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El refuerzo de un forjado


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EL REFUERZO DE UN FORJADO


NURIA RUIZ QUERALT

Resumen

Los refuerzos tradicionales en reparaciones masivas, tienen el problema de las flechas diferidas. Pasado un tiempo, los tabiques superiores se agrietan. En la comunicación se analizan las causas y se compara el comportamiento con otras dos técnicas de refuerzo: La descarga previa y El refuerzo activo.



El primer resultado sorprendente es el cambio de seguridad para que el techo viejo colapse y haya de actuar el refuerzo sólo.

Mientras que el factor de seguridad del refuerzo tradicional es de 1,07 (la rotura es muy probable), en el refuerzo con descarga previa pasa a 1,2 (la rotura no es probable) y en el refuerzo activo llega a 3,76 (la rotura es prácticamente imposible)

En la flecha total potencial, las diferencias también son notables: 467 % en el refuerzo tradicional, 400% en el refuerzo con descarga y 106,6% en el refuerzo activo; respecto al 100% de un techo en buenas condiciones.

Comunicación

En la historia de la construcción se constata que, desde siempre, el primer elemento estructural que falla en un edificio es el forjado. La reparación de las vigas de madera y de los entarimados fue siempre muy habitual.

Con las vigas de hormigón armado, material mitificado hasta la categoría de eterno, se consideró zanjada la pesadilla de los forjados. La excesiva confianza en el nuevo material hizo perder el respeto a los forjados que a menudo se cubrían con falsos techos absolutamente cerrados y no registrables.

El accidente del Turó de la Peira en Barcelona, el año 1990, y el boom que le dio la prensa, ("la aluminosis: una nueva enfermedad de los edificios"), promovieron un proceso de revisión de forjados. La conclusión fue sorprendente: muchos de los edificios construidos entre los años 50 y 70 (período revisado) tenían vigas de hormigón en malas condiciones. Estadísticamente se estimó que sólo en Cataluña, había más de seis millones de viguetas que requerían reparación inmediata. Lo más sorprendente fue que las viguetas de cemento aluminoso (considerado, en principio, el causante de las degradaciones) eran menos del 60% del total de las vigas en mal estado. El resto, más del 40% eran viguetas de cemento pórtland. El mito de la eternidad del hormigón quedaba en entredicho. Nuestra experiencia profesional en la reparación de millares de viguetas, lo confirma: actualmente, se reparan tantas viguetas de cemento aluminoso, como de cemento pórtland.

Esta nueva evidencia, la necesidad de reparación masiva de forjados, aconseja revisar y replantear los sistemas tradicionales de reparación.


El refuerzo tradicional

Tradicionalmente se realizaban tres tipos de reparación de forjados:

Substituyendo físicamente la viga deteriorada por otra.

Reduciendo las luces, con tornapuntas, vigas traveseras o centrales.

Substituyéndola funcionalmente con otra, dispuesta bajo la deteriorada.

El primer tipo es el más claro, pero es prácticamente irrealizable, tanto por los destrozos en los acabados y las divisiones interiores, como por los apeos necesarios, como por la imposibilidad de desplazar las largas vigas por un interior habitado (entre un denso bosque de puntales).

Los otros dos tipos tienen un mismo problema: las vigas a reparar están en carga y a la larga, esto puede comportar problemas de flecha. No es extraño ver que, en forjados reforzados hace tiempo, los tabiques superiores se rompen y las grietas, aunque se reparen, se abren repetidamente.

Para analizar el comportamiento del refuerzo, conviene tener presentes algunos principios básicos de la resistencia de materiales: en un material, cualquier tensión produce siempre una deformación. La flecha de un elemento es inversamente proporcional a su rigidez. Al flechar dos vigas independientes superpuestas, las cargas se distribuyen proporcionalmente a sus rigideces.

Todas las vigas soportan cargas: el peso del forjado (peso propio), el del pavimento, el de los tabiques, el del falso techo,...

Todo ello, antes de empezar a utilizarse. Estas cargas provocan ya una flecha inicial.


Cuando se utiliza el forjado, le pedimos nuevos esfuerzos: las variables sobrecargas de uso. El incremento de la flecha inicial, bailará al ritmo de estas sobrecargas, con un máximo en el estado límite de uso. Para el análisis, partimos de unos valores usuales en las viviendas
Cargas:

(NBE-AE88): Concargas 300

Tabiques 100

Sobrecargas de uso 200

Carga total 600 kp/m2

En el momento del refuerzo suponemos que actúan todas las cargas fijas ( 300 + 100 = 400 kp/m2 ) y ninguna sobrecarga.

Rigideces: Proporción

Forjado viejo EFIF @ 1.000 m2t/m 4(un forjado H=25 según NTE-EHU73)

Refuerzo ERIR = 243 m2t/m 1

(IPE160 cada 75cm, 21kg/m2 deacero).

Forjado reforzado ETIT = 1.243 m2t/m
Flechas:

Consideramos como flecha de referencia la que correspondería al forjado viejo en estado límite de uso.

Le asignamos un valor de referencia de 100.

Forjado viejo

Cargas fijas 66,6 %

Sobrecargas 33,3 %


Carga total 100,0 %

Refuerzo


Siendo su rigidez 1/4 de la del techo viejo, su deformación, para una misma carga, será 4 veces superior:

Carga total 100,0 x 4 400,0 %

Factor de seguridad del forjado viejo

FS = 1
Suponemos que el forjado está en una situación límite y que, por eso, debe reforzarse.

Para reforzar un forjado viejo, se disponen bajo las vigas en mal estado unas vigas de refuerzo con un buen rejuntado. En este momento, el refuerzo aún no aguanta nada, el forjado viejo continúa soportando todas las cargas fijas. Las sobrecargas de uso se repartirán entre las dos vigas (vieja y de refuerzo) proporcionalmente a sus rigideces.

Estadio inicial del refuerzo tradicional

Comportamiento del forjado inmediatamente después del refuerzo.

Cargas iniciales:

Cargas fijas Sobrecargas Total

Viga vieja 400 200 x 4/5 560 93,3 %

Refuerzo 0 200 x 1/5 40 6,6 %

Factor de seguridad del forjado viejo

El forjado viejo debe soportar aun el 93,3 % de las

cargas iniciales FS = 100 / 93,3

FS = 1,07

Flechas iniciales

Al reforzar, la rigidez relativa total pasa de 4 a 5 y, por tanto la flecha de las sobrecargas disminuirá en la misma proporción.

Flecha de las cargas fijas techo viejo 66,6 %*

* Esta flecha es la existente en el momento de proceder al refuerzo

Flecha de las sobrecargas 33,3 x 4/5 26,6 %

Flecha máxima inicial 93,3 %

Con un coeficiente de seguridad escaso (1,07) y, con una eficacia inmediata del refuerzo tradicional muy dudosa (6,6 %), no es extraño (es muy probable) que con el tiempo, la viga vieja (que se debía reforzar porqué no soportaba los requerimientos del forjado y que continua cargada con el 93,3 %) ceda y vaya transfiriendo progresivamente las cargas al refuerzo. En un estadio final límite muy probable, la viga vieja habrá colapsado, no aguantará nada, y el refuerzo deberá soportar todas las cargas.

Estadio límite final del refuerzo tradicional, muy probable

Comportamiento del forjado en una situación final límite. El forjado antiguo ha colapsado y no soporta nada.

Cargas finales:

Cargas fijas Sobrecargas Total

Viga vieja 0 0 0 0,0 %

Refuerzo 400 200 600 100,0 %

Flechas finales:

En el momento del refuerzo ya había una flecha inicial (el 66,6 % correspondiente a las cargas fijas) y el refuerzo flechará (400,0 %) cuando llegue a soportar la totalidad de las cargas. La flecha total respecto a los elementos vecinos será el 466,6 % de la que tendría el forjado viejo en buenas condiciones.

Flecha inicial de las cargas fijas 66,6 %

Flecha total del refuerzo 400,0 %


Flecha final del forjado 466,6 %

La flecha del refuerzo se sumará a la del forjado viejo en el momento de ser reforzardo y puede llegar a exceder cualquier valor admisible por los elementos constructivos colindantes que se agrietarán. La evolución del refuerzo será: con el tiempo, el forjado viejo irá cediendo y el refuerzo irá entrando en carga, para ello flechará cada vez más. La fluencia de agotamiento de un forjado viejo es lenta y por eso, la flecha será diferida y los resultados espectaculares finales son difícilmente observables a corto plazo.


En la actualidad, hay muchos sistemas de reparación que, aunque utilicen materiales o diseños aparentemente novedosos y ofrezcan facilidades de montaje, se comportan mecánicamente, como los refuerzos tradicionales aquí analizados.

Una solución, teóricamente posible, sería sobredimensionar el refuerzo para minimizar las flechas diferidas. Para que la flecha final fuera del mismo orden que la de cálculo del forjado viejo, sería necesario aumentar la inercia del refuerzo hasta el triple de la rigidez del forjado viejo (ERIR = 3.000 m2t/m). En nuestro ejemplo comportaría disponer un perfil IPE400 cada 75 cm, o sea 88,4 kg de acero de refuerzo por cada metro cuadrado, forzando una disminución de la altura del techo de 40 cm. ¡totalmente inviable!.

En los refuerzos puntuales, la flecha diferida es a menudo impedida o frenada por el apuntalamiento improvisado (no fiable, ni calculable) que le proporcionan los elementos que le rodean.
Cuando el refuerzo afecta a varias vigas contiguas, los factores periféricos no actúan y el resultado se acercará cada vez más al calculado.

Cuando el refuerzo es masivo, es imprescindible resolver el problema de la flecha final. Hace falta que el refuerzo trabaje desde el primer momento. Para conseguirlo hay dos posibilidades:

La descarga previa y El refuerzo activo.

La descarga previa.

Antes de proceder a reforzar el forjado, se apuntala la zona afectada controlando los esfuerzos de los puntales hasta conseguir la descarga total del forjado. Las viguetas dejan de trabajar. Los momentos de los esfuerzos introducidos tienen que contrarrestar los que provocan las cargas fijas y las flechas tienden a anularse. A continuación, se procede a montar el refuerzo. Cuando el forjado vuelva a entrar en carga, lo hará con una rigidez superior, resultante de la suma de la del forjado viejo más la del refuerzo.

Estadio inicial de un refuerzo con descarga previa

Comportamiento del forjado inmediatamente después del refuerzo.

Cargas iniciales:

Cargas fijas Sobrecargas Total

Viga vieja 400 x 4/5 200 x 4/5 480 80,0 %

Refuerzo 400 x 1/5 200 x 1/5 120 20,0 %

Factor de seguridad del forjado viejo

El forjado viejo debe soportar aun el 80,0 % de las cargas iniciales, FS = 100 / 80,0

FS = 1,20

Flechas iniciales

Al reforzar, la rigidez relativa total pasa de 4 a 5 y, por tanto, la

flecha de las cargas disminuirá en la misma proporción.

Flecha de las cargas fijas 66,6 x 4/5 53,3 %

Flecha de las sobrecargas 33,3 x 4/5

26,6 %


Flecha máxima total 100,0 x 4/5 80,0 %

Estadio límite final de un refuerzo con descarga previa, poco probable

Comportamiento del forjado en una situación final límite. El forjado antiguo ha colapsado y no soporta nada.

Cargas finales:

Cargas fijas Sobrecargas Total

Viga vieja 0 0 0 0,0 %

Refuerzo 400 200 600 100,0 %
Flechas finales:

El forjado viejo agotado, ya no participa en la rigidez resistente del techo y, por tanto, el refuerzo, con su rigidez, soportará la totalidad de las cargas.

Flecha total del refuerzo 400,0 %

En el momento del refuerzo no existía ninguna flecha inicial (se había apeado el techo).

La flecha total final coincidirá con la deformación total del refuerzo

con la carga total.

Flecha inicial 0,0 %

Flecha total del refuerzo 400,0 %

Flecha final del forjado 400,0 %
La distribución inicial comprenderá la totalidad de las cargas, con lo que el refuerzo soportará ya una parte importante (el 20%) y las vigas viejas permanecerán más descargadas (el 80% de la carga total). Esto equivale a multiplicar por 1,2 el coeficiente de seguridad previo del forjado viejo. La situación límite no es probable.

La flecha inicial del forjado ha desaparecido gracias a la descarga previa, de esta manera si se llegara a la situación límite, la flecha diferida del techo sería la solamente la del refuerzo (400,0 %), muy inferior a la probable en el refuerzo tradicional (466,6 %).

El refuerzo activo

Con una puesta en tensión cuidadosa del refuerzo se puede conseguir el grado de descarga del forjado viejo que se quiera y así, escoger la flecha final máxima. Los únicos problemas son el cálculo y la realización.

De las muchas posibilidades de refuerzos activos posibles y de los diferentes que hemos experimentado, centraremos la exposición en el Sistema NOU\BAU que es el que hemos desarrollado y experimentado más a fondo.

Esquemáticamente, el sistema consiste en una viga de plancha de acero inoxidable, formada por tres perfiles tipo omega invertida (puede empotrarse en el techo), que se montan en obra de forma ligeramente arqueada, y que se pone en carga mediante dos gatos hidráulicos en los soportes. La reacción de los gatos hidráulicos se sitúa junto a los soportes para evitar que los esfuerzos de reacción afecten a los forjados inferiores.

Aproximadamente a los tercios de la luz, se colocan unos prismas separadores que, cuando el conjunto se pone en carga (las vigas NB se preflechan y pierden la convexidad inicial), introducen dos fuerzas ascendentes, que neutralizan los efectos de las cargas fijas. Con la viga así preflechada se fijan los soportes.

Estadio inicial de un refuerzo NB puesto en tensión

Comportamiento del forjado inmediatamente después del refuerzo con NB160, 12 kp/m2 de acero inoxidable.

Cargas iniciales:

Cargas fijas Sobrecargas Total

Viga vieja 0 200 x 4/5 160 26,6 %

Refuerzo 400 200 x 1/5 440 73,3 %

Factor de seguridad del forjado viejo

El forjado debe soportar sólo el 26,6 % de las cargas iniciales FS

= 100 / 26,6

FS = 3,76

Flechas iniciales:

Al reforzar, la rigidez relativa total pasa de 4 a 5 y, por lo tanto, la flecha de las sobrecargas disminuirá en la misma proporción. La flecha de las cargas fijas quedó anulada en el proceso de

montaje.


Flecha de las cargas fijas 0,0 %

Flecha de las sobrecargas 33,3 x 4/5

26,6 %

Flecha máxima total 26.6 %



Durante la operación de tensado el refuerzo se ha deformado por la carga que soporta (440; 73,3 %)
Deformación inicial del refuerzo N\B

73,3 x 4 293,3 %

Estadio límite final de un refuerzo NB puesto en tensión, casi imposible Comportamiento del forjado en una situación final límite. El forjado antiguo se ha desintegrado y no soporta nada.

Cargas finales:

Cargas fijas Sobrecargas Total

Viga vieja 0 0 0 0,0 %

Refuerzo 400 200 600 100,0 %

Flechas finales:

El forjado viejo agotado, ya no participa en la rigidez resistente del techo y, por tanto, el refuerzo, con su rigidez, soportará la totalidad de las cargas.

Deformación total del refuerzo 400,0 %

En el momento inicial, existía una deformación inicial (la del preflechado)

- Deformación inicial del refuerzo 73,3 x 4 -293,3 %

Incremento de la deformación 106,6 %

Cuando el refuerzo llegue a soportar la totalidad de las cargas, casi imposible, la flecha total respecto los elementos vecinos será.

Flecha inicial de las cargas fijas 0,0 %

Incremento de la deformación 106,6 %

Flecha final del forjado 106,6 %

En el estadio inicial, el refuerzo ya aguanta todas las cargas fijas. Las sobrecargas se repartirán entre la viga vieja y el refuerzo según sus rigideces relativas.


El estadio límite final no se producirá nunca, porqué la viga vieja ha sido descargada, y sólo soporta, en los instantes de sobrecarga máxima, un 26,6 % de las cargas totales. El coeficiente de seguridad inicial resulta teóricamente multiplicado por un factor 3,56. En la experimentación realizada, se ha podido observar que en la realidad es muy superior, debido a que la presión del preflechado entre la viga NB i el forjado antiguo, aumenta tanto el rozamiento entre ellos, el conjunto se comporta como una viga mixta, hasta cargas muy superiores a las de uso. Si por cualquier otra causa, la viga vieja se desintegrase, el refuerzo asumiría todas las cargas.

El incremento de flecha (6,6%), máximo posible y nada probable, en un hipotético estadio final, es totalmente despreciable y, seguro que no provocará ningún desaguisado en los elementos vecinos.

La puesta en carga del refuerzo, se calcula cuidadosamente para contrarrestar los momentos producidos por las cargas fijas del forjado. A partir del diagrama de momentos de las solicitaciones, se calculan las fuerzas que minimicen el diagrama de momentos y anulen las flechas anteriores.

Para conseguirlo, tuvimos que poner a punto un método de análisis del comportamiento de las vigas y refuerzos, basado en su fragmentación en 50 elementos finitos lineales, en la definición de sus interacciones, y en la representación de los parámetros más significativos. Con esta herramienta, se puede dar una respuesta personalizada al problema concreto de cada viga.

Conclusiones

La posibilidad de que el techo viejo colapse y haya de actuar el refuerzo solo es muy diferente: mientras que el factor de seguridad del refuerzo tradicional es de 1,07 (la rotura es muy probable), en el refuerzo con descarga previa pasa a 1,2 (la rotura no es probable) y en el refuerzo activo llega a 3,76, (la rotura es prácticamente imposible)

En la flecha total potencial, las diferencias también son notables: 467 % en el refuerzo tradicional, 400% en el refuerzo con descarga y 106,6% en el refuerzo activo; respecto al 100% de un techo en buenas condiciones.

En reparaciones masivas, los sistemas tradicionales de refuerzo no son válidos, porque las "muy probables" deformaciones diferidas (467%) provocarán grietas en los elementos constructivos colindantes.

Una mejora de los sistemas tradicionales, es la descarga previa del forjado, que mejora la seguridad y disminuye la flecha total. En la práctica, su realización es compleja, requiere un cálculo cuidadoso y mucha precisión en la ejecución.

En el análisis comparativo de los sistemas de refuerzo, se constata que el refuerzo activo (tipo NOU\BAU) destaca porqué aumenta la seguridad del forjado viejo (FS=3,76) y minimiza la flecha diferida potencial (106,6%).

En la elección de un sistema de refuerzo es imprescindible estudiar el proceso de montaje y evaluar el comportamiento diferido Como la fluencia de un forjado viejo es muy lenta, la eficacia y el futuro de un refuerzo sólo se pueden prever conociendo perfectamente el proceso de montaje.

Los sistemas de refuerzo activo han introducido un nuevo material de construcción: las fuerzas. Utilizándolas convenientemente, se pueden conseguir resultados sorprendentes con ahorros importantes de los materiales típicos.



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