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ELEMENTO ESTRUCTURAL MIXTO
Silvia N. Casenave - Esp. Ing. en Construcciones [email protected]
Mirta A. Sánchez - Esp. Ing. en Construcciones [email protected]
Silvia A. Ludueña - Ing. en Construcciones [email protected]
RESUMEN
Las distintas observaciones en sistemas constructivos prefabricados existentes en nuestra región despertó la curiosidad de realizar esta investigación debido a que en todos los casos, los sistemas incluían muros y/o cerramientos, pero siempre se techaban con un sistema tradicional de cubierta liviana, basada en correas metálicas y techo de chapa.
Así surge la idea de pensar en un sistema prefabricado de hormigón que sea resistente y que además cumpla con las condiciones de eficiencia energética.
De ahí que se trató de idear un elemento constructivo que, además de ser prefabricado, cumpla lo máximo posible con condiciones de transmitancia térmica.
Página 2 de 10 Objetivo: Lograr un elemento estructural de hormigón armado, que sea prefabricado, optimizando el diseño, para utilizarse como elemento estructural de una cubierta, logrando mejores niveles de confort higrotérmicos en su interior, acordes a las condiciones de invierno y verano, promoviendo a un ahorro energético.
Metodología
En una primera instancia, el diseño del elemento estructural fue el objetivo principal, sobre todo considerando que tenía que cumplir con todo lo que se había propuesto. Para ello se realizaron distintos diseños, que a medida que avanzamos en la investigación se fue mejorando.
Luego se consideró diferentes materiales que podrían intervenir en el mismo, teniendo presente que siempre debía ser un elemento prefabricado de hormigón armado, pero pensando además que no solo tenía que cumplir con la resistencia, sino tratar de que sea lo más liviano posible para su transporte y puesta en obra. Análisis y optimización del modelo logrado
El diseño elegido consistió en una especie de viga doble T, la cual contiene una capa de compresión que sería la capa resistente por flexión y una capa de tracción que como bien ya sabemos, debido a que el hormigón no resiste a la tracción en la misma medida que el hierro, se consideró que dicha capa de hormigón debería solamente cumplir las condiciones de recubrimiento de la armadura y de terminación para formar parte del cieloraso.
La situación de la absorción de los esfuerzos de corte y de las fisuraciones provocadas por tensiones tangenciales fueron los que se debieron verificar con la armadura y el espesor de los recubrimientos.
Así surgió nuestro primer diseño, pero con distintas alternativas.
FIGURA 1: Diseño del Elemento Estructural
La variante que podía tener este diseño era el material que se podía utilizar a los efectos de lograr un elemento resistente. Se analizaron los mismos, ya que dentro del objetivo es lograr que el mismo sea más liviano y con mayor posibilidad de aislación compatibles con las características climáticas de la zona sobre la que se centra el estudio.
Se realizaron en una primera instancia elementos estructurales de 6 m de longitud todos con el mismo tipo de hormigón estructural pero que solamente tenían la
Página 3 de 10 variante del diseño de los estribos, ya que uno fue realizado con estribos comunes y el otro con estribos continuos en forma de zig-zag o sea un estribo vertical pero con continuidad lateral.
FIGURA 2: Modelo de diseño 1
FIGURA 3 : Modelo de diseño 2
Estos elementos estructurales se sometieron a ensayos de flexión y de los mismos se llegó a la conclusión que superaba en parte la resistencia verificada en forma teórica pero, debido a los desplazamientos de las capas, compresión y tracción, ya que no estaban rigidizadas en los extremos, su deflexión superó los valores límites, situación que se consideró no aceptable. (FIG.4 Y5)
Página 4 de 10 FIGURA 5 : Modelo de diseño 2
Cada una de las vigas pesaban 402 kg. (Mod. 1) y 386 kg. (Mod. 2), siendo ambas confeccionadas con Hormigón resistente H17 (según normas CIRSOC 201).
Estos modelos no se consideraron con resultados que sirvieran para efectivizar conclusiones de resistencia debido a las grandes deformaciones que sufrieron sin afectar el hormigón, ya que fue por consecuencia de diseños.
Así surgió también la inquietud de obtener elementos estructurales más livianos, y por tal motivo surgieron nuevos prototipos.
Se analizó la posibilidad además de combinar los materiales estructurales ya que su diseño es el de un elemento estructural mixto, dónde se quiere profundizar la ejecución con hormigones resistentes, hormigones especiales y armadura.
Se obtentuvieron todos los valores teóricos de los estudios realizados correspondientes a la resistencia estructural y la transmitancia térmica, según los materiales seleccionados.
También se analizó la posibilidad de realizar un cambio en los diseños de armadura para facilitar el armado y surgieron tres nuevos prototipos que denominamos V1, V2 y V3. Los mismos fueron realizados con distintas distribución de los estribos (FIG. 6) y distintos materiales ( TABLA 1)
FIGURA 6: Sección de los Elementos Estructurales
Nominación Capa de Compresión Capa de tracción Peso [kg] V1 Hormigón con Leca Hormigón con Leca 188 V2 Hormigón con piedra Hormigón con Leca 212 V3 Hormigón con Fibra de Polipropileno Hormigón con Fibra de Polipropileno 238
Tabla 1: Características de los elementos estructurales
Se estudió el comportamiento de los materiales mediante probetas que se ensayaron en el laboratorio de Ing. civil de la UTN Facultad Regional Rafaela, considerando la posibilidad de que intervengan hormigones de distintas características y de distintos pesos.
Página 5 de 10 Tabla 2: Ensayos de probetas
Estos elementos estructurales que se realizaron tenían 3m de longitud y se los vuelve a ensayar a flexión para estudiar su comportamiento. En los mismos se desechó el diseño con estribo vertical común y se realizaron estribos continuos paralelos y en forma triangular, teniendo su elemento de unión en la capa de tracción.
FIGURA 7: Detalle armadura Triangular
FIGURA 8 : Detalle armadura palalela
V1- elemento estructural de 3m de longitud con capa de compresión y de tracción de hormigón con leca. Peso total 188kg.
Rotura
Fecha moldeo Fecha Ensayo
Diam. 1 Diam. 2 Altura Peso
TENSIÓN ROTURA[Mp a] 35 - 198 Kg 17-sep 22-oct 150,8 152,2 299 19 38,45 17-sep 22-oct 151 152 301,5 12,275 20,9 32,7 12-sep 22-oct 151,8 150,7 300 11,875 17,8 31,1 - 176 Kg 12-sep 22-oct 152,6 150,9 297 11,665 16,9 35,35 12-sep 22-oct 151,9 151,7 300 11,9 19,1 35 09-sep 22-oct 150,9 152,6 304 12,07 19 33,15 - 187,6 Kg 09-sep 22-oct 150,7 152 300 11,94 18,1 34,35 09-sep 22-oct 150,9 151,9 303 11,995 18,7 41,55 - 235 Kg sin fecha 22-oct 150,8 152,7 301 9,615 22,5 30,60 - 173 Kg sin fecha 22-oct 150,9 150,8 301 9,285 16,8 45,3 - 256,3 Kg 03-sep 22-oct 152,8 150,8 300 9,735 24,5 41,5 - 235 03-sep 22-oct 150,8 151,7 300 9,245 22.6
Oquedades (mal varillado) Ident. Probeta Altura con enc. Observaciones V3 P-F 1 312 V3 P-F 2 V3 P-F A V3 P-F B
Oquedades (mal varillado) Oquedades (mal varillado) 314
Oquedades (mal varillado) 312 V2 Piedra 1 V2 Piedra 2 V2 Piedra 3 V3 P-F C V1 LECA A V1 LECA B 312 311
Oquedades (mal varillado) 310
312 V1 LECA 1
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FIGURA 9 : Foto V1
V2- Elemento estructural de 3m de longitud con hormigón con piedra a compresión y hormigón de leca a tracción. Peso total 212 kg.
FIGURA 10: Foto V2
V3- Elemento estructual de 3m de longitud con hormigón con fibra de polipropileno
FIGURA 13 : Foto V3 Resultados
Los resultados de los ensayos de los diferentes elementos estructurales están resumidos en la siguiente tabla 3.
Tabla 3: Valores según mediciones de ensayos Denominación Peso [kg] Flecha
const. [m] Long. Real entre puntos de apoyos [m] Carga inicio Fisura Comp. [kg] Carga inicio Fisura Tracc. [kg] Flecha final [m] Carga total [kg] Momento de Inercia Ix [cm4] Módulo Resist. Wx [cm3] f'c (s/ ensayos probetas) [Mpa] Momento Flector s/ ensayo [KNm] Carga admisible s/ensayo [KN/m] Carga teórica [KN/m] Flecha admisible [m] V1 188 No tiene 2.91 1600. 1190.00 0.0396 2690 19650.1 1546.03 14.4 184.88 81.79 46.43 0.18 V2 212 0.00908 2.91 2400. 2100.00 0.0376 2840 20528.14 1595.04 12. 152.78 144.33 84.93 0.18 V3 238 0.0097 2.96 3470. 3100.00 0.0397 3830 19108.4 1447.61 12.14 227.71 160.46 128.4 0.185
Página 7 de 10 Los cálculos realizados con respecto a la transmitancia térmica se efectivizaron teóricamente, verificando las del comportamiento higrotérmico se han realizado solamente en forma analítica teniendo en cuenta Normas IRAM. El diseño sobre el cual se trabajó presenta, en forma genérica, las siguientes características:
En base a las normas IRAM 11601 e IRAM 11605 se demostró analíticamente que la estructura verifica las condiciones de confort higrotérmico.
En la siguiente tabla se muestran los resultados:
Página 8 de 10 NORMA IRAM 11601 CALCULO DE LA TRANSMITANCIA TERMICA
PROYECTO ELEMENTO EPOCA DEL AÑO FLUJO DE CALOR ZONA BIOAMBIENTAL Nivel de confort IRAM 11605
Capas del elemento constructivo e λ R
m W/m.K m2.K/W CAPA COMPRESION 0,05 1,4 0,035714286 CAPA TRACCION 0,05 1,4 0,035714286 PLANCHA POLIESTIRENO 0,05 0,034 1,470588235 1 0 1 0
Resistencia superficial exterior 1 0,04
Resistencia superficial interiror 1 0,17
Resistencia superficial exterior 2 0,04
Resistencia superficial interior 2 0,17
AIRE 1 0,21
AIRE 2
TOTAL 2,172016807
Transmitancia Termica del componente W/m2.K 1/RT 0,460401594
Tabla 4: Resultados de Transmitancia Térmica
CONCLUSIÓN
Los objetivos propuestos en esta investigación fueron cumplidos, quedando abierta la continuidad de la misma a los efectos de optimizar los resultados.
Estos elementos prefabricados estructurales formarían parte de una cubierta prefabricada, complementada con otras partes que completarían la misma. Todas ya han sido diseñadas y verificadas, la etapa que queda por cumplir es el de la construcción concreta de un prototipo para realizar mediciones permanentes durante un año (abarcando las distintas estaciones climáticas), teniendo en cuenta:
- temperatura de Bulbo seco - temperatura de Bulbo húmedo - Humedad relativa
- Humedad específica - Valor de Entalpía
Página 9 de 10 Se ha analizado además la cantidad de residuos originados en su construcción, extrapolando a escala real para estudiar su efecto ecológico, situación que es despreciable
El elemento estructural, hasta aquí mostrado otorga la posibilidad de ser de dos maneras construido, uno con diseño de estribo continuo en zig-zag de caras paralelas y otro en forma triangular. Ambos son realizados con el mismo diámetro de hierro.
En lo que respecta a los distintos materiales a utilizar, podemos observar que todos tienen resistencia, sufriendo mayor fisuración los hormigones que tienen Leca, cuya ventaja en su utilización es el peso final que se logra.
El tratamiento de la armadura sería muy simple debido a que al formar la cubierta no quedaría expuesta al exterior. Los extremos de estos elementos serían macizos. Se logró un elemento estructural de hormigón armado, que puede ser prefabricado, resiste los esfuerzos para el cual fue diseñado y cumple las restricciones ecológicas y de transmitancia térmica planteadas.
Página 10 de 10 Los alumnos de la carrera de Ingeniería Civil de la UTN Facultad Regional Rafaela que han trabajado en la ejecución de este proyecto en forma continua con los profesionales investigadores son:
- Franzen, Joan - Gutierrez, Gonzalo - Yacob, Guillermo
AGRADECIMIENTOS
- Laboratorio de Ing. Civil de la UTN Facultad Regional Rafaela - Empresa Menara S.A.
BIBLIOGRAFÍA
Normas IRAM 11507-1, 11605, 11603, 11604, 11605, 11625, 11630. Reglamentación CIRSOC 201- 2005
CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO- Eduardo Medina
HORMIGÓN ARMADO- Oscar Möller HORMIGÓN ARMADO- Jimenez Montoya EUROCÓDIGO