Análisis de losa arriostrante con micropilotes
En ingeniería disponer de buenas herramientas de software no es algo secundario. Las
buenas herramientas hacen posible cosas que otras no son capaces de
analizar. Y por tanto una mala selección de software puede generar
limitaciones, diseños más pobres, proyectos más costosos, más pesados y sin
funcionalidad añadida. Pérdidas al fin y al cabo. De dinero y de
competitividad.
Mucha gente no le presta la debida atención a estos detalles y están
dispuestos a pagar muy poco por el cálculo y proyecto, aunque eso signifique
multiplicar por 10 o por 20 los costes de obra. Pues malas noticias: el
cálculo es importante.
El verano pasado (2018) nos pidieron analizar una losa combinada con
micropilotes. La intención inicial era ver hasta qué punto era posible
prescindir de los encepados.
El encepado es la coronación del pilote cuya misión se orienta a conducir
las fuerzas y momentos desde la estructura hasta la cimentación.
En el caso de
los micropilotes (de una sección más delgada) el problema sería más crítico.
En la práctica se recurre a poner una placa en la parte superior para
mejorar el punzonamiento, pero el problema estaría en el refuerzo de armado
necesario en cabeza, en la losa. Un programa muy popular en el mercado -y
cuyo nombre no mencionaré- no contempla ni siquiera la posibilidad de una
combinación así, y las losas tienen un límite de espesor mínimo y los
encepados también. No te puedes salir de ahí.

Como todo reto interesante y contando con varias herramientas de software de
distinto tipo nos pusimos manos a la obra. Desde hace años trabajamos de
forma habitual con elementos finitos y combinación de elementos (elementos viga, placa y
sólidos). Siempre hemos pensado que estos modelos de combinación -al menos
en el campo de maquinaria- es lo más versátil del mundo, al combinar modelos
de tamaño moderado y posibilidad de jugar fácilmente con espesores y
secciones de perfiles.
En nuestro caso utilizamos ASM2016 (Autodesk) para los modelos de sólidos y
vigas, y AxisVM para modelos de vigas y placas. Cada uno de ellos tiene sus
ventajas que discutiremos al final.
El combinar elementos viga (refuerzo de acero dentro del hormigón) y
elementos sólidos (hormigón en masa) da la posibilidad de ver cómo trabajan
conjuntamente los dos materiales. Sabiendo hasta qué nivel trabaja cada uno
de los materiales podremos diseñar el refuerzo con una gran calidad y
seguridad. Podremos reforzar en las zonas que hace falta de modo que las
tensiones a tracción queden bien cubiertas por el acero del refuerzo.
Pero el problema es más sutil en las zonas de conexión de los pilares con la
losa y la forma en que esas tensiones a tracción (sobre todo las debidas a
momentos) se ven correctamente soportadas por cartelas o refuerzos de
continuidad en la masa de hormigón.
En la imagen podemos ver un encepado y cómo somos capaces de ver las
tensiones en las vigas (el sólido hormigón aparece transparente y sin
visualizar tensiones). Para soportar los momentos son necesarias cartelas en
la base.
Análisis de hormigón armado utilizando elementos viga y sólidos
La herramienta utilizada para preparar los modelos fue ASM2016 de Autodesk
(ya retirada del mercado por decisiones difíciles de entender). En ASM
(antiguo Algor) es
posible construir el modelo directamente. La estretegia utilizada fue
representar en sólidos el hormigón generando superficies entre los sólidos
por donde reforzamos con vigas. Es decir, utilizamos el mallado resultante
en la piel de los sólidos para duplicar lineas de malla y generar vigas
coincidentes nodo a nodo con la malla de los dos sólidos contactando en esa
superficie. El trabajo es un poco laborioso pero el resultado final
compensa.
Los elementos sólidos y las vigas se conectan nodo a nodo, y de ese modo
también se transmiten los grados de libertad (deformaciones XYZ). Las
tensiones las generaremos a partir de esas incógnitas primarias mediante
funciones de forma, pero este trabajo ya hace muchos años que lo hacen
programas de software muy eficientes.
El resultado final es que "vemos" cómo las barras de acero trabajan y
desarrollan tensiones dentro del hormigón.
Las limitaciones (que se pueden apreciar en la imagen anterior) es que las
barras de acero están en el mismo plano. Perdemos un poco de realismo. Pero las ventajas son mucho
mayores. Resultados que podemos ver en las vigas serían axiles, momentos
M2/M3 o un resultado sintético llamado Worst.
Del hormigón podemos ver las tensiones con todo detalle: tracción,
compresión, Von Mises, Tresca,.. Alrededor del hormigón debemos representar
el recubrimiento con una serie de sólidos.
Otro resultado interesante sería en el hormigón representar con una
isosuperficie las zonas con igual tensión. Eso nos da una idea de cuál es la
zona más crítica donde debemos reforzar.
Análisis de la misma estructura utilizando elementos viga y placa.
Cálculo de cuantías
En este caso la herramienta utilizada ha sido AxisVM X4. Este programa está
más enfocado a ingeniería civil y dispone de muchas más utilidades para
cálculo. También es elementos finitos pero representa la losa con elementos
placa. Una vez realizado el cálculo deriva las cuantías de hormigón
y con eso diseñamos el refuerzo de una forma muy rápida y segura.
En el caso de AxisVM las vigas se conectan a las placas de forma muy
automática. Digamos que el "mallado" entre tipos de elementos lo hace el
programa siempre que el extremo de la viga esté en el plano de
representación del dominio de la placa. En las superficies hay que definir
"dominios" y los dominios hay que mallarlos. Es un proceso muy automático.
Pero sí es importante definir dominios pensando en el diseño de refuerzo que
vayamos a hacer.

Como prueba de concepto (y después de comprobar resultados en modelos
"sintéticos"), utilizamos un proyecto de edificio real con momentos y
tensiones transmitidos a la base. Lo lógico es tener más refuerzo alrededor
de los pilares para compensar las tensiones debidas al momento (y no sólo el
punzonamiento de los micropilotes). Por tanto se preven dominios de una
determinada extensión pensando en esas zonas alrededor de pilares.
Es importante entender que aunque ganamos mucho en rapidez y eficacia de
diseño en el refuerzo de la losa sin embargo no tendremos la información de
detalle de concentraciones de tensión debidas a momentos en las esquinas de
los pilares.
Y también es necesario llevar a cabo un análisis de punzonamiento
(implementado muy bien en AxisVM) para comprobar uno a uno los micropilotes.
Este análisis detectaría si es necesario ubicar refuerzos de punzonamiento y
ayuda con el diseño y cálculo de los refuerzos.
Comparación de resultados entre modelos sólidos complejos (combinados de
vigas y sólidos) y modelos de vigas, placas y cuantías. Mejoras en diseño. Conclusiones
Comparando Von Mises de los sólidos con los correspondientes de los
elementos placa los resultados son prácticamente iguales. Esto da seguridad a la hora
de calcular con un sólo programa (placas-vigas) y tener más conocimiento de
cómo trabaja la estructura.
AxisVM X4 es mucho más rápido en la presentación de casos y resultados, y
para un trabajo de producción en este tipo de estructuras sería más
recomendable. Pero si se requiere el cálculo de detalle de conexiones entre
pilares o encepados complejos un enfoque más mecánico y de detalle sería
casi imprescindible.
Lo que sí se comprobó con el modelo de edificio es que las mejoras son
sustanciales en coste, con mucho menos armado y allí donde es necesario. El
esfuerzo mereció la pena.