Explicaremos algunas ideas incluyendo un ejemplo práctico para ilustrar el concepto de secuencia constructiva y su influencia en el diseño estructural
Durante su construcción, todas las estructuras están sometidas a condiciones de carga distintas a las que se obtienen cuando finaliza la construcción. Si el ingeniero quisiera representar fielmente todo lo que ocurre durante la ejecución de un edificio, tendría que tomar en cuenta las imperfecciones geométricas propias de obra, hormigonados con distintos valores de resistencia característica, las imperfecciones en el encofrado y posicionamiento de las barras de acero así como la perdida de alineamientos verticales, asentamientos diferenciales producto de las distintas tensiones admisibles del suelo en diferentes áreas de la fundación, el acopio de materiales de construcción en el interior de la estructura sin terminar, movimientos de equipos y acciones de viento, o eventos sísmicos, son situaciones que podrían ocurrir antes de culminar la construcción de una edificación.
Sin embargo, los procedimientos de cálculo convencionales desarrollados hasta la actualidad nos han permitido calcular y construir estructuras seguras a pesar de la ocurrencia de esos factores propios de la ejecución de obra, cuando hacemos un modelo de calculo no tomamos en cuenta ninguno de estos de factores, la resistencia de los materiales de construcción es un valor determinístico para toda la estructura, las dimensiones de las vigas y ubicación de las barras es invariable en nuestro proyecto estructural, aún así, las estructuras que construimos se comportan de manera similar a las hipótesis planteadas cuando estamos diseñando.
Obviando este tipo de factores, existen otras situaciones que si influyen de manera determinante entre lo que calculamos cuando diseñamos, y lo que se ejecuta en obra. A continuación, desarrollaremos algunas ideas que ilustran estas consideraciones y sirven para comenzar a entrenar el criterio ingenieril y que luego podamos identificar si estamos frente a una estructura que pueda ser susceptible a este tipo de análisis.
Discontinuidad de columnas
Las estructuras que se diseñan en zona no sísmica tienen como cargas diseño las solicitaciones producto de cargas permanentes, cargas variables, cargas de viento, nieve o cargas especiales según sea su uso. En lo que a edificios residenciales se refiere, la geometría de la estructura puede quedar sujeta -en muchos casos- a lo establecido por el proyecto arquitectónico, esto quiere decir que la distribución de los espacios en distintos niveles puede variar notablemente lo cual incide en la ubicación de los elementos estructurales.
Una tipología arquitectónica típica en la ciudad de Buenos Aires, es tener una planta baja con altura de entrepiso mucho mas alta que la altura de los niveles superiores, así como tener una mezzanina (1er nivel) destinada a oficinas mientras que los niveles superiores pueden ser utilizados como departamentos residenciales.
Supongamos que tenemos un edificio con esa geometría donde sea necesario interrumpir la continuidad de una columna central, esta traslada las cargas verticales a una viga alta en el primer nivel (apeo) lo cual supone que este elemento tendrá valores grandes de momento flector, así como deformaciones verticales.
La ejecución de este tipo de obras típicamente se realiza nivel por nivel, por lo tanto, la aparición del conjunto: columnas, vigas y losas de entrepiso, se puede considerar que ocurre en un mismo momento para cada etapa. Una vez se ejecuta ese conjunto de planta baja y se desencofra, se avanza al segundo nivel, y es aquí cuando comienzan a aparecer las diferencias entre la estructura calculada y la estructura construida.
El segundo nivel se construye sobre una estructura que tiene una deformación vertical por peso propio que ya ocurrió (al desencofrar la estructura), una vez se desencofra el segundo nivel, este traslada las cargas al apeo que ya tiene una deformación inicial, así como tensiones producto del paso anterior, lo mismo ocurre para cada nivel que se agregue a la estructura. Las tensiones y deformaciones se acumulan progresivamente a medida que las cargas por peso propio van apareciendo.
Comparación de deformaciones
(para móbil, ver pantalla completa)
Si esta estructura se analiza con el procedimiento de cálculo convencional (lineal estático), las cargas ocurren todas de manera simultánea sobre una estructura completamente construida. En sentido figurado sería como si construyéramos un edificio con gravedad cero, y al finalizar la construcción de manera súbita activásemos la gravedad, produciéndose todas solicitaciones de manera simultánea.
En cualquier estructura la construcción por etapas induce tensiones propias según como haya sido su ejecución, ¿porqué para ciertas configuraciones estructurales la secuencia constructiva influye y en otras no? si analizamos lo que ocurre en este caso donde tenemos una columna interrumpida, notaremos que la respuesta a esta interrogante se encuentra en las deformaciones, las tensiones que se acumulan cuando se construye un edificio con geometría típica, son absorbidas principalmente por las columnas, y estos elementos tienen suficiente rigidez axial como para absober las cargas de peso propio a medida que se completa la estructura, sin que la deformada final sea muy distinta a la deformada de un caso de carga estático lineal sin secuencia constructiva.
Esto quiere decir que cuando tenemos elementos que no ofrecen suficiente rigidez para absorber deformaciones por peso propio (p.e.un apeo), estaremos frente a una situación en la que el proceso constructivo acumula tensiones que podrían influir en el diseño que estemos realizando.
¿Que tan distinto resulta diseñar una estructura susceptible a la secuencia constructiva sin tomar en cuenta estos efectos?
Tomemos como ejemplo de cálculo un edificio de hormigón con 3 vanos de 3 metros en sentido X y 2 vanos en sentido Y, de 4 pisos con una planta baja alta y una columna central discontinua según se muestra en la imagen. La loseta de entrepiso tendrá 12 cm de espesor, vigas de 30x55 cm de sección transversal, columnas de 40x40 para los dos primeros niveles y 30x30 para los dos últimos.
La viga que recibe la columna discontinua tendrá 35x80 cm de sección transversal así como la misma viga para los niveles superiores, por ultimo aplicaremos cargas permanentes de 3 kN/m2 en cada nivel.
Resultados
Para este caso de estudio, los resultados indican que el análisis estructural de la viga de apeo arroja un incremento de tensiones por cargas permanentes de alrededor del 30%, cuando se analiza incluyendo una secuencia constructiva nivel por nivel. De manera similar observamos que las deflexiones aumentan un 23%.
La ocurrencia simutánea de las solicitaciones sobre una estructura construida, arroja menores deflexiones porque interviene la rigidez de toda la estructura, la columna discontinua se "sostiene" de las vigas de entrepiso que la intersectan y el conjunto participa intentando impedir rotaciones y desplazamientos, mientras que en el análisis paso a paso la estructura que interviene es la que se ha construido en el paso que se esta analizando.
Como hemos visto, el diseño de elementos verticales discontinuos resulta susceptible a la forma en la que se construyen, diseñar una estructura sin este análisis y construirlo sin tomar en cuenta estos efectos, puede conducir a deformaciones en el sitio mucho mayores a las calculadas, si se trata de elementos de hormigón, la aparición de agrietamientos es algo que sin duda ocurrirá, y dependiendo de la forma en la que la estructura se haga entrar en carga, estos agrietamientos en la estructura inducirán deformaciones adicionales que podrían agrietar la tabiquería que se disponga bajo la viga de apeo, recordemos que existen otros factores que no estamos tomando en cuenta como la deformación de una sección agrietada así como la fluencia a largo plazo.
Sabiendo esto, te has preguntado
¿De qué manera influye el apuntalamiento en este tipo de análisis?
¿Cómo hacer que la columna discontinua no se comprima y funcione como un tensor?
¿Cómo hacer que la columna se cuelgue de la viga del techo para disminuir el tamaño de las vigas de los niveles inferiores?