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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.
Losa y micropilotes
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.

Armado del encepado


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.

Tensiones en vigas y sólido

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.

Isoplots tensiones en sólido

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.

Modelo de vigas y placas
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.

Informe de losa