la resistencia adquirida por el concreto.
El uso de aditivos, si bien esta permitido, no debe realizarse sin que un experto asesore su aplicación.
Y el sistema más recomendable como membrana de curado es el agua y proteger la superficie a tiempo.
Finalmente, para los procesos de entrega y control, deben efectuarse solamente por los responsables de los mismos y hasta que se dé el “Visto Bueno” para su uso.
APLICANDO ALTA TECNOLOGÍA PARA TU FUTURO.
