Ingeniero René Carranza
Ingeniero Raúl Martínez
Doctor Eduardo Reinoso

La conexión columna-trabe para elementos prefabricados que aquí se presenta aventaja a la existente hasta ahora en el mercado en cuanto a fabricación, transporte, montaje, tiempo, costo y seguridad estructural. Así lo demuestra una serie de obras en las que se ha aplicado con éxito.

El ingeniero involucrado en el análisis, diseño, prefabricación, transporte y montaje de una estructura reticular prefabricada de concreto tiene como un gran reto el conectar las piezas prefabricadas que la integran, especialmente la unión columna-trabe, ya que en algunas ocasiones concurren hasta cuatro trabes en diferentes direcciones en una misma columna en cada nivel de la estructura.

Uno de los mayores problemas que se presentan en una estructura prefabricada, no es un análisis deficiente de la misma sino la importancia que se ha dado al diseño de las conexiones entre los diferentes elementos que la forman. Debemos tomar en cuenta que la conexión recibirá las descargas de cada elemento que se conecte a ella y deberá ser capaz de soportarlas y transferirlas a los demás elementos (Arthur H. Nilson, 1982).

En los principios de la prefabricación en México, únicamente se prefabricaban sistemas de piso como son vigueta y bovedilla, losa doble te y losas extruidas. Como éstos se colocan simplemente apoyados sobre trabes de soporte, no se tenía la necesidad de diseñar sistemas de conexión entre elementos. Sin embargo, con el paso del tiempo se fueron demostrando las ventajas de las estructuras prefabricadas sobre las tradicionales. Por ejemplo, un menor tiempo de ejecución de la obra y por lo tanto una recuperación más rápida de la inversión, claros más grandes con elementos esbeltos y obras más limpias durante su ejecución. Estas ventajas han hecho que, hoy día, las estructuras sean casi totalmente prefabricadas y que tengan suma importancia las conexiones entre los diferentes elementos que las forman.

Características generales de las conexiones prefabricadas

El diseño correcto de una conexión es indispensable para que la estructura trabaje de acuerdo con el modelo físico y matemático con que se realizó el análisis estructural. A través de los años se ha resuelto este problema de conexión usando el ingenio y llegando a diferentes soluciones tales como ménsulas de concreto o de acero, las cuales pueden ser visibles por debajo de la trabe o se pueden disimular con ésta.; las trabes pueden estar simplemente apoyadas o se les puede dar continuidad por medio de pernos, soldadura o postensado (figura 1).

Pocas conexiones han resuelto el problema de una forma totalmente satisfactoria, ya que en cualquier tipo de conexión se busca simplificar las diferentes etapas de una obra, como son:

Fabricación

Que sea sencilla, es decir, que la fabricación de los diferentes elementos que la forman, como son trabes y columnas, no se complique con accesorios soldados a su acero principal tales como placas de acero, elementos de anclaje para postensado, etcétera.

Que no aumente la tipificación de columnas, es decir, que las columnas no sea muy diferentes geométricamente entre sí, ya que esto representa un mayor trabajo de gabinete además de que complica la coordinación entre la fabricación y el montaje de las piezas.

Que no requiera del empleo de muchos planos en obra para poder realizarse pues esto, además de requerir un mayor trabajo de gabinete, es poco práctico de realizar en planta y posteriormente en obra.

La fabricación de los moldes debe ser sencilla para evitar retrasos en su elaboración y que sean muy costosos. Además, no se debe requerir una gran cantidad de ellos ni deben requerir muchos cambios entre cada colado.

Transporte

Debe poder realizarse de una forma eficiente, es decir, que se pueda transportar el mayor número de piezas por viaje, ya que esto reducirá el número total de fletes que se tienen que realizar y, en consecuencia, bajará el costo por este concepto.

No se deben requerir accesorios especiales para sujetar las piezas a las plataformas ya que son costosos y dificultan la carga y descarga de las piezas.

Montaje

La maniobra de montaje de las diferentes piezas se debe poder realizar en una forma rápida y sencilla para evitar tiempos muertos de equipo, maquinaria y personal, lo que nos permitirá un sustancial ahorro en el tiempo de ejecución de la obra.

Se debe evitar el empleo de equipo y mano de obra especializada como son soldadores y personal de postensado, ya que esto eleva el costo de la obra y puede afectar el tiempo de ejecución en caso de no tener suficiente personal capacitado.

Hay que evitar o minimizar el empleo de soldadura de campo, ay que requiere de un estricto control de calidad, lleva más tiempo de ejecución y, además, su costo es muy elevado.

Debe requerir poco o nulo soporte temporal de los elementos, ya que esto retrasa los tiempos de ejecución.

La apariencia final de la conexión debe ser agradable a la vista, es decir, debemos tratar de ocultar los elementos de sujeción como son placas de acero, soldaduras, etcétera.

Los principales tipos existentes

A través de los años, las conexiones en las estructuras prefabricadas se han resuelto, en forma global, en cuatro grandes grupos (IMCYC, 1966, 1976, 1981; PCI, 1988).

Con ménsula corta

Esta es una conexión cercana al paño de la columna. Uno de los principales problemas constructivos que se presentan ocurre en el momento de colar las columnas, cuando se requieren ménsulas en las cuatro direcciones, ya que debido a la gran concentración de acero en esa zona se requiere de soldadura tanto dentro de las piezas que se van a conectar como en la unión entre ellas (soldadura de campo), lo que hace que sea una conexión poco dúctil (Cuevas y Robles, 1986). Como normalmente en una obra las columnas tienen diferente número y posición de las ménsulas, es necesario cortar los costados y el fondo de los moldes y taparlos cuando no se requieran. Lo anterior provoca que los tiempos de colado se retrasen y obliga a tener un mayor número de moldes, lo cual aumenta el costo de la obra. El transporte se vuelve menos eficiente para las columnas debido a que las ménsulas aumentan el ancho de las piezas, por lo cual el número de piezas que por geometría se pueden transportar por viaje es menor, aumentando el precio por este concepto. En la maniobra de montaje también se tienen algunos problemas adicionales cuando no se tienen ménsulas en forma asimétrica, ya que en el momento de izar las columnas para insertarlas en su posición en la cimentación, éstas se inclinan un poco por el desequilibrio de peso fuera de su eje de longitud. (figura 2).

Con ménsula larga

Esta es una conexión alejada del paño de la columna que busca llevar la unión a una zona donde el momento es menor. presenta los mismos problemas que la anterior (Ménsula corta) aunque algunos en forma más severa. Cuando se tienen ménsulas largas en las cuatro direcciones se presenta un grave problema en el momento de realizar el colado de la columna, ya que las ménsulas que quedan hacia el fondo y hacia arriba son difíciles de realizar y los problemas de transporte y montaje son también mayores debido a que la geometría de las columnas las hace poco manejables. Todo lo anterior hace que los precios de fabricación, transporte y montaje de las piezas se incrementen aún más (figura 3).

Con postensado

Este tipo de conexiones no tiene problemas de ductilidad; las columnas pueden o no estar provistas de ménsulas. Cuando tienen ménsulas presentan los problemas que anteriormente mencionamos. Sin embargo, cuando las columnas no cuentan con ménsulas de apoyo, las trabes tendrán que soportarse temporalmente por medio de apuntalamiento. Se debe tener mucho cuidado con la posición de los ductos y anclajes para el postensado durante el diseño y fabricación de las trabes y columnas, ya que éstos deben coincidir perfectamente en el momento de montar las piezas para que permitan el paso de los cables y se realice el postensado sin causar momentos adicionales a la estructura. Todo lo anterior, aunado al alto costo del postensado, incrementa el tiempo y costo final de la obra (figura 4).

Solución propuesta

Este tipo de conexión proporciona un nodo que es el más parecido a los nodos monolíticos de las estructuras tradicionales. La fabricación de las columnas se simplifica en gran medida, ya que al no contar con ménsulas no es necesario cortar el fondo ni los costados de los moldes. Esto nos permite disminuir el número total de moldes necesarios al poder darles un mayor número de usos sin grandes cambios. No se requiere dejar ahogados en columnas ni trabes anclajes especiales ni elementos soldados al acero de refuerzo. El transporte se perfecciona al llevar una mayor cantidad de piezas por cada viaje, bajando los costos por este concepto. El montaje de las columnas se facilita al coincidir su eje longitudinal con el centro de gravedad, lo que evita inclinaciones de las `piezas en el momento de izarlas. No es necesario el empleo de personal especializado para el armado y colado de los nodos, pudiéndose utilizar el mismo personal que se emplea en las construcciones tradicionales (figuras 5 y 6). Todo lo anterior permite obtener una mayor economía de tiempo y costo además de una mejor apariencia final a un bajo costo con respecto a los otros tipos de conexiones (figuras 5 y 6).

Existe una infinidad de tipos de conexiones, pero las anteriores son las más comúnmente utilizadas en el medio. En el cuadro 1 podemos apreciar una comparación de las principales características de las conexiones. Sin embargo, la necesidad de encontrar una conexión más eficiente, sobre todo ante los efectos sísmicos, nos llevó a desarrollar una conexión diferente, que nos permite tomar la eficiencia de una estructura prefabricada sin perder las bondades estructurales de una colada in situ. No debemos olvidar que el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal considera que las estructuras prefabricadas deben tener desplazamientos menores que las estructuras coladas in situ, y esto se debe en parte a las conexiones. Todos los tipos de conexiones que hasta ahora se han estado utilizando son a base de pernos o soldadura y presentan un tipo de falla frágil, que es algo que se quiere evitar.

Descripción de la conexión propuesta

En una estructura prefabricada es deseable la continuidad de los elementos y que no tengan cambios bruscos de secciones y materiales, razón por la cual desarrollamos una conexión que se asemeja lo mejor posible al colado in situ. La conexión propuesta es una variante en el sistema de construcción y fabricación de los elementos prefabricados.

La preparación de los elementos se hace en la planta de producción, las trabes están provistas del acero positivo necesario de acuerdo con el diseño y pueden contar, si se desea, con el acero negativo; inmediatamente después del montaje de las trabes una cuadrilla de fierreros comienza con el armado, cimbrado y colado de la conexión en obra, mientras se continúa con las maniobras de montaje.

Se deben tomar en cuenta ciertas consideraciones estructurales al utilizar este tipo de conexiones, ya que las primeras condiciones de apoyo y empotramiento de los elementos no son iguales a las condiciones finales. Las columnas tienen una parte hueca donde su rigidez, antes de colocarse la conexión, es considerablemente menor que la del resto de su sección; las trabes deben diseñarse para dos condiciones de apoyo, la primera simplemente apoyada y la segunda, con continuidad en la que formarán marcos ortogonales con las columnas.

Si se tiene una estructura de varios niveles, se debe revisar la primera etapa de montaje, cuando las columnas están empotradas en la cimentación y las trabes que están montadas se encuentran simplemente apoyadas, ante cargas accidentales tales como sismos, viento e incluso posibles golpes de otras piezas en el momento de montarlas, ya que en esta etapa las columnas trabajan en cantiliver y puede ser muy peligroso para la estabilidad de la estructura si se presentan desplazamientos grandes. También se recomienda en estos casos, en la medida de lo posible, colar los nodos de los niveles inferiores antes de continuar con el montaje de los niveles superiores.

Fabricación

Una de las principales ventajas es la sencillez de los moldes para fabricar las columnas y el poco trabajo que requieren para su habilitado entre cada colado, lo que hace que se perfeccionen sus usos con un considerable ahorro. Por otro lado, el no necesitar fijar ningún tipo de accesorio adicional, como son placas de acero o elementos para anclaje de postensado en los armados de trabes y columnas, agiliza la producción.

El colado de las columnas se realiza dejando zonas sin colar (huecas) en los diferentes niveles donde se conectarán las trabes, las que en adelante denominaremos "ventanas", en las cuales únicamente continuará el acero principal y si es necesario se colocarán varillas en forma de contraventeo en cada cara. El extremo inferior de las ventanas de las columnas, donde se apoyarán las trabes, debe tener una superficie lisa y nivelada para evitar concentración de esfuerzos al apoyar las trabes correspondientes, y se debe dejar un pequeño hueco rectangular en el centro de la columna que haga las veces de dentellón. El otro extremo delas ventanas debe terminar en forma de punta (pirámide invertida) con una inclinación de 30 ° para facilitar el colado del nodo y evitar que queden burbujas de aire atrapado, además de no presentar una superficie horizontal de contacto entre concretos de diferentes edades y evitar problemas de cortante.

También se recomienda dejar ahogado un ducto que vaya desde la punta hasta un costado superior de la columna, para permitir la salida de aire cuando se efectúe el colado del nodo correspondiente. El tamaño de la ventana está en función del peralte de las trabes que se insertarán, tomándose dos veces el mayor de los peraltes medidos desde la superficie lisa inferior hasta la punta de la parte superior.

La fabricación de las trabes portantes y de rigidez también se facilita ya que tampoco requieren ningún tipo de accesorio especial, lo que agiliza el habilitado de los armados dentro de los moldes. En caso de que el ancho de las trabes lo requiera, se les fabrica en sus extremos una "nariz" (reducción de su sección); en este punto debemos tener especial cuidado ya que el éxito de la conexión depende en gran parte del espacio con que se cuente para montarlas y conectarlas. En ambos extremos de las trabes, o en la nariz si es el caso, se dejarán ductos transversales de 1/2" de diámetro a una separación de 15 cm entre uno y otro aproximadamente. Estos ductos tienen la finalidad de que una vez montadas las trabes, nos permitan colocar unas varillas en forma de ganchos que abrazarán el acero principal de la columna y funcionarán como estribos de ésta. Se recomienda dejar dos líneas de ductos para no debilitar las trabes por cortante.

Transporte

La principal ventaja de la conexión propuesta en esta etapa se tiene en las columnas. El transporte de éstas se vuelve más eficiente ya que, al no contar con ninguna ménsula, se pueden colocar juntas sobre la plataforma, además de que nos e necesita fabricar ningún tipo de accesorio especial para fijarlas sobre el tractocamión. De esta manera se pueden transportar una mayor cantidad de piezas por cada viaje y se reduce notoriamente el número total de fletes que se tienen que realizar para transportarlas, con el consecuente ahorro de tiempo y costo.

Montaje

La maniobra de montaje de las diferentes piezas que forman la estructura es bastante ágil al emplear esta conexión. Al no tener que emplear una gran cantidad de planos explicativos para colocar las diferentes piezas prefabricadas, se simplifican los trabajos tanto en la elaboración del proyecto como en el campo. No es necesario el empleo de equipo y personal especializado, como sucede en las conexiones postensadas. Tampoco se requiere el empleo de apuntalamientos o soportes temporales de las trabes y/o columnas. Más importante aún, no necesitamos utilizar soldadura de campo que, además de presentar un tipo de falla frágil, requiere una estricta supervisión, es costosa y necesita más tiempo para realizarse, ya que normalmente se tienen que soldar las trabes a las columnas antes de poder montar las losas o sistemas de piso, lo que hace que el tiempo total de la maniobra de montaje aumente.

Primero se insertan las columnas en los candeleros (huecos) previamente dejados en la cimentación y se fijan temporalmente con cuñas de madera. Posteriormente, se empotran por medio del colado de la junta entre columna y candelero con un mortero con estabilizador de volumen. Una vez que el colado de empotramiento ha alcanzado la resistencia de diseño, se procede a cortar las varillas de contraventeo de las "ventanas", si es que existieran.

Ahora las columnas se encuentran listas para recibir las trabes portantes y de rigidez; éstas se insertan inclinándolas lo que sea necesario hasta colocarlas en su lugar. La maniobra, que puede parecer complicada de realizar, no lo es sin embargo, y en la práctica se efectúa con bastante rapidez.

Una vez colocadas en su lugar las columnas y las trabes, se procede al armado de los nodos correspondientes. Esta actividad se traslapa con la maniobra de montaje de los demás elementos de la estructura para evitar tiempos muertos. El armado de los nodos consiste en lo siguiente: se conecta el acero positivo de las trabes por medio de estribos interiores, se habilita el acero negativo correspondiente de cada trabe, lo cual representa una ventaja ya que este acero es continuo y se sujeta por medio de estribos abiertos previamente ahogados en las trabes. Finalmente se colocan los ganchos que, pasando a través de los ductos dejados en las trabes, abrazan el acero principal de las columnas, haciendo la función de estribos. Una vez terminado el armado de los nodos se procede a su cimbrado y colado; si la geometría de las trabes lo permite, se pueden fabricar cimbras metálicas para agilizar el proceso y bajar los costos. para el colado se utiliza concreto de la misma resistencia que las columnas on estabilizador de volumen .

El montaje de las losas prefabricadas o el sistema de piso que se esté empleando se puede realizar antes o después del colado de los nodos, dependiendo del diseño de las trabes. Únicamente se recomienda colar los nodos de los niveles inferiores antes de montar las losas de los niveles superiores, por seguridad de la estructura.

Resultados obtenidos e innovaciones futuras

La utilización de la conexión columna-trabe para elementos prefabricados propuesta en este trabajo tiene muchas ventajas sobre las utilizadas hasta ahora en el mercado. Ventajas en la fabricación, el transporte, montaje, tiempo, costo y seguridad estructural, que la hacen una herramienta muy poderosa para el desarrollo y repunte de las estructuras prefabricadas en el futuro.

Las que siguen son algunas de las obras donde se ha empleado esta conexión con excelentes resultados: Centro Nacional de Metrología en Zanfandila, Querétaro, Megacomercial Mexicana en Tlatelolco, Distrito Federal, centro comercial Auchan en Coyoacán, Distrito Federal, y Laboratorios Syntex-Roche en Civac, Morelos.

Una de las innovaciones que se tienen en mente, en espera de su estudio, es la de colocar a través de todas las trabes un eje y, en el mismo nivel, un postensado centroidal que se ancle en las columnas extremas de cada marco, inyectando únicamente los cuartos centrales del claro de cada trabe y tensando cada cable con una fuerza menor al 50 por ciento de su capacidad. Lo que se busca con este postensado es que, cuando se presenten los desplazamientos debidos a un sismo, los cables tengan la suficiente capacidad de deformación para tomarlos y no romperse y así, al terminar el sismo, todos los elementos recobren su posición original, cerrándose las fisuras que se pudieran presentar. Debe tomarse en cuenta que este postensado adicional aumentará considerablemente el precio de la conexión, por lo que únicamente se utilizaría en obras especiales, donde los desplazamientos laterales sean considerables.

Es de suma importancia mencionar que próximamente realizaremos junto con el Cenapred una serie de pruebas de laboratorio para estudiar el desempeño de la unión, lo cual nos permitirá contar con una gran cantidad de información adicional respecto al comportamiento de cada uno delos elementos que la forman. Lo anterior nos permitirá perfeccionar aún más la conexión y probablemente disminuir los tiempos de ejecución con el consecuente ahorro de tiempo y costo.

Referencias

GONZÁLEZ CUEVAS, Oscar M. y Francisco Robles, "Aspectos fundamentales del concreto reforzado", 1986.

INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO, "Detalles de conexiones para edificios de concreto de elementos presforzados precolados", 1966.

———, "Diseño de conexiones de elementos prefabricados de concreto", 1976.

———, "Diseño de vigas de concreto presforzado", 1981.

Memorias del X Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, "Conexión trabe-columna de elementos prefabricados sin pernos ni soldadura", Mérida, México, 1996, pp. 86-95.

NILSON, Arthur H., "Diseño de estructuras de concreto presforzado", 1982.

PRESTRESSED CONCRETE INSTITUTE, "Design and typical details of connections for precast and prestressed concrete", 1988.

El contenido de este artículo fue tomado de la Memoria del XI Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica y se publica con la autorización del los autores.

Los ingenieros René Carranza y Raúl Martínez son respectivamente director general y gerente de proyectos de Servicios y Elementos Presforzados, S.A. de C.V.; el doctor Eduardo Reinoso es investigador del Instituto de Ingeniería de la UNAM.

Cuadro 1. Comparación de grupos de conexiones