Oscar-ramirez-concreto-alta-ultra-alta-resistencia-aspectos-tecnologicos-experiencias-latinoamerica.pdf

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Oscar M. Ramírez Profesor de Mecánica Estructural Facultad de Ingeniería Civil Universidad Tecnológica de Panamá Presidente Ing. O. M. Ramírez y Asociados

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panamá

México D.F. Junio, 2015 CEMEX-MEXICO

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Contenido 1.  2.  3.  4.  5. 

Introducción Sistemas de Cimentaciones Sistemas de Pisos Sistemas de Resistencia y Rigidez Lateral HSC – Concretos de Alta Resistencia

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

1.

Introducción

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Colon Caribbean Sea

David Santiago Chitré

Pacific Ocean

Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Oce

ífico c a P ano

N

an Canal de P

ama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Costa del Este

Punta Pacifica

Punta Paitilla

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Este

Oeste

Arcilla Orgánica

Punta Pacífica H=6 – 12m

Punta Paitilla H=0.00

Arcilla Orgánica Limos Roca Met.

Limos Roca Meteorizada

Costa del Este 26-40m

Ave. Balboa H= 8 – 26m

Perfil de Suelo en Zona de Costa

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama A.  Provisiones Locales Reglamento Estructural Panameño: REP CEP-76 REP-84, REP-94, REP-04, REP-2015 B. Documentos de Referencia/Códigos/Normas SEAOC, BOCA, NEHRP, ASCE-7/ ACI, AISC / AWS, ASTM

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Que es un edificio alto?

H

Gravedad G: D, L

Viento, W

Sismo, E

1. T = f (k ,m) ≥ 1.0 s 2. La respuesta es controlada por condiciones de servicio

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Cargas Acciones adicionales

Cargas de Gravedad Carga Muerta: Cargas Vivas:

D L

Cargas Laterales Cargas de Viento: Cargas de Sismo:

W E

Flujo Plástico Acortamientos Axiales Gradientes Térmicos Cargas de Impacto Cargas de Construcción Restricciones arquitectónicas/construcción Comunicación entre Disciplinas Espacio de Uso Efectivo Tamaño de Elementos Verticales Interferencia de Elementos Horizontales Constructibilidad

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Cargas de Viento REP-04

V : 140 km/hr

Colon Caribbean Sea

Panama

David

REP-04 Santiago

Velocidad Básica 3-s Ráfaga 50-yr retorno Pacific Ocean

V : 115 km/hr Chitré

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Cargas de Viento Presión negativa o succión Presión negativa o succión

Presión positiva o empuje Presión negativa o succión

Dirección del Viento

2

q = KV p = CeCq qI

1. Desplazamientos 2.  Aceleraciones 3.  Velocidad Torsional

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Carga Sísmica

Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Carga Sísmica

Sa =

CS 2.5Ca = W R

CV = FV ⋅ AV C A = FA ⋅ AA

REP-2004 Sa =

CS 1.2Cv = W R.T 23

Ciudad de Panama Ciudad de David Aa=Av=0.27 REP-04

Aa=Av=0.15

10% en 50 Años Tr: 475 años Oscar M. Ramírez, Ph.D.

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Carga Sísmica

Coeficientes de aceleración

Coeficientes de aceleración Aa

Av

0.12

0.12

Jaqué

0.22

0.22

La Palma

0.21

0.21

Las Tablas

0.17

0.17

Panamá

0.15

0.15

0.18

Penonomé

0.11

0.11

0.15

0.15

Portobelo

0.17

0.17

Chorrera

0.13

0.13

Colón

0.15

0.15

Puerto Armuelles

0.25

0.25

Concepción

0.22

0.22

Puerto Obaldía

0.21

0.21

Coronado

0.12

0.12

David

0.21

0.21

Santiago

0.15

0.15

El Real

0.22

0.22

Soná

0.17

0.17

Tonosí

0.20

0.20

Ciudad

Aa

Av

Aguadulce

0.14

0.14

Aligandí

0.19

0.19

Almirante

0.21

0.21

Bocas del Toro

0.21

0.21

Boquete

0.18

0.18

Changuinola

0.24

0.24

Chepo

0.20

0.20

Chiriquí Grande

0.18

Chitré

Ciudad El Valle

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Carga Sísmica

•  Cross-Hole •  Down-Hole

Caracterización del Sitio γ ρ= g

•  Suelos Tipo A, B, C, D, E, F

G1, γ1,

G2, γ2,

G2, γ2,

d1

vs i =

d2

d3

G ρ n

vs =

∑d i =1 n

i

di ∑ i =1 vsi

n

∑d i =1

i

= 30 m

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Carga Sísmica ESPECTROS REP-04 (influencia del suelo)

Cs.R

1,40 1,20

Suelo Tipo E

1,00

Suelo Tipo D

0,80

Suelo Tipo C

0,60

Suelo Tipo B

0,40 0,20 0,00 0

0,5

1

1,5

PERIODO T, seg

2

2,5

3

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Carga Sísmica 1500

1000

n

500

Marcos de Momento Muros Portantes Muros de Corte Sistemas Duales

0 -250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

-500

-1000

200

EH = ∑ Ehi i =1

-1500

-2000

Ductilidad Según ACI-318

θ Sistema Lateral

“R” – Factor de Modificación de Respuesta

θ

Ductilidad Rotación

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

2.

Sistemas de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

G

W, E

Transferencia de grandes cargas a estrato de desplante

G W, E

NSN

Roca

Roca

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones Columna/Muro de Corte Sub-base

Viga de Amarre

Cabezal

Pilote

“Socket”

Roca Sana

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones P

pc

pc

Prueba de Carga de Pilote: Celda de Osterberg CELDA

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

G

NSN N000

Roca

W, E

Transferencia de grandes cargas a suelo de desplante

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

suelo

roca

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema de Cimentaciones

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

3.

Sistemas y Elementos de Pisos

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistemas de Pisos

Sistemas de Losas Bi-direccionales

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistemas de Pisos βL = 0.05 L1

βL = 0.05 L1

f

L1 q2 = 9q1 ↓

8 Pf1 q1 = 2 ↑ L1

q2 = 9q1 ↓

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistemas de Pisos

f c´ = 4000 psi f pu = 270000 psi L t= 40 − 48

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistemas de Pisos

•  Tendones adheridos 7 alambres de baja relajamiento Fpu: 18900 Kg/cm² •  Refuerzo para atender solicitación de cargas de gravedad y fracción de cargas laterales •  f´c: 281-350 kg/cm² •  t = 20-23 cms

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistemas de Pisos

Transferencia de momentos por carga lateral

Flexión no uniforme de junta losa-columna bajo carga lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistemas de Pisos AC. REFUERZO EN LOSA - VER PLANTA AC. REFUERZO EN COLUMNA VER PLANTA

EST. #3 @ 0.10

vu =

Vu γ v M u − Ac Jc

c

COLUMNA

CD

φvn = φβ p (vc + vs ) ≤ 0.17ϕ f c´ vc = β p

EST. #3 @ 0.10

f c´ + 0.3 f pc + v p

ACI 318 − 05 (11.41) ACI 318 − 05 (11.36)

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

4.

Sistemas y Elementos de Resistencia y Rigidez Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Amador Terrace

Mar Abierto

20 stories

32 stories

H2O

34 stories

Aquamare

56 stories

Aqualina

64 stories

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Ocean Q

75 pisos 256 m

Los Faros

87 pisos 350 m

Arts

83 pisos 300 m

Waters

75 pisos 275 m

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Trump Ocean Club 70 pisos 300 m

Palacio de la Bahía 90 pisos 390 m

Torre Financiera 92 pisos 450m

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Ensayos Túnel de Viento

magnitud y distribución de presiones, direccionalidad, aceleraciones, velocidades torsionales, desplazamientos, amortiguamiento, optimización

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Ensayos Túnel de Viento REP-04 V = 115 km/hr V = 140 km/hr

Estudios Climatológicos Estaciones en Aeropuertos de Albrook, y Tocúmen

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Ensayos Túnel de Viento

Aqualina Canadá: USA: UK:

Waters Davenport, University fo West Ontario RWDI, West Ontario. RWDI, Miami. Forth Lincon, Denver. BMT, London.

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama TORRE FINANCIERA • 

Altura: 450 m

• 

Estructura de Concreto Reforzado

• 

Sistema Lateral Muros de Corte + Outriggers

• 

Sistema de Gravedad Columnas y Muros Portantes Losas P/T

• 

Sistema de Cimentacion Losa “mat”

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Sistema de Gravedad u  LOSAS POSTENSADAS u  COLUMNAS Sistema Lateral u  MUROS CORTANTE u  OUTRIGGERS Cimentación u  LOSA DE CIMENTACION SOBRE ROCA

Palacio de la Bahia 94 pisos

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

outrigger

outrigger outrigger

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

TRUMP OCEAN CLUB

Podium + Pilas

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

TRUMP OCEAN CLUB

Muros de Corte Acoplados Núcleo de Elevadores

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

TRUMP OCEAN CLUB

Mastil en Extremo Sureste

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

TRUMP OCEAN CLUB

Costillas Curvas de Amarre de Núcleo a Mastil

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

TRUMP OCEAN CLUB

“Outriggers” en Tres Alturas

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

TRUMP OCEAN CLUB

Losas de Piso postensadas

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Ensayos Túnel de Viento

The Trump Ocean Club. Panama. RWDI – West Ontario

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Ensayos Túnel de Viento

(2.4)

(0.47)

(3.84)

(4.4)

The Trump Ocean Club. Panama. RWDI – West Ontario

(0.79)

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

W ex ex

T ey

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral Nivel 3600

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral Elemento de Borde

Alma del Muro

Viga de Acople

MURO DE CORTANTE

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

T C

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral Concretos Columnas

f´c: 420 – 840 kg/cm²

Muros

f´c: 350 – 700 kg/cm²

Vigas y Losas

f´c: 281 – 490 kg/cm²

Losas Sobre Suelo

f´c: 210 kg/cm²

Pilotes CIP:

f´c: 350 – 560 kg/cm²

Concreto de Trabajo

f´c: 105 kg/cm²

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Los Faros de Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

H=340 m H=286 m H= 254 m

Los Faros de Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Ensayos Túnel de Viento Modelo a Escala 1:450 Prueba de Túnel de Viento BMT - London

Los Faros de Panama Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Ensayos Túnel de Viento Y direction deflection at 301m - Los Faros de Panama Code wind load, deflection from GSA model

2000 1800

Peak Deflection (mm) R = 50 year

Desplazamiento

1600 1400 1200 1000 800

β = 1% β = 2% β = 5% β = 8% β = 10% H/360 H/300

600 400 200 0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

Period Y-axis (s)

Periodo Fundamental

12.0

13.0

Amortiguamiento

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Cimentación

Losa de Cimentación – “Mat” Zapatas Muros de Reten – Tipo Pantalla

Sistema de Gravedad

Placas Postensadas de Piso Columnas de Concreto Reforzado Muros de Carga

Sistema Lateral

Muros de Corte Acoplados Amortiguamiento pasivo

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Los Faros de Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Los Faros de Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Los Faros de Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral Dij

Mji Mij Acortamiento Axial Diferencial 1.  Acortamiento de columnas 2.  Asentamiento de cimentación Acortamiento Elástico – Inmediato Flujo Plástico Compensación por Carga Incremental de Construcción? Objetivo del diseño

ez = Constante

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral

Los Faros de Panama

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Sistema Lateral Concretos Columnas

f´c: 420 – 700 kg/cm²

Muros

f´c: 350 – 630 kg/cm²

Vigas y Losas

f´c: 281 – 350 kg/cm²

Losas Sobre Suelo

f´c: 210 kg/cm²

Losas de Cimentación

f´c: 281 – 350 kg/cm²

Concreto de Trabajo

f´c: 105 kg/cm²

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

5.

Concretos de Alta Resistencia

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Concreto de Alta Resistencia - HSC

Por qué usar HSC? 1. Para 2. Para 3. Para 4. Para

poner el concreto en servicio en menor tiempo reducir tamaño de columnas y mejorar espacio disponible atender altas concentraciones locales de esfuerzos lograr incrementos del Modulo de Elasticidad

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Concreto de Alta Resistencia - HSC Parámetros de Producción de HSC 1. Cemento de alta calidad 2. Alta Calidad del agregado 2.1 Resistencia 2.2 Tamaño Optimo 2.3 Adherencia Agregado-Pasta 2.4 Característica de Superficie 3. Control de la relación w/c 4.  Uso de Aditivos Minerales y Aditivos Químicos

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Concreto de Alta Resistencia - HSC Propiedades del Agregado Resistencia del Agregado de Cuarzo – Resistencia de Adherencia • partículas aprox. equidimensionales • Forma de las partículas – Trituradoras de Impacto • Rugosidad de la superficie • Partículas muy grandes son indeseables. Causan incompatibilidad en la interfase entre el agregado-cemento hydratado: E, Possion, acortamiento, flujo plástico, y propiedades térmicas. Microfisuración. Agregado con EA parecido al EP de la pasta de Cemento es recomendable Agregado fino bien graduado con MF = 2.8 – 3.2

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Concreto de Alta Resistencia - HSC Algunas consideraciones adicionales

HSC requiere el desarrollo de resistencia. Volumen bajo de poros. La partículas deben ser muy finas. Se requiere material puzolánico para llenar los vacíos entre partículas de cemento, y entre agregado-cemento. HSC requiere que la mezcla sea trabajable – defloculación de las partículas de cemento. Esto lo hace el Superplastificante. Este superplastificante debe ser compatible con el cemento. HSC requiere mayor tiempo para su colocación. La hidratación del cemento sea mas lenta, permitiendo mayor tiempo para la colocación del concreto. Se requieren retardadores y reductores de agua

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Concreto de Alta Resistencia - HSC Uso de Aditivos Minerales - Puzzolanas A. Fly Ash

–

Ceniza Volante

B. Silica Fume

–

Microsílice

($$$)

Reaccionan con productos de hidratación del cemento portland para crear gel adicional, aumentando la resistencia del concreto Permiten reducir la cantidad de cemento en la mezcla, reduciendo calor de hidratación y por ende, micro-fisuración.

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Concreto de Alta Resistencia - HSC Uso de Aditivos Minerales - Puzzolanas Resistencia

Elemento

CV/M

w/c max

Asent.

LRetrac

490

Muros

0.15

0.45

100 mm

0.045%

560

Pilares

0.15

0.45

100 mm

0.045%

350

Cimentaciones

0.30

0.40

100 mm

CV – TIPO F (ASTM C 618-94ª) Derivado del Carbón Bituminoso, con alto contenido de silica

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Concreto de Alta Resistencia - HSC Uso de Aditivos Químicos A. Super-plastificantes SP (naftaleno, melamina) Polímeros orgánicos solubles en agua. Se adhieren a partículas de cemento Produce una carga negativa muy alta, separando las partículas de cemento Provee trabajabilidad permitiendo el manejo de concreto de alta resistencia. Permite reducir w/c para obtener mezclas de alta resistencia. Compatibilidad: Si el cemento es muy fino se requiere mayor dosis de SP. Alto contenido de C3A reduce efectividad del SP. Tipo de Sulfato de Calcio. 60-90 min. Hasta 2 horas. B. Retardador Reductor de Agua Hace que la hidratación del cemento sea mas lenta, permitiendo mayor tiempo para la colocación del concreto

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Concreto de Alta Resistencia - HSC Uso de Aditivos Químicos a. Aditivo Reductor de Agua: ASTM C494, Tipo A b. Aditivo Reductor de Agua de Alto Limite–SuperP: ASTM C494 Tipo F o G c. Aditivo Reductor de Agua y Retardante de Fraguado: ASTM C494 tipo D d. Aditivo Retardante de Fraguado: ASTM C494 tipo B e. Reductor de Agua y Retardador de Fraguado: ASTM C494 tipo G f. Retardante y Plastificante: ASTM C1017 Tipo II g. Aditivo no deben aportar iones de cloruros solubles en agua h. Aditivos no deben contener cloruros, fluoruros, sulfitos, tiocinatos y/o nitratos.

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Concreto de Alta Resistencia - HSC Algunas consideraciones adicionales Cemento: Microsilice: Superplastificante: Reduccion de contenido de agua

450-550 kg/m3 5-15% de masa cementicia 5-15 lts/m3 de concreto 45-75 kg/m3 de concreto

Relacion w/c: 0.20, 0.25, 0.30 (HSC) HSC: Mezcla de 180-200 mm slump, w/c: 0.30 NSC: Mezcla de 100-120 mm slump, w/c: 0.50 A. M. Neville

w= 130-140 kg/m3 w = 170-200 kg/m3

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Concreto de Alta Resistencia - HSC Control de Calidad a. Trabajabilidad: ASTM C143 b.

Resistencia a Compresión: ASTM C39 b.1 A los 28 días para concreto normal b.2 A los 56 días si se usa > 30% de ceniza volante

c.

Asentamiento: ASTM C143 (antes de añadir plastificante) ACI 117 Asentamiento < 8” si usa plastificante

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama Concreto de Alta Resistencia - HSC Producción en Panamá • 2.1 millones de m3 de concreto (sin incluir el Canal de Panamá) • 7-10% con f´c > 420 kg/cm2 (6,000 psi) • En los últimos 25 años 420 – 840 kg/cm2 (12,000 psi) •  Cemex, Argos, Concreto Express •  Tipico: 420-700 kgs/cm2 • Tecnología Aditivos Químicos – Policarboxilatos HSC • Cambio de Cemento a ASTM C1157 introdujo complicación en producción de HSC. Puzolanas + Aditivos químicos permitieron reducir w/c. Reto: Calidad de los agregados Alta demanda + Moratoria y restricciones en concesiones de fuentes

Diseño y Construcción de Edificios Altos en Panama

Gracias !!!