Aviad Shapira

Las cimbras tubulares son la solución preferida de moldeo para losas, vigas y otros elementos muy elevados de concreto colado en obra. Estas cimbras son muy adecuadas para elementos que se elevan a alturas tales que la solución común de puntales individuales deja de ser adecuada (comúnmente a alturas mayores a 3 a 4 metros).

Existen otras soluciones para construcciones de concreto colado en la obra y con grandes claros, con base en moldes soportados por elementos verticales de la estructura construida (por ejemplo, muros, columnas). Sin embargo, tales elementos pueden no estar a disposición en los lugares requeridos, si es que los hay. Así pues, se utilizan ampliamente cimbras tubulares, que están disponibles en el mercado en varias configuraciones y pueden observarse en lugares de construcción de edificios públicos, comerciales e industriales, así como también en la construcción de carreteras, puentes que se elevan a alturas entre 3 y 30 m e inclusive más altos (figura 1).¹

A pesar de su uso común, sólo un número limitado de especialistas tiene el conocimiento para el diseño de cimbras tubulares. Además, el proceso mismo de diseño a menudo se complica y se hace difícil de generalizar, debido a la variación e irregularidad que caracteriza a las estructuras que contienen tales elementos de concreto. La falta de datos básicos de diseño (por ejemplo, horas de trabajo) también complica la capacidad de comparar diseños alternativos y de producir soluciones económicas.

Este artículo informa sobre un método, fundamentado en datos y conocimientos, para el diseño económico de sistemas de cimbras basados en bases tubulares para elementos de concreto elevados. Se presentan aquí dos componentes principales de este método:

. Un sistema inteligente que combina un modelo de construcción orientado al objeto, una base de conocimientos y gráficas por computadora para generar automáticamente la entrada de información requerida, determinar las disposiciones generales de las torres, llevar a cabo análisis estadísticos y evaluaciones económicas, y elaborar planos de trabajo.

. Una base de datos económica que se enfoca actualmente a entradas de información de trabajo (horas) en el montaje y desmantelamiento de las bases tubulares de varios tipos y alturas.

En el corazón del método propuesto están la formalización del conocimiento correspondiente a cimbras tubulares y la estructuración de la experiencia de personas, para poner ambas a disposición de los profesionales a través de una herramienta de apoyo de diseño orientado a la práctica.

Cimbras tubulares

La cimbra tubular es única en varios aspectos:

. A diferencia de una base ajustable individual, la torre tiene una geometría en su proyección horizontal o una sección transversal en dos dimensiones, y por lo tanto, su localización en el edificio se ve grandemente afectada por diversas restricciones geométricas del mismo.

. A diferencia de los elementos de concreto de altura regular, tales como los de edificios residenciales, donde los puntales individuales son la solución de apuntalamiento común, los elementos muy elevados en estructuras para las cuales se emplean frecuentemente las cimbras tubulares, no son uniformes, no se parecen uno a otro y con frecuencia están marcados por variación e irregularidad difíciles de generalizar. Consecuentemente, casi cada caso particular necesita su propia solución individual.

. La altura de la cimbra afecta grandemente el costo del proceso de cimbrado. Si, por estimaciones comunes, la cimbra representa de 35 a 60 por ciento del costo del concreto colado en la obra,² entonces las cimbras tubulares pueden llevar los números al límite superior de este rango, e inclusive más arriba. Por lo tanto, la utilización eficiente de las cimbras tubulares o, con más precisión, el uso de tan pocas elemntos tubulares como sea posible para un diseño seguro, es de la mayor importancia económica.

. La altura, por supuesto, afecta la estabilidad de cada torre y la estabilidad total de la cimbra. Esto debe considerarse con gran detalle y a menudo da como resultado soluciones no convencionales. Sin embargo, la altura no afecta la disposición horizontal de las torres.

Estos factores con frecuencia hacen problemático el proceso no estándar de diseño de la cimbra basada en altas bases tubulares. En muchos aspectos, es una profesión especializada, y el número de expertos en esta área es considerablemente menor que el del diseño común de cimbras.

El problema puede verse también en el producto final, no solamente en el proceso. Con frecuencia se observan en los lugares de construcción soluciones que no son económicas, con cimbras tubulares que están claramente subutilizadas. Este es el resultado, o bien de una consideración inapropiada de las restricciones geométricas del edificio, o bien de una pobre combinación de elementos tales como cimbras tubulares de gran capacidad con largueros y viguetas débiles.

Así pues, se formulan a continuación los objetivos principales del sistema propuesto:

Servir como una ayuda práctica de diseño en manos de muchos, empleando el conocimiento, la experiencia y la pericia de unos pocos.

Proveer de soluciones para casos particulares, tomando en cuenta consideraciones específicas.

Poner mayor énfasis en la economía de las soluciones.

La manera en que estos objetivos generales se llevan a la práctica con una consideración específica de la cimbra tubular está fuertemente ligada al proceso de diseño de tal cimbra. Pueden identificarse cuatro etapas principales de diseño:³

1. Selección del elemento

Comúnmente, los elementos seleccionados están disponibles en la compañía constructora o se han utilizado previamente de manera satisfactoria, o ambas cosas. En cualquier caso, la selección de elementos no es necesariamente un acto de un solo tiempo, puesto que a menudo la decisión inicial se cambia sobre la base de las siguientes etapas de diseño.

2. Disposición de las torres

La etapa que constituye la mayor diferencia entre el diseño de la cimbra de claro bajo con base en puntales individuales y el diseño de la cimbra tubular alta es la determinación de la disposición total de las torres. En esa etapa, el diseñador examina los planos de la estructura, analiza las restricciones principales –geométricas y de otro tipo (por ejemplo, la necesidad de dejar un pasadizo para el tránsito de personas y vehículos)– y, con base en el conocimiento y la experiencia, produce una disposición general de las torres. Con frecuencia se genera más de una solución, y la decisión en cuanto a cuál adoptar se hace solamente en una etapa posterior.

3. Análisis estadístico

Una vez que se ha determinado la disposición de las torres, se calculan los espaciamientos de elementos para las viguetas, los largueros y las torres, con apego a los requisitos de resistencia, estabilidad y seguridad. Para más de una opción de disposición de las torres o de combinación de los elementos, ésta es la etapa en que las opciones se reducen.

4. Evaluación económica

Se comparan las opciones considerando materiales y costos de mano de obra, para llegar a la solución más económica.

Sistema basado en el conocimiento

El sistema propuesto sigue las cuatro etapas precedentes. Como se mencionó antes, la determinación de la disposición de las cimbras tubulares es el punto donde la singularidad de la cimbra adquiere su más notable expresión, y, como tal, es también el núcleo del sistema propuesto. El resto de la descripción del sistema que sigue se centra en esta etapa.

La primera tarea del sistema es "leer" los planos de la estructura y proporcionar la información necesaria para establecer la figura geométrica. Esta figura es la forma y las dimensiones, tanto del elemento de concreto que ha de ser soportado, como del espacio en donde las bases tubulares han de ser colocadas. La figura geométrica es la identificación de objetos definidos como losa, viga, muro, columna, etc., y sus coordenadas espaciales.

Para ser capaces de "leer" los planos y proporcionar esta clase de información, se utilizó un modelo orientado al objeto. El Modelo del Proyecto de Edificio (Building Projecto Model, BPM) fue desarrollado recientemente en el Instituto de Tecnología de Israel, Technion, en el marco de otro proyecto de investigación.⁴ El BPM se pone en práctica en una PC, utilizando un ambiente AutoCAD 13 como plataforma de desarrollo. Este modelo fue examinado en el curso del presente estudio, y se lo encontró adecuado, principalmente debido a que fue desarrollado con vistas a apoyar aplicaciones de ingeniería de la construcción, tal como la que se expone aquí.

Debe hacerse notar que un prerrequisito para la generación automática de entrada de información de una estructura dada que aquí se propone, es que la estructura fue diseñada a priori utilizando el BPM: de otro modo, el diseño tiene que convertirse a partir de cualquier paquete CAD que se haya empleado, o de dibujos manuales. Sin embargo, esto es una limitación meramente técnica; cualquier otro modelo orientado al objeto utilizado en el desarrollo del sistema basado en el conocimiento aquí expuesto, proporcionaría esencialmente las mismas capacidades de generación automática de entrada de información.*

El sistema propuesto "leerá" los planos de la estructura para intensificar, por ejemplo, las vigas en un sistema losa-viga, y registrar la figura geométrica. Las funciones están escritas en AutoLISP++, que es una extensión AutoLISP creada dentro del desarrollo del BPM.

Una vez que la figura geométrica ha sido registrada por el sistema, está listo para empezar a operar el siguiente módulo, el cual proporciona soluciones de disposición de cimbras tubulares que se ajustan a las restricciones geométricas específicas. El cuerpo principal de conocimiento del sistema está representado por un conjunto de reglas. Cada regla corresponde a una situación específica definida por dos cláusulas: una restricción, que es la parte SI (condicional) de la regla, y una solución, que es la parte ENTONCES de la regla.

Por ejemplo: "SI hay vigas a desnivel en un sistema de losas soportadas por vigas en una dirección, ENTONCES, coloque filas de cimbra tubular debajo de las vigas, de modo que coincidan las líneas centrales de las vigas y las filas de cimbra tubular.” (Razonamiento: se permite que las torres comunes estén cargadas únicamente a través de sus cabezas, y no a través de los largueros superiores de los marcos, a menos que estos largueros estén reforzados. Así pues, las vigas a desnivel tienen que ser manejadas separadamente de la losa que soportan.)

Otro ejemplo: "SI hay una losa con pendiente, ENTONCES determine la dirección de los largueros perpendicular a la dirección de la inclinación.” (Razonamiento: es preferible tener los largueros y no las viguetas colocados con una inclinación lateral, debido a que, a diferencia de las viguetas que descansan libremente en los largueros, éstos pueden ser asegurados a las cabezas en "U" de la torre).

Ejemplos que dan como resultado otras restricciones son columnas, escaleras con su armazón, niveles inferiores variables del elemento soportado, un contorno no ortogonal del elemento soportado y niveles variables del terreno o del piso.

Una vez que se ha considerado la combinación de las restricciones geométricas, restricciones de carga, condiciones de frontera, restricciones prácticas, así como la disposición básica (de cimbras tubulares uniformemente espaciadas, largueros en una dirección y viguetas en dirección perpendicular), el sistema puede generar una solución básica (figura 2), o más de una solución –es decir, inclusive antes de realizar un análisis estadístico para determinar los espaciamientos máximos permitidos de los varios elementos–. Los objetivos de las restantes etapas de diseño son entonces refinar las soluciones alternativas básicas, efectuando los algoritmos de análisis estático, y hacer una selección final con base en la evaluación económica. Estas últimas dos etapas son de una naturaleza más técnica, y se han tratado en estudios previos. ³

Hay que subrayar que, debido a la naturaleza y al modo de operación de una herramienta de soporte de diseño inteligente, debe hacerse una clara distinción en el desarrollo de la herramienta, entre las etapas de diseño que siguen algoritmos generales (por lo regular inequívocos), y aquellas basados en juicios personales y experiencia adquirida de soluciones de casos particulares anteriores. De las etapas arriba señaladas, el análisis estadístico y la evaluación económica pertenecen a la primera categoría, mientras que la disposición de las bases tubulares con respecto a la figura geométrica de la estructura es un ejemplo de la segunda categoría. Esta distinción es menos significativa cuando se emplean procedimientos de diseño no automatizados. Por ejemplo, las guías generales de diseño para cimbra tubulares, colocan una recomendación para "colocar largueros paralelos a la dimensión más grande del edificio" (experiencia), al lado de "el espaciamiento de las viguetas debe maximizar la capacidad del revestimiento de triplay" (algoritmo).

Modelo de datos de entrada

A fin de poder estimar el costo de cualquier solución, se requieren datos básicos sobre el material y la mano de obra. Mientras que es evidente que en cimbras tubulares de gran altura, las bases tubulares son el componente de costos más importante, puede ser menos obvio que dentro del costo total de las torres, el costo de la mano de obra constituye la porción más grande.

Si, por ejemplo, el precio de una torre de acero de 12 m de alto es 1,500 dólares, y se consideran 60 reúsos, entonces el costo del material de cada uso es aproximadamente 30 dólares, dependiendo de los valores utilizados para la vida económica y la tasa de interés. Para la misma torre, basándose en datos de entrada de trabajo de ocho horas para el montaje y desmantelamiento⁶ a 25 dólares por hora, el costo de la mano de obra es 200 dólares, es decir, 6.7 veces más que el del material. Si se toman en consideración otros factores de costo tales como los costos de mantenimiento, o si las bases tubulares son rentadas (lo que eleva el costo de cada uso), esta diferencia puede ser menor, pero aún así, la mano de obra será de al menos de cuatro a cinco veces más cara que el material.

Por lo tanto, es bastante sorprendente, al menos desde este punto de vista, que casi no se encuentren en ninguna parte datos de entradas de trabajo en el montaje y desmantelamiento de las bases tubulares. Consecuentemente, hay mucha incertidumbre al obtener costos de mano de obra para tal cimbra, y en particular para las bases tubulares que se elevan por encima de lo común, de 4 a 5 m. De ahí la importancia de los datos de entrada de trabajo.

Para resolver el problema de la carencia de datos de entrada , y por otro lado, para vencer la dificultad de realizar numerosos estudios de trabajo para diferentes configuraciones de torres y varias alturas en el rango de 3 a 30 m, se desarrolló un modelo de datos de entrada .⁶ Se analizaron los trabajos básicos de montaje y desmantelamiento de cimbras tubulares y se dibujaron líneas de regresión para ciertos tipos de torres, con base en los estudios de trabajo realizados para un número relativamente pequeño de alturas.

La figura 3 muestra como ejemplo la curva de entrada de información de trabajo en el montaje y desmantelamiento (o línea de tendencia) para cierto tipo de bases tubulares de aluminio. Se realizaron estudios de tiempo para este tipo de cimbras tubulares para seis alturas diferentes, de una a seis hileras de torres, correspondiendo de 2.8 a 11.2 m . El análisis de los resultados mostró que es más correcto considerar las entradas de trabajo en las cimbras tubulares en términos de hileras y no de altura, porque el número de hileras afecta las entradas de información de trabajo más que la altura. Ejemplos de entradas de trabajo en el montaje y desmantelamiento de las bases tubulares de aluminio: seis horas de trabajo para una torre de seis hileras, según se obtuvo mediante estudios de trabajo; 10 horas de trabajo para una torre de ocho hileras (15 m de altura), según se obtuvo con el modelo.

La línea de tendencia mostrada en la figura 3 es una superposición de entradas de trabajo de montaje y desmantelamiento. Para ciertos propósitos, puede ser útil utilizar únicamente la curva, ya sea del montaje o del desmantelamiento (por ejemplo, para estimar el tiempo que tomaría levantar un número dado de torres).

En la tabla 1 se dan lo datos de entrada de trabajo para dos tipos de cimbras tubulares que se han obtenido hasta la fecha. Existen diferencias claras entre los dos tipos de torres. Los resultados están siendo utilizados en otro proyecto de investigación para estudiar los factores que afectan los datos de entrada de datos, tales como configuración de las torres, peso de los componentes y métodos de ensamblado.

Debe notarse que los datos de entrada de información de trabajo obtenidos son considerablemente más altos que los datos comúnmente anunciados por los fabricantes de cimbra tubular. Una razón es que los tiempos registrados dentro del estudio actual relacionan no sólo el trabajo directo de montaje/desmantelamiento, sino también varios trabajos preparatorios (tales como el aceitado de los gatos de tornillo y la marcación de la localización de las bases de los elementos tubulares en el piso), así como también el aplomo y nivelación fina.

Reconocimiento

Esta investigación fue apoyada por el Fondo para la Promoción de la Investigación en el Instituto de Tecnología de Israel, Technion. El autor agradece a R. Sacks por compartir información sobre el Modelo del Proyecto de Edificios. La asistencia de computadora para esta investigación fue proporcionada por el estudiante graduado L. Lakhovsky.

Referencias

1."Doka Floor Formworks System d2", catalog núm. 07/96 y Deutsche Doka Schalungstechnik GmbH, Maisach, Alemania, 1996, p. 10.

2 M.K. Hurd, Formwork for concrete, 6ª. ed., SP-4, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich., 1995.

3.A. Shapira, “Formwork design for high elevated slab construction”, Construction Management and Economics, vol. 13, núm. 3, mayo de 1955, pp. 243-252

4.R. Shacks y A. Warszawski, “A project model for an automated building system: Design and planning phases”, Automation in Construction, vol. 7, núm. 1, diciembre de 1997, pp. 21-34.

5.R.S. Johnston, “Design Guidelines for Formwork Shoring Towers”, Concrete Construction, vol. 41, núm. 10, octubre de 1966, pp. 743-747.

6. A. Shapira y D. Goldfinger, “Work inputs in shoring tower-based formwork for high elevated concrete elements”, Research Report 017-547, National Building Research Institute, Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel, 1996.

* Puede obtenerse información adicional respecto al BPM dirigiéndose a Rafael Sacks, en el Instituto Nacional de Investigación de Edificios, Technion City, Haifa 32000, Israel, fax: +972-4-8324534, e-mail: cvsacks@ tx.technion.ac.il.

Aviad Shapira es miembro del Comité 347 del ACI, conferencista Senior del Instituto de Tecnología de Israel, Technion, e investigador Senior en el Instituto Nacional de Investigación de Edificios en Haifa, Israel.

Este artículo fue publicado en Concrete International y se publica con la autorización del American Concrete Institute

(Ilustraciones:)

Figura 1. Cimbra tubular para una losa con un gran claro .

Figura 2. Ejemplo de una disposición de bases tubulares generado por el sistema.

Figura 3. Modelo de entradas de información de trabajo de montaje y desmantelamiento