Conversiones de oficinas a residencial: análisis profundo de ingeniería estructural
Reimaginando Estructuras: Reutilización Adaptativa en la Práctica
La Dinámica de Equilibrar la Preservación con la Innovación, desde Retrofits Estructurales y Estrategias Innovadoras de Reutilización hasta el Diseño Adaptativo
Asistimos a una sesión de David Farnsworth de Arup, donde describió el proceso estructural y los desafíos de convertir un edificio antiguo (de los años 50) en un edificio residencial. Más información sobre el ahorro de carbono al realizar estas conversiones se puede leer en el informe de ARUP: https://www.arup.com/globalassets/downloads/insights/office-to-residential-conversions-the-carbon-story.pdf
Un aspecto clave explicado durante la sesión fue que la forma de esos edificios que se asemejan a una tarta de bodas cuadrada tiene grandes plantas (diseños de posguerra, cuando se inventó el aire acondicionado), que, para una distribución residencial, no es útil ya que los promotores querrían maximizar el área que tiene ventana.
Así, la solución que Arup encontró en este caso fue recortar una porción de la "tarta" y aumentar la disponibilidad de ventanas, incrementando así el número de unidades en cada nivel. El volumen recortado puede reutilizarse en la parte superior o lateral del edificio. Puede leer más sobre este tema en el siguiente artículo: https://www.nytimes.com/interactive/2023/03/11/upshot/office-conversions.html
Con estos cambios y adiciones, comienza el proceso estructural. Existen varios desafíos durante este proceso: código antiguo utilizado y reevaluación de la estructura usando códigos actuales, nuevas cargas, estabilidad, conexiones de viento, refuerzo de la estructura (vigas, columnas y conexiones), losas de escoria/montantes de tuberías.
En este artículo, nos centraremos en el retrofit de conexiones de acero y estructura de acero.
"Conexiones de viento"
Las conexiones de "viento" (Tipo 2 con viento) permitidas en las disposiciones AISC ASD 1989 eran una solución simplificada: la conexión es lo suficientemente rígida para resistir cargas laterales pero lo suficientemente flexible para permitir que la viga se comporte como simplemente apoyada bajo cargas gravitacionales, también conocida como parcialmente restringida.
Durante el análisis de edificios existentes, los ingenieros estructurales encontraron este detalle típico construido con perfiles WT o secciones angulares en los patines superior e inferior de la viga y una conexión simple a cortante en el alma conectada con remaches.
Para realizar cambios estructurales, el ingeniero estructural necesita evaluar la capacidad actual de la estructura. Se realiza una investigación del edificio y, utilizando herramientas modernas, las empresas modelan las condiciones existentes en software de análisis estructural global y ejecutan análisis sobre ellas para conocer la capacidad.
Sin embargo, dado que las conexiones son parcialmente restringidas, los extremos de viga (liberaciones en extremos de viga) no pueden modelarse como articulados o empotrados en el software estructural. La solución es introducir la rigidez rotacional real de la conexión existente.
En la Especificación AISC actual, el comentario señala que las curvas momento-rotación de las conexiones parcialmente restringidas pueden encontrarse en varias bases de datos (Goverdhan, 1983; Ang y Morris, 1984; Nethercot, 1985; Kishi y Chen, 1986). El principal problema es encontrar la base de datos que coincida con los tamaños o condiciones exactas de la conexión que se tienen en obra.
La alternativa en este caso es calcular la rigidez mediante modelado por componentes (basado en los cálculos manuales del Eurocódigo) o utilizar software de análisis por elementos finitos.
IDEA StatiCa tiene la capacidad de modelar y diseñar conexiones de acero utilizando CBFEM basado en códigos internacionales como AISC. Además del diseño estructural, el software incluye análisis avanzados como: diseño por capacidad para condiciones sísmicas, análisis de pandeo lineal, resistencia de diseño de la unión para conocer la capacidad máxima de la conexión, y análisis de rigidez que clasifica la conexión según los códigos de diseño y calcula el diagrama momento-rotación.
El software puede proporcionar un valor de resorte multilineal o lineal para caracterizar la condición de extremo de la viga en software comercial de análisis global.
Según algunas experiencias de usuarios, el software ha sido utilizado para la evaluación del análisis estructural de estructuras existentes, como el proceso seguido para convertir un antiguo edificio de oficinas en un moderno edificio residencial en la ciudad de Nueva York.
Además, ha sido utilizado para confirmar la hipótesis de la rigidez seleccionada, ya sea articulada o restringida.Por ejemplo, un caso común es cuando se modelan conexiones HSS; incluso si estamos seguros (basándonos en la experiencia del proyectista) de haber modelado una conexión rígida, la rigidez del elemento de apoyo siempre es discutible.
Las condiciones existentes de las conexiones son importantes para calcular la rigidez de las mismas. Para ello en IDEA StatiCa se pueden modelar remaches, secciones transversales históricas y materiales, modificar secciones de acero con aberturas y recortes. Tras todos los análisis, si el usuario concluye que se requiere refuerzo, puede añadir refuerzo mediante soldadura, añadir conexiones de asiento (refuerzo con perfiles WT) y refuerzo con placas. Más información aquí: https://www.ideastatica.com/blog/connection-design-rfis-retrofitting-existing-steel-connections
Refuerzo de vigas de viento y gravitacionales
Como se explicó anteriormente, el análisis de rigidez de la conexión forma parte del proceso estructural, pero una vez que obtienen estos datos de software como IDEA StatiCa, los ingenieros introducen los valores en su software de análisis global para poder ejecutar un análisis no lineal exhaustivo de la estructura y obtener la capacidad actual de toda la estructura.
Posteriormente, necesitan modificar el modelo estructural para representar cómo será la nueva estructura: eliminar parte de la estructura debido a los recortes o extracción de volumen, aumento de cargas por cambios en el código estructural, adición de niveles, etc. Una vez que modifican el modelo utilizando la mayor parte de la estructura actual, los ingenieros pueden encontrar que algunas de las vigas y columnas necesitan ser reforzadas.
Esto puede implicar añadir refuerzo en los extremos/inicio de las vigas para pórticos con momento, o refuerzo en el centro de la viga para pórticos gravitacionales.
Una solución que IDEA StatiCa ofrece a sus usuarios de estructuras de acero es la capacidad de analizar y diseñar elementos de viga mediante FEA. En lugar de utilizar elementos de viga 1D como hace la mayoría del software, la aplicación Member modela las vigas como elementos de lámina. Esto permite al usuario modelar aberturas en las placas del elemento y refuerzos como placas soldadas/atornilladas o secciones transversales. Más información en: https://www.ideastatica.com/case-studies/26-story-office-tower-transformation-project
Además, en la aplicación Member, en lugar de modelar la condición de extremo de la viga como articulada o rígida, la conexión se modela de forma explícita. Sin necesidad de ir y volver, el cálculo de los diagramas de momento y cortante será preciso considerando la rigidez real del pórtico.