Introducción
Cuando se emplea métodos de construcción convencional, como el bottom-up, en las construcciones de edificaciones con sótanos, el inicio de la construcción de la subestructura, debe proyectarse posteriormente a la finalización de las partidas de excavación, hasta la cota más baja, donde se ubica el último sótano. Por lo tanto, siguiendo esta lógica en la secuencia constructiva, el inicio de la superestructura, debe proyectarse al finalizar la subestructura, lo que implica tiempos de obra largos y rutas críticas con poca oportunidad de optimización en la construcción del casco gris. Ante esto, el método top-down, surge una alternativa al convencional bottom-up, ante la necesidad de optimizar tiempos y costos en la construcción de edificaciones con sótanos o túneles subterráneos.
EL método constructivo top-down consiste en la construcción de elementos estructurales, como muros de pantalla, columnas prefabricadas y sus cimentaciones, losa de cimentación y losas de entrepiso, empleando estrategias y secuencias constructivas que permiten la construcción de la superestructura a la casi a la par con la de la subestructura. El correcto diseño y ejecución de la construcción de estos elementos estructurales en cada una de las etapas y procesos del proyecto, es importante para asegurar la calidad de la obra, así como para asegurar la seguridad de la construcción simultánea sin exponer la integridad de la estructura ni la seguridad de los trabajadores durante la obra.
Teniendo en cuenta señalado anteriormente, este ensayo tiene como objetivo explicar brevemente la construcción con el método top-down en edificaciones y señalar la importancia de uno de los procesos constructivos implicados en él, específicamente en la instalación de columnas prefabricadas revestidas de concreto, así como su resistencia a la compresión y el ratio de precarga, tomando como referencia, estudios y ensayos de otros autores, así como analizando casos de proyectos que emplearon este método constructivo, para finalmente, poder realizar conclusiones y aportar recomendaciones útiles para este proceso constructivo, con gran incidencia en la seguridad del proyecto, cuando se emplea este de método de construcción.
ÍNDICE
Objetivo
- Explicar el funcionamiento del método de construcción top-down y su aplicación en edificaciones con subestructura (sótanos), en contraste con el método convencional bottom-up.
- Describir el proceso constructivo de las columnas prefabricadas, especialmente las columnas de tubo de acero rellenas y revestidas de concreto (CFT y CET), dentro del sistema top-down.
- Analizar la importancia de la resistencia a la compresión y del ratio de precarga en las columnas CET durante la ejecución de proyectos top-down, tomando como base estudios previos y casos reales de aplicación.
- Evaluar casos de estudio reales que emplearon el método top-down, identificando los parámetros estructurales clave y la relación entre precarga y comportamiento estructural.
- Proponer buenas prácticas y estrategias constructivas para garantizar la seguridad estructural y el éxito en la implementación de columnas CET en proyectos top-down
I. CONSTRUCCIÓN TOP-DOWN EN EDIFICACIONES.
La construcción top-down es un método innovador que surge como alternativa a la construcción convencional bottom-up, ya que permite la construcción paralela de la subestructura y la superestructura, permitiendo reducir los tiempos y/o costos de obra, y de esta forma aumentar la rentabilidad de un proyecto, como, por ejemplo, al poder rentar el inmueble o parte de este, generando ingresos antes de que si se empleara el método de construcción convencional bottom-down. Debido a estas ventajas señaladas, este método es ampliamente usado en países asiáticos como Korea, China, Japón, Singapur y Taiwán, y tiene una adopción creciente en otras regiones, así mismo, su aplicación puede darse tanto en construcciones de edificaciones, como en proyectos de túneles subterráneos.
En general, el proceso constructivo del método top-down en una obra de edificación con sótano, consta principalmente de las siguientes etapas: Primero, la instalación de los muros pantalla, empleando generalmente una excavadora con cuchara bivalva para la excavación, así como la construcción de los muros pantallas, pudiendo emplear pilotes o pantallas de concreto armado vaciados in situ. Finalizada la instalación de los muros pantalla, sigue la construcción de la cimentación e instalación de las columnas prefabricadas, las cuales pueden ser de tubo de acero, generalmente de perfil circular, rectangular o cuadrada, de concreto prefabricado o armadas y vaciadas in-situ, y que, a su vez, cuentan con las conexiones estructurales necesarias para la posterior construcción de las losas de entrepiso; en este proceso se vacían el núcleo de las columnas de acero prefabricado, si es que se optan por ellas, con concreto de alta resistencia en el núcleo. Posteriormente, ya instaladas las columnas, se procede al armado y vaciado de la losa del 1er nivel, dejando una abertura en la losa, con las dimensiones suficientes para realizar la excavación y descenso empleando maquinaria de menor escala, hacia el nivel del primer sótano y completar la excavación a todo lo largo de él. Una vez completado el proceso anterior, se procede al armado y vaciado de la losa del 1er sótano, dejando, otra vez, la abertura necesaria para continuar con el proceso de excavación, esta vez, hacia el siguiente sótano. A partir de este punto, se puede empezar con la construcción de la superestructura en paralelo con la repetición de los procesos anteriores, para la construcción de la subestructura, la cantidad de veces necesarias dependiendo de la cantidad de sótanos del proyecto, hasta llegar a la finalización de la excavación de losa del último nivel de sótano. Una vez alcanzado el nivel del último sótano, independientemente de la finalización de la construcción de la superestructura, se procede a la construcción de la losa de cimentación, la cual permite la repartición de las cargas sobre toda la superficie de apoyo de la edificación, y a su vez, se finaliza con la construcción de los muros pantalla, añadiendo refuerzos con concreto armado, además, si se emplea columnas de acero prefabricado, se procede a revestirlas de concreto de alta resistencia.
Figura 1. Esquema de proceso de construcción top-down. Fuente: Jeong y Kim (2018).
Nota: (a) Instalación de muros pantalla, (b) Instalación de columnas, (c) Excavación del 1er sótano, (d) Construcción de la 1era losa del nivel de sótano, (e) Construcción simultánea, (f) Construcción de la losa de cimentación del último nivel de sótano.
II. COLUMNAS CFT Y COLUMNAS CET.
Como ya se mencionó en el apartado anterior, durante la construcción de una edificación empleando el método top-down, se puede emplear las columnas prefabricadas de acero, las cuales pueden ser las columnas de tubo de acero rellenas de concreto (CFT) y las de tubo de acero revestidas de concreto (CET), esto debido a que el acero, ofrece excelentes propiedades estructurales y ventajas durante la construcción, como poder realizar fácilmente las conexiones de columnas con vigas, o poder realizar la fabricación de los elementos estructurales en planta, aumentado la calidad de construcción y reduciendo los tiempos de montajes en obra.
En resumen, las columnas CFT, consisten en un tubo de acero que se rellena concreto, la combinación de tubo de acero y el concreto resultan en una buena resistencia a la flexión y compresión. Posee la ventaja, de que el tubo de acero funciona como encofrado para el vaciado de concreto, y este concreto a su vez, mejora la capacidad de carga y su comportamiento dúctil.
En cuanto a las columnas CET, son similares a las columnas CFT, con la diferencia que a las columnas CET, no solo se vacía el núcleo del tubo con concreto, sino que también, el revestimiento del tubo, lo cual proporciona una mayor resistencia a la compresión en comparación de las columnas CFT, así como también, una mayor protección, ante la corrección o el fuego.
El proceso constructivo que involucra a las columnas CFT y CET, se puede apreciar en la figura 2, la cual muestra de manera general, la secuencia de construcción de una columna CFT en una edificación, en la cual se puede observar que, durante la etapa de conexión de columnas y vigas, la columna prefabricada de tubo de acero, se vuelve una columna rellena de concreto (CFT), para posteriormente se reforzada con barras de acero de refuerzo, encofrada y vaciada para volverse una columna de tubo de acero revestida de concreto (CET).
Figura 2. Secuencia de construcción y sección de columna de tubo de acero rellena de concreto (CFT). Fuente: Jeong y Kim (2018).
III. IMPORTANCIA DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN COLUMNAS CET.
Como ya se expuso anteriormente, cuando se emplea el método top-down con columnas CET en edificaciones y se realiza la ejecución paralela de la subestructura y la superestructura, se proyecta la construcción parcial del diseño final de las columnas, antes del revestimiento de estas con concreto. Esto implica que, las columnas CFT deben considerar, entre otros factores, la resistencia a la compresión solicitada, respecto a la resistencia a la compresión total que puede soportar la columna en cada fase de ejecución (ratio de pre-carga).
Según Jeong y Kim (2018), el concreto del núcleo de las columnas CFT, resiste la carga de construcción en conjunto con el tubo de acero, y parte de la carga es transferida al recubrimiento de concreto posterior, cuando se completan las columnas CET. Por lo tanto, es necesario evaluar y analizar el ratio de pre-carga durante la ejecución del proyecto, para evitar problemas estructurales, también señalados por Jeong y Kim en sus estudios y ensayos, como la posibilidad del pandeo del tubo de acero, debido a sobrecargas estructurales durante la construcción, lo cual puede comprometer la integridad de la estructura, y por consiguiente, la de los trabajadores en la obra.
En su estudio, Jeong y Kim, concluyeron de manera efectiva, que la seguridad estructural del proyecto, debería ser reevaluada, si la capacidad de carga de la columna se encuentra entre la resistencia a la compresión máxima y la resistencia a la compresión de diseño de la misma. Entre otros hallazgos, a través de sus ensayos, los cuales se pueden apreciar en la tabla 1, los autores señalan que al evaluar especímenes con y sin precarga, concluyeron que la precarga (considera en sus ensayos como el 50%) incidió en una reducción de solo el 10%, aproximadamente, de la resistencia a la compresión. Además, también concluyeron que al aumentar el espesor del recubrimiento de los tubos de acero (columnas CET), se obtiene una mejora de la resistencia a la compresión de la columna, así como la resistencia a la deformación del tubo de acero.
Tabla 1. Resultados de resistencia al pandeo y valores estimados. Fuente: Jeong y Kim (2018).
Nota: 𝑃Ɛ: carga crítica de pandeo elástico,𝑃0: resistencia máxima a la compresión, 𝑃n: resistencia a la compresión de diseño.
3.1. CASOS DE ESTUDIO.
En este ensayo, se analizarán los ratios de precarga aplicada a las columnas de dos proyectos que aplicaron exitosamente el método top-down en edificaciones.
El Caso 1, consiste en el edificio Hall New Construction, ubicado en Yeongdeungpo-Gu, Seoul en Korea, de 245m de altura (50 pisos y 6 sótanos), para un uso de oficina, salas de conferencia y retail, con un área de terreno de 12,146 m2 y 168,681 m2 de área construida. En cuanto a los materiales empleados, se utilizó acero SM490 (Fy de 325Mpa), pernos de corte F10T (D16-@300), acero de refuerzo de SD400 (Fy: 400 MPa): D32. D13 y concreto de 50Mpa para las columnas CFT y de 30Mpa para el recubrimiento en las columnas CET. En cuanto al sistema constructivo, se consideró estructura de concreto armado y de Steel-frame, ejecutado con el método top-down.
Para el Caso 2, se tomó como referencia el edificio Alpha Dome city New Construction, ubicado en Gyeonggi-do en Korea, de 61m de altura (15 pisos y 7 sótanos), para un uso de oficina y retail, con un área de terreno de 89,040 m2 y 33,053 m2 de área construida. Muy similar al caso 1, los materiales empleados fueron: acero SM490 (Fy de 325Mpa), pernos de corte F10T (D16-@300), acero de refuerzo de SD500,600 (Fy: 500,600 MPa): D32. D13 y concreto de 49Mpa para las columnas CFT y de 40Mpa para el recubrimiento en las columnas CET. Al igual que el caso 1, en el sistema constructivo, se consideró estructura de concreto armado y de Steel-frame, así mismo, se empleó el método top-down.
Como se puede apreciar en la tabla 2, se indica la resistencia a la compresión de diseño tanto de las columnas CFT, como las CET, y la resistencia a la compresión aplicada en las columnas. De la relación de estos dos parámetros se obtiene se indican los ratios de precarga de las columnas CET, para cada nivel de sótano y para ambos casos. Se puede observar que la resistencia a la compresión de diseño de toda la columna CET es 1.36 y 1.49 veces la del concreto de recubirmiento, para el caso 1 y 2 respectivamente.
De esta relación de precargas, podemos observar que la mayor fue en el último piso del caso 1, con 63%, mientras que en los ensayos realizados por Jeong y Kim (2018), la resistencia a la compresión fue de 121% la de diseño, para una precarga considerada del 50%, lo que indica que mientras se tome en cuenta estos factores y sean correctamente calculados, se puede obtener el comportamiento estructural deseado.
Tabla 2. Descripción de los casos de estudio. Fuente: Adaptado de Jeong y Kim (2018).
Nota: 𝑃u: resistencia a la compresión aplicada en las columnas, 𝑃n: resistencia a la compresión de diseño.
IV. BUENAS PRÁCTICAS Y ESTRATEGIAS.
Para garantizar la integridad estructural de las columnas CET durante la construcción top-down, es crucial implementar estrategias como:
Monitoreo Continuo: Uso de sensores para monitorear la resistencia y tensiones en tiempo real.
Control de Precargas: Gestionar las cargas aplicadas para no exceder la capacidad de las columnas.
Secuenciación Adecuada: Planificar la construcción para equilibrar las cargas en cada etapa.
Materiales de Alta Calidad: Utilizar materiales que cumplan con las especificaciones de diseño.
CONCLUSIONES
El método de construcción top-down, utilizando columnas CET, ofrece ventajas significativas en términos de reducción de tiempos y costos, estabilidad estructural y menor impacto en el entorno. La implementación de buenas prácticas y estrategias, como el monitoreo continuo y el uso de materiales de alta calidad, es esencial para garantizar el éxito del proyecto. Este enfoque integral mejora la eficiencia y seguridad en la construcción de edificaciones con sótanos, haciendo del método top-down una alternativa viable y eficaz en contextos urbanos densos.
BIBLIOGRAFÍA
- Kim, S.-H., et al. (2016). Stress-transfer in concrete encased and filled tube square columns employed in top-down construction. Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Cheonnong-dong 90, Dongdaemun-Gu, Seoul, 130-743, Republic of Korea 2Harmony Engineering, Guro-Gu Seoul 152-051, Republic of Korea.
- Jeong, S., & Kim, D. (2018). Estimation of the load sharing ratio of pre-installed columns in top-down buildings on Korean rock. KSCE Journal of Civil Engineering, 22(12), 4852-4861.
