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MITIGACIN DEL EFECTO DE RETRACCIN Y
DEL CREEP DEL HORMIGN, EDIFICIO
COSTANERA CENTER, VITACURA.(1)
Jonnathan Bustamante Daz
Universidad de Santiago de Chile, Estudiante de Ingeniera Civil
en Obras Civiles
[email protected]
Vctor Lizama Coloma
Universidad de Santiago de Chile, Estudiante de Ingeniera Civil
en Obras Civiles
[email protected]
RESUMEN
En este trabajo se abordan dos problemticas que afectan al
hormign y que cobran relevancia en edificios de gran altura. Estos
son el fenmeno del creep y la retraccin. El estudio se centra
particularmente en la Torre 2 del proyecto Costanera Center, la
cual posee una altura de 300m.
Ambos fenmenos producen acortamientos diferenciales
principalmente en elementos verticales, los cuales deben
cuantificarse para ser mitigados durante la construccin de la obra
gruesa del edificio. Una incorrecta estimacin u omisin de estos
acortamientos producirn daos en variados elementos de la estructura
debido al desplazamiento de elementos horizontales como losas y
vigas.
Palabras clave: creep, retraccin, acortamiento diferencial,
CEB-FIP90.
1. INTRODUCCIN
La expansin de la capital Santiago, junto con el crecimiento y
las motivaciones econmicas del pas han llevado a la ingeniera a
superar sus propios lmites. Las edificaciones en altura son una
constante de la actualidad debido a la falta de espacios y
terrenos, pero una nueva variable ha estado entrando con fuerza al
pas, los rascacielos. Edificaciones que superan los 200m de altura
como el edificio Titanium La Portada y Costanera Center han
abordado problemticas que antes no eran consideradas en anlisis
convencionales.
(1)
Documento preliminar ponencia curso Construccin Pesada II, Prof.
Esteban Jamett Q. Depto. de Ingeniera Civil en Obras Civiles.
Universidad de Santiago de Chile, 2015.
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La gran altura de estas edificaciones conlleva al estudio de dos
fenmenos relacionados con el hormign, cuyo principal efecto se
traduce en acortamientos en elementos verticales como muros y
columnas. Estos fenmenos son la retraccin y fluencia lenta del
hormign (Creep), los cuales son crecientes en el tiempo.
La consecuencia principal se traduce en distintos tipos de daos
a elementos secundarios como tabiqueras, caeras, muros cortina,
etc. adems de redistribuciones de esfuerzos en elementos
estructurales debido a un desplazamiento en vigas y losas. Por
estas razones, es que se deben estimar estos acortamientos y de
alguna manera mitigarlos para evitar perjuicios en el edificio.
Para estimar estos acortamientos, se debe ahondar en la fuente
de estos. Un acortamiento o deformacin en un elemento de hormign
armado esta dado entonces por cuatro variables:
Deformacin instantnea (elstica).
Deformacin por Retraccin.
Deformacin por Creep.
Deformacin por Temperatura.
Por lo que la deformacin total en el tiempo de un elemento de
hormign cargado axialmente hasta un tiempo t quedara expresada por
lo siguiente
(2-1)
(2-2)
Dnde: : Deformacin inicial debido a la carga. : Deformacin por
Creep para un tiempo t > t0. : Deformacin por Retraccin. :
Deformacin por Temperatura. : Deformacin dependiente de la carga: :
Deformacin independiente de la carga:
El fenmeno de la deformacin total se explica de la siguiente
manera:
Al aplicar una carga de compresin al elemento, se producir una
deformacin inmediata. Este comportamiento est directamente
relacionado a la elasticidad del material y sus propiedades. Esto
explica la variable de Deformacin Instantnea, sin embargo, si esta
carga persiste en el tiempo, el elemento seguir deformndose dando
como resultado una deformacin inelstica la cual se denomina como
fenmeno del Creep. Finalmente, un fenmeno totalmente distinto, el
cual no involucra la carga pero si la variable tiempo es el de la
retraccin del hormign, el cual tambin produce una deformacin
inelstica en menor medida. Las tres variables mencionadas se
reflejan en la Figura N1, la cual muestra grficamente las variadas
deformaciones producidas en un elemento de hormign. Los efectos de
la temperatura son despreciados ya que se encuentran en un rango
aceptable.
Ambos fenmenos inelsticos son una de las principales desventajas
del hormign como material en la construccin a gran escala.
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Figura N1. Relacin entre deformaciones dependientes del tiempo
en el hormign. Fuente: ACI 209.1R-05, Report on Factors Affecting
Shrinkage and Creep of Hardened Concrete.
Ver Referencias.
2. MARCO TERICO
2.1. Creep o Fluencia Lenta del Hormign.
Se define principalmente como la deformacin inelstica en el
tiempo producida por una carga aplicada sostenidamente. Sin
embargo, el Creep no solo depende de estos dos factores, tambin
influyen variables como condiciones ambientales, calidad y edad del
hormign, entre otros.
Estas deformaciones por lo general son mayores que las
deformaciones elsticas iniciales, por lo que representan parte
importante de las deformaciones totales de un elemento de hormign
armado sometido a compresin. Se estima que en conjunto con la
deformacin elstica instantnea, la deformacin final ser
aproximadamente 2 a 3 veces la deformacin inicial debido a la
contribucin de este fenmeno.
2.2. Retraccin del Hormign.
La Retraccin es una deformacin que se genera por la prdida de
humedad de la masa de mezcla de hormign. Si bien esta no depende de
la carga, tambin genera prdidas de volumen de la masa de hormign,
lo que causa fisuras en los elementos. Adems, se debe considerar
que al disolver el cemento en agua se genera una reaccin exotrmica
(libera energa), lo que aumenta la temperatura de la mezcla y
genera evaporacin del agua concentrada en la masa de hormign,
provocando la perdida de humedad. A mayor resistencia del hormign,
mayor ser la retraccin que se produzca, ya que para poder obtener
altas resistencia en el elemento, la cantidad de cemento debe ser
mayor, lo que generara una mayor deshidratacin del mismo.
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Uno de los problemas de utilizar hormigones de alta resistencia
es su baja relacin agua-cemento. El principal factor que ha
permitido el desarrollo de los hormigones de alta resistencia es la
utilizacin de aditivos reductores de agua. Con estos se ha otorgado
la posibilidad de emplear relaciones agua cemento muy bajas; es
decir, menores a 0,35. Por lo tanto se necesita un proceso de
curado a edades muy tempranas, cuya finalidad es proteger esa
cantidad de agua que posee el hormign, para de esta forma prevenir
el secado de masa de hormign y la formacin de fisuras. Otra
desventaja que presenta los elementos de hormign, principalmente
hormign masivo, es el alto gradiente trmico que poseen en los
primeros das de hormigonado. Las altas temperaturas que alcanza el
hormign, al ser enfriadas rpidamente causan posibles grietas en los
elementos de hormign.
Ambos fenmenos son tratados de manera independiente (no
relacionndose entre s). Sin embargo, ambos poseen un comportamiento
similar [Figura N2].
Figura N2. Fenmeno de la retraccin y creep en una probeta de
hormign simple. Ver
Referencias.
3. ANTECEDENTES
La Torre 2 del proyecto Costanera Center se ubica en la Avenida
Andrs Bello con Nueva Tajamar, Vitacura, Santiago. Corresponde al
18,44 % de la superficie total del proyecto que equivalen a una
superficie de 128.000 m2. Esta torre necesito una inversin de MM US
$ 120, la cual corresponde al 22% de la inversin total. Posee una
altura de 300 m. sobre el suelo y cuenta con 70 pisos y 4
subterrneos con una altura de entrepiso de 4.1 m. El proyecto
estructural fue abordado por la empresa Rene Lagos e Ingenieros
Civiles Asociados.
3.1. Estructuracin
Posee un ncleo de muros de corte y un marco perimetral
conformados por columnas de seccin variable segn la altura del
edificio, ambos confeccionados en hormign armado. Las losas de
hormign son de tipo colaborantes, es decir, poseen adems una placa
de acero (Metaldeck) la cual es conectada a vigas 2T con pernos de
corte, trabajando como un diafragma rgido.
3.2. Fundaciones
Posee una losa de fundacin de 3 m de espesor con una superficie
de 52,8 x 52,8 m2. Para esta obra se utilizaron ms de 7500 m3 de
hormign y 220 mil kilos de acero.
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3.3. Hormigones
Se trabaja con un hormign bombeable de cono 13, con un bajo
nivel de escurrimiento de lechada, lo que se mejora adems con el
traslape de 6 cm que contempla el sistema de moldaje entre una
etapa y otra. En este caso, para la colocacin del hormign en obra
se ha optado por el bombeo en altura, a partir de un brazo
hormigonador especial, que permite llegar con el material a cada
uno de los pisos con equipos que se disearon especialmente para el
proyecto.
La calidad de estos hormigones fluctan entre H50 para
fundaciones y H70 para distintos los elementos del edificio.
3.4. Dimensiones
Las columnas perimetrales de hormign armado son de geometra
cuadrada, cuya seccin comienza en 150x150 cm para los primeros
niveles, terminando con una seccin de 90x90 cm en los ltimos
niveles. Para los muros del ncleo del edificio, sus espesores varan
entre 110 cm hasta 50 cm.
Estas dimensiones se muestran en la Figura N3, donde adems se
muestran la calidad de hormign para los distintos niveles.
Figura N3. Resumen de dimensiones de elementos y resistencia del
hormign. Fuente: ICJ Creep and Shrinkage. Ver Referencias
El edificio es un icono de la ingeniera estructural en Chile
adems de ser el ms alto del hemisferio sur hasta la fecha.
4. CONSIDERACIONES DE DISEO.
4.1. Consideraciones del fenmeno del Creep en el edificio.
Para la cuantificacin de los acortamientos diferenciales
provenientes del fenmeno del Creep, se consideraron las siguientes
medidas:
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1. Anlisis de muestras en laboratorio. 2. Estimacin del
acortamiento mediante modelo de prediccin europeo CEB-FIP
para una posterior comparacin 3. Realizacin de modelo
computacional predictivo basado en la teora de Fintel
(1987).
4.1.1. Anlisis de muestras en laboratorio.
Para la realizacin de estos ensayos experimentales, se
utilizaron muestras de hormign de calidad H60 obtenidas de la obra
del edificio, las cuales fueron ensayadas en el IDIEM
(Investigacin, Desarrollo e Innovacin de Estructuras y Materiales).
El ensayo de Creep se llev a cabo segn la ASTM C 512-02. Estas
fueron sometidas a una carga de compresin de 0=220 kgf/cm
2 aplicada a los 28 das. El ensayo tuvo una duracin de 365
das.
Los resultados arrojados muestran el comportamiento de la
fluencia lenta [Grafico N1], donde se relaciona la deformacin
experimentada con la cantidad de das transcurridos.
Grfico N1. Deformacin unitaria por Creep v/s Duracin de la carga
- Fuente: Documento: Costanera Center Cuantificacin de los
acortamientos por deformacin instantnea, retraccin y
creep de un edificio de 300 m. de altura, Ver referencias.
Aqu se aprecia que las mayores deformaciones por Creep se
generan en el transcurso de los primeros 50 das aproximadamente.
Posterior a estos das, la deformacin se comienza a reducir con el
transcurso del tiempo. Cabe destacar que el grafico no comienza con
deformacin unitaria igual a cero. Esto porque la carga de compresin
aplicada genera inmediatamente una deformacin elstica.
4.1.2. Modelo CEB-FIP
Este modelo introducido por el Comit Euro-Internacional du Bton,
relaciona la deformacin ocasionada por el fenmeno del Creep
mediante frmulas empricas. El problema de utilizar directamente
este tipo de modelos, es que al ser calibrados con cementos
europeos, sus frmulas pueden no ser representativas al
comportamiento de cementos chilenos.
Este modelo predictivo es vlido cuando:
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Los esfuerzos de compresin no exceden el valor 0.4fc La humedad
relativa se encuentra entre 40 y 100%
Las temperaturas fluctan entre 5C y 30C
El modelo indica lo siguiente:
La deformacin en el tiempo para el hormign qued dada
anteriormente por la siguiente expresin:
(4-1)
Para la variable dependiente de la carga se tiene:
(4-2)
La deformacin por Creep queda dada por la siguiente
expresin:
(4-3)
Dnde: : Coeficiente del Creep. : Modulo de elasticidad para edad
28 das [MPa].
Por lo que la deformacin dependiente de la carga queda dada
por
*
+ (4-4)
Dnde: : Funcin de compliance que representa la deformacin total
dependiente de la carga por unidad de carga. : Modulo de
elasticidad para el tiempo de carga t0 [MPa]
El coeficiente del Creep puede ser calculado por:
(4-5)
Donde
: Coeficiente de Creep terico. : Coeficiente que describe el
desarrollo del Creep con el tiempo despus de la aplicacin de la
carga. : Edad del hormign al tiempo considerado [das]. : Edad del
hormign al momento de aplicacin de la carga [das].
El coeficiente de Creep terico considera otros factores que
afectan al hormign, como la calidad y las condiciones
ambientales.
(4-6)
Para su determinacin, se utilizan las siguientes frmulas:
[
] (4-7)
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(4-8)
(4-9)
(4-10)
Dnde: : Resistencia media a compresin a la edad de 28 das [MPa].
RH: Humedad relativa del ambiente [%]. h: Tamao terico del
elemento, donde es el rea nominal de la seccin, y es el permetro
del elemento estructural [mm].
El desarrollo del Creep en el tiempo est determinado por:
*
+
(4-11)
Para su determinacin, se utilizan las siguientes frmulas:
[ (
)
] (4-12)
Para estimar el acortamiento por Creep en un hormign H60 (fc=550
kgf/cm2), se consider t0 igual a 28 das y una humedad relativa del
50%.
4.2. Consideraciones del fenmeno del Retraccin en el
edificio.
4.2.1. Factores que inciden en la retraccin del hormign
Los tipos de retraccin involucradas en este caso son la
retraccin hidrulica y plstica, son algunas de las principales
limitantes de los hormigones masivos como el utilizado en la
construccin de la losa fundacin de este edificio, ya que es el
causante de las fisuras de retraccin causado por la por tensiones
internas en la masa de hormign producidas por la prdida de humedad
de la masa de hormign (generado a su vez por la prdida del volumen
de esta). A su vez estas fisuras dependen de los materiales
involucrados en el hormign, por ejemplo; la cantidad y tipo de
cemento, ridos, relacin agua-cemento, las dimensiones del elemento
estructural y la humedad relativa, entre otros. Para ver los
factores que inciden en la retraccin, se dividirn en 3 tipos de
parmetros:
a. Parmetros de dosificacin
Entre estos parmetros se encuentran la cantidad de la pasta de
cemento, las relaciones agua/cemento y rido/cemento.
Contenido de rido
El contenido de ridos de una mezcla de hormign es uno de los
factores ms relevantes en la reduccin del potencial de retraccin
del hormign, estos restringen la reduccin de volumen de la mezcla.
El rido tiene la propiedad de reducir las deformaciones, siendo
menor la retraccin de hormigones con mayor tamao del rido. Esto se
produce porque
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si es mayor el tamao mximo del rido, se requerir menor cantidad
de agua y cemento para una determinada resistencia [Figura N4].
Figura N4. Influencia de la cantidad de ridos en la retraccin
del hormign Fuente: Tesis de grado Jorge Eduardo Cedeo, Paul
Alberto Cuellar y Oswaldo Izurieta Carvajal. Ver referencias.
Contenido de cemento
Para generar hormigones de alta resistencia (H60 y H70) se
necesitan grandes cantidades de cemento. Esto afecta directamente
la relacin A/C. Para el caso de los hormigones antes mencionados se
necesit una relacin A/C baja con respecto a los hormigones
convencionales. Cabe destacar que si se aumenta la cantidad de
cemento, se provocara una mayor retraccin, aunque esta no es tan
significativa como contenido de rido en la dosificacin [Figura
N5].
Figura N5. Influencia de la relacin A/C y el contenido de rido
sobre la retraccin del hormign. Fuente: Tesis de grado Jorge
Eduardo Cedeo, Paul Alberto Cuellar y Oswaldo Izurieta
Carvajal.
Ver referencias.
Contenido de agua
Un mayor contenido en exceso de agua favorece el fenmeno de la
retraccin, ya que la masa de hormign tendr, en teora, mayor
cantidad de agua que podra evaporar por su energa liberada,
provocando mayor prdida de volumen del elemento de hormign.
En la Figura N6, se relaciona en conjunto como afecta el
contenido de agua, contenido de rido y relacin A/C a la
retraccin.
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Figura N6. Relacin entre el contenido de agua, contenido de
cemento y relacin agua/cemento con la retraccin de hormign curado
en humedad durante 28 das y secado a 450 das. Fuente:
Tesis de grado Jorge Eduardo Cedeo, Paul Alberto Cuellar y
Oswaldo Izurieta Carvajal. Ver referencias.
b. Parmetros de diseo y construccin
Estos parmetros pueden afectar el valor ltimo de la retraccin.
Estos son de gran importancia para lograr controlar la fisuracin y
deformacin excesiva del hormign.
Dimensin del elemento
Como la retraccin se produce por un intercambio de agua desde la
masa de hormign hacia el ambiente, implica que si es mayor la
superficie expuesta, existirn mayores valores de retraccin, es
decir, ser ms sencillo el intercambio de agua al ambiente.
En este caso, la losa de fundacin posee una gran superficie
expuesta de 50x50 m. aproximadamente, lo que facilitara la perdida
de contenido de agua, pero por otro lado, su gran espesor (3 m.)
dificultara el intercambio de agua desde las zonas ms profunda de
dicho elemento al ambiente.
Periodo de curado
Este factor no es tan influyente en el desarrollo de la
retraccin. Si bien el curado evita que se produzca un intercambio
de contenido de agua, la mayor velocidad de retraccin ocurre a
edades tempranas. Por ende no es necesario mantener procesos de
curado tan extensos en el tiempo.
c. Parmetros ambientales
Humedad relativa
Ambientes secos de temperaturas altas favorecen mayores ndices
de deformacin plstica del hormign en el corto plazo, ya que se
genera mayor prdida de contenido de agua en forma de vapor.
Estos factores fueron claves para determinar las consideraciones
de diseo de la losa de fundacin.
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4.2.2. Datos generales para la losa de Fundacin.
Tipo de hormign: H-60 con un 90% de nivel de confianza a 90
das.
Volumen de hormign: 7500 m3
Espesor de la losa de fundacin: 3 m
Control de muestras: C/ 100 m3
Probetas cilndricas de 15 x 30 (D x H)
Temperatura mxima de colocacin: 30 C
Gradiente trmico mximo: 0,4 (C / m)
Por las grandes dimensiones de esta losa de fundacin se necesit
dividir en 6 etapas su hormigonado, ya sea para controlar el
comportamiento de su gradiente de temperatura como para facilitar y
ordenar su ejecucin.
Una de los grandes problemticas que pueden generarse son las
fisuras por retraccin, estas son causadas por tensiones generadas
por la prdida de volumen. Cuando estas tensiones superan la baja
resistencia del hormign a esfuerzos de traccin se generan estas
fisuras.
En el caso de este elemento, se coloc gran cantidad de armaduras
de acero y juntas de construccin, para aminorar o evitar grandes
fisuras provocadas por la retraccin. Adems, se implement
instrumentos para control y medicin de la temperatura de la mezcla
de hormign.
Resultados del ensayo de retraccin
Se realizaron ensayos de retraccin segn la ASTM C 157, en los
cuales se registraron las medidas de retraccin desde el inicio de
secado hasta los 28 das de confeccin de las probetas. La duracin
del ensayo fue un total de 180 das. Este ensayo se realiz para un
hormign H60 [Grafico N2].
Grfico N2. Deformacin por Retraccin v/s Tiempo - Fuente:
Documento: Costanera Center Cuantificacin de los acortamientos por
deformacin instantnea, retraccin y creep de un edificio
de 300 m. de altura, Ver referencias.
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5. CARACTERSTICAS E IMPLEMENTACIN DE LA SOLUCIN.
5.1. Solucin para mitigar los efectos de la retraccin
Para evitar las fisuracin del elemento de hormign estructural
masivo en la losa de fundacin, las labores se centraron en el
control de los gradientes de temperatura del hormign. Para ello se
distribuyeron 44 termocuplas por la losa de fundacin, para as tener
en observacin la temperatura que alcanzan diferentes sectores del
elemento. Estas termocuplas no se colocaron solo la superficie de
la losa, sino tambin en el espesor de esta. Estas posean 3
ubicaciones posibles; en la superficie (S), en el ncleo o centro
(C), o en la base (I) de la losa. En el siguiente diagrama muestra
la ubicacin de cada termocupla [Figura N7].
Otro de los controles que se utilizaron para la evitar la
fisuracin por la retraccin es una correcta ubicacin de la armadura
de la losa de fundacin. Para ello se utiliz juntas de trabajo
vertical, cuyo objetivo es rigidizar la estructura de la armadura
de la losa al momento del vaciado del hormign. Otro factor
importante es el control de las velocidades de hormigonado y
llegada de los camiones Mixer, ya que por las dimensiones del
proyecto se utilizaron grandes cantidades de hormigon por
etapa.
Figura N7. Ubicacin de las termocuplas en losa de fundacin -
Fuente: Seminario: Proyecto Costanera Center, Hormigones
estructurales masivos, Ver referencias.
Los resultados de medicin de temperatura por las termocuplas en
la losa de fundacin de la torre 2 en la etapa 1 del hormigonado, se
presenta en la siguiente grfica que contempla la temperatura medida
en estas termocuplas en funcin de tiempo:
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Grfico N3. Medicin de 13 termocuplas durante primeros 14 das de
hormigonado. Fuente: Seminario: Proyecto Costanera Center,
Hormigones estructurales masivos, Ver referencias.
Se puede observar la gran diferencia entre las temperaturas que
logro el hormign a diferentes alturas del espesor de la losa de
fundacin en comparacin de la temperatura ambiente. Adems, se
observa que las mximas temperaturas medidas se lograron en el
centro o ncleo (C) de la losa de fundacin.
Atreves de estos resultados se pudo obtener los gradientes de
trmicos del hormign en cuales se relacion la diferencia de
temperatura medidas en 2 termocuplas y su diferencia de altura. En
el siguiente grafica se pueden observar dichos gradientes.
Grfico N4. Medicin del gradiente trmico primeros 14 das de
hormigonado. Fuente: Seminario: Proyecto Costanera Center,
Hormigones estructurales masivos, Ver referencias.
Otra problemtica importante aparte de la evaporacin del
contenido de agua de la mezcla es el enfriamiento brusco de las
altas temperaturas que tiene este elemento de hormign masivo,
provocando deformaciones que pueden generar el agrietamiento del
hormign.
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Finalmente, se utilizaron 4 mtodos para disminuir la temperatura
del hormign durante su preparacin, y as poder obtener gradientes
trmicos menores a las normales. Estos mtodos son:
Cubrir acopios de los ridos del sol.
Humedecer con agua los ridos para disminuir su temperatura.
Suministrar hielo para bajar la temperatura del agua,
modificando as la temperatura de la mezcla de hormign.
Bajar la temperatura del camin Mixer.
5.2. Solucin de los acortamientos diferenciales del
edificio.
La realizacin del ensayo de deformacin por Creep para el hormign
utilizado en el edificio permiti dar con una estimacin de los
acortamientos diferenciales que experimentara un elemento de
hormign para una carga de compresin.
Por otra parte, la prediccin de estos acortamientos por el
modelo europeo CEB-FIP permiti identificar un comportamiento muy
similar al obtenido por el IDIEM, ya que se obtuvieron diferencias
de hasta un 7% transcurrido un ao de la aplicacin de carga. Este
factor es de gran importancia, puesto que permite evaluar los
acortamientos mediante un modelo emprico utilizado ampliamente. En
el Grafico N5 se muestra la similitud encontrada al comparar el
coeficiente de Creep medido experimentalmente y por el modelo
CEB-FIP.
Grafico N5. Comparacin del coeficiente de Creep obtenido de
ensayo ASTM y modelo CEB-FIP. Fuente: ICJ Creep and Shrinkage. Ver
Referencias
Adems, el ensayo experimental de retraccin mostrado
anteriormente permiti estimar la deformacin ocasionada por este
fenmeno en el hormign.
Todo esto posibilito la creacin de un modelo computacional
basado en la teora de Fintel (1987), con el cual se logr dar con
los acortamientos estimados para cada columna y muro de cada piso
por un periodo de 30 aos. Para estimar estos acortamientos, se
consideraron las cargas muertas ms un 25% de las cargas vivas del
edificio.
Con ambas deformaciones inelsticas ya determinadas, la solucin
consisti principalmente en alargar la dimensin terica de los
elementos verticales (4.1 m de entrepiso) a su dimensin real a
construir en la fase de obra gruesa. Estas dimensiones son
mostradas en la Tabla N1, donde se muestra las dimensiones reales
para columnas y muros. Los mayores alargamientos se dieron para el
nivel 41, donde el alargamiento de
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las columnas llego a 10.1 cm, mientras que para los muros, esta
fue de 6.3 cm. De esta manera se mitigo el efecto de las
deformaciones elsticas e inelsticas, logrando un correcto
funcionamiento del edificio.
Tabla N1. Columnas y muros modificados. Fuente: Elaboracin
Propia a base del Documento: Costanera Center Cuantificacin de los
acortamientos por deformacin instantnea, retraccin y
creep de un edificio de 300 m. de altura, Ver referencias.
Colunas Muros Columnas Muros Columnas Muros diferencial
Piso
N m m m m cm cm cm
-5 86.200 86.200 86.203 86.202 0.300 0.200 0.100
-4 89.400 89.400 89.405 89.404 0.500 0.400 0.100
-3 92.600 92.600 92.607 92.605 0.700 0.500 0.200
-2 95.800 95.800 95.809 95.806 0.900 0.600 0.300
-1 99.000 99.000 99.011 99.007 1.100 0.700 0.400
1 104.900 104.900 104.915 104.910 1.500 1.000 0.500
2 108.950 108.950 108.968 108.961 1.800 1.100 0.700
3 116.950 116.950 116.974 116.964 2.400 1.400 1.000
4 122.950 122.950 122.978 122.967 2.800 1.700 1.100
5 128.950 128.950 128.982 128.969 3.200 1.900 1.300
6 134.950 134.950 134.985 134.971 3.500 2.100 1.400
7 140.850 140.850 140.888 140.873 3.800 2.300 1.500
8 144.950 144.950 144.990 144.974 4.000 2.400 1.600
9 149.050 149.050 149.093 149.076 4.300 2.600 1.700
10 153.150 153.150 153.195 153.177 4.500 2.700 1.800
11 157.250 157.250 157.298 157.279 4.800 2.900 1.900
12 161.350 161.350 161.400 161.380 5.000 3.000 2.000
13 165.450 165.450 165.502 165.482 5.200 3.200 2.000
14 169.550 169.550 169.605 169.583 5.500 3.300 2.200
15 173.650 173.650 173.707 173.685 5.700 3.500 2.200
16 177.750 177.750 177.809 177.786 5.900 3.600 2.300
17 181.850 181.850 181.911 181.888 6.100 3.800 2.300
18 185.950 185.950 186.013 185.989 6.300 3.900 2.400
19 190.050 190.050 190.115 190.091 6.500 4.100 2.400
20 194.150 194.150 194.218 194.192 6.800 4.200 2.600
21 198.250 198.250 198.320 198.294 7.000 4.400 2.600
22 202.350 202.350 202.422 202.395 7.200 4.500 2.700
23 206.450 206.450 206.523 206.494 7.300 4.400 2.900
24 210.550 210.550 210.625 210.598 7.500 4.800 2.700
25 214.650 214.650 214.727 214.699 7.700 4.900 2.800
26 218.750 218.750 218.828 218.800 7.800 5.000 2.800
27 222.850 222.850 222.930 222.902 8.000 5.200 2.800
28 226.950 226.950 227.033 227.003 8.300 5.300 3.000
29 231.050 231.050 231.135 231.104 8.500 5.400 3.100
30 235.150 235.150 235.237 235.205 8.700 5.500 3.200
31 239.250 239.250 239.338 239.306 8.800 5.600 3.200
32 243.350 243.350 243.440 243.407 9.000 5.700 3.300
33 247.450 247.450 247.541 247.508 9.100 5.800 3.300
34 251.550 251.550 251.643 251.609 9.300 5.900 3.400
35 255.650 255.650 255.745 255.709 9.500 5.900 3.600
36 259.750 259.750 259.846 259.810 9.600 6.000 3.600
37 263.850 263.850 263.947 263.911 9.700 6.100 3.600
38 267.950 267.950 268.049 268.011 9.900 6.100 3.800
39 272.050 272.050 272.149 272.112 9.900 6.200 3.700
40 276.150 276.150 276.250 276.212 10.000 6.200 3.800
41 280.250 280.250 280.351 280.312 10.100 6.200 3.900
42 284.350 284.350 284.451 284.413 10.100 6.300 3.800
43 288.850 288.850 288.949 288.912 9.900 6.200 3.700
44 292.950 292.950 293.049 293.012 9.900 6.200 3.700
46 297.050 297.050 297.149 297.112 9.900 6.200 3.700
47 301.150 301.150 301.249 301.212 9.900 6.200 3.700
48 305.250 305.250 305.348 305.312 9.800 6.200 3.600
49 309.350 309.350 309.448 309.412 9.800 6.200 3.600
50 313.450 313.450 313.548 313.512 9.800 6.200 3.600
51 317.550 317.550 317.648 317.612 9.800 6.200 3.600
52 321.650 321.650 321.748 321.712 9.800 6.200 3.600
53 325.750 325.750 325.847 325.812 9.700 6.200 3.500
54 329.850 329.850 329.946 329.912 9.600 6.200 3.400
55 333.950 333.950 334.045 334.011 9.500 6.100 3.400
56 338.050 338.050 338.144 338.111 9.400 6.100 3.300
57 342.150 342.150 342.243 342.210 9.300 6.000 3.300
58 346.250 346.250 346.341 346.310 9.100 6.000 3.100
59 350.350 350.350 350.439 350.409 8.900 5.900 3.000
60 354.450 354.450 354.538 354.508 8.800 5.800 3.000
61 358.550 358.550 358.633 358.607 8.300 5.700 2.600
62 365.850 365.850 365.927 365.904 7.700 5.400 2.300
Promedio 7.045 4.450 2.595
Total 465.000 293.700 171.300
DiferenciaNiveles ModificadosNiveles Proyecto
-
16
6. ANLISIS TCNICO INGENIERIL DE LA SOLUCIN ADOPTADA.
6.1. Acortamientos diferenciales del edificio.
La implementacin de la solucin a los acortamientos diferenciales
fue la adecuada y la ms lgica en el mbito de la ingeniera. Dotar a
los muros y columnas de mayores alturas permiti que en un tiempo
prudente, estos acortamientos nivelaran los pisos a la altura a la
cual estaban previstos. Se estima que en un tiempo de dos aos, ms
del 85% de estos acortamientos ya habran sucedido, por lo que la
serviciabilidad del edificio no se vera afectada por una gran
cantidad de tiempo.
Otro factor importante dado en la solucin, es que las columnas
perimetrales fueron dotadas de una mayor altura que los muros del
ncleo. Esto se debe principalmente a los acortamientos por efecto
del Creep, ya que aqu entra el factor carga y geometra del
elemento. Esto se explica por la forma del edificio, principalmente
de la planta de piso y de cmo esta distribuye las cargas por rea
tributaria en las distintas secciones. En la imagen se aprecia que
una columna posee mayor rea tributaria que los muros del ncleo, por
lo que la magnitud de la carga que lo afecta es mayor.
Si no se hubiera realizado un enfoque en esto y se asumieran
acortamientos uniformes por piso, se dara con el fenmeno de las
alas cadas, donde un mayor acortamiento en las columnas ocasionara
una pendiente de losa hacia el exterior del edificio [Figura N8].
Cobra sentido entonces que durante la fase de construccin de obra
gruesa, las pendientes de las losas de hormign estuvieran
orientadas hacia el ncleo de muros de hormign armado, pero que con
el transcurso del tiempo, est pendiente se invertira pero no
superando una inclinacin del 0,5%, garantizando as la operatividad
del edificio.
Figura N8. Planta de estructura y fenmeno de alas cadas Grfico
N2. Deformacin por Retraccin v/s Tiempo - Fuente: Documento:
Costanera Center Cuantificacin de los
acortamientos por deformacin instantnea, retraccin y creep de un
edificio de 300 m. de altura, (Ver referencias).
Estas medidas permitirn que en un edificio, el cual es
emblemtico para un pas, pero que tambin es un icono del lujo y
smbolo de poder, no se vea afectado visualmente con daos en el muro
cortina o en terminaciones interiores de tabiquera y decoracin. En
ese aspecto, la variable arquitectnica no deja de ser importante en
un proyecto de tal envergadura.
Por otra parte, realizar una estimacin de la carga para los
distintos elementos resulta tambin un punto de anlisis importante.
Las cargas aproximadas utilizadas deben tener sentido para el
clculo del Creep. Considerar la totalidad de las cargas vivas del
edificio podra haber producido una prediccin errnea de los
acortamientos diferenciales, ya que
-
17
estas por lo general son bastante conservadoras en el sentido de
la magnitud de la carga. Por ejemplo, la normativa vigente indica
que en un piso de oficinas con equipos, la carga viva debe ser de
500kg/cm2(2), sin embargo, adems de que esta cifra es alta, el
edificio no entrara en serviciabilidad al instante, por lo que es
imposible que esta carga este afectando realmente a los elementos.
Pese a la arbitrariedad del porcentaje, considerar un 25% de las
cargas vivas para el anlisis resulta una cifra razonable.
A pesar de que el estudio se centra en los acortamientos
diferenciales verticales del edificio, cualquier elemento
conformado por hormign es susceptible a estos efectos inelsticos,
por lo que elementos horizontales no quedan exentos de estas
deformaciones. Sin embargo, otorgar una solucin satisfactoria a
este tipo de elementos es ms simple y menos complejo. Basta con
dotar al elemento horizontal con una contraflecha, la cual debe ser
estimada para cierta cantidad de carga y tiempo de uso.
Con respecto a ambos efectos (Creep y retraccin) realizar
ensayos experimentales siempre es importante para comprender el
fenmeno en su totalidad. Esto cobra an ms relevancia cuando la
teora de predicciones est basada mayoritariamente por formulas
empricas. Adems, la cantidad y tipos de cementos en el mundo es
variada, ya que su composicin mineral difiere de un lugar a otro.
Investigadores como Aguilar han demostrado por ejemplo, que
cementos Puzolanicos sufren un 25% ms de Retraccin que los cementos
Portland en Chile.
Ahondando ms profundamente en las cifras, la totalidad del
acortamiento equivale a 465 cm en columnas y 293.7 cm en los muros,
es decir, aproximadamente 1 piso completo. Son cifras
considerablemente altas debido a las magnitudes de las cargas. Cabe
destacar que los esfuerzos en columnas y muros son acumulativos
piso a piso, no as en elementos horizontales. El promedio de
deformacin por piso fue de 7.045 cm y 4.45 cm para columnas y muros
respectivamente. Una ventaja con respecto a la mitigacin de estos
acortamientos es la simetra del edificio, que permite
principalmente tener un largo comn para todas las columnas
perimetrales. A continuacin se muestra el anlisis de los
acortamientos de una columna-tipo y un muro-tipo, en el cual se
aprecian los acortamientos piso por piso y su diferencial [Grafico
N6].
Grafico N6. Acortamiento de columnas, muros y su diferencia -
Fuente: Documento: Costanera
Center Cuantificacin de los acortamientos por deformacin
instantnea, retraccin y creep de un
edificio de 300 m. de altura, Ver referencias.
(2)
Segn NCh1536.Of2009 Diseo estructural de edificios. Cargas
Permanentes y Sobrecargas de Uso.
-
18
La lgica indicara que los mayores acortamientos debiesen darse
en los primeros niveles debido a la acumulacin de las cargas. Esta
lgica se cumplira para secciones constantes y con una calidad de
hormign uniforme para la totalidad de los elementos verticales. Sin
embargo, el tener una mayor seccin geomtrica (150x150 cm) en los
niveles inferiores permite tener menores deformaciones soportando
mayores cargas, adems de que su resistencia a la compresin es
considerablemente mayor (fc=650 kg/cm2). Es por esto que los
mayores acortamientos se dan para los niveles superiores de la
torre, debido a que su seccin disminuye considerablemente (110x110
cm 90x90 cm) al igual que su resistencia a la compresin (fc=450
kg/cm2).
El anlisis de deformaciones inelsticas generadas por creep y
retraccin se a bordo de manera satisfactoria, logrando ser un
precedente para futuros rascacielos del Gran Santiago. El edificio
actualmente se encuentra en operatividad y no existen problemas de
tabiqueras o terminaciones generados por estos acortamientos. Esto
quiere decir principalmente que las estimaciones de los
acortamientos en elementos verticales se mitigaron correctamente,
garantizando as la operatividad del edificio.
6.2. Retraccin del hormign.
La utilizacin de hormigones susceptibles a la retraccin
proporciono un desafo extra en la ingeniera y la construccin. Las
altas cantidades de hormign utilizados en el edificio,
principalmente los colocados en la losa de fundacin del proyecto
obligaron a tomar medidas de control importantes. El nfasis se
coloc en el control de temperatura, ya que el principal factor de
perdida de agua se relaciona directamente con este factor,
provocando el fenmeno de evaporacin de esta. Reparar grietas
generadas por la retraccin conllevar a aumentos en los costos del
proyecto y disminucin de sus resistencias, por lo que evitarlas es
de vital importancia en un edificio de tal envergadura.
El control de la temperatura se llev a cabo con la colocacin de
44 termocuplas para observar el comportamiento interno del hormign.
Esto es relevante, ya que la reaccin exotrmica del hormign debe
estudiarse para evitar excesos de temperatura. Es por esto que
estas se distribuyeron homogneamente, colocndose en la parte baja,
central y superficial de la losa de fundacin para cada etapa de
hormigonado de la losa. La divisin del hormigonado en etapas tambin
permite controlar la temperatura de un volumen menor de hormign, lo
cual facilita las labores de control. Sin embargo, el hormigonado
por etapas se debe principalmente a las cantidades de hormign
utilizados.
La otra serie de medidas tomadas en terreno, fueron con el
objetivo de reducir los niveles de temperatura en la elaboracin de
la mezcla. Utilizacin de hielo en la mezcla es algo simple de
realizar y efectivo a la vez. Por otra parte, Mantener ridos en una
temperatura idea es tambin una labor eficaz. Cualquier disminucin
en la temperatura de los elementos que componen el hormign influye
directamente en el resultado final y en la disminucin de la
temperatura de mezcla, la cual se debe mantener en un rango
aceptable [Figura N9].
Finalmente, utilizar hormigones a base de cementos Portland
permiti mitigar cierto porcentaje de retraccin si se hubiera
utilizado uno de tipo Puzolnico.
-
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Figura N9. Control de temperatura para una muestra de hormign.
Fuente: Seminario: Proyecto
Costanera Center, Hormigones estructurales masivos, Ver
referencias.
En cuanto a otros elementos de hormign armado como muros y
columnas, el fenmeno de la retraccin es ms fcil de controlar debido
a la menor cantidad de hormign colocado y menor superficie
expuesta.
Pese a las medidas tomadas para evitar la prdida de humedad de
la mezcla, la retraccin del hormign es un fenmeno inevitable en su
totalidad. Solo se puede mitigar parte de sus desventajas, como
prevenir fisuraciones. Sin embargo, sus acortamientos o
deformaciones generadas estarn siempre presentes y deben
considerarse en el diseo del edificio.
6.3. Generalidades.
Ambos fenmenos del hormign poseen una gran complejidad en el
mbito del diseo estructural. Si bien se cuenta con una base amplia
que aborda estos efectos, los cdigos siguen cambiando con el
transcurso de los aos. Es ms, el modelo abordado en este trabajo
(CEB-FIP 90) se actualizo recientemente en el ao 2010, incluyendo
pequeas modificaciones en sus frmulas. Por estas razones, el
estudio experimental de los materiales utilizados debe realizarse
siempre en proyectos de tanta importancia. Afortunadamente, en
Chile se cuenta con un laboratorio de materiales de un gran nivel
(IDIEM), lo que otorga resultados confiables para la ingeniera de
los materiales.
7. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
La realizacin de grandes proyectos de edificacin se relaciona
directamente con el crecimiento econmico del pas. Megaproyectos
como la Gran Torre Costanera Center formaran un precedente para
futuros rascacielos que se instalaran en el pas. Y no solo para el
pas, ya que la base terica y la experiencia tambin ser observada y
tomada por pases del continente. Cabe destacar que el edificio es
el ms alto en la actualidad en Amrica Latina, sin embargo, ya
existen proyectos que buscan destronar dicha marca. Los grandes
desafos de la ingeniera estn para superarlos, y esto es lo que se
logr con un gran equipo de trabajo e investigacin.
-
20
8. AGRADECIMIENTOS.
Se agradece la colaboracin de acadmicos de la universidad como
el profesor Eduardo Seplveda, quien adems de aportar material
visual, permiti comprender las tecnologas utilizadas para la
construccin del edificio, y Renato Vargas, cuyo manejo en el tema
de hormigones permiti adaptar una idea conceptual de los fenmenos
del creep y la retraccin en el hormign. Adems, agradecer a la
biblioteca central de la Universidad de Chile (Facultad de Ciencias
Fsicas y Matemticas) por permitir el ingreso al sector de Tesis de
la Universidad.
9. REFERENCIAS
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of Hardened Concrete American Concrete Institute, Farmington Hills,
MI, 2005.
CEB-FIP Model Code 1990, Bulletin dInformation No. 213/214, CEB
Comite Euro-International du Bton, Lausanne, Switzerland, 1993.
CEB-FIP Model Code 2010, Bulletin 55: Model Code 2010. First
complete draft Volumen 1, CEB Comite Euro-International du Bton,
Lausanne, Switzerland, 2010.
CEDEO, Jorge, CUELLAR, Paul y IZURIETA, Oswaldo. "Fisuras por
retraccin en el
hormign" . Tesis de grado para optar al Titulo de Ingeniero
Civil, Escuela Superior
Politecnica del Litoral. Guayaquil, Ecuador, 2009.
FERNANDEZ, Carlos. Hormigones Masivos, Temas Relevantes ara el
Constructor.
Sitio web de ICH. [En lnea] 21 de Julio de 2009. [Citado el: 10
de Mayo de 2015]
Disponible en <
http://ich.cl/descargas/wpcontent/uploads/09-06-
21_EDIF_SEM_02b_Empresa_Constructora.pdf >
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del ICJ. [En lnea] Diciembre de 2012. [Citado el: 10 de Mayo de
2015.] Disponible en <
http://www.yumpu.com/en/document/view/18555217/creep-and-shrinkage-the-indian-concrete-journal>
LAGOS CONTRERAS, Ren. Hormigones Estructurales Masivos, Proyecto
Costanera Center. Sitio web del ICH. [En lnea] 21 de Julio de 2009.
[Citado el: 10 de Mayo de 2015] Disponible en <
http://ich.cl/descargas/wp-content/uploads/09-06-21_EDIF_SEM_06_Empresa_Ingenieria_Edificacion.pdf.
>
LAGOS, Ren, KUPFER, Marianne, SANHUEZA, Simn y CORDERO,
Francisco. Costanera Center Cuantificacin de los acortamientos por
deformacin instantnea, retraccin y creep de un edificio de 300m de
altura. Chile, 200.
LARA DITZEL, Juan. Acortamiento Diferencial en Edificios Altos
de Hormign Armado. Memoria para optar al Ttulo de Ingeniera Civil,
Universidad de Chile. Santiago, Chile, 2007.