Estudio del diseño de estructuras celulares de concreto armado

Abstract

Las estructuras celulares de concreto armado presentan un estilo arquitectónico desarrollado por superficies con o sin discontinuidades geométricas, que crean cajones orientados vertical y horizontalmente para formar la envolvente o figura arquitectónica, produciendo un ambiente agradable con espacios diáfanos - es decir espacios con buena ventilación y continuidad visual - perspectiva del contacto entre el espacio interior y exterior, y con acabado de concreto expuesto, denominado estilo Brutalista. En estas edificaciones la estructura se superpone de un modo más activo y creativo con la arquitectura, es decir, cumple a la vez la función de dar estética y seguridad hacia los habitantes y observadores. Estas estructuras especiales presentan superficies con discontinuidades, las cuales provocan concentraciones de esfuerzos, además de un flujo disperso de estos. El diseño para este tipo de elementos no se encuentra establecido en el Reglamento Nacional de Edificaciones del Perú, que solo ofrece el cálculo para elementos continuos que presentan un flujo lineal de esfuerzos, que utilizan métodos clásicos de concreto armado para el cálculo. Por ello es importante que, a todas las partes de la estructura, incluyendo las zonas con discontinuidad, se les tome igual interés para su diseño, ya que existen métodos aproximados y confiables para cada caso, y que la norma tendría que realizar recomendaciones acerca del cálculo para elementos con discontinuidades. La forma de estudiar estas estructuras es a través del análisis de los esfuerzos, siendo el Método de Bielas y Tirantes una de las metodologías para conocer el comportamiento mecánico y el cálculo en elementos con flujo distorsionado de esfuerzos, provocados por cambios bruscos de geometría o aplicación de cargas; y también el uso de métodos clásicos de concreto armado, método de sección, para elementos con flujo lineal de esfuerzos. El método para las regiones discontinuas consiste en idealizar un reticulado, formado por bielas y tirantes que representan el estado uniaxial de compresión y tracción respectivamente, que cumplen los requisitos de equilibrio y resistencia para ofrecer una solución válida y conservadora, además de tener en cuenta el detallado del refuerzo para el buen comportamiento de la estructura calculada. A diferencia del método de sección que ofrece una sola solución, el Método de Bielas y Tirantes hace posible una gran variedad de soluciones, por lo que el proyectista deberá escoger la solución de manera óptima. En este trabajo se ha implementado el método bielas y tirantes el cual es capaz de ofrecer el cálculo del acero para estas estructuras que presentan una configuración especial, utilizando el SAP2000 y CAST como herramientas para observar el flujo de esfuerzos y la creación de un reticulado óptimo que ofrezca resultados válidos para el cálculo del acero. No obstante, existen algunos aspectos de esta investigación que pueden ser mejorados, siendo el objetivo principal proponer el diseño para este tipo de estructuras.

Reinforced concrete cellular structures present an architectural style developed by surfaces, with or without geometric discontinuities, which create vertically and horizontally oriented volumes to form the envelope or architectural figure, and producing, in this manner, a pleasant atmosphere with diaphanous spaces; i.e., spaces with good ventilation, visual continuity, that is the perspective of the contact between the inner and the outer space, and with exposed concrete finish, denominated Brutalist style. In these buildings, the structure superimposes itself in a more active and creative way with the architecture; in other words, the function of giving aesthetics and security to the inhabitants and viewers is achieved at the same time. These special structures present surfaces with discontinuities, which cause stress concentration, in addition to a nonlinear flow of the latter. The design for these kind of elements is not treated in the National Building Regulations of Peru, which only offers the calculation for continuous elements that present linear flow of stresses, and use classic reinforced concrete methods for the calculation. Consequently, it is important that all parts of a structure, including the zones with discontinuities, taken with equal interest in their design, as there are reliable and approximated methods for each case, so the regulations should make recommendations about the calculation of element with discontinuities. The way to study these structures is through stress analysis, both their quantitative and qualitative characteristics, being the Strut-and-Tie Method the best solution to know the mechanical behavior and the calculation in elements with distorted flow of stress, which are caused by abrupt geometry changes or load applications, and also the classic reinforced concrete methods, that is the section method for elements with linear flow of stresses. The method for discontinuous regions consist in idealizing a truss, formed by struts and ties that represent the uniaxial state of compression and traction respectively, satisfying the equilibrium requirements and strenght to offer a valid and conservative solution, in addition to consider the details of the reinforcement for the adequate behavior of the calculated structure. Unlike the method of section, which offers a single solution, the Strut-and-Tie Method offers a great variety of solutions, which is why the designer must choose the optimal solution. In this work has been implemented the Strut-and-Tie Method, which is able to offer the calculation of steel for these structures that have a special configuration, using the SAP2000 and CAST as tools to observe the flow of stresses and the creation of an optimal truss. Which offers valid results for the calculation of steel. However, there are sorne aspects of this research that can be improved, the main objective is to propose the design for this type of structure.