Fallo de vigas largas de hormigón prefabricado pretensado

La aparición de una flexión o una deflexión excesiva alrededor del eje débil de una viga prefabricada pretensada esbelta, o incluso el colapso de un puente de vigas de hormigón prefabricado pretensado en una obra durante la fase de izado, no es una desgracia infrecuente. Pero, ¿sigue ocurriendo realmente hoy en día con todos los códigos de seguridad, directrices y la experiencia de ingeniería previa? Sí, ocurre. ¿Cómo es posible? ¿Cuál es el problema?

Inestabilidad lateral de vigas largas pretensadas

Las vigas o jácenas de hormigón prefabricado se utilizan en una amplia variedad de proyectos, típicamente naves industriales, grandes superficies comerciales, almacenes o puentes de vigas de hormigón prefabricado pretensado. Varios avances tecnológicos, como los materiales utilizados, las formas de sección transversal más eficientes y los torones de pretensado de mayor tamaño, permiten alcanzar luces mayores. Debido al aumento de la luz, el peso total de dichas vigas también aumenta, haciendo a veces que las etapas de transporte y manipulación sean los casos de carga críticos en el diseño estructural, como se muestra en la figura [3].

La estrategia habitual para superar este problema consiste en minimizar el peso propio de las vigas reduciendo el ancho de los patines. Sin embargo, esto también reduce la rigidez en el eje débil y la rigidez torsional del elemento, amplificando el riesgo de inestabilidad lateral. [1]

Los accidentes y daños reportados debidos a la inestabilidad lateral suelen estar asociados a excentricidades que activan efectos de segundo orden durante situaciones de carga transitorias (izado, transporte y apoyo sobre apoyos). Las fuentes típicas de estas excentricidades son las tolerancias de fabricación, variaciones en el posicionamiento lateral de los torones, fisuración local, deformación diferida por fluencia y retracción, y el calentamiento solar en un lado, que provoca el arqueamiento de la viga. Dado que se asumía que las vigas de hormigón pretensado tenían suficiente margen de rigidez en el eje débil, tradicionalmente se ha prestado escasa atención al fenómeno. [1]

Accidentes de vigas largas de hormigón prefabricado pretensado

El puente Dehtiarivskyi de Kiev, construido en 1965 y cerrado para su renovación el 13 de junio de 2023, colapsó [2]. Al parecer, después de que ya se hubieran montado seis vigas, los trabajadores comenzaron a instalar la séptima, y la viga perdió su estabilidad, empujando al resto de las vigas, y todo colapsó. Afortunadamente, no hubo víctimas, pero por supuesto se produjeron enormes daños económicos.

Otro ejemplo es el fallo durante la fase de izado. Una viga de hormigón prefabricado pretensado de 45,6 m de longitud con sección transversal constante en forma de I, con una altura de 2 m y un ancho del ala superior de 1,2 m. Imagine esto: una forma deformada tras la primera operación de izado y un aumento drástico del desplazamiento lateral de hasta 300 mm (L/150). La viga fue colocada de nuevo en el suelo para evaluar los posibles daños. Tras la inspección, se observaron fisuras verticales en el ala superior izquierda. Las anchuras de fisura superaban los 0,4 mm, lo que debería haberse reparado para cumplir con los requisitos de durabilidad si el elemento iba a ser finalmente aceptado.

A continuación, se realizó un segundo intento de izado. Sin embargo, mostró un arqueamiento lateral de más de L/400, lo que significaba que esta viga era incapaz de recuperar su forma original. Esto fue probablemente causado por la deformación plástica que se produjo durante las operaciones de izado. Por tanto, esta viga fue rechazada, y se produjo y transportó una nueva viga a la obra. [1]

Diseño seguro de vigas esbeltas de hormigón prefabricado pretensado

¿Cómo podemos prevenir tales accidentes y daños? ¿Dejamos de diseñar vigas largas de hormigón pretensado? Por supuesto que no, sería un paso atrás y una verdadera lástima (el autor es un gran aficionado al hormigón pretensado). Para un ingeniero estructural, no es una tarea fácil ofrecer un diseño seguro y económico en pocos minutos.

Y en este caso, me temo que el lápiz y el papel no son suficientes. En mi práctica de ingeniería reciente, siempre deseé que existiera un software que pudiera ayudarme con los complejos cálculos relacionados con el pandeo lateral por torsión (PLT) de vigas pretensadas esbeltas. Naturalmente, no quería pasar mi juventud introduciendo valores de entrada e interpretando resultados en programas a medias.

La solución para el pandeo lateral por torsión

Buenas noticias: existe IDEA StatiCa con análisis complejo para el pandeo lateral por torsión (PLT) de vigas largas de hormigón prefabricado pretensado. Todo esto está disponible en una sola herramienta que es fácil de usar, tiene resultados claros y genera informes automáticamente. Solo hay que seguir el flujo de trabajo típico de IDEA StatiCa Beam:

• Geometría: la sección transversal, la información de la luz, los tendones de pretensado y el historial de fases constructivas ya están definidos en la aplicación Beam para el análisis global y el diseño. Todos los datos se tienen en cuenta automáticamente.
• Pestaña de estabilidad lateral: defina datos de entrada detallados sobre el izado, el transporte y otras fases constructivas, como la imperfección inicial, los detalles de los eslingas, los tipos de apoyo final, etc.  Todos estos aspectos influyen en el análisis de PLT.
• Ejecutar el análisis de PLT: es decir, análisis no lineal material y geométrico con imperfecciones iniciales. El método avanzado subyacente, no métodos o fórmulas simplificadas.
• Resultados: los resultados del análisis de PLT son reacciones, esfuerzos internos y deflexión.
• Verificación de PLT: hasta ahora, está disponible la introducción manual en la aplicación RCS. Tras ejecutar el análisis de PLT, vaya a los resultados detallados (aplicación RCS) y guarde como nuevo archivo, introduzca los esfuerzos internos adicionales debidos al pandeo en la combinación última y de servicio determinante y ejecute todas las verificaciones.
  Nota: La introducción automática de los resultados de PLT en las combinaciones de verificación se desarrollará próximamente. 
• Informe: Genere informes precisos con verificaciones normativas automatizadas y resultados personalizables, ahorrando tiempo y reduciendo el riesgo de errores. 

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Última palabra

Garantice la seguridad de las vigas en cada etapa de fabricación y construcción con verificaciones integradas de estabilidad PLT, cubriendo todas las condiciones desde el almacenamiento, pasando por el transporte hasta el izado. Deje de preocuparse o incluso de evitar el diseño de vigas esbeltas de hormigón prefabricado pretensado porque están en riesgo de perder su estabilidad lateral. ¡Hoy puede estar seguro contando con IDEA StatiCa de su lado!

Fuentes

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Case Study of Failure of Long Prestressed Precast Concrete Girder During Lifting, Engineering Failure Analysis, Volume 100, 2019, Pages 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061, (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236)

[2] Disponible en línea https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html

[3] Disponible en línea https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/