Ensayo sobre refuerzos en edificio industrial de hormigón armado.

PROYECTO DE REFUERZO ESTRUCTURAL EN EDIFICIO INDUSTRIAL DE HORMIGÓN ARMADO

Sánchez Olivares, G. y Tomás Espín, A.

Departamento de Estructuras y Construcción

Campus de la Muralla del Mar. Universidad Politécnica de Cartagena

30202 Cartagena (Murcia)

 

Resumen

El presente trabajo describe un proyecto de refuerzo estructural en un edificio industrial de hormigón armado, necesario por el cambio de uso que se iba a efectuar en el mismo al instalar un mayor número de maquinaria e instalaciones que los contemplados en el proyecto original. Para acometer el trabajo, se decidió formar un equipo en el que se adoptó la dirección integrada del proyecto como aspecto clave para conseguir los objetivos de plazo, economía y calidad. Como solución general, se propuso la utilización de un sistema de refuerzo formado por bandas laminadas de fibras de carbono de gran resistencia y rigidez a la tracción, unidas a los elementos estructurales de hormigón armado por medio de un adhesivo específico a base de resina epoxi. Además, se propuso otro tipo de refuerzo para solucionar problemas muy localizados en algunas zonas del edificio.

  1. Introducción

    El presente trabajo se basa en un proyecto de refuerzo estructural que se solicitó al Departamento de Estructuras y Construcción de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) por una empresa situada en el Valle de Escombreras de Cartagena. Dicho proyecto era necesario por un cambio de uso en un edificio de estructura de hormigón armado, en el cual se necesitaba instalar un mayor número de maquinaria e instalaciones de transporte que los contemplados en el proyecto original.

    Un aspecto fundamental condicionaba el proyecto: el tiempo. Debido a la necesidad de la inminente instalación de la nueva maquinaria, los plazos eran muy pequeños, tanto para el estudio y decisión de la solución de refuerzo estructural, como para la materialización del mismo.

    Para acometer el trabajo, se decidió formar un equipo investigador en el Departamento de Estructuras y Construcción de la UPCT, en el que se adoptó la dirección integrada del proyecto como aspecto clave para conseguir los objetivos de plazo, economía y calidad. Uno de los miembros del equipo asumió la labor de director de proyecto para lograr optimizar los recursos humanos y materiales en aras del alcance de los objetivos anteriores.

    Como solución general, se propuso la utilización, en vigas y losas de la estructura, de un sistema de refuerzo formado por bandas laminadas de fibras de carbono de gran resistencia y rigidez a la tracción, unidas directamente a los elementos de hormigón armado por medio de un adhesivo específico a base de resina epoxi. Además, se propuso otro tipo de refuerzo para solucionar problemas muy localizados en algunas zonas del edificio. Con esta solución, los resultados fueron satisfactorios al ser ésta económica, de calidad y, lo que era muy importante, se consiguió reforzar la estructura en unas pocas semanas, cumpliendo con los plazos establecidos entre la empresa y los proveedores de maquinaria. Es interesante destacar que la solución adoptada para el refuerzo tiene la característica de la flexibilidad frente a cambios futuros de las solicitaciones, permitiendo introducir nuevos refuerzos, si fueran necesarios, con mínimos cambios y coste reducido.

  2. planificación y desarrollo del proyecto

Dentro de los objetivos generales, ya comentados, de plazo, costo y calidad, se fijaron otros objetivos parciales para los que se definieron las siguientes líneas de actuación:

  • Estudio de la capacidad resistente del edificio. En esta fase hubo que recopilar datos del proyecto original así como de la empresa encargada de la construcción del edificio. Se definieron dos modelos de análisis en los que se tuviera en cuenta la nueva situación de cargas y de huecos en los forjados, para las instalaciones de transporte y eléctricas. Un modelo empleaba la formulación matricial y el otro modelo empleaba la formulación de elementos finitos. El objeto de estos modelos era determinar la capacidad resistente del edificio frente a la nueva situación planteada, así como frente a las distintas hipótesis de combinación de acciones. Es de destacar que los modelos se hicieron paramétricos con el fin de poder modificarlos fácilmente en el caso de que se introdujeran cambios no previstos.

     

     

  • Estudio de las posibles soluciones y definición en detalle del refuerzo. Con el objetivo de seleccionar la solución más adecuada a la problemática concreta del edificio, se discutió y analizó las diferentes soluciones existentes en la actualidad en aras de alcanzar los principales objetivos del proyecto. La siguiente fase, una vez decidida la técnica de refuerzo a emplear, consistió en la elaboración de los planos de detalle necesarios.

     

     

  • Control de la ejecución del refuerzo estructural. Esta fase se realizó en dos subfases: refuerzo de vigas (no se requirió reforzar pilares) y refuerzo de forjados. Existió simultaneidad en la ejecución de la primera subfase y la definición en detalle del refuerzo de forjados, para ganar tiempo. En esta segunda subfase, debido a los procedimientos del contratista que realizó el refuerzo estructural, se introdujeron cambios en relación con la forma y tamaño de algunos huecos. Debido a esto, se modificó el modelo de análisis de elementos finitos, para poder redefinir la solución de refuerzo de forjados. Estas labores de control se ejercieron durante las tres semanas que se necesitaron para ejecutar el refuerzo estructural (que se hubieran reducido a la mitad en el caso de que las plantas hubieran estado exentas de maquinaria).

     

     

  • Control de la ejecución del montaje de maquinaria y equipos. El motivo de esta fase era evitar el daño de los elementos de refuerzo y poder controlar los cambios en la posición de la maquinaria e instalaciones. En relación con esto último, también se tuvo que modificar el modelo de análisis de elementos finitos para poder redefinir la solución de refuerzo. Estas labores de control se ejercieron durante tiempo que se necesitó para el montaje de la maquinaria e instalaciones.

     

Hay que comentar que aunque el periodo de tiempo de vida del proyecto fue corto, surgieron bastantes cambios en la definición de la maquinaria (características y posición a ocupar en los forjados), así como en la ejecución de los huecos. El uso conjunto de un modelo paramétrico flexible frente a los cambios y la decisión de utilizar las bandas laminadas de fibras de carbono que permitían un montaje muy rápido, sin apenas preparación de los elementos resistentes, es una técnica muy útil cuando los plazos son cortos y se requiere una solución fiable y durable. Esta decisión produjo resultados satisfactorios ya que los cambios que aparecieron en estas dos últimas fases no condicionaron los plazos de entrega del proyecto, ni el costo ni la calidad de la solución de refuerzo.

En la figura 1 puede verse un detalle del refuerzo estructural colocado sobre un forjado del edificio.

 

La solución adoptada implicó un costo relativamente bajo si se tiene en cuenta que otras técnicas, que requieren más tiempo de ejecución, suponen una pérdida de oportunidad de producir y obtener beneficios en el margen de tiempo diferencia entre la ejecución de la primera y de las segundas. Estos costes de refuerzo hubieran sido menores en el caso de haber previsto inicialmente una disposición de armado simétrica en las losas y vigas, puesto que se distribuyó la mayor parte de la armadura en los vanos donde se ubicaba la maquinaria en un principio, sin tener en cuenta un posible futuro cambio de ubicación a zonas donde inicialmente no se instaló ningún equipo ni instalación.

  1. métodos de refuerzo

    El refuerzo de una estructura se puede realizar por una gran cantidad de procedimientos, siendo algunos de los más comunes, la incorporación de perfiles de acero, la adición de armadura de acero, el recrecido estructural con o sin armadura, el pegado de elementos prefabricados de hormigón, el hormigón proyectado o el suplemento de chapas de acero.

    Aparte de estos métodos tradicionales se ha introducido en los últimos años la técnica de refuerzo comentada, consistente en suplementar laminados y tejidos compuestos a base de fibras de carbono, que se pegan al hormigón mediante resinas epoxi que actúan como adhesivo para transmitir los esfuerzos rasantes. Esta técnica comienza a constituirse en una auténtica alternativa al sistema de refuerzo convencional mediante encolado de chapas de acero, fundamentalmente en refuerzos a flexión, tanto por sus mejores prestaciones mecánicas específicas y resistencia a la corrosión, como por los ahorros obtenidos en el proceso total del refuerzo, hasta un 25%, gracias a la ligereza que presentan los materiales compuestos, facilitando su transporte, manejo y puesta en obra, empleando medios auxiliares ligeros durante cortos periodos de tiempo, lo que compensa el mayor precio de los materiales compuestos frente al acero.

  2. CRITERIOS DE DISEÑO

    Como recomendaciones generales en el diseño de refuerzos de estructuras, tanto con materiales compuestos como con materiales más convencionales, podemos destacar las siguientes: evitar el colapso de la estructura en el caso de eliminación del refuerzo, como puede suceder en caso de accidente o vandalismo; contemplar el estado previo de deformaciones en la estructura antes de reforzar para comprobar si existe redistribución de esfuerzos a nivel de estructura y seccional; y estudiar la idoneidad del refuerzo seleccionado.

    El esquema general de cálculo comprendería la comprobación del nivel de seguridad de la estructura sin reforzar, que debe ser mayor o igual a uno, la verificación de la seguridad de la estructura reforzada y la verificación de los Estados Límites de Servicio.

    Para verificar la seguridad de la estructura reforzada, hay que tener en cuenta que las características mecánicas de los materiales compuestos pueden variar con el tiempo debido a fenómenos tales como el envejecimiento, lo que provoca que se tenga que aplicar serias restricciones en las tensiones de trabajo en el largo plazo respecto del corto. Como consecuencia, para garantizar un nivel de seguridad adecuado, se debe limitar la tensión admisible de trabajo mediante coeficientes de minoración de la resistencia última, que según distintos códigos y autores, varían entre 0,60 y 0,81 para el caso del carbono.

    Respecto a la comprobación de los Estados Límite de Servicio de fisuración y deformación, aunque existe numerosas formulaciones empíricas presentes en la literatura, se puede aplicar un sencillo y conservador criterio para verificarlos, como es la aplicación de los criterios usualmente aceptados para el hormigón armado, pues los mecanismos adherentes que se desarrollan entre el acero interior y el hormigón son menos eficaces que los experimentados en los refuerzos mediante laminados compuestos, observándose en los últimos una fisuración más distribuida y de menor ancho.

  3. modelo de diseño

    Además de las acciones habituales de peso propio de la estructura, sobrecarga de uso, nieve, viento y acciones sísmicas, contempladas en la norma NBE AE-88, se consideró la distribución exacta de las cargas transmitidas por los equipos, tanto los existentes como los nuevos a incorporar, en cada una de las cuatro plantas del edificio. A continuación se empleó para el cálculo las distintas hipótesis de combinación de acciones. En la figura 2 se muestra el modelo de elementos finitos incorporando los huecos y las cargas de una de las losas.

    La metodología seguida para la obtención del refuerzo de los distintos elementos estructurales del edificio ha consistido en un cálculo y dimensionamiento de todo él con las nuevas hipótesis de cálculo para comprobar el nivel de seguridad de la estructura y localizar las zonas donde se hace imprescindible la colocación del refuerzo. Consideramos tres tipos de elementos básicos en el edificio, las losas macizas de las distintas plantas, los pilares y las vigas. Para el dimensionamiento de todos ellos se ha utilizado el programa CYPECAD ESPACIAL v.99.1.b. Además, al considerar las losas como los elementos más críticos de la estructura por ser en ellas donde se iban a efectuar las distintas perforaciones y ubicación de la maquinaria, se decidió analizarlas también de un modo más preciso empleando el programa de elementos finitos ANSYS 5.6, que proporcionara datos precisos de concentración de tensiones a nivel local en las losas.

    En cuanto al dimensionado de los diferentes elementos estructurales, se ha adoptado un coeficiente de minoración de la resistencia del hormigón de 1,5 y del acero de 1,15; y unos coeficientes de mayoración de acciones permanentes de 1,5 y de sobrecargas de 1,6. Para la realización del estudio se tuvo en cuenta la normativa vigente en España, como es la norma básica de acciones NBE-AE 88, la norma de construcción sismorresistente NCSE-94 y la instrucción de hormigón estructural EHE. También se tuvo en cuenta la anterior instrucción de hormigón EH-91 al ser la estructura proyectada con dicha normativa.

    1.  

    2. Forjados de Losa Maciza

       

      Mediante el programa CYPECAD, conociendo en cada nudo de la malla los momentos flectores en dos direcciones y el momento torsor, se comprueban las losas obteniendo la armadura base y la armadura longitudinal de refuerzo necesaria, así como la transversal de punzonamiento y cortante, en su caso, y se compara con la armadura existente dispuesta durante la construcción de la obra, según planos de despiece del proyecto original junto con la información aportada por la empresa constructora encargada de la ejecución de dicha obra.

      Por otra parte, se ha modelizado cada losa mediante elementos finitos y analizado con el programa ANSYS, para lo que se ha utilizado elementos tipo Shell 93 a los que se le introduce el módulo de deformación longitudinal del hormigón utilizado en la fabricación de las losas.

      Las propiedades supuestas para los materiales se reflejan en la tabla 1. Para el hormigón utilizado (HA-25), dado que las cargas gravitatorias pueden actuar, con su valor máximo, durante largos periodos de tiempo, se han adoptado valores reducidos del módulo de deformación longitudinal para una evaluación de deformaciones diferidas en primera aproximación.

      Propiedades de los materiales (MPa)

      Eh-91

      Ehe

      Módulo instantáneo de deformación longitudinal secante del hormigón

      30042

      27264

      Módulo instantáneo de deformación longitudinal secante del hormigón (corregido)

      20028

      18176

      Módulo de Elasticidad del acero

      2,1 × 105

      2,0 × 105

      Resistencia característica del acero

      510

      500

      Coeficiente de Poisson del hormigón (adimensional)

      0,2

      0,2

       

      Tabla 1. Propiedades de los materiales

      Se obtienen tensiones en las losas bajo las combinaciones de acciones más desfavorables. Estas tensiones se comparan con las que producirían el momento último de una viga tipo de 20 cm de canto (espesor de la losa) por 20 cm de ancho (separación de la armadura de la losa), armada con una barra Æ 12 superiormente y otra Æ 12 inferiormente. Con esta simplificación se facilita el modelo de análisis y resulta un mayor coeficiente de seguridad al no tener en cuenta la colaboración del mecanismo resistente tipo placa sino sólo la resistencia de las vigas tipo.

      En la figura 3 se representan las tensiones principales en la dirección vertical (del papel) de una de las losas. Puede apreciarse que las mayores tracciones de 10,47 MPa se producen en la periferia de dos huecos y en las zonas donde la losa está rigidizada por la presencia de vigas planas internas de refuerzo de hormigón armado.

       

    3. Soportes y vigas

       

    Del mismo modo al caso anterior, se comprobaron los soportes en flexión-compresión esviada obteniendo el armado de cada uno. Se comprobó que los pilares no necesitaban refuerzo adicional por estar ampliamente sobredimensionados y soportar con suficiente seguridad el nuevo estado de cargas. En cuanto a las vigas, se obtuvo la armadura teórica necesaria longitudinal por flexión y torsión, así como la armadura transversal. En este caso, sí fue necesario aplicar el refuerzo en algunas de las vigas que no presentaban un nivel de seguridad aceptable.

  4. Solución de refuerzo estructural PROYECTADA

    Del estudio realizado se consideró como más adecuada la solución de refuerzo estructural que se describe a continuación.

    En vigas y losas, se especificó las zonas donde se utilizaría un sistema de refuerzo formado por unas bandas laminadas de gran resistencia a tracción pegadas a la superficie de hormigón por medio de un adhesivo a base de resina epoxi. Las bandas laminadas están compuestas por una matriz polimérica de resina epoxi reforzada con fibras de carbono, y tienen una resistencia a la tracción de 2400 MPa y un módulo de elasticidad de 1,5 × 105 MPa.

    En ciertos vanos se propuso la colocación de unos arriostramientos a base de perfiles metálicos de acero A42b con una disposición en cruces de San Andrés, de tal modo que se arriostren los nudos de los pilares en su encuentro con la losa de hormigón armado, consiguiendo de este modo una mayor intraslacionalidad de la estructura en su conjunto que repercute en un mejor comportamiento frente a pandeo de los pilares.

    El caso específico del hueco circular de 1,40 m de diámetro en la planta cota +120,65 para alojar un filtro de 55 kN, debido a la deficiente adaptación de los refuerzos de bandas laminadas a este tipo de geometrías, se propuso un refuerzo mediante colocación de 3 perfiles metálicos HEB 120 de acero A42b bajo el mismo, dos de ellos de viga a viga y el tercero embrochalado a los anteriores.

  5. Conclusiones

    Podemos decir que la solución de refuerzo estructural con bandas laminadas de fibra de carbono es una solución de refuerzo fiable, que permite, por las características de resistencia y rigidez, resistir sobrecargas no previstas en un proyecto estructural inicial.

    Esta solución tiene una característica esencial: la facilidad y rapidez en su colocación. Por ello, resulta especialmente útil cuando los plazos para realizar el refuerzo son cortos. Es además, una solución globalmente económica, si tenemos en cuenta que la planta estará en condiciones de producir antes que si empleamos otras soluciones más clásicas, que requieren más tiempo en su realización.

    Es de destacar la necesidad de definir modelos de análisis flexibles (como el modelo paramétrico aquí empleado) que soporten de forma efectiva los cambios, que con mucha probabilidad se suelen producir, y que aparecen en la fase de ejecución del refuerzo, por razones varias.

    No se debe olvidar que las bandas son sensibles a daños frente a pesos concentrados sobre ellas (las colocadas sobre las losas) y frente al fuego, por lo que deben protegerse adecuadamente, estando su uso condicionado por la actividad industrial de que se trate.

  6. Referencias

    [1] Fernández Cánovas, M. Patología y terapéutica del hormigón armado. Madrid: Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 1994.

    [2] Gómez Pulido, M.D. Criterios de diseño para el refuerzo de estructuras con materiales compuestos con fibra de carbono. Memorias del Seminario de Nuevas Técnicas de Evaluación Estructural, Rehabilitación y Refuerzo de Estructuras, IABSE, pp. 39-52, 1999.

    [3] GONZÁLEZ VALLE, E. Aplicabilidad de distintos métodos de refuerzo en estructuras de edificación. Memorias del Seminario de Nuevas Técnicas de Evaluación Estructural, Rehabilitación y Refuerzo de Estructuras, IABSE, pp. 257-279, 1999.

    [4] HERNÁNDEZ CAÑADAS, J.A.; SÁNCHEZ OLIVARES, G. y TOMÁS ESPÍN; A. Refuerzo estructural en edificio de molienda. Cartagena (España): Informe Técnico, Departamento de Estructuras y Construcción, UPCT, 2000.