A medida que los edificios de concreto reforzado han ido ganando altura, se ha visto la necesidad de limitar el empleo de los empalmes de traslape a determinadas condiciones de la estructura. Frente a éstos, los empalmes mecánicos a tope ofrecen ventajas que no implican una diferencia significativa en cuanto a costos.

Desde que empezó a usarse el concreto reforzado, los empalmes de traslape han sido el método aceptado para unir las varillas. Desde el punto de vista funcional, los empalmes se han comportado adecuadamente con varillas de tamaño pequeño, límites de tensión relativamente bajos, y cuando los edificios raramente exceden 15 pisos. Actualmente, los edificios de concreto reforzado están alcanzando cada vez mayores alturas hacia el cielo. Las Torres Petronas en Kuala Lumpur sobrepasaron recientemente los cien pisos.

En las prácticas comunes de diseño para marcos estructurales, se usan tamaños de varillas del núm. 8 (25 mm) hasta el 11 (35 mm) con límites de fluencia de 414 MPa (60 ksi) o 517 MPa (75 ksi). Los reglamentos aceptan resistencias del concreto de 55 a 83 MPa (8,000 a 12,000 psi) y se están utilizando cada vez mayores resistencias. El empleo de concreto de mayor resistencia, el cual es más susceptible a fallas por tensión por separación, considera longitudes de empalme más cortas, creando una condición cuestionable. Inversamente, las varillas con recubrimiento epóxico de un precio extra requieren longitudes de empalmes más largas.

Los trabajos de investigación sobre el acero de refuerzo convencieron al ACI de limitar el uso de empalmes de traslape a varillas núm. 11 o más pequeñas. El Reglamento del ACI de 1995 prohíbe los empalmes de traslape en miembros de enlace sujetos a tensión (12.15.5), y prohíbe los empalmes de traslape para las regiones de articulación plástica (R21.3.2). Los reglamentos modelo (BOCA, UBC, SBC) se adhieren a estos mismos requerimientos. Con estas decisiones tomadas por los cuerpos responsables de los reglamentos, queda cuestionada la integridad del principio de los empalmes de traslape, que exige que el concreto transfiera cargas en tensión y cortante. El concreto es notablemente pobre en ambas de estas propiedades de transferencia de cargas.

Discusión

Cagley & Associates, Inc., estudiaron recientemente dos estructuras diferentes que estaban en proceso de diseño en su oficina de Rockville, Md. La primera estructura era un garaje de estacionamientos de 12 pisos en Harrisburg, Pa. La segunda era un laboratorio de química de tres pisos, para el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Washington, D.C. Cada estructura utilizó aproximadamente 7,600 m³ de concreto. Las dos estructuras emplearon diseños de marcos con base en el capítulo 12 del ACI 318-95. Solamente las varillas de columnas en el proyecto NIST requirieron empalmes, ya que las vigas emplearon acero de refuerzo continuo. Los empalmes de traslape se utilizaron en el garaje de estacionamiento.

Los empalmes mecánicos a tope se emplearon en el laboratorio de química NIST porque los empalmes de traslape hubieran forzado la relación acero / concreto a más del 8 por ciento en la zona de empalmes de traslape. El Reglamento del ACI prohíbe una relación mayor al 8 por ciento.

Para determinar los costos de mano de obra de la instalación, se consultó a cinco contratistas de acero de refuerzo sobre los costos comparativos de la instalación de los empalmes de traslape y de los empalmes mecánicos roscados a tope. El consenso fue que los costos de instalación eran iguales. Además, sólo se analizaron las varillas de las columnas. Si se hubieran considerado las vigas (que normalmente tienen longitudes de traslape más grandes), los costos de los empalmes de traslape hubieran sido más altos que los reportados.

Consideraciones estructurales: empalmes mecánicos a tope

El beneficio más importante al utilizar empalmes mecánicos a tope es la seguridad de mantener la continuidad de la ruta de carga del refuerzo estructural independiente de la condición o la existencia del concreto. El reglamento del ACI exige 25 por ciento de resistencia más alta para la varilla acoplada que el límite elástico de diseño. Esto asegura el buen comportamiento muy adentro de la región de endurecimiento por deformación.

En regiones sísmicas, las demandas dinámicas colocadas en las estructuras son extremas. Los empalmes mecánicos mantienen la integridad estructural cuando las varillas están esforzadas en el rango inelástico. Los empalmes de traslape con frecuencia infringen la región de articulación plástica, violando los requisitos del reglamento. Los empalmes mecánicos pueden ser fácilmente localizados fuera de estas regiones de alta tensión.

En las regiones costeras y de franjas de nieve, la corrosión del refuerzo debido a los cloruros conduce a la delaminación y astillamiento del recubrimiento de concreto, haciendo inefectivos los empalmes de traslape. Cuando el concreto se cae, un empalme de traslape es ineficaz.

Un ejemplo trágico del efecto de la pérdida de continuidad de la ruta de carga se encuentra en el informe ASCE-FEMA sobre el Edificio Murrah en la ciudad de Oklahoma, Okla. Una falla catastrófica de la estructura fue resultado de la remoción de una columna. Los investigadores determinaron: "Pudo haberse evitado hasta 85 por ciento del colapso progresivo si la estructura hubiera utilizado marcos de momento especiales". Con el empleo de empalmes mecánicos a tope, los marcos de momento especiales incorporan refuerzo continuo y continuidad de ruta de carga.

Adicionalmente, los empalmes a tope reducen la congestión del refuerzo. La congestión causada por los empalmes de traslape que doblan la relación acero / concreto crea problemas no solamente mientras se coloca la varilla, sino también durante la compactación del concreto. Al eliminar los empalmes de traslape también se libera espacio para las operaciones de postensado.

La economía de los empalmes mecánicos a tope

Las disposiciones ejecutivas federales 12699 y 12941 ordenan diseño con seguridad sísmica en toda construcción de nuevos edificios regulados o asistidos federalmente, y en todos los edificios existentes de propiedad federal o arrendados. Estas dos órdenes ejecutivas son parte de un movimiento para hacer que todos los edificios ocupados por cualquier departamento o agencia federal alcancen los estándares sísmicos, sin importar la región geográfica. El diseño sísmico incluye marcos de momento especiales con una ruta de carga continua en el acero de refuerzo por el uso de empalmes mecánicos a tope.

El gobierno federal es el arrendatario más grande de espacios de oficinas en el país. Los propietarios de edificios que actualmente están rentando o que planean rentar a una agencia gubernamental, deben estar conscientes de que el cumplimiento de estas disposiciones ejecutivas es obligatorio.

Muchos compradores potenciales de edificios están insistiendo en inspecciones precompra por parte de un ingeniero en estructuras, para determinar la integridad del edificio o el cumplimiento del reglamento sísmico. Los cuerpos de los reglamentos también están considerando requisitos adicionales de integridad estructural. El comprador con frecuencia declinará la compra si el edificio no cumple con los estándares del reglamento. El actual propietario puede incurrir en los gastos para mejorar la estructura o tener que conformarse con la pérdida de su valor.

Está en marcha un movimiento de los ingenieros estructurales de California para pedir a las grandes compañías de seguros que reduzcan los porcentajes de las primas en los edificios diseñados y construidos sin los marcos sísmicos especiales. El principio es el mismo que el de un edificio con un sistema superior de rociadores contra el fuego, que cotizan una prima más baja. Si se logra este propósito, la prima más baja sobre la vida de la estructura significará mayores ahorros.

Conclusión

Los resultados de este estudio han demostrado que el costo asociado a la mejora de una estructura empleando empalmes mecánicos a tope fue de menos de 0.2 por ciento del costo total de la estructura. Como se hizo notar previamente, el análisis sólo tomó en cuenta las varillas de columna y no consideró el acero de las vigas, contemplando así el peor de los casos.

Las ventajas estructurales y económicas adicionales de los empalmes a tope sobre los de traslape hacen que la relación costo / beneficio sea extremadamente atractiva. Los empalmes mecánicos dan a la estructura rigidez y continuidad de ruta de carga adicionales que los empalmes de traslape no pueden ofrecer.

Se exhorta a realizar mayor investigación sobre el comportamiento de los empalmes de traslape cuando se utilicen con materiales de alta resistencia.
 

Los empalmes mecánicos de tope (Izquierda) reducen la congestión del refuerzo. La congestión causada por los empalmes de traslape (derecha) duplica la relación acero-a-concreto(ver), y crea problemas no sólo al posicionar el acero de refuerzo, sino también durante la compactación del concreto.

(Recuadro:)

Análisis de costos

Garaje PNI, Harrisburg, Pa.

Costo total del proyecto: $ 8.5 millones

Costo de la opción del empalme de traslape (utilizada): $ 139,653

Costo de la opción del empalme a tope: $ 158,583

Diferencia : $ 18,930

Costo de acoplador adicional: $ 18,930 = 0.00223

(0.2 % más en el costo total al usar empalmes mecánicos)
 
Laboratorio Químico NIST, Washington, D.C.

Costo total del proyecto: $ 52 millones

Costo de la opción de empalmes de traslape : $ 155,719

Costo de la opción de empalmes a tope (utilizada): $ 221,092

Diferencia: $ 65,373

Costo del acoplador adicional: $ 65,373 = 0.00126

(0.13 por ciento más en el costo total al usar empalmes mecánicos)
 

James R. Cagley, de FACI, es presidente del Comité 318 del ACI, Reglamento de Construcción Estándard, y exmiembro del Consejo de Dirección. Es el director de Cagley & Associates, Inc., una firma de ingeniería estructural localizada en Rockville, Md. La firma está afiliada al Grupo Cagley.

Richard Apple es miembro del ACI, y vicepresidente y gerente de proyectos de Cagley & Associates, Inc., responsable del análisis, diseño y producción de sistemas estructurales para nuevos proyectos. Obtuvo su licenciatura en ingeniería arquitectónica en la Universidad Estatal de Pennsilvania