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¿Por qué debemos tener en cuenta el acortamiento axial de pilares en edificios de gran altura?

21 de Abril de 2020 | Autor: Daniel Serrano Payo (@) Leído: 735 veces

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El acortamiento axial de pilares, que generalmente no se evalúa en edificios convencionales, es un aspecto importante en el diseño de la estructura de edificios en altura debido a la magnitud de las deformaciones verticales. Para ilustrarlo, haciendo la comparativa entre un edificio de 5 plantas (20 m) y 50 plantas (200 m) compuesto por pilares metálicos trabajando a una tensión media de 160 MPa, el acortamiento axial total será de 16 y 160 mm respectivamente.

No obstante, el principal problema del acortamiento axial en edificios en altura no es la magnitud global de la deformación vertical, puesto que se puede resolver aplicando un incremento de longitud de los pilares (preset) sino el acortamiento diferencial entre distintos elementos verticales. El acortamiento diferencial o distorsión vertical entre pilares adyacentes condiciona la funcionalidad del edificio, afectando a la horizontalidad de los forjados y comprometiendo la integridad de elementos no estructurales de fachada y particiones interiores. En este artículo se explica cómo evaluar el acortamiento diferencial de pilares en edificios en altura y se plantean posibles medidas correctoras.

 

Ley de acortamiento axial

El análisis del acortamiento axial de los pilares depende del tipo de material. En el caso de pilares metálicos el acortamiento se produce únicamente por la deformación elástica:

En el caso de pilares y núcleos de hormigón, la deformación total es la suma de la deformación elástica más la generada por los fenómenos reológicos de fluencia y retracción.

Otros aspectos que intervienen en el acortamiento de los pilares son: el asiento de la cimentación, que supone un ligero incremento del descenso total, y la temperatura, que se supone despreciable debido a que afecta de igual manera a los elementos verticales próximos.

 

Para el análisis del acortamiento diferencial entre pilares es importante distinguir entre:

-          Acortamiento previo a la ejecución del elemento (ya sea forjado o fachada)

-          Acortamiento posterior a la ejecución del elemento (equivalente a la flecha activa de las vigas) que es la que realmente se debe evaluar en el análisis del acortamiento diferencial entre pilares adyacentes.

Acortamiento-pilar-en-proceso-constructivo

Imagen 1. Descenso de un pilar (nivel N) durante el proceso constructivo

 

La ley de acortamiento axial posterior a la ejecución del elemento se puede obtener de manera analítica o empleando un modelo de cálculo no lineal por fases, que tenga en cuenta el proceso constructivo.

Empleando un cálculo analítico, el acortamiento vertical de un pilar en el nivel “n” sometido a una fuerza “Fn” es:

Donde:

“i” son los niveles de plantas comenzando desde cimentación

“Li” es la altura entre el forjado “i” e “i-1”

“Ai” es el área del pilar en el tramo entre el forjado “i” e “i-1”

 

De esta manera, para hallar el acortamiento axial por peso propio en un nivel, se necesita conocer la carga vertical de los forjados superiores a dicho nivel.

Mediante un modelo de cálculo, se deben definir las fases de ejecución de los forjados de manera correcta y generar una hipótesis de carga no lineal por fases.

Proceso-constructivo-edificio

Imagen 2. Proceso constructivo de un edificio

 

La ley de acortamiento axial por peso propio obtenida por los métodos descritos previamente, refleja el descenso de cada nivel después de su ejecución. Para determinar la ley de acortamiento axial en servicio, se debe sumar el descenso lineal producido por cargas muertas y sobrecarga de uso. En la imagen siguiente se compara el método lineal del método por fases, y cómo se desplaza la ley hacia la derecha al considerar el resto de cargas aplicadas al final de la construcción.

Imagen 3. Acortamiento axial por peso propio y ELS

 

Las características de la ley de acortamiento axial post-instalación por peso propio son:

-          En los niveles inferiores el valor del acortamiento es ligeramente menor al descenso lineal.

-          En los niveles intermedios se alcanzan los valores máximos.

-          En los niveles superiores la deformación se va reduciendo hasta ser casi nulo, donde el último nivel desciende únicamente por la carga transmitida por el último forjado.

 

Acortamiento diferencial

Una vez obtenida la ley de acortamiento axial en servicio de un pilar, se procede a comparar el acortamiento producido en un pilar adyacente para determinar el acortamiento diferencial en cada uno de los niveles y verificar el criterio de distorsiones verticales.

En la siguiente imagen se muestran las alternativas para desplazar la ley y reducir el acortamiento diferencial.

Acortamiento-axial-pilares

Imagen 4. Acortamiento diferencial entre pilares adyacentes.

Si resulta necesario realizar correcciones, se pueden adoptar las siguientes medidas:

-          Buscar tensiones de trabajo similares modificando el valor de “Ai”. Como se ha visto en la formulación expuesta anteriormente, siendo la altura entre plantas Li idéntica para dos pilares P1 y P2, la manera de anular las distorsiones es igualando tensiones.

-          Ajustar la rigidez de los elementos horizontales, es decir, alterando “Fn”. El artículo [1] cuantifica la repercusión de modificar la rigidez del forjado en la extracción del acortamiento axial de un pilar.

-          Conviene aclarar que el “preset” no sería solución para paliar las distorsiones verticales debido a que el descenso activo es independiente de la posición inicial de los elementos. Su función es corregir la apariencia de la obra, reproducir la altura teórica del edificio y lograr horizontalidad de los forjados.

 

En caso de que uno o dos de los elementos verticales a analizar sean de hormigón, se debe determinar la ley de acortamiento axial considerando los efectos reológicos en todas las fases hasta alcanzar la vida útil de proyecto de modo que la verificación de distorsiones se cumpla en cada instante.

Efectos-reologicos-acortamiento-pilares

Imagen 5. Acortamiento diferencial entre pilares adyacentes, considerando los efectos reológicos en Pilar 1.

 

Ejemplo práctico

A continuación, se describe el caso práctico de la Torre La Marseillaise, situada en Marsella con una altura total de 130 m, y compuesta por 30 plantas. La estructura está formada por pilares perimetrales de acero y núcleo centrado de hormigón.

Imagen 6. Planta del edificio (I). Edificio en construcción (D)

 

El análisis del acortamiento diferencial debía satisfacer los límites de deformación vertical entre pilar-pilar y pilar-núcleo para los siguientes instantes:

-          Ejecución de forjado

-          Ejecución de fachada

-          Ejecución de tierras en forjados con jardín

Las conclusiones más importantes fueron:

-          Para el estudio de las distorsiones posteriores a la ejecución de fachada, la ley de acortamiento axial de pilares puede optimizarse y reducirse ligeramente realizando un cálculo no lineal por fases que incluya el calendario de montaje de la fachada.

Imagen 7. Reducción del acortamiento axial incorporando proceso constructivo de fachada.

 

-          El diseño de los perfiles metálicos de los pilares se ve condicionado por el acortamiento diferencial. Como se ha dicho anteriormente, la situación ideal es que los pilares trabajen a la misma tensión. En ocasiones no resulta tan sencillo reducir o aumentar el área de los perfiles (condicionantes arquitectónicos, cuestiones constructivas que acotan la anchura mínima) lo que conlleva un ajuste de secciones de pilares a nivel no tan local.

-          Debido a la presencia del núcleo de hormigón, se deben considerar las deformaciones adicionales por fluencia y retracción. La verificación del acortamiento diferencial se realiza en distintas etapas de la vida útil del edificio (fin de la construcción, 2, 10 y 50 años). Se observa que la situación crítica se produce en las fases puesto que el núcleo trabaja a tensiones bajas y con el paso del tiempo la deformación reológica desplaza la curva hacia la derecha acercándose a la ley del pilar metálico.

 

Conclusiones

-          El acortamiento axial de pilares es un aspecto de especial importancia en el diseño de edificios en altura.

-          El acortamiento axial se debe calcular considerando el proceso constructivo de la estructura.

-          El acortamiento axial diferencial entre pilares debe satisfacer las limitaciones de servicio en todos los niveles. Las medidas para reducir el acortamiento son: homogeneizando la tensión de los pilares y alterando la rigidez de los elementos horizontales en estructuras hiperestáticas, afinando el proceso constructivo (calendario preciso de ejecución de estructura, cargas de fachada y cargas muertas superficiales).

-          El preset no tienen influencia en el acortamiento diferencial post-instalación, pero sí permite replicar la altura teórica del edificio contrarrestando el descenso total del edificio.

 

Referencias

[1] Reduction of Differential Column Shortening in Tall Buildings – Hansoo Kim, Seunghak Shin

[2] Column shortening in tall structure – Prediction and Compensation, by Mark Fintel, S.K. Ghosh, and Hal Iyengar

 

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Daniel Serrano Payo . Structural Engineer en FHECOR ingenieros consultores.
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