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Realizaciones: Edificación

EJECUCIÓN DE ESTRUCTURAS MIXTAS, EN JÁCENAS DE SÓTANOS PARA APARCAMIENTO DE VEHÍCULOS. ENSAYOS EXPERIMENTALES

SOBRE SU COMPORTAMIENTO MECÁNICO Eduardo MARTÍNEZ MOYA

Arquitecto

Edartec Consultores, S.L.

Director

eduardomm@edartec.com

Manuel SÁNCHEZ GARROTE

Ingeniero Industrial

Edartec Consultores, S.L.

Director Área Técnica

msanchez@edartec.com

RESUMEN

Para construir un sótano de aparcamiento de vehículos de seis plantas de profundidad, se decidió

adoptar un modelo estructural a propuesta de la empresa adjudicataria de las obras, consistente

en la ejecución de unos forjados de jácenas de estructura mixta: hormigón armado + acero

laminado. La aprobación por parte de la Dirección Facultativa para poder adoptar este modelo

estructural conllevó la realización de determinadas pruebas experimentales del comportamiento

real que presentan estas jácenas mixtas, ante la inexistencia de un marco normativo consolidado

en España sobre estas estructuras. Así ha sido posible analizar la interacción y comparar los muy

interesantes resultados del comportamiento empírico obtenido, en lo que respecta a

comportamiento a flexión, cortante, adherencia, rasante. Los mismos podrían calificarse de

excelentes, con respecto a las referencias normativas teóricas, bastante más conservadoras.

PALABRAS CLAVE: sótano, forjado, mina, excavación, jácenas mixtas, prueba de carga,

prelosas.

1. ANTECEDENTES

La Empresa Municipal de la Vivienda de Sevilla (Emvisesa), encargó a los arquitectos D. Alberto

Donaire Rodríguez y D.Eduardo Martínez Moya la redacción de un Proyecto inicial de 40

Viviendas, Locales Comerciales y Estacionamiento, situado en cinco parcelas del Plan Especial

C1 de Reforma Interior, Guadalquivir, Clavijo, Mendigorría en Sevilla. Este Proyecto de enorme

complejidad técnica y jurídica (por lo que suponían las estrictas condiciones urbanísticas), fue

redactado desde julio de 2002 y finalmente entregado en mayo de 2005. En paralelo, otro

organismo público, el Instituto Municipal de Deportes del Excmo. Ayto. de Sevilla, encargó a los

mismos arquitectos la redacción de un Proyecto de Centro Deportivo (Polideportivo, Graderío,

Gimnasio e instalaciones anexas), en el mismo sitio, ubicado sobre el techo del sótano del

estacionamiento de vehículos correspondiente al Proyecto anterior.

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D. Eduardo Martínez Moya es el proyectista y director de obra encargado de la estructura y

cimentación de los citados Proyectos.

Una explicación más detallada de las especialmente complicadas condiciones de partida de esta

obra se encuentra incluida en la ponencia remitida a Ache, número 086.

En relación al objeto de la presente, la ejecución de las obras ha contado con una problemática

básica que ha sido la necesidad de ejecutar seis plantas de excavación en sótano, mediante un

sistema ascendente-descendente, con tres de las plantas excavadas mediante el procedimiento

en mina. Ante las extremas condiciones de la obra para la empresa adjudicataria de las obras

Acsa Sorigué, la Dirección Facultativa aprobó la idea de un modificado de la estructura

consistente en el empleo de un modelo novedoso en el diseño de los forjados. El objetivo era

mejorar tanto las condiciones de construcción, como el plazo de las obras. Se propuso un

procedimiento de construcción semiindustrializado, mediante el empleo de útiles que permitieron

el movimiento controlado de placas prefabricadas (prelosas) sobre jácenas de estructura mixta de

hormigón armado + acero laminado. Sobre las prelosas se ejecutaba una capa final de

compresión de hormigón armado. Así, el modelo de estructura empleado en la ejecución de los

forjados, que originariamente era de losas macizas, ha pasado a construirse mediante un modelo

de trabajo unidireccional apoyado sobre vigas jácenas de naturaleza mixta y sin descuelgues:

estructura plana. Sin embargo, se sabe que no existe marco normativo consolidado en España,

existiendo bastante dispersión en las diferentes hipótesis de trabajo estructural sobre la

interacción de estas soluciones mixtas. No existen tanto normas, como referencias y realizaciones

(sobre todo es de interés la experiencia británica y nórdica). Por tanto, según las condiciones

exigidas por la Dirección Facultativa, se han realizado comprobaciones teóricas de gabinete que

han llevado a rediseños de los planteamientos primeros y además se han realizado

comprobaciones empíricas en la obra. Lo que se ha realizado es diseñar, calcular y construir en

base a criterios y conceptos de referencia normativa, y después comprobar con hasta tres pruebas

de carga de diferentes alcances y objetivos, el comportamiento real de las secciones construidas.

2. MODELO DE FORJADO EMPLEADO.

El diseño del forjado es variable en las seis plantas de sótano, dependiendo su dimensionado de

las condiciones de trabajo que cada uno de ellos tiene en función de sus solicitaciones respectivas

referentes a los empujes del terreno. Básicamente el modelo de forjado es el mismo, con matices

diferenciales en las seis plantas. Tan sólo varía el diseño de forma radical en el primero, el que

constituye la planta baja del edificio de aparcamientos (cota -0,00 m) que es el techo del primero

de los sótanos bajo rasante y además suelo de las pistas del polideportivo: en este caso se trata

de un forjado bidireccional (reticular) de hormigón armado con aligeramiento de poliestireno

expandido. Éste forjado es un forjado de tipo convencional y no tiene más interés para la presente

exposición.

Los forjados que aquí sí que se relacionan son de tipo unidireccional. Las luces típicas a cubrir

son de 800 cm x 750 cm. La luz de 8,00 m es la que corresponde a las vigas jácenas mixtas y la

luz de 7,50 m es la que resuelve con el forjado unidireccional que emplea la patente de prelosas

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de hormigón prefabricado HP-35, tipo Farlap-II. Los forjados que se diseñan son de cantos

325+75 (400 mm) para los sótanos de los niveles -1, -2 y -3; y de canto 325+100 (425 mm) para

los sótanos de los niveles -4 y -5. Como ya se ha comentado, ya que están realizados mediante el

empleo de unas prelosas de hormigón prefabricado sobre las que se ejecutó su correspondiente

capa de compresión de hormigón armado, el forjado propiamente dicho, no aporta mayor interés

conceptual que cualquier otro forjado con piezas prefabricadas (unidireccionales clásicos). Es

también sabido, que las piezas prefabricadas prelosas no acostumbran a ser usuales y menos con

las exigencias técnicas esencialmente derivadas no sólo de la carga a soportar, sino de su papel

de protección/resistencia y estabilidad contra incendios en zona del aparcamiento de vehículos

(R120).

Figura 1. Detalle general de los forjados empleados en los sótanos: de 40 cm y de 42,5 cm de canto.

Figura 2. En la imagen de la izquierda agrupación de prelosas preparadas para ser colocadas sobre

las vigas jácenas que ya están montadas. En la parte inferior de la misma fotografía las prelosas

están colocadas y el poliestireno (aligerante) sobre las mismas. En la imagen de la derecha una de

las prelosas con el útil diseñado ex profeso para la manipulación de las mismas. .

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Figura 3. Planta general del forjado de nivel -3 del sótano para aparcamientos de vehículos.

3. MODELO DE VIGAS JÁCENAS EMPLEADAS.

El diseño de las vigas jácenas del forjado corresponde a un tipo de estructura mixta. Básicamente

su diseño es siempre el mismo, aunque con variaciones motivadas por dos razones: bien por las

características geométricas en sí (por ejemplo que sea obligado el dejar un hueco para paso de

instalaciones en el interior de la propia jácena), bien por las distintas solicitaciones, que hacen que

su armado sea el preciso y necesario en cada caso. El cálculo se ha efectuado como vigas en

continuidad para lo cual se han dispuesto una serie de armaduras de negativos sobre los pilares

(según necesidades). La armadura a positivo queda resuelta por la colaboración/interacción tanto

de una serie de barras corrugadas (convencionales), unidas mediante soldaduras a unos perfiles

de acero laminado de sección doble T, tipo IPE 200 ó UPN 200 más chapa inferior unida al

conjunto. Otras barras en distinta disposición resuelven la conexión y el rasante entre los

diferentes materiales, así como las necesidades de trabajo de la sección a cortante.

Figura 4. Detalle general tipo de viga jácena plana mixta: armaduras corrugadas+perfiles laminados.

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Figura 5. Planta parcial del forjado de nivel -4 del sótano: jácenas, macizados, placas y apoyos.

Figura 6. Sección de la jácena mixta. Perfiles laminados y corrugados. Chapa inferior y pasamanos.

Figura 7. Montaje del forjado unidireccional. Prelosas HP-35, aligerantes, ferralla y jácenas mixtas.

Armadura de negativos a ambos lados del pilar HEM y armadura adicional de cortante.

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Figura 8. Armadura de negativos, macizado sección en “T”, armadura de cortante y de unión placas.

Figura 9. Detalle de sección antes de hormigonado. Incluso “pasamanos” de conexión a rasante.

4. DIMENSIONADO DE JÁCENAS MIXTAS Y FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

Los elementos del sistema estructural descrito son las jácenas mixtas de los cinco forjados

inferiores del sótano: -1, -2, -3, -4 y -5. Básicamente y en general su armadura de acero laminado

está formada por una placa base de 450x10 mm soldada a dos perfiles IPE-200 que van además

empresillados en sus alas superiores con platabandas de 180x80x5 mm cada 1,50 m. Las almas

de los perfiles IPE van también enlazadas mediante barras corrugadas de acero Ø12 espaciadas

cada 25 cm y soldadas en ambos extremos; estos conectores soportan a su vez y llevan soldadas

la armadura longitudinal (3Ø25 ó 4 Ø25 en las jácenas de los forjados de sótano -1 a -3 y 4Ø25 ó

2Ø20 en las jácenas de los forjados -4 y -5). Todo este dispositivo va embebido en el hormigón,

dentro del canto del forjado. La armadura superior en zona de momentos negativos es de 8Ø25

(en los niveles de los sótanos -1, -2 y -3) y de 8Ø25 + 2Ø20 (en los niveles de los sótanos -4 y -5).

Las jácenas van estribadas con cercos trapeciales corrugados de cuatro ramas Ø12, separados

cada 15 cm (cuatro cercos en cada intereje de nervios). Transversalmente, cruza las vigas la

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armadura superior que resiste los momentos negativos del forjado y da continuidad a los tramos

contiguos, más una barra Ø16 enlazando cada pareja de nervios a uno y otro lado de las vigas.

y

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Figura 10. Modelo geométrico elaborado para el estudio de la sección homogeneizada.

y

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Y

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60.0

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0 -60.0

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60.0

80.0

80.0

Figura 11. Modelo geométrico elaborado para el cálculo de la sección homogeneizada en “T”.

Figura 12. Cálculo de las vigas jácenas mixtas en función de la sección homogeneizada.

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Figura 13. Análisis de tensiones fase en servicio. Viga V1.Sección transversal en apoyos (negativos).

Figura 14. Análisis de deformaciones ELS. Viga V1. Combinación 2 (permanentes + puntuales uso).

5. CONTROVERSIA DE TRABAJO A RASANTE.

Durante la ejecución de las obras se produjo un interesante debate técnico sobre la capacidad de

trabajo a rasante del modelo de diseño de estructura que se estaba construyendo. En el mismo

intervinieron además de los presentes, prestigiosos especialistas en este campo, como fue la

ingeniería Proes Consultores S.A. (D. Jorge Calvo Benítez, ICCP nº 10796.), la ingeniería Ayesa

(D. Ginés Aparicio Soto, ICCP), y el Departamento de Ingeniería de la Construcción de la UPC (D.

Antonio Marí Bernal y D. Enrique Mirambel Arrizabalaga, catedráticos ICCP y D. Jesús M. Beirán

García, profesor ICCP).

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La incapacidad del actual marco normativo español para establecer justificaciones numéricas

sobre la conexión básica mediante adherencia, la aplicación de la teoría del Eurocódigo 4, las

últimas experiencias que se tienen (fundamentalmente británicas y nórdicas), las tesis doctorales

sobre comportamiento estructural de los sistemas de forjados mixtos “slim floor”, las orientaciones

de la British Standard, el efecto de acuñamiento por confinamiento “shearfriction”…,etc; fueron

interesantemente analizados y esgrimidos en diferentes estudios al respecto de esta obra y estos

forjados.

La realización de tres pruebas de carga fue absolutamente decisivo y determinante sobre el

verdadero comportamiento de estos forjados. Más allá de los debates teóricos, la enseñanza

empírica fue palmaria y ha de reconocerse completamente esclarecedora. De la misma,

entendemos que aún será necesario seguir extrayendo conclusiones técnicas en el futuro que

avancen en el conocimiento mecánico de estas secciones, ya que el estado actual de

conocimiento si bien se reconoce asimismo insuficiente para el estudio y análisis previo de estas

secciones, aquí además habría que incluso calificarlo de “distante” para predecir el verdadero

trabajo mecánico de las mismas y explicar su comportamiento real. Las referencias teóricas que

se tienen sobre la tensión de adherencia entre hormigón y acero han acreditado su necesidad de

avance y desarrollo, por no decir su obsolescencia. Por un lado y con claridad, se podría concluir

sobre la mucha mayor complejidad del mecanismo real, que los descritos simplificadamente por

ciertos presupuestos teóricos establecidos en aplicación de la teoría actual. Por otro lado resulta

extraordinariamente significativo e interesante los muy apreciables resultados empíricamente

obtenidos sobre la mejora del comportamiento por interactuación de los materiales de estas

secciones mixtas.

6. PRUEBAS DE CARGA REALIZADAS.

El estudio “in situ” del comportamiento estructural de las jácenas mixtas empleadas ha sido

contrastado muy eficazmente mediante la realización de tres pruebas de carga. Las tres

realizadas en situaciones diferentes dentro del edificio y con distintos objetivos a analizar. Se

instalaron galgas extensométricas y flexímetros, se establecieron los adecuados protocolos de

carga y desacarga, se realizaron todas las mediciones, con sus pertinentes controles y de esos

datos se extrajeron resultados que condujeron a interesantes conclusiones experimentales sobre

la interacción de estas estructuras mixtas. Las pruebas de carga, fueron realizadas entre los días

4 al 6 de mayo, 13 al 16 de octubre y 14 al 16 de noviembre, todas en el año 2009. La primera se

realizó en base al contenido del artículo 101.2 de la EHE-08, (antiguo 99.2 de la EHE), apartado

“B”, como información complementaria con cargas en servicio. La segunda y la tercera se

realizaron según el mismo articulado pero según su apartado “C”, esto es, “pruebas de carga para

evaluar la capacidad resistente”.

Criterios relativos a conectores, adherencia, comportamientos a flexión y cortante han podido así

ser estudiados de forma excepcional, para un diseño estructural poco conocido por escasamente

empleado. Los datos obtenidos empíricamente pueden calificarse como excelentes, en todos los

casos superiores a todas las expectativas de cálculo teóricas que se habían manejado.

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Figura 15. Prueba de carga: piscina en ambos vanos más puntuales en centro de jácena.

Figura 16. Prueba de carga: flexímetros y control de temperatura y humedad.

Figura 17. Pruebas de carga: curvas de tensión-deformación según flexímetro (carga y descarga en

prueba de carga nº 2) y galga extensométrica (descarga de galga 2 en prueba de carga nº 1).