En este artículo técnico -publicado originalmente en la revista Structure Magazine- se analiza una estructura para estacionamientos de 10 pisos en San Francisco alcanza que alcanza eficiencia y resiliencia más allá del objetivo a nivel de código de desempeño de seguridad con un sistema de marco de momento híbrido de hormigón prefabricado.
Autores: Mei Kuen Liu, Ingeniera Civil, Máster en Ingeniería Estructural de la Cornell University, y Chris Petteys, Ingeniero Civil, Máster en Ingeniería Civil de la UCLA.
Traducción: Felipe Kraljevich M.
Fuente: Structure Magazine
Con el reciente boom en la industria biotecnológica, el barrio de Oyster Point, al sur de San Francisco, California, evoca más a los grandes y concurridos campus de ciencias biológicas que a los moluscos bivalvos por los que lleva su nombre. Al servicio de los trabajadores en cerca de 79.000 m2 (850.000 pies cuadrados) repartidos en tres edificaciones para espacio de laboratorio en el nuevo campus de ciencias biológicas, la estructura de estacionamientos Kilroy Oyster Point Fase Dos ofrece 1.961 lugares de estacionamiento en un espacio de 24 m2 (260 pies cuadrados) distribuidos en diez pisos.
Aunque la estructura de estacionamiento parece enorme al acercarse, los conductores se sorprenderán al darse cuenta de que acaban de ingresar al Nivel Tres, ya que se talló de forma única en una ladera para minimizar su imponente altura. Con las entradas y salidas de vehículos distribuidas en los tres lados y sobre dos niveles diferentes, ayudados por el uso de carriles reversibles con señalética LED dinámica para guiar al tráfico, se minimizó el tiempo que toma entrar y salir de la estructura de estacionamientos.
La configuración de cuatro bahías de la estructura de estacionamientos tiene dos rampas para estacionamientos centrales y puntos peatonales de circulación vertical que incluyen tres torres de escaleras y cinco ascensores. Los ascensores se dispusieron en un banco doble y se ubicaron estratégicamente para minimizar el tiempo de recorrido del peatón desde el espacio de estacionamiento a su destino final.
Como primera impresión para quienes ingresan al campus, la estructura de estacionamientos sirve como acceso a los otros edificios. La estética de la estructura de estacionamientos se inspira en el diseño de los edificios a los que brinda servicio. El hormigón prefabricado a la vista se integra con el color y se acentúa con una pantalla metálica perforada que ondula a lo largo de sus elevaciones con forma, luz y color.
Descripción del Sistema
Los elementos estructurales de hormigón se prefabrican bajo condiciones controladas en la planta en la planta de prefabricación Woodland de Clark Pacific, ubicada en las afueras de Sacramento, California.
El sistema de gravedad se compone de vigas dobles prefabricadas, con luces de entre 19,2 a 20,7 metros, soportadas por vigas prefabricadas pretensadas, las que a su vez se apoyan en las ménsulas de las columnas de gravedad. Una delgada losa de hormigón fabricada in situ, de 89 mm de espesor, se colocó sobre las vigas dobles, uniendo así a los elementos de gravedad prefabricados y actúa como diafragma sísmico.
Por su sistema lateral, la disposición de la estructura de estacionamientos es un candidato perfecto para marcos de momento híbridos prefabricados (PHMF, en sus siglas en inglés). Con un plano prácticamente cuadrado, la oficina de ingeniería Forell | Elsesser Engineers logró ubicar de forma eficiente los marcos de momento a lo largo de las cuatro elevaciones exteriores del edificio.
Las rampas se ubicaron estratégicamente en las dos bahías interiores de este estacionamiento de cuatro bahías, lo que significa que cada nivel de los PHMF es completamente plano y no presenta complicaciones debido a la geometría de la rampa. Esto se traduce a una mayor eficiencia de fabricación y montaje de los elementos. Se brindaron las juntas sísmicas a media altura de cara rampa, de tal forma que no interconecten los pisos e inhiban la deriva entre pisos y, por lo tanto, no afecten negativamente al desempeño de los marcos de momento.
Los elementos del marco de momento se diseñaron para que todos tengan la misma dimensión y así, optimizar la producción del prefabricado. Las Columnas del Marco de Momento (MFC, en sus siglas en inglés) son de 76 x 122 cm y las Vigas del Marco de Momento (MFB, en sus siglas en inglés) son de 61 cm de ancho por 127 cm de profundidad. A primera vista, las vigas parecen muy profundas: de hecho, la profundidad de las vigas está cuidadosamente coordinada para que estas vigas perimetrales puedan voltearse y funcionar también como barreras vehiculares y barandillas. La altura mínima de la valla de contención, según lo exige el código, es el factor principal que determina la profundidad de las vigas del marco de momento.
Comparado con el sistema convencional de marco de momento hormigonado in situ, el sistema de marco de momento prefabricado híbrido disipa la energía sísmica mediante un mecanismo similar, pero en ubicaciones bien definidas.
Las columnas prefabricadas del sistema de marco de momento se entregan en obra como elementos de varios pisos y cada viga prefabricada del sistema de marco de momento es de una sola plataforma, extendiéndose entre las columnas adyacentes. Los únicos elementos que pasan a través de las uniones de vigas y columnas son los tendones postensados no adheridos, ubicados en la profundidad media de las vigas del marco de momento, y las barras de refuerzo especiales que se denominan descriptivamente como “barras de refuerzo disipadoras de energía”, las que generalmente se ubican en la parte superior e inferior de las vigas.
En la planta de hormigón, las columnas y vigas del marco de momento se moldearon con mangas para estos elementos de unión. Una vez montados los marcos de momento en el sitio de la obra, los tendones postensados se tensan a una tensión predeterminada, similar a la construcción de un puente tipo PT, y luego se fijan, cortan y rellenan junto con los conductos para las barras de refuerzo disipadoras de energía. Dado que los tendones están envainados, no están unidos en los puntos de anclaje de los extremos.
Las barras de refuerzo disipadoras de energía se instalan en mangas metálicas corrugadas a través de la columna y en las vigas de conexión. La característica más importante del Sistema de Marco de Momento Híbrido Prefabricado es que una porción de las barras de refuerzo disipadoras de energía se despega antes de inyectar el grout en toda la longitud de las camisas. Esta zona despegada de la barra disipadora de energía actúa como elemento de fluencia designado en el sistema lateral.
Durante un terremoto, la unión viga-columna del marco de momento se abre y cierra, lo que pone a estas barras de refuerzo disipadoras de energía a trabajar mediante fluencia axial. Luego del evento sísmico, los tendones postensados, que se diseñaron para que permanezcan elásticos, restaurarán el marco a su posición original sin derivas residuales. Por tanto, las únicas zonas de fluencia del Sistema de Marco de Momento Híbrido Prefabricado están limitadas a las uniones entre vigas y columnas, y en menor medida cerca de la base de las columnas del marco de momento.
Validación a través de Ensayos
Randy Clark, director de Operaciones en Clark Pacific, fue fundamental en la dirección del diseño, fabricación e instalación de los componentes estructurales prefabricados que se utilizaron en el programa de investigación Sistemas Estructurales Sísmicos Prefabricados (PRESSS, en sus siglas en inglés), que construyó una mesa vibratoria de cinco pisos a escala del 60 por ciento, realizada en la Universidad de California San Diego hace más 20 años. Esta investigación avanzó significativamente en la comprensión del diseño sismorresistente de PRESSS, del cual el Sistema de Marco de Momento Híbrido Prefabricado resultó uno de los sistemas laterales que se ensayaron.
“Como joven ingeniero, no comprendí las profundas implicaciones del trabajo que estábamos realizando”, dijo Clark. “En ese entonces, parecía un proyecto más. Sin embargo, en retrospectiva, al comprender la riqueza del conocimiento recogido de aquellos ensayos y el impacto transformador que esto tuvo en el campo de la ciencia de la construcción, siento un profundo orgullo de haber participado en un proyecto tan trascendental”.
Durante los ensayos, el Sistema de Marco de Momento Híbrido Prefabricado se sometió a fuertes desviaciones sísmicas del piso y tuvo un excelente desempeño. En las etapas de carga temprana, los investigadores observaron bajos niveles de daño, limitados a la acción inelástica en las conexiones vigas-columnas, tal como se esperaba. Luego, incrementaron gradualmente la carga sísmica hasta alcanzar un nivel de desviación de 4,5 por ciento, que es el 225% del nivel de desviación de diseño que es el permitido por el código del 2% y no observaron pérdida de resistencia significativa en la estructura.
Diseño y Análisis
El análisis de este sistema es similar a un sistema de marco de momento de hormigón especial colocado in situ, salvo una importante diferencia en el establecimiento de las secciones efectiva a utilizar para los elementos del marco y, más preciso aún, la unión de vigas y columnas. Muchas investigaciones analíticas se realizaron en las dos décadas anteriores, y la metodología desarrollada por la oficina de ingeniería Forell | Elsesser Engineers se basa en esos estudios anteriores, como también en las limitaciones prácticas del tiempo de ejecución del modelo y del cronograma del proyecto.
Para estudiar los efectos de la apertura de la junta en la interfaz viga-columna, Forell | Elsesser Engineer examinó los resultados de un estudio analítico no lineal, detallado a nivel de componentes, en CSI SAP2000 que realizó Computers & Structures Inc., utilizando elementos sólidos. Como se mencionó anteriormente, sólo dos tipos de elementos pasan por la unión.
Las barras de refuerzo disipadora de energía se modelaron como rótulas axiales no lineales para capturar el potencial de fluencia y la disipación de energía correspondiente. Los tendones postensados se diseñaron para mantenerse lineales y se modelaron como elementos de unión elástica lineal. En una estructura convencional de marco de momento de hormigón colocado in situ, se utiliza el modificador de la sección de viga para calcular la sección efectiva después de la fisuración.
Sin embargo, en el caso de una estructura de Marco de Momento Híbrido Prefabricado, las vigas postensadas se diseñan para permanecer elásticas (sin fisuración) para capturar los efectos en la apertura de la unión viga-columna. Una parte de la losa de cubierta puede incluirse a la sección de la viga de marco de momento (similar a las vigas T), pero ya que las losas se ubican cerca de la mitad de la profundidad de las vigas de marco de momento, su contribución no se consideró relevante en los análisis. No se recomienda unir la losa de cubierta alrededor de las columnas de marco de momento debido a razones de mantenimiento.
Al calibrar los dos modelos, la oficina de ingeniería Forell | Elsesser Engineer logró sintetizar el comportamiento no lineal desde el modelo sólido como un único número a utilizar en el modelo de marco lineal como modificador de la viga. Comparado con el valor recomendado de ACI 318 para una sección de viga efectiva de 0,35, los ingenieros encontraron que un modificador más bajo de 0,30 resultaba más apropiado. Vale la pena subrayar que, mientras el modificador en ACI es resultado de una fisuración, el modificador utilizado aquí es para calcular la apertura de las uniones viga-columna; los elementos prefabricados individuales permanecen sin fisuras.
Si bien un valor de modificador más bajo significa una estructura más blanda con derivas sísmicas mayores, este ablandamiento también alarga el periodo fundamental de la estructura y, por lo tanto, reduce la aceleración espectral asociada. Esto resulta en una reducción del esfuerzo de corte basal sísmico para la estructura. Las columnas del marco de momento están armadas de manera convencional (no son postensadas), por lo que los modificadores recomendados por ACI 318 son los adecuados.
El diseño de los elementos del Sistema de Marco de Momento Híbrido Prefabricado se rige bajo el ACI Standard 550.3 Especificación de Diseño para Marcos de Momento Especiales de Hormigón Prefabricado Postensado No Adherido. Si bien no es la intención de este artículo transformarse en una introducción a esta norma del ACI, vale la pena destacar que el diseño de elementos del marco se rige por las derivas sísmicas y la rotación de las uniones viga-columna, y que se trata de un proceso iterativo para satisfacer múltiples criterios en competencia.
Ventajas Constructivas
Uno de los beneficios principales de la construcción prefabricada es que la mayor parte del trabajo -que requiere de mucho tiempo y mano de obra- ya se realizó en la planta. Dado que el proyecto se desarrolló como un campus con varios edificios, a veces contar con una zona de preparación no era posible. El equipo estructural del estacionamiento prefabricado logró calendarizar el envío por camión de los elementos prefabricados sobre una base de tiempo acotada, lo que eliminó la necesidad de una gran zona de almacenamiento.
A diferencia de un equipo promedio formado por 53 trabajadores para un proyecto de hormigonado in situ, normalmente sólo se vio a un equipo de 24 operarios en el sitio de la obra para la construcción prefabricada.
Si bien el trabajo total entre las dos metodologías constructivas es comparable, el sistema prefabricado permite trasladar cerca del 75% del trabajo total fuera del sitio de la obra. Esta reducción del trabajo en el lugar del proyecto se traduce en una disminución del tiempo de obra, que va desde cerca de las 40 semanas a sólo 22 semanas -una disminución significativa desde cualquier punto de vista.
Categoría Platino del USRC
Con la misión de educar, recomendar y promover el diseño basado en la resiliencia que considere el impacto de los desastres naturales como un componente esencial de la sostenibilidad a largo plazo, el Consejo de Resiliencia de Estados Unidos (USRC, en sus siglas en inglés), una organización sin fines de lucro 510 (c)(3), se estableció en 2011 por los cofundadores Evan Reis y Ron Mayes como una manera de educar al público y a los stakeholders de la construcción acerca de la importancia del diseño resiliente de la comunidad y el vínculo inseparable entre resiliencia y sostenibilidad.
Su sistema de calificación del desempeño de los edificios en caso de terremotos es utilizado tanto por comunidades y edificios públicos como privados y está formando la base de incentivos económicos y financieros que están desarrollando prestamistas y aseguradoras para recompensar a las edificaciones de alto desempeño.
Al utilizar el Sistema de Marco de Momento Híbrido Prefabricado, la estructura de estacionamientos recibió la prestigiosa Categoría Certificada para Terremotos Platino del USRC. Esta es la calificación más alta que entrega el organismo y representa la cúspide en cuanto a desempeño estructural ante terremotos.
Para alcanzar la certificación Platino, un edificio debe cumplir con umbrales de desempeño estrictos en tres categorías: Seguridad, Daño y Recuperación. Los edificios con categoría Platino sufren daños insignificantes, con costos de reparación menores al 5% del costo de reemplazo. También se espera que permitan una recuperación funcional inmediata o a los pocos días luego de un sismo importante. Asimismo, es improbable que se produzcan lesiones o se bloqueen las salidas del edificio.
La evaluación para determinar el desempeño del edificio se basa en filosofías de diseño basadas en el desempeño y la metodología descrita en la norma FEMA P-58 “Evaluación del desempeño sísmico de edificios”. La metodología se basa en un enfoque probabilístico para la evaluación de riesgo. En vez de evaluar el desempeño de una edificación basándose únicamente en un único terremoto máximo considerado, este enfoque probabilístico considera una gama de posibles escenarios de sismo y la posibilidad de que estos ocurran, como también la variabilidad en la respuesta del edificio y las posibles consecuencias de diferentes estados de daño.
Para evaluar el rendimiento de los componentes clave en la edificación, la norma FEMA P-58 utiliza curvas de fragilidad que representan la probabilidad de ciertos niveles de daño que pueden ocurrir en un componente del edificio (estructural, arquitectónico, mecánico, eléctrico, etc.) dado un grado específico de intensidad de movimiento del terreno. Cada curva es específica para cada componente y se desarrolla y construye a partir de datos de pruebas empíricas exhaustivas.
El Sistema de Marco de Momento Híbrido Prefabricado, basado en el programa de investigación PRESSS de una década de duración, cuenta con el respaldo de ensayos y análisis avanzados. En la tercera década de implementación en la zona de la Bahía de San Francisco, las estructuras con Sistema de Marco de Momento Híbrido Prefabricado continúan brindándole a los propietarios estructuras eficientes con los ahorros intrínsecos a la construcción con prefabricados de hormigón, además de un mejor desempeño sísmico. Con el programa de calificaciones del USRC, ahora podemos cuantificar el rendimiento sísmico más allá del mínimo que pide el código frente a altas demandas sísmicas y ofrecer una estructura que sea eficiente, resiliente y sostenible.
