Sobre el proyecto
El sistema de sostenimiento de excavación (SOE, por sus siglas en inglés) se construye con muros pantalla de hormigón armado (D-walls) unidos entre sí mediante un sistema interno de arriostramiento de acero. Es una estructura temporal que permite construir la caja de la estación subterránea permanente, que es por donde circula y se detiene el metro. El objeto de este trabajo es el cálculo y la verificación de las uniones de acero prefabricadas que forman ese arriostramiento temporal.
Los elementos de chapa de acero cumplen con CAN/CSA G40.20-13 / G40.21-13, Grado 350W, y los puntales tubulares cumplen con ASTM A252M-19 Grado 3. Cuando se emplean uniones atornilladas, estas utilizan tornillos de alta resistencia conformes con ASTM A490M. El acero se fabrica tanto a nivel local como, en algunos casos, en el extranjero, y después se envía a cada obra para su montaje y erección. Grounded Engineering es el ingeniero responsable del proyecto (Engineer of Record, EoR) en dos emplazamientos y se encarga del detallado de las uniones en el otro.
Retos de ingeniería
Los empujes laterales del terreno sobre el sistema SOE se obtuvieron mediante diagramas de presiones aparentes de tierras para definir envolventes de cálculo representativas. Esas envolventes, junto con las condiciones indicadas a continuación, se utilizaron para establecer las fuerzas de cálculo de las uniones en términos de esfuerzo axil, cortante y momento flector:
- Presión hidrostática
- Sobrecargas de construcción
- Acción del hielo y efectos térmicos
- Cargas de tablero de tráfico y de grúa pórtico
- Cargas accidentales
- Cargas excéntricas
El arriostramiento interno soporta un esfuerzo axil considerable, lo que significa que las uniones entre los elementos de arriostramiento y los muros pantalla están sometidas a cargas elevadas. Grounded Engineering desarrolló los diseños iniciales aplicando la mecánica de la ingeniería junto con las disposiciones de CSA S16, CSA S6, CSA A23.3 y AISC, según correspondiera. Esos métodos proporcionaron una estimación fiable de primer orden de la capacidad de la unión, pero por su naturaleza simplifican el comportamiento real de la unión.
La combinación de geometría compleja, cargas elevadas e interacción entre el acero y el hormigón hizo que varios efectos fueran difíciles de determinar con precisión mediante cálculo manual. La redistribución de tensiones, las concentraciones de tensiones, la flexibilidad de las chapas, el efecto palanca, el flujo tridimensional de las cargas, la rigidez de la unión y la estabilidad local entran todos en esa categoría. Además, una excentricidad de construcción prescrita de 50 mm introdujo momentos y deformaciones que no resultan fáciles de reflejar con los cálculos manuales convencionales.
La constructibilidad añadió otra capa de complejidad. Los conjuntos de unión son grandes y complejos, por lo que hubo que comprobar las tolerancias de fabricación, las holguras de montaje y las posibles interferencias. Y, dado que las condiciones en obra seguían evolucionando durante la construcción, el equipo necesitaba una forma rápida de analizar las configuraciones tal como se habían ejecutado y de definir soluciones correctivas prácticas cuando algo cambiaba.
Soluciones y resultados
Para resolver estas uniones, Grounded Engineering utilizó IDEA StatiCa Connection para las uniones de acero y trasladó la parte de hormigón a IDEA StatiCa Detail. En Connection, el Método de los Elementos Finitos Basado en Componentes (CBFEM) se encargó de las chapas, las soldaduras, los tornillos y del anclaje del arriostramiento en el muro pantalla. Después se utilizó Detail para verificar la región de hormigón armado donde esas fuerzas se transmiten al muro.
Los análisis CBFEM complementaron los cálculos tradicionales en lugar de sustituirlos. Reflejaron un comportamiento que los métodos manuales solo podían aproximar, incluidos los recorridos de carga tridimensionales, la deformación de las chapas, el efecto palanca, el comportamiento de las soldaduras y la interacción entre el acero y el hormigón armado. La excentricidad de construcción de 50 mm se incorporó directamente a los modelos, de modo que los efectos secundarios y las deformaciones de la unión asociados a ese desfase pudieron estudiarse de forma explícita.
Cabe señalar que el análisis no sustituyó el criterio de ingeniería del equipo. Le dio mayor confianza en las hipótesis de cálculo y puso de relieve zonas donde se podían optimizar componentes individuales de la unión. El paquete final de cálculo refleja ese equilibrio, con 115 páginas de cálculos manuales respaldadas por 81 páginas de resultados de IDEA StatiCa.
Los modelos 3D también resultaron útiles en cuanto a la constructibilidad. Poder examinar el conjunto completo de la unión en tres dimensiones permitió al equipo detectar posibles interferencias y comprobar las tolerancias de montaje antes de que nada llegara a la obra. Cuando surgieron condiciones tal como se habían ejecutado o modificaciones en obra durante la construcción, esos cambios pudieron evaluarse rápidamente, lo que ayudó a determinar si eran necesarias medidas correctivas y a reducir al mínimo el impacto en el plazo.
Para la coordinación, los modelos de las uniones se exportaron a IFC y DWG, de modo que pudieran incorporarse a Revit junto con el resto de los datos del proyecto. Esto proporcionó a los equipos de ingeniería, delineación y construcción una referencia 3D compartida de cada unión sobre la que trabajar, que es a menudo donde se detectan a tiempo errores y consultas (RFI) innecesarias.
Grounded Engineering señaló también que el software era solo una parte de la historia. Desde el arranque inicial hasta el soporte técnico continuo, el equipo de IDEA StatiCa se mantuvo receptivo y comprometido con el proyecto, y el desarrollo continuo impulsado por los comentarios de los usuarios convirtió al software en un socio útil a lo largo del cálculo.