Análisis técnico-económico de la influencia que presenta el empleo de diferentes materiales y tipologías estructurales en el proyecto de estructuras de edificios

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11SC 319

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL - CONSTRUCCIÓN

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE

INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE LA INFLUENCIA

QUE PRESENTA EL EMPLEO DE DIFERENTES MATERIALES

Y TIPOLOGÍAS ESTRUCTURALES EN EL PROYECTO

DE ESTRUCTURAS DE EDIFICIOS

TESISDOCTOR^Ji^eRO EXCLUIDO

OE PRESTADO

Ü N ; V £ R S I D A D POL!TrCN!CA DE MAORiD 1 GTS. Í N G Í N Í E K O ! ; D E CAfVSiNOS

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AUTOR: JESÚS GÓMEZ HERMOSO

INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

DIRECTOR: JAIME FERNÁNDEZ GÓMEZ

(2)

4**=~f?rj •

En relación con mi Tesis Doctoral (1): "ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO

DE LA INFLUENCIA QUE PRESENTA EL EMPLEO DE DIFERENTES MATERIALES Y TIPOLO-GIAS ESTRUCTURALES EN EL PROYECTO DE ESTRUCTURAS DE EDIFICIOS"

mediante el presente escrito autorizo su (2): (X) Consulta en Biblioteca.

( ) Reproducción parcial por fotocopia de las páginas/Capítulos ( ): ^ , ( ) Reproducción total mediante fotocopia,

con las dos condiciones que seguidamente se indican:

1. Que, por parte de la Dirección de la Biblioteca se me comunique a la dirección que indico al pie del presente escrito, el uso que a tenor de

cuanto queda autorizado en este escrito, haya sido objeto la mencionada Tesis Doctoral.

2. Que, en el caso de que alguna parte de su contenido sea, utilizado en alguna publicación o trabajo de carácter científico o técnico, se

cite el origen de ia información. —

Madrid, ^ i _ . de ^^BRERO ¿g . g ^

AUTOR DE LA TESIS:

Nombre; JESÚS GÓMEZ HERMOSO

Domicilio

C. Postal

Ciudad

Telf.:

C/'ALFREDO MARQUERIE, 29 28034

MADRID 7 3 9 . 0 3 . 5 4

(1) Indicar el título de la Tesis Doctoral. (2) Indicar con una "X" lo que proceda.

(3)

Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día...).Z....de ...íí^^í^to.

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P r e s i d e n t e D. 'M^ c¿í6i¿eiJl. V o c a l D . ^ — ^ " ^ ^ ^ ' ^ ^ ^ í ^ T ^

-Vocal D. h4y&)J[o_\^:Á^_:^eq)jGr.

V o c a l D S e c r e t a r i o D

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Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día.J.^r. de ^^^fik^:^^ óe^93.B...

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Calificación: ....A.ect?....aí»:í...L:4w'.l^

EL PRESIDENTE LOS VOCALE

EL SECRETARIO

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AGRADECIMIENTOS

Cuando se finaliza el desarrollo de una Tesis doctoral siempre han sido muchas las personas que, de una forma u otra, te han ayudado o, simplemente, animado para su desarrollo. Es difícil recordar a todas, pero es fácil hacerlo con los que te han apoyado de una forma más

significativa y decidida.

Mi primer recuerdo y agradecimiento, como no podía ser de otra forma, es para Jaime Fernández Gómez, el director de la Tesis. Además de la importancia de su asesoramiento, creo que lo es aun mayor su confianza en el posible desarrollo de la misma, ya que el trabajo diario en el mundo de la construcción no permite mucho tiempo para una empresa investigadora de este tipo.

Francisco Mérida, Director de la Delegación Madrid. Edificación II de Fomento de Construcciones y Contratas, S.A., donde desarrollo mi trabajo, no debe ser olvidado. Su preocupación por el desarrollo profesional de los que le rodean, así como las facilidades dadas para el empleo de los medios informáticos necesarios, han sido muy importantes en la tarea desarrollada.

La búsqueda bibliográfica en bases de datos nacionales e internacionales ha sido realizada por Marisa Marco y su equipo del Servicio de Documentación del Colegio Oficial de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, a quienes les agradezco tanto su amabilidad como su competente trabajo.

Para el final he dejado a quienes les debo, sin duda, el mayor agradecimiento: Amelia, mi esposa y Paula y Adrián, mis hijos. Han sido muchos los fines de semana sacrificados por ellos y los cuentos dejados de leer para que pudiera realizar esta investigación. Ahora habrá que recuperar las buenas costumbres y esa vida familiar un poco abandonada durante este tiempo pasado.

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-índice

ÍNDICE

RESUMEN

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN

CAPITULO 2. PLANTEAMIENTO Y OBJETIVOS 9

2.L Consideraciones generales 9 2.2. Parámetros analizados 10 2.3. Variables independientes del modelo 11

2.4. Objetivos generales 12 2.5. Objetivos específicos 13

CAPITULO 3. ESTADO DEL CONOCIMIENTO 15

3.L Introducción 15

3.2. Aspectos normativos 17 3.2.1. El hormigonen la normativa española 17

3.2.2. El acero en la normativa española 20

3.2.3. Normativa internacional 22

3.3. Investigaciones precedentes 23 3.3.1. Aportaciones internacionales 24

3.3.2. Recientes aportaciones españolas 29

CAPÍTULO 4. PLAN DE INVESTIGACIÓN. EDIFICIOS TIPO 31

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-índice

4.2. Clasificación de los edificios 39 4.2.1. Criterios generales 39 4.2.2. Características geométricas 41

4.2.3. Grupos de edificios 52

CAPITULO 5. PROCESO DE CALCULO 55

5.1. Método general de cálculo 55

5.2. Datos introducidos 56 5.2.1. Acciones sóbrela estructura 56

5.2.2. Geometría del edificio 57

5.2.3. Materiales 58

5.3. Criterios de cálculo y predimensionamiento 59 5.3.1. Proceso de cálculo y optimización 59 5.3.2. Consideraciones sobre los pilares 60 5.3.3. Consideraciones sobre las vigas 60

5.4. Resultados. Listados de ordenador 61

CAPÍTULO 6 ANÁLISIS DE RESULTADOS 97

6.1. Consideraciones generales 97 6.1.1. Descripción de las tablas 97

6.1.2. Estudio comparativo entre el modelo y edificios construidos 104

6.1.3. Análisis secundarios de las tablas 117

6.2. Análisis de la influencia del hormigón y del acero 118 6.2.1. Tipología de edificio bajo, luz corta y canto 24 cm 119

6.2.1.1. Cuadro general 119 6.2.1.2. Cuantía de acero y hormigón 119

6.2.1.3. Superficie de pilares 125

6.2.1.4. Coste 125 6.2.2. Tipología de edificio bajo, luz corta y canto 26 cm 129

6.2.2.4. Coste 140

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-índice

6.2.3. Tipología de edificio bajo, luz corta y canto 29 cm 140

6.2.3.4. Coste 150 6.2.4. Tipología de edificio bajo, luz larga y canto 29 cm 150

6.2.4.4. Coste 162 6.2.5. Tipología de edificio medio, luz corta y canto 24 cm 162

6.2.7.4. Coste 193 6.2.8. Tipología de edificio medio, luz larga y canto 29 cm 197

6.2.8.4. Coste 204 6.2.9. Topología de edificio alto, luz larga y canto 29 cm 208

6.2.9.1. Cuandro general 208 6.2.9.2. Cuantía de acero y hormigón 208

6.2.9.4. Coste 218

6.3. Análisis paramétrico en fijnción de las calidades del hormigón y acero,

tipo de edificio, luz entre pilares y canto del forjado 218

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-índice

6.3.4. Cuantía de hormigón en vigas 228 6.3.5. Cuantía de acero en forjados 228 6.3.6. Cuantía de acero en pilares y vigas 233 6.3.7. Cuantía de hormigón en pilares y vigas 233

6.3.8. Coste material (pilares y vigas) 238 6.3.9. Coste material (pilares, vigas y forjados) 241

6.3.10. Coste (material y variación de superficie depilares) 241

6.4. Análisis comparativo en función de la altura 246

6.4.1. Cuantía de acero en pilares 246 6.4.2. Cuantía de hormigón en pilares 246 6.4.3. Cuantía de acero en vigas 248 6.4.4. Cuantía de hormigón en vigas 248 6.4.5. Cuantía de acero en pilares y vigas 248 6.4.6. Cuantía de hormigón en pilares y vigas 248

6.4.9. Coste (material y variación de superficie de pilares) 251

6.5. Análisis comparativo en fijnción del canto 254 6.5.1. Cuantía de acero en pilares 254 6.5.2. Cuantía de hormigón en pilares 254 6.5.3. Cuantía de acero en vigas 256 6.5.4. Cuantía de hormigón en vigas 256 6.5.5. Cuantía de acero en pilares y vigas 256 6.5.6. Cuantía de hormigón en pilares y vigas 256

6.6. Análisis comparativo en función de la luz 259 6.6.1. Cuantía de acero en pilares 262 6.6.2. Cuantía de hormigón en pilares 262 6.6.3. Cuantía de acero en vigas 262 6.6.4. Cuantía de hormigón en vigas 266 6.6.5. Cuantía de acero en pilares y vigas 266 6.6.6. Cuantía de hormigón en pilares y vigas 266

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-índice

6.7. Análisis de la superficie ocupada por los pilares 270

CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN 279

7.1. Introducción 279

7.2. Conclusiones 280 7.2.1. Conclusiones relativas a la cuantía de acero en pilares 281

7.2.2. Conclusiones relativas a la cuantía de hormigón en pilares 281 7.2.3. Conclusiones relativas a la cuantía de acero en vigas 282 7.2.4. Conclusiones relativas a la cuantía de hormigón en vigas 282 7.2.5. Conclusiones relativas a la cuantía de acero en forjados 283 7.2.6. Conclusiones relativas a la cuantía de acero en pilares y vigas 283 7.2.7. Conclusiones relativas a la cuantía de hormigón en pilares y vigas 284 7.2.8. Conclusiones relativas a la superficie ocupada por los pilares 284 7.2.9. Conclusiones relativas al coste material (pilares y vigas) 285 7.2.10. Conclusiones relativas al coste material (pilares, vigas y forjados) 285

7.2.11. Conclusiones relativas al coste (material y variación de superficie

depilares) 286

7.3. Conclusiones finales 287

7.4. Futuras líneas de investigación 288

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-Resumen

RESUMEN

Los edificios proyectados y constnjidos responden a un amplio espectro de usos y tipologías estructurales. Sin embargo, en los últimos años se presenta un claro predominio estadístico de unos respecto a otros. Los datos recogidos de las obras realizadas entre los años

1990 y 1997 en la Delegación Madrid.Edificación II del mayor grupo constructor del país, reflejan que el 57% de los edificios tiene uso de vivienda, el 70% de las estructuras están constituidas por pórticos de hormigón armado y forjados unidireccionales, y el 95% de los primeros se encuentran proyectados y construidos con esta tipología.

Por otra parte, cuando se plantea el proyecto de una estructur.a.se presenta con relativa frecuencia el dilema sobre el tipo de hormigón y acero a utilizar, buscando alcanzar el óptimo técnico y económico para la misma. Aunque la resistencia característica mínima para un hormigón destinado a uso estructural se encuentra en valores inferiores, el tipo habitualmente usado en edificios de viviendas se sitúa entre el H175 y el H200, con algunas realizaciones con H250 para un número de plantas sobre rasante superior a 10.

Con estas premisas se ha desarrollado un estudio sobre el cálculo de estructuras de la tipología citada para edificios del uso descrito. En el mismo se ha planteado inicialmente como variable fiandamental el tipo de hormigón y de acero, realizando combinaciones con ambos rnateriales. También se han considerado como alternativas diversas alturas de edificios, luces entre pilares y cantos de forjados y vigas.

Otras posibles variables se han mantenido independientes de la investigación desarrollada. Así, el tipo de cimentación, los muros perimetrales de plantas sótano, el tipo de forjado (vigueta prefabricada armada o pretensada, o nervio "in situ"), puesta en obra del hormigón o de los encofrados, no han sido considerados. Estas y algunas otras pueden no tener una influencia trascendente en la comparación de los parámetros que se estudian, o bien ser por sí mismas una variable que distorsione por completo el resultado, ya que dependiendo de otras circunstancias pueden modificar los mismos totalmente (por ejemplo, el tipo de cimentación).

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-Resumen

materiales (acero_v.hormigón) utilizados en la misma; y facilitar una valoración económica sobre diversas alternativas, sobre todo, estableciendo comparaciones relativas entre ellas.

Las investigaciones precedentes publicadas, tanto en el ámbito nacional como internacional, son escasas. Entre las primeras sólo se han encontrado comparaciones entre dos tipos de hormigones para algunos edificios concretos, y entre las segundas la tipología analizada responde, fundamentalmente, a forjados constituidos por losas de hormigón armado sobre vigas del mismo material o metálicas.

Conocidas ya la realidad estadística de la edificación y los trabajos previos publicados, así como establecidas las variables estimadas como más importantes y representativas a estudiar, se han planteado los modelos para calcular, medir y comparar. Se han clasificado los edificios, en primer lugar, por su altura, estableciendo tres tipos: bajo (2 plantas sótano, 1 planta baja, 5 plantas tipo, 1 planta cubierta), medio (3, 1, 12, 1) y alto (4, 1, 20, 1). Para el primero se calcula la estructura con hormigones de los tipos H175, H200, H250 y H300; para el segundo los mismos y H400; y para el tercero H250, H300, H400 y H500. En todos los casos se realizan dos cálculos, uno con cada tipo de acero (AEH400 y AEH500).

En los edificios bajos y medios se consideran dos luces entre pilares: corta (5,00 m) y larga (6,00 m), estimando sólo esta última en los edificios altos. Para la luz corta se han planteado, a su vez, tres cantos distintos de forjado y vigas: 24, 26 y 29 cm, siendo el primero el mínimo recomendado por la "Instrucción para el proyecto y la ejecución de forjados unidireccionales de hormigón armado o pretensado, EF-96" para la luz corta; el canto de 29 cm lo es para la luz larga.

Respecto a la geometría de los edificios, la planta de todos ellos es cuadrada, de 30 m de lado. Para poder realizar un estudio de las variables comentadas en párrafos anteriores sin otras influencias circunstanciales, la citada planta no presenta huecos (escaleras, ascensores o comunicaciones verticales de instalaciones), ni zunchos, brochales, apeos o voladizos, existiendo continuidad de vigas y forjados, y siendo todos los vanos iguales. Sobre estas irregularidades en la geometría de la estructura, por otra parte habitual en los edificios construidos, se realiza un estudio detallado, tanto con el cálculo con los mismos criterios sobre un modelo modificado, como con la contrastación con mediciones de proyectos y obras ejecutados. Una vez obtenida la repercusión que las citadas singularidades suponen, incrementando la cuantía de hormigón en pilares y de acero y hormigón en vigas (hasta llegar a duplicar su valor), se desarrolla el estudio sobre los modelos previstos.

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. Resumen

Edificio Luz Canto

Bajo

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Medio

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Alto

Corta

))

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Larga

Corta

>? 55

Larga

24 26 29 29

29

calculándose cada uno de ellos para la combinación de hormigón y acero anteriormente descrita.

Las acciones consideradas han sido las gravitatorias y de viento definidas en la normativa vigente. Para darle mayor generalidad no se ha considerado la acción del sismo. El cálculo ha sido realizado con un programa comercial de uso ampliamente extendido en el ámbito nacional. Los criterios de dimensionamiento de pilares y vigas, una vez obtenidos los esfuerzos, han seguido las directrices y prescripciones de la "Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado, EH-9r', disponiendo cuantía máxima en pilares.

Tras la obtención de los resultados de los cálculos (presentados en una completa serie de tablas y gráficos), se realiza un análisis de cuantías de acero y de hormigón en pilares, vigas y ambos elementos de forma conjunta, cuantía de acero en forjados, superficie ocupada en planta por los pilares, y coste de materiales (acero y hormigón en pilares y vigas, así como de éste en forjados), y repercusión económica de la variación de la citada superficie de pilares. El estudio se realiza para cada uno de los grupos de edificios, así como en fijnción de su altura, la luz entre pilares y el canto del forjado.

Las conclusiones alcanzadas tras el análisis efectuado se clasifican según los parámetros determinados previamente, llegando a un resumen final y más conciso de las mismas.

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CAPITULO 1

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Introducción

CAPITULO 1

INTRODUCCIÓN

Los edificios que proyectamos y construimos responden a las necesidades de distinto orden que tenemos en nuestro entorno social y económico. Desde la cobertura de las necesidades más elementales, como lo son el disfinatar de una vivienda o acoger una actividad industrial o de servicios en los ambientes que les son propios (naves u oficinas), o docente (centros escolares o universitarios), hasta la satisfacción de otras que, sin ser superfluas, sí pueden interpretarse como secundarias. Entre estas últimas podemos citar los centros deportivos (piscinas, pistas polideportivas o estadios) cubiertos o al aire libre, los centros culturales (auditorios, cines y teatros, museos, salas de exposiciones o bibliotecas), u otros de tipo público o de servicios generales (militares, almacenes, penitenciarios, religiosos, etc.).

Los materiales con los que se ejecutan los elementos estructurales que constituyen el esqueleto resistente de las construcciones anteriormente citadas son, básicamente, el hormigón y el acero. Éste puede ser en fiarma de barras corrugadas, cables o perfiles laminados. La combinación de todos ellos da lugar a las diversas tipologías estructurales (desde el punto de vista del material) que se utilizan habitualmente: hormigón armado, hormigón pretensado, estructuras metálicas o estructuras mixtas.

Sin embargo, aunque en menor número, también es preciso tener en cuenta como posibilidad alternativa las estructuras de fábrica de piedra o ladrillo (casi las únicas hasta el siglo XIX) y las de madera, especialmente tratada como laminada y encolada, y aplicada en cubiertas.

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Introducción

El acero utilizado en barras para armar ha elevado sensiblemente su límite elástico y su tensión de rotura, siendo los valores más habituales en la actualidad para el primero de ellos los 400 y 500 MPa. y, excepcionalmente, los 600 Mpa.

Entre los citados con anterioridad, son los edificios destinados a vivienda los más numerosos y los que suponen un mayor volumen económico dentro del campo de la edificación. Y entre ellos, a su vez, son los ejecutados con estructura de hormigón armado los que tienen un mayor número de realizaciones.

Los edificios destinados a uso de vivienda y construidos con estructura de hormigón armado disponen de una tipología relativamente variada, tanto por lo que respecta a elementos verticales de soporte, como por lo que se refiere a elementos horizontales de forjado. Entre los primeros se encuentran los pilares, las pantallas y los muros; entre los segundos la variedad es sensiblemente mayor, si bien se pueden englobar en unidireccionales y bidireccionales. A su vez, los primeros estarán constituidos por nervios prefabricados (viguetas y semiviguetas) y elementos aligerantes (bovedillas), o losas macizas de hormigón armadas fijndamentalmente en una dirección. Los forjados bidireccionales pueden estar constituidos por elementos reticulares (con casetón recuperable o encofrado perdido) o por las mencionadas losas, pero con armadura principal en dos direcciones perpendiculares.

De las diversas tipologías enumeradas en el párrafo anterior, la más empleada es la compuesta por pilares (y, en ocasiones, pantallas) como elemento sustentante, y vigas (con el mismo canto que el forjado en el mayor número de casos, denominadas "vigas planas") y forjados unidireccionales de vigueta y bovedilla como elemento horizontal.

Cuando se comienza el proyecto de la estructura de un edificio, que ya tiene una altura definida, en algunas ocasiones se plantean dos hormigones alternativos y, en alguna más excepcional, estudiar más de una modulación de luces, tanto de vigas como de forjados. También existe la posibilidad de considerar distintos cantos del forjado. Sin embargo, los condicionantes arquitectónicos pueden impedir estas alternativas de luces y cantos, que vienen definidas por las distribuciones de usos y funciones, y por las alturas libres y cota del último forjado del edificio, respectivamente.

Lo que no se hace prácticamente nunca (salvo algún caso muy excepcional) es analizar, para un edificio dado, las combinaciones posibles de varios hormigones con aceros de distintas características, diferentes luces entre pilares y varios cantos para cada luz, es decir, modificar la esbeltez del forjado. Tampoco se suelen analizar distintas alturas alternativas, ya que ésta se encuentra condicionada por limitaciones urbanísticas.

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Introducción

prácticamente a los que se analizan en el "estado de! conocimiento". No existen líneas de planteamiento ni criterios generales aplicables a la mayor parte de los casos.

Sin embargo, el volumen de obra ejecutada con esta tipología estructural requiere considerar la necesidad de un estudio sistemático de los parámetros hasta ahora comentados, así como de su influencia en las cuantías de los distintos materiales puestos en obra, en las secciones de los pilares (y su ocupación de superficie en planta), y en la valoración económica correspondiente a cada combinación.

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CAPITULO 2

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Planteamiento y objetivos

CAPITULO 2

PLANTEAMIENTO Y OBJETIVOS

2.1. CONSroERACIONES GENERALES

En la actual normativa española sobre estructuras de hormigón armado, "Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado, EH-91" se indica, en su artículo 10.5, que "la resistencia de proyecto f^.^ no será inferior, en hormigones en masa y armados a 125 kp/cm*'. En el articulo 26.2 se tipifica la resistencia de proyecto, que alcanza hasta el hormigón H-500, siendo este valor el de la resistencia característica especificada del hormigón a compresión a los veintiocho días, expresada en kp/cm^.

Por lo que respecta al acero fabricado en barras corrugadas, en el "Artículo 9°. Armaduras" de la citada Instrucción, en la Tabla 9.3.a, se expresan las características mecánicas de las mismas, así como su designación. Teniendo en cuenta que el acero soldable es el de uso más generalizado, los tipos de acero más fi-ecuentes serán los AEH 400 S, AEH 500 S y AEH 600 S, si bien este último de escasa utilización en edificación y prácticamente inexistente en el mercado.

El primer planteamiento del presente estudio fiae analizar la influencia que tenían en diversos parámetros de la estructura (cuantías y valoraciones económicas) el tipo de hormigón y de acero empleados. También existe un especial interés por conocer la variación de las secciones de los pilares, así como su ocupación de superficie en planta. Se realiza de una forma sistemática el proyecto y cálculo de diversos tipos de estructura, cada uno con diferentes combinaciones de los citados materiales.

La tipología de forjado adoptada ha sido la unidireccional, bien sea constituido por vigueta y bovedilla, bien por nervios hormigonados "in situ". Esta elección ha sido realizada tras una verificación del número de estructuras construidas en los últimos años con la misma y con uso de vivienda, que mostraba su clara predominancia con respecto a otras tipologías.

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vigas, siendo éstas planas.

2.2. PARÁMETROS ANALIZADOS

El primer factor que se ha tenido en cuenta es la altura y número de plantas. Para ello se han considerado tres edificios: bajo, medio y alto, con cinco, doce y veinte plantas tipo, respectivamente.

Las dimensiones de la planta (cuadrada) de los edificios son las mismas (30x30 m^), variando la luz entre pilares. La longitud de cada lado está dividida en un caso en seis vanos de 5,00 m y en otro en cinco vanos de 6,00 m.

El canto de las vigas y del fiDijado ha sido el tercer parámetro considerado. En el caso de menor luz (5,00 m) se han considerado valores de 24, 26 y 29 cm. Para la mayor (6,00 m) sólo se ha dispuesto este último.

La cuarta variable establecida ha sido el tipo de hormigón, eligiendo los siguientes: H-175, H-200, H-250, H-300, H-400 y H-500. Tras la publicación en 1994, por parte del antiguo Ministerio de Obras Públicas, Transporte y Medio Ambiente, del documento "Propuestas para mejorar la calidad del hormigón", de la Comisión Permanente del Hormigón, y con las actuales previsiones para la futura Instrucción EHE, el tipo H-250 será el mínimo admitido para estructuras de hormigón armado tras la publicación de la misma. Sin embargo, cuando se ha comenzado el estudio se han planteado también valores inferiores (H-175 y H-200) porque son los de empleo más frecuente en la actualidad. Este hecho permitirá también evaluar la repercusión que la variación de la resistencia característica mínima del hormigón puede tener tanto a nivel técnico (dimensiones y cuantías de los elementos estructurales), como a nivel económico, pudiendo replantear o reforzar la futura posición de la EHE al respecto.

Finalmente, el quinto parámetro considerado es el tipo de acero empleado para dimensionar las secciones de hormigón. Se han contemplado dos: AEH 400 y AEH 500.

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2.3. VARIABLES INDEPENDIENTES DEL MODELO

En el planteamiento que se ha realizado para el desarrollo de la Tesis doctoral, existen una serie de aspectos cuya influencia no ha sido considerada por estimar que no van a establecer diferencias apreciables entre las alternativas estudiadas, o que otros factores van a tener en ellas una trascendencia mayor.

Los elementos estructurales que se encuentran entre los aspectos mencionados en el párrafo anterior son los correspondientes a la cimentación, los muros perimetrales de sótano y los forjados.

La cimentación, ya sea superficial, semiprofijnda o profunda, estará condicionada por las características del terreno (tensión admisible, deformabilidad, agresividad química, nivel freático, cohesión, etc.) en una medida mucho mayor que por las variables que se recogen en el presente análisis.

Los muros perimetrales de las plantas sótano responden a una tipología muy variada. Básicamente, pueden clasificarse en muros convencionales (encofrados a una o a dos caras), muros-pantalla continuos y muros-pantalla discontinuos (de pilotes). Aunque existen otras opciones, su empleo es mucho menos frecuente. Tanto las características del terreno anteriormente citadas (sobre todo, cohesión, ángulo de rozamiento interno y nivel freático), como el proceso constructivo general de los sótanos (excavación, posible arriostramiento, cimentación y elevación de pilares y forjados hasta planta baja), tienen una influencia mucho mayor en cada una de las mencionadas tipologías que la derivada de las variables consideradas en el presente estudio, y normalmente condicionan la solución a adoptar.

El tipo de forjado elegido es unidireccional, como ya se ha indicado. Sin embargo, no se realiza una distinción entre vigueta armada, vigueta pretensada (ambas prefabricadas) o nervio hormigonado "in situ", que son las opciones más habituales, ya que para cualquiera de los edificios estudiados son de aplicación cualquiera de ellas y, además, suelen ser motivos muy variados los que inclinan la elección hacia una u otra (armadura necesaria, canto permitido, precio, criterios arquitectónicos, etc.).

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La puesta en obra del hormigón, ya sea con cubo o con bomba, puede tener influencia en casos especiales en que se requiera un hormigón especial o un ritmo de ejecución más rápido del habitual. En cualquier caso, es una variable independiente de la investigación planteada.

Existen otros aspectos técnicos que son importantes, pero que no se han tenido en cuenta porque partimos de que cualquiera de los edificios estudiados verifica los mínimos admisibles respecto a ellos. Son la deformación de las vigas y forjados y la durabilidad.

El empleo de un hormigón de mayor calidad (representada por su resistencia característica) ocasiona, para un mismo canto y una misma esbeltez, menor deformación. Sin embargo, entendemos que profundizar en esta vía es objeto propio de otro tipo de investigación. En ésta se han elegido cantos ¡guales o superiores al mínimo requerido por la "Instrucción para el proyecto y la ejecución de forjados unidireccionales de hormigón armado y pretensado, EF-96".

Respecto a la durabilidad, que es, quizá, el principal argumento para la elevación de la resistencia característica mínima del hormigón en fijturas normas, se ha considerado que no va a tener una influencia comparativa apreciable en el proyecto, la ejecución y, sobre todo, la conservación de las estructuras que se han analizado.

Se pueden contemplar también otros aspectos con repercusión económica como son el plazo general de ejecución y los plazos de desencofrado y desapuntalado, así como el coste del control de ejecución (sobre todo, ensayos del material), que tiene una cierta variación entre unos hormigones y otros, en función del nivel del mismo (normal o intenso). Se ha considerado también que estos puntos deben ser objeto de otra investigación, teniendo además una influencia más elevada en ellos otros aspectos de obra relacionados con otras unidades aquí no estudiadas (por ejemplo, ejecución de la tabiquería).

Todos estos parámetros pueden ser objeto de futuras investigaciones, ya sea de forma parcial y concreta sobre una muestra de edificios más reducida, o de forma general sobre ésta u otra más amplia (con otras tipologías estructurales, como son los forjados reticulares).

2.4. OBJETIVOS GENERALES

Partiendo del planteamiento descrito en los puntos anteriores, los objetivos generales que se pretende cubrir con la Tesis doctoral son los siguientes:

- Aportar una información, obtenida tras un estudio sistemático y riguroso de unos

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modelos estructurales, que sirva de base a arquitectos, ingenieros y otros profesionales afectados por la promoción, proyecto y construcción de edificios, en la definición de criterios geométricos de la estructura y en la elección de materiales.

- Permitir de una forma rápida, y suficientemente aproximada, la estimación de cuantías de materiales necesarios para la ejecución de la obra.

- Valorar, también de forma rápida y con un elevado grado de aproximación, la repercusión económica de los cambios que los distintos parámetros analizados permiten en los edificios estudiados.

2.5. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Los objetivos generales enumerados en el punto anterior se pueden alcanzar tras la obtención de una serie de resultados y valores parciales dentro del proceso seguido. Éstos, de una forma concreta y esquemática, son los siguientes:

- Para cada conjunto de edificios (misma altura, luz entre pilares y canto del forjado y las vigas), se obtiene la influencia del hormigón y acero empleados y sus distintas combinaciones en los siguientes parámetros:

- Cuantía de acero en pilares (también clasificado por tipos de armaduras). - Cuantía de hormigón en pilares.

- Cuantía de acero en vigas (también clasificado por tipos de armaduras). - Cuantía de hormigón en vigas.

- Cuantía de acero en forjados. - Superficie de pilares (en planta).

- Variación absoluta y relativa de la superficie de pilares. - Coste del hormigón y acero puesto en pilares y vigas.

- Coste del hormigón y acero puesto en pilares y vigas y del hormigón en forjados. - Coste teniendo en cuenta la valoración de la variación de la superficie de pilares en planta.

- Análisis de los parámetros de forma conjunta para los nueve grupos de edificios.

(26)

- Influencia del canto en cada parámetro para una misma altura de edificio y luz entre pilares.

- Influencia de la luz entre pilares en cada parámetro en edificios con la misma altura y:

- Canto mínimo de forjado. - Mismo canto de forjado.

(27)

CAPITULO 3

(28)

-Estado del conocimiento

CAPITULO 3

ESTADO DEL CONOCIMIENTO

3.1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de una labor investigadora siempre tiene una base en la realizada por otros a quienes les ha interesado el mismo tema con anterioridad. Por tanto, sea dicho trabajo previo más o menos profiíndo, más o menos extenso, siempre es oportuno considerarlo, ya que permitirá en muchas ocasiones orientar las líneas fundamentales del propio.

El empleo del hormigón y el acero por separado, y conjuntamente formando el hormigón armado, asi como la construcción de edificios con dicho material tienen tras de sí la experiencia de milenios, siglos o décadas, respectivamente. Es bueno antes de centrarse en épocas recientes, realizar un breve repaso histórico sobre su evolución.

Aunque con fi^ecuencia se afirma que en la época del Imperio Romano ya se utilizaba el hormigón, queriendo significar con ello que su uso tiene 2000 años de antigüedad, los orígenes conocidos del mismo se remontan a otros 3000 años atrás. En efecto, hace 5000 años que, en el norte de Chile, se realizaba un hormigón rudimentario en el que se empleaban como conglomerante algas calcinadas mezcladas con agua de mar. Las obras de piedra unidas con este material formaban las paredes de chozas utilizadas por los indios.

En el año 120 de nuestra era Adriano reconstruye, tras un incendio, el Panteón en Roma, ejecutando la cúpula de 44 m de diámetro con hormigón, estando la misma aligerada mediante casetones.

El uso del hormigón como material de construcción decae posteriormente, hasta que en el siglo XVIII John Smeaton lo emplea en la reconstrucción del Faro de Edystone, en la costa sur de Inglaterra.

Vicat, en 1817, propuso un sistema de fabricación de cemento que, básicamente, es el que continúa utilizándose en la actualidad, si bien la primera patente para la fabricación del cemento

(29)

portland fUe otorgada siete años más tarde a Joseph Aspdin.

El primero en fabricar objetos en los que combina el hormigón y el acero fue Lambot, que comenzó a hacerlo en 1845. Sin embargo, fue Francois Coignet quien en 1861 publica el libro "Betons aggloméres" en el que estudia el papel que corresponde a cada uno de los dos componentes como partes integrantes del nuevo material. Finalmente, Joseph Monier patenta el hormigón armado y, con sus ¡deas, se construyó en 1875 el primer puente de hormigón armado.

En ese mismo año comienza a utilizarse en Norteamérica este material compuesto, si bien no es hasta 1890 cuando su empleo alcanza un impulso notable.

La Exposición de París, celebrada en 1889, supone el hito a partir del cual se lleva a cabo la gran difiísión de este material en Francia, Bélgica y Suiza, produciéndose el mismo efecto en España a partir de 1897 con las obras realizadas por José Eugenio Rivera.

De Tedesco publica en 1904 el primer volumen completo sobre hormigón armado, un auténtico tratado con más de 600 páginas.

En esa misma década, la primera del siglo XX, comienza realmente la aplicación del hormigón en obras singulares, siendo muy significativo el primer edificio que se construye con estructura de hormigón armado, realizado en 1903 por Perret en París.

Un hecho que actualmente se produce diariamente como algo habitual, el suministro de hormigón preparado en planta, se realizó por primera vez en U.S.A. en 1913, patentándose en

1916 el primer camión hormigonera.

En esos mismos años Le Corbusier construye, en 1914, la primera casa prefabricada, y Freyssinet emplea el vibrado en la construcción del hangar de Orly en Paris.

Como realización espectacular de los años finales del primer cuarto del presente siglo, y para recordar que las mismas no son objeto exclusivo de un mundo supertecnifícado como el actual, sino también del ingenio de los hombres de cualquier época, conviene citar la cúpula de Jena. Esta obra, de Walther Bauersfeld, tiene una luz de 40 m y un espesor de hormigón de 6 cm, es decir, una relación luz/espesor de 666.

Finalmente, como último apunte de este breve repaso histórico, hay que mencionar el primer rascacielos construido con hormigón armado, obra de Wright en el año 1929.

(30)

trabajos de investigación, en las realizaciones llevadas a cabo y en la normativa publicada en los distintos países y, de forma conjunta, en ámbitos y asociaciones técnicas internacionales.

Las variables que constituyen la base del presente estudio son el tipo de hormigón y el tipo de acero empleados en los distintos edificios planteados y calculados. Otras, como la altura de los mismos, su luz entre pilares contiguos o el canto del forjado y de las vigas (planas), permiten ampliar la investigación y extender la obtención de conclusiones. La evolución de las primeras en la normativa será comentada en el siguiente apartado.

En la búsqueda de trabajos precedentes sobre este campo de investigación los frutos han sido relativamente escasos. Se han encontrado pocas publicaciones en las que se recogieran investigaciones sobre el uso de diversos tipos de materiales en la misma o en diferentes tipologías estructurales, así como la influencia de la variación de la altura, la luz o el canto. También han sido poco abundantes los hallazgos sobre cuantías y valoraciones. Sin embargo, lo encontrado sí permite tener una visión de las líneas de trabajo, inquietudes y, sobre todo, necesidades de la edificación sobre estos parámetros.

Aunque en el presente trabajo se pretende alcanzar conclusiones, entre otros aspectos, sobre la optimización económica de las estructuras que responden a la tipología estudiada, debe tenerse siempre presente que la mejor opción sobre dicho aspecto, como afirma T.Y. Lin (24), es realizar un correcto y coherente diseño conjunto de la arquitectura, la estructura y las instalaciones del edificio.

3.2. ASPECTOS NORMATIVOS

3.2.L El hormigón en la normativa española

La primera Instrucción española sobre hormigón armado data de 1939. En la misma no se especificaba una resistencia mínima del hormigón, sino que se prescribía que la resistencia del mismo se fijaría en el proyecto de manera que se obtuviesen los coeficientes de seguridad que permitiesen que el estado de tensión, en cualquier punto, fuese tal que el cociente de las cargas exteriores o causas de los esfuerzos por las características resistentes del material pudiese triplicarse sin sobrepasar las condiciones de rotura del hormigón, y duplicarse sin sobrepasar el límite elástico del acero (9).

En las posteriores "Normas para el cálculo y ejecución de estructuras metálicas, de

(31)

hormigón armado y forjado de ladrillo armado", que surgieron como un reglamento que desarrollaba el Decreto de 1941 sobre la restricción del hierro en la edificación, se contemplaban dos tipos de hormigones, en función del cemento que se utilizase. Se hablaba de cargas mínimas (rotura de hormigón a 28 días) de 120 kp/cm^ si se utilizaba "cemento corriente", y de 160 kp/cm^ si el mismo era de "alta resistencia".

En 1961 el Instituto Eduardo Torroja editó la "Instrucción HA-61 Especial para estructuras de hormigón armado" que, si bien no tenía el rango de un texto legal oficial, sí se convirtió de hecho en la normativa seguida por los proyectistas. En esta Instrucción la resistencia característica (concepto ya introducido) se ligaba a las características mecánicas del acero. La citada resistencia del hormigón no debía ser inferior a:

R, = 55 +0,025.Ak

siendo A^ la resistencia característica del acero expresada en kp/cm^. Al ser este último valor habitualmente igual o inferior a 3000 kp/cm^, la resistencia característica mínima del hormigón resultaba ser de 130 kp/cm^.

En 1968 se editó la "Instrucción para el proyecto y ejecución de obras de hormigón en masa o armado". En la misma se establecían dos límites inferiores para la resistencia:

Hormigón en masa 60 kp/cm^ Hormigón armado 120 kp/cm^

considerándose como hormigón más usual para armar el de resistencia característica a compresión igual a 180 kp/cm^ y, a su vez, la citada resistencia como un indicador fiable de otras cualidades del hormigón (19).

Se establecían también las siguientes dosificaciones mínimas de cemento:

Hormigón en masa 150 kg/m^ Hormigón ligeramente armado 200 Hormigón armado 250 "

La fórmula que relacionaba las resistencias del hormigón y del acero se modificó, pasando a ser la siguiente:

a , , > 5 0 + 0,02.a^

(32)

Además de los valores mínimos comentados anteriormente, en esta Instrucción la serie de resistencias tipificadas era: 60, 90, 120, 150 y 180 kp/cm^.

La Instrucción EH-73 mantenía, respecto a la resistencia característica del hormigón, unos criterios muy parecidos a su predecesora. Las resistencias se tipificaron como múltiplos de 25, siendo H-50, 100, 150, 175, 200,225, etc. Los valores mínimos establecidos en esta ocasión son los siguientes:

Hormigón en masa 50 kp/cm^

Hormigón armado 175

recomendando unos rangos del tipo de hormigón según la aplicación:

Hormigón para estructuras de edificación H-125 a H-250 Hormigón para obras de ingeniería y prefabricación > H-250

En las Instrucciones posteriores a la EH-73 se han producido algunos cambios en lo que respecta a estas características del hormigón que pueden resumirse en los siguientes puntos:

- Se ha fijado el valor mínimo para la resistencia de proyecto fj.^ = 125 kp/cm^. - Se suprimen los hormigones tipificados como H-50 y H-100.

- La relación de la resistencia mínima del hormigón en fijnción del acero se expresa mediante la siguiente tabla (suprimiendo la fiármula anterior):

Acero

AE-215L AEH-400 AEH-500 AEH-600

Hormigón (>)

125 kp/cm^ 150 " 175 " 200 "

En la Instrucción EH-88 se consideraron nuevos criterios de durabilidad, definiendo tres tipos de ambiente, así como unas relaciones máximas de agua/cemento y los siguientes contenidos mínimos de cemento (en kg/m^) para cada ambiente:

Ambiente Hormigón en masa Hormigón armado

I (interior) 150 250 II (exterior) 175 275-300 III (agresivo) 200 300-325

(33)

manteniendo, además, los criterios anteriores de contenido mínimo de cemento:

Hormigón en masa > 150 kg/m^ Hormigón ligeramente armado 200 " Hormigón armado 250 "

Con posterioridad a la publicación de la "Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado, EH-91", ensayos de laboratorio llevados a cabo para estudiar los parámetros de dosificación de los hormigones usualmente utilizados, han planteado que diseñar un hormigón H175 estricto obliga a no alcanzar el contenido mínimo de cemento marcado por la Instrucción, o a rebasar la máxima relación agua/cemento (0,65), con el consiguiente perjuicio para la durabilidad del hormigón y para la vida útil de la estructura (15) y (19).

Teniendo en cuenta estas investigaciones y la conveniencia de mejorar la durabilidad del hormigón fi-ente a los ambientes cada vez más agresivos, en 1994 el entonces Ministerio de Obras Públicas, Transporte y Medio Ambiente publicó el documento "Propuestas para mejorar la calidad del hormigón". Éste pretendía ser un avance de la ílitura Instrucción de Hormigón Estructural, y en el mismo se propone sustituir el contenido del apartado "10.5. Valor mínimo de la resistencia" de la Instrucción vigente, por el siguiente:

"La resistencia de proyecto f^.,^ no será inferior a 200 kp/cm^ en hormigón en masa, ni a 250 kp/cm^ en hormigones armados"

En los comentarios realizados en el Boletín n° 15 de GEHO (19), se indica que la propuesta no pretende suprimir la aplicación de hormigones de resistencia inferior a 200 kp/cm^ en otros usos no estructurales (bordillos, baldosas, hormigones de relleno, etc.).

En dicho documento se reconoce que la influencia que el incremento de la resistencia mínima del hormigón va a suponer en el proyecto de elementos que trabajen a flexión va a ser muy reducida. Sin embargo, será apreciable en los soportes, que podrán optimizar su escuadria. Las longitudes de anclaje del acero en el hormigón también se verán reducidas, suponiendo mayor sencillez en los detalles y procesos constructivos.

3.2.2. El acero en la normativa española

(34)

países del mismo ámbito técnico y cultural (8).

El desarrollo del hormigón armado en España comenzó bajo dos patentes francesas: una de Hennebique y otra de Monier. Este hecho puede ser una de las causas de su tardía normalización.

En la "Instrucción para el proyecto de obras de hormigón", publicada en 1939 por el Ministerio de Obras Públicas, así como en las "Normas para el cálculo y ejecución de estructuras metálicas, hormigón armado y forjados de ladrillo armado" publicada en 1940 por la Dirección General de Arquitectura, se especificaban exclusivamente las características mecánicas del acero, haciéndose referencia únicamente a las barras lisas.

En 1958 el Instituto Técnico de la Construcción y el Cemento publicó el primer tomo de la que después sería la Instrucción EH-61 (año en que se editó el segundo). En el mismo se recogían, por primera vez en la normativa española, las barras corrugadas. En la década de los 60 se produjo en España una gran expansión del empleo de las barras corrugadas de alta resistencia, usándose aceros de 5000 kp/cm^ de límite elástico.

El primer paso fiíe obtener aceros de alto límite elástico mediante deformación en frío de aceros de dureza natural, mejorando la adherencia con la incorporación de corrugas en su superficie. Apoyados por un alto nivel de investigación tuvieron un gran éxito comercial.

Posteriormente, se fijeron introduciendo los aceros de dureza natural, en los cuales se obtenían los altos límites elásticos por propiedades directas del material.

En los primeros años de la década de los 70 se realizó un esfijerzo normativo importante y se crearon las bases fiandamentales de la normativa para barras, mallas y alambres, redactándose la siguiente serie de normas UNE;

- 36097/1/81 "Redondo liso para hormigón armado"

- 36088/1/81 Parte 1 "Barras corrugadas para hormigón armado. Barras sin exigencias especiales de soldabilidad"

- 36088/1/81 Parte 2 "Barras corrugadas para hormigón armado. Condiciones de inspección y/o recepción"

- 36092/1/81 "Mallas electrosoldadas de acero para hormigón armado"

- 36099/1/81 "Alambres corrugados de acero para hormigón armado"

(35)

Éstas fueron las normas que sirvieron de base para la creación del Sello de Calidad "CIETSID", posteriormente sustituido por la marca AENOR.

En Instrucciones posteriores, como las EH-80, EH-82 y EH-88 los aceros contemplados para barras corrugadas, bajo la denominación de AEH 400, AEH 500 y AEH 600, tienen un límite elástico de 4100, 5100 y 6100 kp/cm2, siendo N o F (de dureza natural o deformados en frío), en función de su proceso de fabricación.

En la Instrucción EH-91, actualmente vigente, se recogen también los aceros AEH 400 S y AEH 500 S, con los mismos límites elásticos anteriormente citados, pero con la soldabilidad como característica distintiva.

3.2.3. Normativa internacional

Con el inicio de la ejecución de estructuras de hormigón armado, tanto los países europeos tecnológicamente más avanzados como los Estados Unidos, se encontraron en la necesidad de elaborar Normas que reglamentasen el proyecto y la ejecución de estas obras. Entre las primeras se encuentran las siguientes:

- Suiza "Provisorische Normen ílir Projektierung, Ausíuhrung und Kontrolle von Bauten in armiertem Betón (EMPA)", en 1903.

- Prusia "Bestiurmungen ílir die Ausíuhrung von Konstructionen aus Eisenbeton imHochbau", en 1904.

- Francia "Circulaire du ministre des Travaux Publics, des postes et des télégraphes aux ingenieurs en-chef des ponts et chaussées", conteniendo unas "Instructions Relatives a lémploi du Betón Armé", en 1906.

- R. Unido "Report of the Joint Committee on Reinforced Concrete", en 1907.

- U.S. A. "Standard Building Regulations for the Use of Reinforced Concrete", en 1910.

(36)

- "Recomendaciones prácticas unificadas para el cálculo y ejecución de obras de hormigón armado", en 1964.

- "International recommendations for the design and construction of concrete structures", en 1970.

- "Model Code CEB for concrete structures" (CEB-FIP), en 1978.

- "Model Code fiar structural concrete" (CEB-FIP), en 1990.

En esta última publicación (12) se establecen las clases de hormigón entre el Cl2 y el C80, expresando el número la resistencia característica a compresión especificada f^.^ en Mpa y recomendando, por razones de producción y de control de calidad, el empleo del Cl2 y de los múltiplos de 10 (C20, C30, ...).

Indica, específicamente, que para hormigón armado se emplearán únicamente las clases C16y superiores.

Respecto al acero, el Código Modelo contempla armaduras hasta la clase 500, expresado en las mismas unidades.

En el ámbito europeo debe considerarse también el "Eurocódigo n° 2. Proyecto de estructuras de hormigón. Parte 1: Reglas generales y reglas para edificación". En el mismo se tipifica la resistencia de proyecto del hormigón, cuyos límites se encuentran entre C12/15 y C50/60, expresando los números las resistencias características a compresión f^^ en probeta cilindrica y en probeta cúbica, respectivamente.

La citada norma establece que los hormigones de clases inferiores a C12/15 o superiores a C50/60 no deben usarse para hormigón armado o pretensado salvo que su uso se justifique adecuadamente.

3.3. INVESTIGACIONES PRECEDENTES

En la Introducción a este capítulo se ha comentado que las publicaciones conocidas en el campo que es objeto de la presente Tesis doctoral son escasas. En la búsqueda realizada, tanto en el ámbito nacional como internacional, se han encontrado algunos trabajos que analizan algunas de las variables aquí consideradas pero, normalmente, en un rango menor o en otras tipologías

(37)

estructurales.

Los mismos, en cualquier caso, permiten tener una visión de los aspectos que pueden presentar mayor interés para los técnicos involucrados en esta actividad.

3.3.1. Aportaciones internacionales

El investigador Adang Surahman y el profesor Kamal B. Rojiani (39), en 1983 publicaron un trabajo en el que se analizaba la seguridad de una estructura de hormigón armado basada, en un diseño dado. En el mismo estudiaban sistemas estructurales típicos de edificios de oficinas con cuatro y diez plantas constituidos con pórticos. Realizaban el cálculo y dimensionamiento asociado a una probabilidad de fallo dada. Finalmente, consideraban como coste del edificio la suma del producido durante la construcción y la debida al fallo del mismo, obteniendo el coste mínimo para uno de los sistemas de cálculo y dimensionamiento seguido.

SinghyMurthy (34) en 1980 realizan un estudio en el que combinan distintos esquemas estructurales de forjado, con tres luces diferentes y número de plantas del edificio entre 5 y 50 (variando de 5 en 5). Los citados esquemas pueden apreciarse en la figura 3.1, así como las luces de 6, 8 y 10 m consideradas. Todos los cálculos se realizan con un tipo de hormigón y uno de acero de resistencias características 20 y 410 N/mm^, respectivamente.

Los resultados obtenidos se traducen en cuantías de hormigón, acero y superficie de encofrado en losas, vigas, pilares y total de la estructura. En la figura 3.2 se recogen los resultados obtenidos para cuantía de hormigón y acero en la totalidad de la estructura. Se observa su evolución en fiínción del esquema estructural, la luz elegida y el número de plantas del edificio.

En 1981 los mismos autores (35) presentan un trabajo similar al anterior, pero en el que modifican una serie de parámetros. Mantienen como variable el número de plantas entre 5 y 50 y las luces entre pilares de 6, 8 y 10 m. Los forjados analizados en esta ocasión son dos: una losa maciza y un forjado reticular, ambos calculados con y sin capitel sobre los pilares. Otro aspecto que se altera es el tipo de acero, que en esta ocasión no es único, sino doble (250 y 410 N/mm^), siendo el hormigón de nuevo de una resistencia característica de 20 N/mm^.

Los resultados obtenidos son la cuantía de hormigón y acero y superficie de encofrado en el total del edificio en fijnción del número de plantas, luz, tipo de acero y disposición de capitel

o ausencia del mismo. En la figura 3.3 se reproducen las cuantías de acero para toda la estructura

(38)

scheme C

F I G : I . P L A N O F STRUCTURAL 5CHEMES

(39)

10 15 20 25 30 35 NUMBER OF STOREYS

50

Grid (m) Scheme 10 X 10 B 10 X 10 A

10 X 10 C

8 x 6 B 8 x 8 A

6 x 6 6 x 6

B A

FIG; XI QUANTITIES OF CONCRETE POR

10 15 » 25 30 35 NUMBER OF STOREYS

40 Í5 50

& r i d ( m ) Scheme 10 X 10 B

10 X 10 A 10 X 10 C 8 x 8 B

8 x 8 A

6 x 6 B

6 x 6 A

(40)

IV)

HY MS

M S HY

4 5 Grid ( m ) Sche *

í t C H slorxis f a j c h e m e columh hood

10-4 % 10-4 WCH J y4. 10-4 n 10-4 CH

] 8 - 0 I 8 - 0 WCH / 3 8-0 X 8-0 CH

6 - 4 % 6 - 4 WCH 6 - 4 % 6 - 4 CH

10 15 20 25 3 0 3 5 4 0 45 50

NUMBER OF STOREYS

10 • 15 20 25 3 0 35 4 0 45 5 0 < NUMBER OF STOREYS

FIG. I I = QUANTITIES OF REINFOREMENT FOR TOTAL STRUCTURE WITH FLAT SLABS USING MILD STEEL / HI6H YIELD STEEL IN SLABS

Figura 3.3 (tomado de Singh y Murthy (35))

(41)

En los años 1983 (36) y 1986 (37) Singh y Murthy presentan trabajos en el mismo campo incluyendo forjados con losas armadas y vigas pretensadas.

En 1990 Singh presenta un estudio sobre el mismo esquema estructural (forjados con losa y vigas descolgadas de hormigón armado), pero incluyendo el análisis de pantallas frente a viento y diversos estudios económicos (38).

Los resultados obtenidos se clasifican en los siguientes aspectos:

- Efecto de la luz y del esquema estructural en las cuantías y coste (hormigón C20 y edificio de 35 plantas).

- Influencia del tamaño de las vigas en las cuantías y coste de las mismas y de las losas (mismo esquema estructural y luces de 10 m).

- Efecto de la luz en las cuantías y coste de los pilares (hormigón C20 y edificio de 40 plantas).

- Influencia del número de plantas (5 a 50) en las cuantías y costes de las pantallas (núcleos frente a acciones horizontales), con hormigón de una resistencia característica de 30 N/mm^ y luces de 9 m.

- Cuantías y coste por m^ del conjunto de la estructura clasificados por elementos estructurales en un edificio de 50 plantas (hormigón de 20 y 30 N/mm^ en elementos horizontales y verticales, respectivamente).

- Mismo análisis anterior, pero en un edificio de 45 plantas con hormigón de 20, 25 y 30 N/mm^ en elementos horizontales, pilares y pantallas, respectivamente.

Jaafari presenta en 1988 un estudio de costes y análisis del comportamiento de estructuras de edificios en altura (21). En el mismo estudia cuatro fipos, con 5, 12, 20 y 30 plantas. Considera dos tipos de forjados (uno de ellos con losa de hormigón armado sobre vigas metálicas) y dos distribuciones de pilares respecto al núcleo central de rigidización.

Tras partir de los rendimientos y producciones parciales y obtener los costes por metro cuadrado, finaliza con unas recomendaciones sobre el forjado a utilizar en fianción del tipo de distribución de pilares anteriormente mencionado y de la luz entre los mismos. Para valores superiores a 9 m estima más adecuado el forjado pretensado.

En 1990 Tañada, Suga, Tsuboi e Isaka (40) analizan edificios de 2 a 5 plantas, con luces variables en dos direcciones ortogonales. Consideran cuatro combinaciones de materiales: hormigón pretensado, hormigón armado, estructura mixta y estructura metálica.

(42)

en función de la luz, el número de plantas, el tipo de estmctura y los cantos de las vigas.

3.3.2. Recientes aportaciones españolas

Aroca y Cervera (2) publican en 1993 un artículo sobre los parámetros y costes en el diseño de estructuras de pisos en hormigón armado. En el mismo hacen un repaso de los criterios a seguir en su definición para obtener un mínimo coste de la estructura, analizando cada uno de los elementos estructurales (forjados, vigas y soportes) y un módulo estructural que comprende a todos ellos.

Subrayan la influencia de las irregularidades de la planta del edificio, las distintas luces, la variación de la dirección del fiarjado, los extremos sin voladizo y las acciones horizontales en el citado coste, concluyendo que la limitación de las luces en fianción de la de los cantos (la esbeltez) es uno de los condicionantes decisivos.

En el mismo año González-Isabel (20) realiza un estudio sobre el hormigón empleado en soportes para un edificio de 50 plantas, con luces de 6 m y forjado constituido por una losa de hormigón armado.

Establece una comparación entre las cuantías y los costes modificando el tipo de hormigón y de elemento estructural vertical. Considera hormigones de 250, 600 y 800 kp/cm^ de resistencia característica, así como la existencia o ausencia de pantallas contra viento. Obtiene también el incremento de superficie utilizable al aumentar aquél su calidad.

También en el año 1993, Corres (11) publica un trabajo en el que establece una comparación entre estructuras proyectadas con hormigones de los tipos H175 y H250. Analizando la influencia de ambos hormigones en los estados límites últimos concluye que la mayor se produce en los elementos sometidos a esftierzos de flexión compuesta, menos en los sometidos a tensiones tangenciales e inapreciable en los estados límites de servicio.

Posteriormente estudia la influencia en tres proyectos típicos: un aparcamiento con estructura horizontal constituida por un forjado reticular, un edificio de oficinas con la misma solución y, finalmente, otro de viviendas con pórticos y forjado unidireccional. Las conclusiones son que el hormigón H250, además de disponer de unas mejores condiciones de durabilidad, permite optimizar las escuadrías de los pilares y forjados bidireccionales, y supone una disminución moderada de la cuantía de acero frente a esfijerzos de flexión e importante frente a los de flexocompresión.

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CAPITULO 4

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Plan de investigación. Edificios tipo

CAPITULO 4

PLAN DE INVESTIGACIÓN

EDIFICIOS TIPO

4.1. CONSIDERACIONES GENERALES

El mundo de la construcción en general, y el de la edificación en particular, presenta una muy variada muestra de usos y aplicaciones de lo que es objeto de su actividad, así como de las estructuras que constituyen el esqueleto de las obras civiles y de los edificios.

Desde el segundo lustro de la década de los ochenta hasta los primeros años de la presente de los noventa, la actividad constructora en España ha sido febril, llevándose a cabo un elevado número de realizaciones, algunas singulares y muchas otras clasificadas como normales.

Realizando un análisis de las obras desarrolladas en los años transcurridos de la presente década por la Delegación Madrid. Edificación II de la empresa Fomento de Construcciones y Contratas, S.A., se puede tener una referencia aproximada de los usos y tipologías ejecutados en dicha etapa.

De un total de 136 edificios, 77 tienen uso de vivienda (57%), estando el resto muy repartido entre oficinas, aparcamientos, edificios industriales, docentes, culturales, públicos, comerciales y deportivos.

Respecto a la tipología estructural, de los 136 edificios, 96 (70%) se encuentran ejecutados con estructura de hormigón armado constituida por pórticos y forjado unidireccional perpendicular a los mismos, siendo el resto de forjado reticular (10%), forjado de losa maciza de hormigón armado (4%), elementos prefabricados con el mismo material (4%) y estructura metálica (12%). De estos últimos la mitad responden a edificios de nueva planta y la otra mitad a refuerzo metálico en edificios existentes de hormigón armado.

Como puede apreciarse el porcentaje de edificios con uso de vivienda supera la mitad del total construido, siendo los ejecutados con forjado unidireccional el 70% de todos los

(45)

Plan de investigación. Edificios tipo

desarrollados. A su vez, entre los 77 edificios de viviendas, los que tienen su estructura horizontal realizada con dicho tipo de forjado son 73 (95%).

De todos estos datos se deduce la razón de ser de la tipología estructural elegida para llevar a cabo esta investigación. Uno de los objetivos de la misma es que tenga un sentido práctico y de aplicación a la toma de decisiones, tanto económicas como de diseño de los edificios que se proyectan. Y para ello una premisa fijndamental es que el objeto de estudio no sea singular y aislado, sino generalizado en el campo de la construcción.

Los 77 edificios con el uso reseñado tienen distinto número de plantas, tanto de sótano como sobre rasante, ya sean estas últimas baja, tipo, ático o cubierta. De ellos, 59 pueden considerarse "edificios bajos" según la clasificación desarrollada más adelante, 3 serian "edificios medios" y no habría ningún "edificio alto".

En las tablas 4.1.a y sucesivas hasta la 4.1.e se encuentran detalladas las siguientes características de los 59 "edificios bajos": año de ejecución, número de plantas (sótanos / baja / tipo / cubierta), tipo de hormigón, tipo de acero, luz de vigas (más fi-ecuente o representativa), luz de fiarjado (también más fi-ecuente o representativa) y canto del mismo (con viga plana, salvo elementos aislados).

Como puede observarse, la construcción de los citados edificios se encuentra entre los años 1990 y 1997, siendo variable el número de plantas. Salvo tres excepciones (con 3, 4 y ningún sótano), todos tienen 1 ó 2 plantas sótano, estando el número de plantas tipo entre 3 y 7, menos dos edificios que tienen dos plantas tipo, pero que por su volumen (73 y 126 viviendas) podrían considerarse dentro del grupo estudiado.

Respecto a los materiales empleados el primer aspecto que conviene subrayar es la evolución del tipo de hormigón. Entre los años 1990 y 1994, aunque se empleaba preferentemente el tipo H175, también se hacía un uso más frecuente de lo que podría pensarse del H200. Sin embargo, desde 1995 hasta el presente la tendencia se ha invertido, siendo mayoría el número de edificios construidos con este último. La cuantificación de este punto puede resumirse en el siguiente cuadro:

1990 a 1994

1995 a 1997

Total

H-175

20

6

26

H-200

6

25

31

H-250

1

2

Total

27

32

(46)

CARACTERÍSTICAS DE EDIFICIOS CONSTRUIDOS rSAJO - 1)

EDIFICIO

50 VVDAS. FIUNA

114VVDAS.NEBRIJA

I I O W D A S . ORDUÑA

VVDAS. AGRONORE-2

W D AS. AGRONORD-2

40 VVDAS. CHOPERA

47 W D AS. M. ALVARO

122 VVDAS. SILVANO

76 WDAS. M. JOVEN 16

76VVDAS.M. JOVEN 18

82 VVDAS. LAS VÍAS

32 VVDAS. SIERRA ELVIRA

112 W D A S . EMBAJADORES

AÑO

1990

1991

1992

1991

1992

1993

N° PLANTAS

2/1/7/1

1/1/5/1

2/1/5/1

2/1/4/1

2/1/6/1

1/1/4/1

1/1/6/1

2/1/4/1

2/1/7/1

HORMIGÓN (H-)

175

200

175

ACERO (AEH-)

500

400

500

400

500

400

500

400

LUZ VIGAS (m)

5

3 a 7

5

5 y 6,2

4 y 5,9

5,5

3,5

5 y 5,5

3/4,5/5,5

4,5/5,5/6,5

LUZ FORJADO

ím)

5

5 y 6

5

4,4/4,8/5,6

4 y 5

4,5 y 5,8

5,5

4 y 5

4,5

3,5/6,5

4,75

CANTO FORJADO

(cm)

27

26

28 28

26

27

25

26

32

30 y 26

(47)

CARACTERÍSTICAS DE EDIFICIOS

CONSTRUroOS (BAJO - 2)

EDIFICIO

76 W D AS. V. CRUCE E

124VVDAS.V. CRUCE D

48 VVDAS. POZUELO

155 W D AS. RINCONADA

72 W D A S . ESPINILLO 12

72 W D A S . ESPINILLO 15

120 W D A S . TRES OLIVOS

55 W D A S . TOMILLAR

81 W D A S . CAMPO REYES

179 W D A S . MAESTRANZA

8 WDDAS. G.V. HORTALEZA

78 W D A S . G.V. HORTALEZA

128 W D A S . ALMUDENA

AÑO

1993

1994

N» PLANTAS

1/1/5/1

2/1/3/1

1/1/7/1

1/1/4/1

2/1/5/1

1/1/3/1

1/1/2/1

3/1/7/1

1/1/4/1

2/1/4/1

1/1/5/1

HORMIGÓN (H-)

175

200

175

200

175

250

175

200

ACERO (AEH-)

500

400

500

400

500

400

500

400

500

LUZ VIGAS

(m)

4

3/4

6

5,5

5

5 a 7

4,5/6

5,5 a 6,5

5,50

3,5 a 8

4 a 6

5,5

LUZ

FORJADO (m)

3,5 a 4,5

5

6

5

3,5/5,5

4,5/6,5

6/4

5,50

5/5,5

5

3,5/6

CANTO FORJADO

(cm) 26

23

26

30

26 26 28 28 26 26

29