Pruebas de carga en estructura del lucernario de la cubierta del Paranimf

EL CONTEXTO

El objetivo de este artículo es ilustrar, a partir de un caso realizado, la utilidad y las posibilidades, así como las dificultades y limitaciones, del uso de pruebas de carga en validación de elementos estructurales existentes. Un método poco usual, en parte debido al desconocimiento de estos aspectos.

En el marco de las actuaciones de adecuación del espacio del Paranimf del recinto de la Escola Industrial de Barcelona, se plantearon cuestiones relacionadas con la capacidad de la estructura existente que cubre el espacio circular para nuevas cargas de instalaciones que se suspenderán de la misma.

En la primavera de 2019, la empresa constructora solicitó a Sustenta el diseño y seguimiento de pruebas de carga para evaluar la aptitud de servicio de la estructura de cubierta metálica, así como de las pletinas de apoyo de sistema de suspensión de truss.

Dichas obras fueron promovidas por la Diputació de Barcelona. El autor del proyecto es el despacho de arquitectura Dilmé Fabré Torras i Associats. La consultoría de estructura corrió a cargo de Jorge Blasco, del Estudi m103, miembro de ACE. El contratista es la UTE Paranimf Escola Industrial formada por COMSA S.A.U. y COMSA Industrial S.L. COMSA.

EL PARANIMF

El edificio era en origen una parte de la industria textil de los hermanos Batlló, levantada en terrenos comprados en 1867, en el barrio de Les Corts, de Barcelona. Parece ser que fue Rafael Guastavino quien redactó los planos de las primeras edificaciones. De la antigua fábrica, construida entre 1868 y 1869, se conserva muy poca cosa; solo la altísima y singular chimenea y la envolvente de la antigua fábrica de pisos, destacando el «edificio del reloj», lugar donde estaban los telares y se desarrollaba toda la producción.

En 1906, la fábrica fue vendida y pasó a ser transformada en Universidad Industrial, que ya en 1910 funcionaba. Entre 1927 y 1931, según proyecto de Joan Rubió i Bellver, se introdujeron las reformas definitivas, sobre todo en el cuerpo central de acceso, quedando tal y como hoy la podemos contemplar. En 1932 el proyecto quedó paralizado y al poco tiempo llegó la Guerra Civil, quedando este espacio para uso militar.

En el año 2001, por parte del despacho de Buxadé & Margarit, se realizó el proyecto de intervención de las cubiertas del llanternó, reparando y rehabilitando los elementos de madera y metálicos, colocando un refuerzo al zuncho que une los pilares de la sala central.

Desde 2003, por parte del despacho Estudi m103, SLP (Jorge Blasco) se han ido realizando proyectos de adecuación y refuerzo estructural en el edificio, para dar solución a los distintos proyectos arquitectónicos que se planteaban y que se quedaban en la fase de estructuras, hasta que en 2015, el proyecto planteado por Dilmé Fabré Torras i Associats es el que ha llegado a culminar la obra tanto tiempo inacabada. Es en este marco en el que se plantean las pruebas de carga expuestas en este artículo.

La estructura analizada es la que corresponde a la cubierta tipo linterna del Paranimf. Se trata de una planta poligonal (un dodecaedro), formada por una serie de vigas de acero laminado sobre paredes de carga y machones de obra de fábrica, en un ámbito que se circunscribe en un círculo de 20,7 metros de diámetro en su base, y otro nivel superior de menor diámetro.

Las cerchas que forman los puntos de apoyo del truss, cuya carga se quiere comprobar, son pares de triángulos formando perfiles en doble U dispuestas de forma radial, apoyadas en una corona de perfiles horizontales en doble U, montantes con perfiles en T y diagonales de arrostramiento, los cuales se apoyan en los soportes del perímetro (fig. 8).

PLANTEAMIENTO DE PRUEBAS DE CARGA

Tal como se ha mencionado, durante las obras se plantea la conveniencia de comprobar empíricamente la capacidad de la estructura del llanternó central para las cargas previstas de las instalaciones suspendidas. No se trataba de una prueba estándar: se trabajaba en interior, con una altura de 21 m y la obra en marcha, de manera que no resultaba inmediata la solución para aplicar las cargas y tomar las medidas de las defor maciones. En este punto, resulta interesante hacer una reseña de lo que representan e implican las pruebas de carga.

Una prueba de carga de un elemento estructural es un experimento que tiene como objetivo determinar el comportamiento de una estructura real o un modelo físico. Realizadas con el conocimiento adecuado y los medios necesarios, pueden aportar información que ayu da a tomar las decisiones adecuadas, especialmente cuando, en ausencia de información, en ocasiones la alternativa es reforzar «a ciegas» o incluso derribar estructuras sin saber si los elementos existentes son aptos o no.

Las pruebas de carga son de gran utilidad en los siguientes casos genéricos:

• Evaluación de estructuras existentes cuyas características resistentes se desconocen.
• Evaluación de estructuras dañadas.
• Cambios de uso, especialmente cuando incluyen aumento de sobrecargas.
• Análisis de elementos estructurales aislados (pruebas en laboratorios).

La comprobación empírica es un recurso que el ser humano ha utilizado desde que la inteligencia le acompaña, para verificar que una intuición funciona realmente. Así mismo, no hay que olvidar que las pruebas de carga presentan algunas limitaciones.

• Colapso parcial o total de la estructura ensayada. Cierto es que, si se toman las medidas de seguridad adecuadas, es preferible un colapso de una
  estructura en fase de pruebas que en fase de uso, con el lógico riesgo para los usuarios. En la mayoría de casos, para las cargas que se necesitan comprobar, las estructuras quedan lejos de llegar al colapso.
• Presencia de elementos no estructurales en contacto con estos, especialmente tabiques que tradicionalmente se solían retacar a los forjados, y que pueden actuar como apoyos o distorsionar la rigidez real del elemento a comprobar.
• Presencia de usuarios en alguna parte del edificio, normalmente en los residenciales. Esto debe tenerse en consideración, particularmente en cuanto a medidas de seguridad y posibles molestias.
• Los costes materiales y técnicos que implican las pruebas de carga son una limitación a su aplicación enmu chos casos, si bien la información que brindan suelecompensar la inversión que implican.

En el caso del Paranimf, donde el objetivo era validar la capacidad de la estructura de la cubierta para solicitaciones adicionales, se consideró la mejor opción utilizar un sistema empírico con pruebas de carga estáticas en fase elástica, respaldando los análisis realizados con ordenador.

Entre otras normativas como el Código Técnico, la instrucción para hormigón EHE-08, y publicaciones de referencia, las pruebas de carga realizadas se basaron en la norma UNE 7-457-86: Realización de ensayos estáticos de puesta en carga en estructuras de piso en edificación.

LAS CARGAS CONSIDERADAS

Para simular las situaciones de carga previstas, se plantearon dos tipos de pruebas: para carga vertical a nivel global de la cubierta, y para carga lateral para ensayar el efecto puntual en los elementos de anclaje de la estructura de instalaciones suspendida.

La carga de la prueba vertical se define a partir de las hipótesis del proyecto, y se cuantifica de la siguiente manera:

• Carga total de proyecto: Q = 6 puntos x 0,8 T/punto
• Coeficiente de equivalencia de cargas estáticas: Cs = 1,6
• Coeficiente de reducción según UNE 7-457-86: Cp = 0,85
• Así, la carga total resultante se establece como: P = 4,8 x 1,6 x 0,85 = 6,53 T

Se plantean también dos ciclos de carga para comprobación de las pletinas de reacción de los cables del polipasto en una de las paredes laterales, con una carga máxima de proyecto mayorada a 600 kg para las pruebas (fig. 9).

LOS TRABAJOS REALIZADOS

Una vez establecidos los objetivos de carga, hay que decidir cómo simular las cargas, lo cual suele ser uno de los problemas más arduos a resolver en la materialización de las pruebas. La situación de partida era la siguiente: se debían estudiar unos elementos situados a 21 m sobre el pavimento, con un andamiaje en el interior para la obra que, dada su gran capacidad de vibración, no servía para sujetar ningún elemento de medición pues sus lecturas no resultarían fiables.

La prueba de carga se planteó con disposición de la carga repartida de manera uniforme en seis puntos alternos de la estructura de cubierta, materializando las cargas con depósitos de 1.000 L de agua suspendidos mediante cables unidos a la estructura a ensayar a través del andamio, pero sin contacto con este.

Dado el uso previsto del truss suspendido, se plantean las pruebas con cargas simétricas, con la excepción de la prueba de tracción de la pletina de apoyo en la pared, de valor menor que el de las pruebas de carga vertical, la cual se aplica en un único punto.

Con la imprescindible ayuda del personal de la UTE Paranimf Escola Industrial formada por COMSA S.A.U. y COMSA Industrial S.L. COMSA, se realizó el montaje de elementos de carga y de lectura de deformaciones, en la que no faltaron problemas e imprevistos que se pudieron resolver gracias al ingenio y buena predisposición de todos los implicados.

Partiendo del hecho de que, para cualquier análisis técnico, es mejor disponer de la mayor información de calidad posible, pero considerando la economía de esfuerzos, se eligieron una serie de puntos en los que tomar mediciones, especialmente en un caso como este, en el que resultaba complicada la disposición y lectura de los sensores.

El registro de las deformaciones se realizó mediante la disposición de relojes comparadores, cuya disposición tampoco resultaba evidente ni sencilla puesto que, por su gran precisión de medida (una centésima parte de milímetro), estos elementos deben permanecer en puntos fijos a lo largo de toda la prueba. Se situaron en dos posiciones: en el suelo de la planta que era la futura platea del Paranimf, para medir la deformación vertical de la cubierta, y en las paredes de obra de la zona de linterna a la altura de la estructura probada.

A modo de resumen, se tomaron los siguientes datos:

• Medidas de flechas preexistentes.
• Medida de las condiciones ambientales (temperatura y humedad).
• Deformación de pletinas mediante suspensión de polipastos con dos relojes comparadores.
• Desplazamiento vertical con dos relojes comparadores de viga de cubierta en zona de suspensión de la carga, con barras rígidas inclinadas desde punto de apoyo hasta la plataforma de andamio.
• Desplazamiento horizontal con dos relojes comparadores de viga de cubierta en plano de fachada.
• Medida de desplazamientos lineales verticales en los nudos de las vigas principales.
• Medida de desplazamientos lineales horizontales en los nudos de apoyo en las paredes de ladrillo de vigas principales.
• Medida de desplazamientos lineales verticales en las pletinas de soporte con polipastos en los nudos de las vigas principales.
• Medida de ancho de fisuras existentes, mediante plantilla transparente graduada y lente de aumento graduada.

Se realizó una inspección preliminar de la estructura, como base para disponer elementos de carga, de medición, testigos, así como de las lesiones a tener en cuenta. También el seguimiento de posibles daños y resultados durante los ciclos de carga-descarga.

Para cada ciclo, que incluye carga, estabilización, descarga y recuperación, una vez alcanzado el 100 % de la carga, esta se mantiene durante varias horas. Posteriormente, se procede a descargar los escalones en orden inverso. Los valores instantáneos de recuperación se prolongan durante un tiempo posterior a la descarga.

Este proceso se repite las veces que se considera necesario, dos en este caso, para cada tipo de prueba y elemento.

RESULTADOS NETOS DE DEFORMACIONES

Por la duración de las pruebas, en las deformaciones de la estructura es necesario tener en cuenta la incidencia del efecto térmico, de manera que se toman como conclusión los desplazamientos con el desacoplamiento de los mismos, a partir de mediciones de las temperaturas durante las pruebas de carga y, paralelamente, en ciclos día-noche sin las cargas de la prueba.

A partir de los resultados de las pruebas, se establecieron las siguientes conclusiones en relación a la aptitud de servicio de elementos estudiados.

• Las deformaciones en pruebas estáticas tanto de carga vertical como de carga lateral entran dentro del rango admisible, con valores tanto de deformación vertical como lateral menores que los previstos, según los modelos contemplados y, en todos los casos, con recuperaciones de las deformaciones con un comportamiento aproximadamente elástico y valores de carga remanente despreciables en las pruebas. Así, en base a las pruebas realizadas, se concluye que la estructura es apta para el uso previsto en el proyecto.

COMPARATIVA ENTRE MODELOS Y MEDICIONES REALES

Se realizó la comparación de los resultados del modelo numérico con los de las pruebas, tomando como valores teóricos de referencia de deformaciones los extraídos del modelo realizado por Jorge Blasco en representación de Estudi m103, SLP. Se hizo con el programa Cype Metal 3D, de cálculo matricial de estructuras tridimensionales con elementos barra para secciones de acero, y elementos placa para modelización de paños de fábrica. Se trata de un modelo que incluye la estructura del nuevo truss, las cerchas existentes de los cuales se suspende la carga del truss, la linterna superior, y todos los soportes de esta estructura metálica.

Las cargas son las mismas que las aplicadas en las pruebas. Con todo ello se realiza en análisis, y los resultados teóricos de deformaciones del modelo se ponderan con un coeficiente de mayoración para establecer el límite de deformaciones admisibles en las pruebas.

De la comparación de los modelos con las pruebas se constata que:

• Las deformaciones verticales registradas durante las pruebas son menores que los valores obtenidos en los modelos.
• Las deformaciones horizontales en las pruebas son mayores que los valores obtenidos en los modelos, siendo en todos los casos valores muy reducidos: el valor máximo en las pruebas es de 0,11 mm de desplazamiento lateral. Estos valores se consideran despreciables por su rango de deformaciones. Así mismo, se interpreta que en el modelo el pandeo de los pares de las cerchas que transmiten la carga de los nudos superiores a las paredes perimetrales es menor, dado que en la realidad sufre pequeñas deformaciones impuestas que aumentan su pandeo y, por tanto, la deformación en sus extremos en los que se han tomado las medidas en las pruebas.
• Las deformaciones horizontales remanentes en los modelos son nulas dado que son modelos en primer orden, mientras que en las pruebas se registran valores muy bajos, del orden de 0,02 mm, los cuales se pueden considerar despreciables.
• No se pudo contrastar el modelo con las pruebas de carga lateral, dado que la forma de aplicación de esta carga en las pruebas se realizó en un único punto, mientras que en los modelos de carga se realizó siempre en la totalidad de los puntos y, por tanto, las deformaciones no resultan comparables.

CONCLUSIONES

Como reflexión final cabe una pregunta: ¿resultó una buena decisión hacer las pruebas de carga para validación de elementos existentes, considerando su coste y limitaciones? ¿No era suficiente con las comprobaciones numéricas?

Los sistemas de cálculo automático, con creciente velocidad de procesado de datos, suponen una herramienta potentísima para analizar los datos de los que disponemos para modelizar estructuras sin necesidad de construirlas, o sin necesidad de materializar las cargas en el caso de pruebas.

Así mismo, existen ciertas limitaciones en el uso de modelos: en general, los sistemas de cálculo, tanto manuales como por elementos finitos, presuponen comportamientos lineales (rango elástico, pequeñas deformaciones). En una obra nueva, estos comportamientos se pueden controlar de forma aproximada con el diseño de la rigidez de los elementos que componen la estructura, quedando dentro de las hipótesis de cálculo. No obstante, en el caso de estructuras existentes hay escaso control sobre dichas hipótesis. Se desconocen las condiciones de contorno, rigideces, grado de monolitismo, participación de elementos no estructurales como pavimentos, tabiques o mobiliario, los morteros que unen las piedras no son lineales, los materiales suelen tener gran heterogeneidad, las vigas de madera antiguas presentan grandes deformaciones, las acciones que producen cambios térmicos, vibraciones como tráfico rodado, túneles, maquinaria, son complejos de modelizar. Este tipo de factores complica la generación de modelos suficientemente fiables. Además, existe un gran problema inherente a cualquier método de calculo computacional: con el fin de optimizar los cálculos, siempre se asumen una serie de simplificaciones que, por un lado, no solo limitan la aplicabilidad del método (linealidad, discretización…) sino que, más importante aún: limitan la capacidad de comprensión del usuario del software.

Resulta muy interesante combinar las pruebas empíricas con el análisis numérico. Los métodos analíticos permiten optimizar la forma en que llevamos a cabo el planteamiento empírico, y al mismo tiempo sirven para saber dónde poner los sensores y así optimizar la monitorización. Los sistemas de análisis numérico permiten hacer análisis iterativos sobre los modelos ensayados, pudiendo evaluar, a costes reducidos, partes de la estructura en las cuales, por limitaciones presupuestarias o de medios auxiliares o de tiempo, no se han probado empíricamente.

La tecnología actual permite hacer ambas cosas de forma automática en tiempo real, en lo que se llama «gemelo digital»: un sistema de monitorización de la estructura que transmite los datos a un sistema que los procesa para introducirlos en un programa de cálculo, en el cual se verifica o corrige el modelo en función de los datos de las lecturas reales.

En el caso del Paranimf, el resultado del trabajo realizado con las pruebas, permitió validar un uso que, si bien de manera teórica ya se había comprobado, resultó reforzado y ayudó a aumentar la seguridad y, al mismo tiempo, la tranquilidad de los diversos agentes.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• UNE 7-457-86: Realización de ensayos estáticos de puesta en carga en estructuras de piso en edificación.
• CTE-SE-Seguridad estructural: SE1 Resistencia y estabilidad y SE2: Aptitud al servicio.
• Recomendaciones para la realización de pruebas de carga de recepción en puentes de carretera.
• Instrucción de acciones a considerar en puentes de ferrocarril (IAPF) (capítulo 4).
• Recomendaciones para la realización de pruebas de carga de recepción en puentes de carreteras. Dirección General de Carreteras, 1999.
• M-9 Pruebas de carga en estructuras, ACHE, 2003.