Modelos de cálculo para el apuntalamiento en edificios
Lo sabemos, en la fase constructiva de una estructura es donde se producen una parte de los accidentes del sector y en esa fase el control del apuntalamiento es fundamental.
Es importante realizar para cada edificio un estudio detallado del apuntalamiento, sobre todo cuando las estructuras empiezan a ser de peso importante (losas macizas). Para evitar este estudio, a menudo se prefiere sobredimensionar el apuntalamiento, sin que con ello se obtenga la garantía de un mejor proceso constructivo.
Realizar el cálculo te permite optimizar el apuntalamiento, ahorrando costes importantes en temas de material, producción y plazo de ejecución. Así que sería importante para cualquier empresa ser capaz de calcular el apuntalamiento más optimizado, eligiendo el modelo de cálculo más adecuado.
Fases de carga
El objetivo de este cálculo es determinar realmente cuál es la carga que se va a producir en los puntales y en los forjados de la estructura durante las distintas fases constructivas del edificio.
El apuntalamiento es un componente muy importante de los encofrados utilizados para ejecutar estructuras de hormigón. El encofrado es un equipo auxiliar compuesto por una piel encofrante, soportada por una estructura resistente de vigas y puntales. Al ejecutar un edificio con plantas sucesivas en altura, el apuntalamiento pasa por tres fases sucesivas de carga:
- Equipo completo: Es la primera fase y tiene que ver con el apuntalamiento necesario para poder hormigonar un forjado: la cantidad de puntales es máxima y por tanto esta situación de carga la llamamos ‘equipo completo’.
- Equipo apuntalado: Los encofrados que se utilizan en la actualidad son encofrados recuperables al tercer día, donde después de la recuperación se produce una reducción en el número de puntales que quedan soportando el forjado (“clareado”). En esta segunda fase la situación de carga que se produce es distinta porque la estructura entra parcialmente en carga y hay menor cantidad de puntales, debiéndose evaluar para el equipo cuál es la carga real que recibe. Esta segunda fase de carga la llamamos ‘equipo apuntalado’.
- Equipo en altura: sobre un forjado ya ejecutado, existe una tercera fase de carga, cuando este forjado por encima suyo va a recibir la carga de otros forjados que se colocan encima. Cada vez que incorporamos un nuevo forjado hay una transmisión de cargas de los nuevos forjados hacia los inferiores a través del apuntalamiento y de la propia estructura que tenemos construida. Lo que vamos a hacer en esta tercera fase de carga es controlar sobre este apuntalamiento, sea cual sea la situación de hormigonado que tengan encima suyo, cuál es la peor carga que se produce, y controlándola sabremos que la ejecución del edificio en vertical no va a tener ningún tipo de problemas. Esta tercera fase de carga la llamamos ‘equipo en altura’.
La distribución de cargas que se produce entre puntales y forjados puede tener diferentes modelos de cálculo; de hecho durante la historia se han producido y se han desarrollado ocho modelos teóricos y 9 modelos experimentales. Vamos a ver los más importantes.
Años ’60: el modelo Grundy y Kabaila
El modelo de cálculo teórico más implantado y conocido, es del año 63 y es el método de Grundy y Kabaila. La hipótesis de cálculo principal que tiene este modelo es considerar que los puntales son infinitamente rígidos.
Esta hipótesis tiene sentido porque estamos hablando del año ‘63 en Estados Unidos, donde los puntales eran de madera y se clavaban adquiriendo una rigidez importante, lejos de los puntales metálicos que se utilizan en la actualidad que actúan como “muelles”. Por otra parte las estructuras eran de menor espesor y menos rígidas que las estructuras que se construyen en la actualidad.
Por tanto este modelo de cálculo, que es muy operativo y fácil de aplicar, no representa la situación real de los equipos y estructuras que se ejecutan en la realidad.
Años ’90: cambio de modelos
A partir del año 1990 aparecen otros modelos (EFM, Duan y Chen, Fang…) donde la hipótesis varía, en el sentido de considerar que los puntales tienen rigidez finita, y por otra parte una compatibilidad de deformaciones entre forjados y puntales.
A partir de estas hipótesis se desarrolla una formulación basada en la relación entra la rigidez de los forjados y la rigidez de los puntales. Evidentemente esto permite acercar los modelos de cálculo a la realidad, pero no de una forma todavía suficientemente importante.
En paralelo, se desarrollan modelos experimentales. En el año ’92 Moragues, de la Universidad Politécnica de València, hace una medición real en dos edificios de Alicante con encofrados recuperables y constata que las cargas que realmente se producen tienen poco que ver con las cargas teóricas que se suponen, y por tanto lo que se determina en esos primeros ensayos es que hay que hacer un estudio más profundo para saber realmente cuál es la carga que se distribuye en toda la estructura.
Año 2005: Nuevo modelo de cálculo
Como evolución de los modelos anteriores y continuación a la investigación iniciada por Moragues, en el año 2005 la propia Universidad de Valencia (UPV) y su instituto ICITECH inician un proyecto de investigación, junto a la empresa Encofrados Alsina, que durará varios años y pasará por diferentes fases.
En una primera fase se construye experimentalmente un edificio real, con toda su estructura totalmente monitorizada, desarrollándose la tesis doctoral de Yezid A. Alvarado Vargas.
El edificio que se construye es un edificio de losa maciza de 25 cm, compuesto por un vano con dos voladizos laterales, con puntales totalmente instrumentalizados, y con un proceso de ejecución que tiene que ver con las diferentes fases reales de construcción de la estructura, con un encofrado recuperable.
Primero el hormigonado de un primer forjado, el clareado, después el hormigonado de un segundo encima, el clareado y cuando se pasó a hormigonar el tercero se liberó el apuntalamiento del primer forjado del suelo, aislándose del efecto sobre la cimentación que es infinitamente rígida. Finalmente se simuló la ejecución de un cuarto forjado con unas balsas de agua, reproduciendo una construcción estándar con 3 juegos de plantas cimbradas.
El control del hormigón fue intenso, haciéndose los ensayos en el edificio del laboratorio anexo a la obra.
Se introdujeron galgas extensométricas para medir deformaciones, así como sondas para medir temperaturas ambiente y sondas para medir temperaturas internas del hormigón. De este modo, se tuvo caracterizado perfectamente el tipo de hormigón y sus características.
Hay que contemplar que cada uno de los puntales estaba instrumentalizado con tres galgas dispuestas a 120 grados, protegidas con coquillas de Armaflex, para controlar cuál era la carga que se producía en todo el conjunto del puntal.
Para toma y almacenamiento de datos se dispusieron 40 módulos de adquisición de datos y más de 3700 metros de cable, con 17.000 mediciones. De hecho las mediciones eran continuas, y en cada una de las fases de trabajo de hormigonado, de clareado, o de descimbrado, se producían mediciones cada cinco segundos, y cuando no había ninguna operación constructiva las mediciones eran cada cinco minutos.
Al final de la experimentación, se obtuvieron 4.500.000 de registros de cargas, que permitieron tener muy bien controlado todo el proceso constructivo completo, mucho más allá de cualquier otra experimentación anterior.
El modelo NPS
En paralelo al estudio experimental y en concordancia con él, se desarrolla el nuevo método de cálculo NPS, que como hipótesis de cálculo principal considera que los puntales tienen rigidez finita. A parte de su validación experimental, el método se valida a partir de modelos numéricos mediante elementos finitos en 3D, empleando el programa Ansys.
Para tener una mayor validación del método, se desarrolla a partir de 2008, una segunda tesis doctoral, la de Isabel Gasch Molina, para comprobar si las mediciones en obra se podían o no corresponder con los resultados del modelo.
Se fueron a medir tres obras distintas con las tres tipologías de forjados bidireccional que son aplicables: losa maciza, casetón perdido, casetón recuperable, y los resultados se compararon con diversos modelos de cálculo, comprobándose que el nuevo método de cálculo es el más ajustado de todos, con una coincidencia en las cargas del 90-95% y una desviación típica entre 0.14 y 0.16.
La comprobación de que este modelo de cálculo representa una nueva aportación científica, la da su publicación en la revista Engenieering Structures, (Vol 33, 2011- Pag. 1565 a 1575).
Un nuevo reconocimiento y validación se obtiene en el 2014, con su inclusión en la Guía de aplicación de la EHE-08.
Conclusiones
En resumen, por todo lo anterior, podemos concluir que el método NPS es el que más se acerca a la realidad, siendo entre todos los modelos de cálculo, el que tiene el mayor nivel de validación numérica y experimental.
¿Por qué es importante? Porque con la aplicación de este modelo (mediante el uso del Software STC) las empresas serán capaces de optimizar los equipos de apuntalamiento y los plazos de ejecución, con una ejecución segura de la estructura. De este modo, los costes y las perdidas de productividad seran mínimas durante la construcción. Factores competitivos imprescindibles a día de hoy.
