INFORME DE ESTUDIO DE CASO DE INGENIERÍA ESTRUCTURAL: Sistema de cimentación tensada con postes de losa tipo wafflemat en pendiente

A u r o r a C h a r l t o n | Gerente de Ingeniería de la IE

Ingeniería de Front Range, LLC

VISIÓN GENERAL

La tendencia actual para el mercado de viviendas residenciales (unifamiliares y multifamiliares) en Colorado: los cimientos una vez construidos sobre losas postensadas (losas nervadas y tipo California) con los nuevos requisitos para especificar valores de diseño, se están volviendo tan prohibitivos que los constructores en el mercado de Denver está considerando volver a los tipos de cimientos convencionales (vigas de grado apoyadas en pilares o zapatas) con pisos de madera en el nivel principal.

Con la aceptación de la Tercera Edición del Diseño y Construcción de Losas Post Tensadas de PTI y los manuales 2006IRC / IBC que se avecinan en un futuro cercano, la carrera por diseños asequibles y de alto rendimiento de losas a nivel se está calentando. Parece que los términos "asequible" y "alto rendimiento" parecen anularse entre sí. Por lo general, las losas de mayor rendimiento tienden a ser más gruesas y rígidas, lo que (la mayoría de los constructores saben) no las hace asequibles.

Además, con la mayor parte del Metro de Denver extendiéndose desde sus fronteras actuales, las únicas tierras disponibles se encuentran actualmente al Norte, Sur y Este de la actual Área Metropolitana de Denver. [Esto generalmente significa suelos más expansivos, con mayor contenido de arcilla.] Con el empeoramiento de las condiciones del suelo, esto solo puede significar que los sistemas de losas a nivel deben volverse más gruesos con más refuerzo (tendones y barras más juntas) para manejar los voladizos más grandes. secciones causadas por un mayor hinchamiento y consolidación de suelos.

Pacific Housing Systems había pedido a Front Range Engineering, LLC que realizara un análisis del sistema actual de cimentación Wafflemat Slab-on-Grade y determinara qué grado de hinchamiento y suelos compresibles podría soportar. Las constantes de diseño se mantuvieron similares a los modelos originales realizados por John Cook de MKM & Associates. Nuestros modelos se generaron de manera similar a los de MKM & Associates y se indican a continuación.

PROPIEDADES

Resistencia a la compresión del concreto = 4500 psi (similar al modelo MKM) Peso de la unidad de concreto = 145 pcf

Diámetro del tendón = 1/2 pulgada

Resistencia del tendón = 270 ksi de resistencia a la tracción

Pretensado mínimo en la losa (con todas las pérdidas) = ​​50 psi Espesor de la losa = 5 ”

Geometría de la losa analizada = 38 'x 54'

CARGA, DESVIACIÓN + PRESTRES

Carga uniforme superpuesta = 50 plf Carga total perimetral = 800 plf

Carga de levantamiento de borde Mín. = 800 plf Desviación de elevación central = L / 480

Deflexión de levantamiento de borde = L / 480 (para exteriores con lados) Pérdidas de pretensado = 15 ksi

Pretensado mínimo en la losa (con todas las pérdidas) = ​​50 psi Carga de línea (dirección corta) = 800 plf

MÉTODO PTI

Se utilizó un resumen de diseño de los valores reportados anteriormente como una evaluación complementaria del modelo de concreto Adapt que se especifica a continuación. Las declaraciones originales en el informe de John Cook / MKM & Associates, LLC siguen siendo verdaderas y actúan como referencia a este informe.

ADAPTAR EL MODELO DE ELEMENTOS FINITOS

El modelo de losa de hormigón Adapt es ligeramente diferente del método PTI ya que las cargas utilizadas son exactamente las implícitas. Con el método PTI, se aplica una carga máxima a todo el perímetro de la losa, con la opción de suministrar una línea de carga en cualquier dirección ubicada en el centro de la losa. Por lo general, esta no es la forma en que se construyen la mayoría de las viviendas residenciales. Las ventajas del modelo Adapt son las opuestas al método PTI. Todas y cada una de las cargas aplicadas al modelo Adapt son las cargas reales que es más probable que experimente la losa durante la capacidad de servicio / vida útil de la estructura. Además, se pueden agregar detalles estructurales a la losa para aquellas áreas que no están dentro de los parámetros de diseño (mayores en tensiones y cortantes reales) para lograr el diseño más económico para los materiales utilizados.

RESULTADOS + VENTAJAS

El modelo Adapt fue analizado para determinar el continuo deterioro de los datos de diseño del suelo. El sistema Wafflemat pudo soportar los siguientes parámetros del suelo. Los valores superiores a los indicados a continuación fallaron en cizallamiento y flexión.

Capacidad de carga = 2000 - 3000 psf

Elevación central em = 6 pies, ym = 4.9 pulgadas

Levantamiento de borde em = 3.5 pies, ym = 4.0 pulgadas

Los resultados parecen razonables ya que la rigidez adicional de las numerosas nervaduras se suma al sistema general. Se agregó refuerzo adicional como precaución contra el encogimiento y el agrietamiento por temperatura en todas las esquinas de reentrada, según lo especificado típicamente por la mayoría de los diseñadores de losas postesadas en el área metropolitana de Denver para combatir el clima árido de Colorado. Además, para combatir las tensiones de levantamiento del borde fuera de las tolerancias de diseño y los efectos perjudiciales que tienen los suelos con mayor hinchamiento en las losas de PT en el nivel, se proporcionó un refuerzo adicional # 4 en las partes inversas de cada nervadura del sistema Wafflemat como un impedimento para el movimiento diferencial. o grietas por tensión de nervadura que comprometerían el módulo de sección utilizado en el diseño.

El modelo Adapt mostró que los valores para la deflexión de elevación central (d) se basan en d ≤ ym / (3) = 1.6 pulgadas (o menos) para que el modelo sea válido. De manera similar, la deflexión del levantamiento del borde (d) se basa en d ≤ em x(3) = 10.5 pies (o menos). Esta es una práctica estándar para los modelos creados con Adapt para condiciones de suelo expansivas. El método PTI se limita al análisis con ym menos de 4.0 pulgadas. También se generó un método PTI para este análisis como comparación.

En nuestra opinión, el uso de cables de PT en este diseño es parte del desempeño integral para combatir el potencial de movimiento de la losa en condiciones de suelos hinchados; por lo tanto, aquí no se analizó una losa normalmente reforzada (aunque esto puede resultar una opción de diseño válida en suelos predominantemente arenosos sin propiedades expansivas y con un asentamiento diferencial relativamente bajo).

Parece que el sistema Wafflemat tiene una ventaja sobre las crecientes demandas de losas postensados ​​en pendiente asequibles y de mayor rendimiento. Esas ventajas parecen ser las siguientes:

• La capacidad de la losa para soportar voladizos más grandes creados por los parámetros de diseño del suelo es mucho mayor que los especificados por el método PTI (3'-8 ”en el centro en lugar de 6'-0” en el centro). Similar a la construcción de madera, cuanto más cerca están las nervaduras, más grande es el voladizo y la cantidad de carga que puede soportar. 

• Los contratistas de concreto tienen un valor más definido para los costos del concreto; Dado que las zanjas formadas en tierra inducen más errores de volumen de hormigón de las transiciones de zanja a losa, esto se reduciría en gran medida con un sistema Wafflemat.

• El uso de una cimentación superficial / sistema híbrido protegido contra heladas aún requeriría que se instale una zanja exterior un poco más profunda (18 ”) alrededor de las partes calentadas de la losa, pero las que no están calentadas aún tendrían que cumplir con una profundidad de escarcha de 36” . (La losa con sistema Wafflemat tiene actualmente 13 1/2 ”de profundidad). La excavación reducida en comparación con las heladas de profundidad total se realizó a lo largo de todo el perímetro.

• Reducción del tiempo total de instalación para el constructor / desarrollador y el contratista de cimientos.

Dado que cada sistema de cimentación es único en sus características de carga, cada situación de losas PT Wafflemat debe analizarse caso por caso y no es de ninguna manera transferible entre planos de construcción residencial o sitios de trabajo.

Aún es responsabilidad de un ingeniero geotécnico calificado verificar la validez de este tipo de sistema de cimentación en los suelos más altos de moderados a altamente expansivos y / o en el 'Distrito de superposición de lecho rocoso de inmersión' ubicado a lo largo de Front Range de Colorado. La extensión de la sobre / sub-excavación aún deberá ser determinada y revisada por el ingeniero geotécnico registrado, pero el análisis realizado por esta oficina y otras está aquí para presentar la validez y el uso de este sistema para movimientos diferenciales de borde y centro. supuestamente mayor de 4 pulgadas como máximo (sección 4.2.B.3 de PTI) y se puede analizar mediante el uso de métodos de elementos finitos (Método de modelo de adaptación utilizado junto con el método de PTI). Afortunadamente, este sistema puede proporcionar una alternativa viable a las vigas de pilar / grado con pisos de madera / concreto estructurales diseñados en suelos de expansión baja a moderada en el área de Denver.