Charla Web “Prefabricación Pesada Usos y Ventajas” – PARTE I

La Prefabricación, es una Técnica constructiva que consiste en la ejecución de un elemento estructural en una ubicación diferente a la final.

Como contraposición a ejecución “in situ”: lo que no se hace en el puesto, se prefabrica.

Como parte del proceso constructivo: la programación de la obra se hace diferenciando lo “in situ”, que ha de seguir cierto orden rígido (precedencias), frente a lo prefabricado, que es mucho más flexible

¿Cuáles son las variaciones de diseño de los elementos prefabricados, en comparación con los métodos convencionales de diseño? Para el diseño con prefabricados se usa la misma normativa, debiendo considerar que si son pretensados van a tener una primera etapa de cargas, que incluye prefuerzo, peso propio y carga permanente que se cuele sobre el mismo y que tenga que soportar estáticamente (losa o topping), para la cual solo está la sección del elemento, y una segunda etapa donde ya está incorporado a la estructura, donde la sección resistente incluye dicho topping o losa, y donde van a actuar otras cargas permanentes, sobrecargas, viento, sismo, etc.  Para el diseño de los elementos se han de superponer (sumar) los esfuerzos más desfavorables de cada etapa en cada sección, y en caso de ser pretensados, se han de sumar las tensiones en las correspondientes combinaciones de servicio para las secciones críticas. Por ello, el proceso es un poco más largo, pero no reviste mayor complejidad.

¿Qué tanto recomiendan los materiales prefabricados? Más que los materiales prefabricados, recomendamos absolutamente la técnica de prefabricación, siempre que se haga buen diseño estructural y calidad de equipo y acabado, sea factible el transporte de los prefabricados al proyecto y se cuente con equipo para su instalación.   El alquiler de equipo para instalación es muy caro y puede hacer inviable el uso de prefabricados en edificación, de ahí el interés de contar con equipo propio o solicitar el suministro e instalación de los prefabricados.

¿Las ventajas de construir con prefabricados? Hay que partir de la base de que para sacar el máximo jugo a los prefabricados se ha de diseñar considerando el uso de los mismos.  De ahí la necesidad de colaboración entre proyectistas y prefabricador. Las ventajas son claras: reducción de plazo constructivo, menos personal en obra, posibilidad de conseguir mayores luces, reduciendo la cantidad de soportes, mejor calidad de ejecución que los elementos “in situ”, mayor seguridad para el personal, sobre todo en trabajos en altura, uso de posibilidades de diseño inasequibles a obras “in situ” y, en definitiva, una mayor economía y satisfacción del cliente.  Sin embargo, en nuestra opinión lo importante no es intentar prefabricarlo todo, sino llegar a un adecuado equilibrio entre prefabricación y ejecución “in situ”, aprovechando las ventajas que ofrece cada sistema y minimizando sus inconvenientes.

¿Es más económico el uso de materiales prefabricados en proyectos de gran envergadura? El hecho de que esté tan extendido el uso de prefabricados, tanto en proyectos grandes como en pequeños, está fundamentalmente basado en que se consiguen economías sustanciales frente a otros procesos constructivos. Incluso hay algunos elementos estructurales que sólo se pueden hacer prefabricados. Las posibilidades que ofrece la prefabricación no solo abarca la estructura sino también la arquitectura, habiendo muchos edificios importantes con fachadas prefabricadas.   No está más extendidos por la falta de conocimiento sobre sus ventajas y posibilidades, tanto a nivel de promotores como de diseñadores.

¿Cuáles son los factores de diseño más importantes en el área de prefabricados? No basta ver temas resistentes en la estructura final, sino también los de estabilidad y esfuerzos originados por manipulación o inerciales. Y es preciso también diseñar el proceso de instalación, lo que incluye el equipo a emplear, ubicación de los mismos, accesibilidad, etc. Son condicionantes de peso.

¿Cuál es el grado de seguridad y funcionalidad que nos ofrece el uso de los prefabricados en la construcción de edificaciones? La gran ventaja en edificación, además de reducir costo y plazo, es la consecución de mayores luces, o lo que es lo mismo, reducción de apoyos (pilares y pantalla) generando grandes espacios libres, lo que es ideal para edificación institucional o comercial. También se reduce la fisuración en los entrepisos (prácticamente es inexistente), y se pueden realizar cerramientos de gran tamaño en poco tiempo sin pesar sobre la estructura principal (tienen su propia cimentación). Simplifica y hace más predecible el comportamiento estructural, además de ofrecer nuevas posibilidades de diseño formal con los prefabricados de fachada.

¿Cuál es la capacidad máxima de los de los prefabricados?  ¿Cuál recomiendan?  y ¿Cuál es el mayor distribuidor en Centroamérica? Los prefabricados se diseñan para tener la capacidad necesaria según el diseño estructural, por lo que la máxima capacidad depende del tamaño del problema y las limitaciones para transporte y manipulación.  Hemos manejado prefabricados de más de 40 Ton, pero se han usado prefabricados de cientos e incluso miles de toneladas, como en el caso del Confederation Bridge, en Canadá, donde se prefabricaron tramos de puente casi completos de hasta 190m de longitud y 7,500 Ton de peso. La recomendación es que se usen prefabricados pretensados por su capacidad resistente, ligereza, durabilidad y economía, con los que se pueden resolver la mayor parte de estructuras a flexión (entrepisos, tableros de puentes, paredes de cerramiento, etc.). Salvo en Nicaragua, donde no tengo constancia, en todos los países de Centroamérica hay empresas dedicadas a prefabricación pesada, algunas con larga experiencia y gran capacidad, que incluso transportan prefabricados a otros países.

¿Qué cuidados se deben tener en el transporte de prefabricados con hormigón pretensado? Para elementos de gran longitud, hay que evaluar el trazado y los obstáculos en la vía de transporte para ver la factibilidad de la misma, lo que resulta crítico en el caso de tener que atravesar poblaciones, sobre todo en zona rural, donde no es raro que la vía haga quiebres a 90° con calles estrechas. Eso podría llegar a hacer prácticamente imposible el transporte de las vigas.

¿El período de diseño con estructuras pretensadas es mayor al de otras formas de diseño? Si se refiere al tiempo que se tarda en el diseño, no necesariamente es mayor, ya que son estructuras con menos elementos distintos; lógicamente, al inicio cuesta más, pero según se va dominando la técnica se consigue bastante soltura. Una vez que diseñas con estos prefabricados, y ves las ventajas de los mismos (así como tus clientes), se pierde interés en diseñar con otros sistemas menos optimizados. Si se refiere a la durabilidad, al trabajar según la normativa se consiguen como mínimo similares condiciones de periodo de diseño, pero la durabilidad es mayor, ya que son elementos que no se fisuran y por ello sufren muy poco deterioro a lo largo del tiempo, no requiriendo mantenimiento, lo que en otros sistemas resulta incluso oneroso, como en el caso de las estructuras metálicas. Por durabilidad se nos solicitó el diseño y ejecución de la primera nave con pilares y vigas prefabricadas, con 25m de luz.

¿Qué aplicación o software recomienda para el modelado de estos elementos? En su momento estuve buscando software para el diseño de elementos pretensados, pero la mayoría son complejos por buscar cubrir la mayor casuística posible.  Por ello, finalmente preparamos una hoja de cálculo para la comprobación (que no diseño) de elementos pretensados, que resulta extraordinariamente práctica y rápida, pero que exige tener un poco de experiencia.  Se hicieron dos versiones, una para losas de edificación y otra para vigas de puentes, pero conociendo su forma de uso y cómo hace el cálculo puede usarse para caso cualquier elemento lineal.  Con dichas hojas dejamos cerrado el planteamiento del prefuerzo, para lo cual nos apoyamos con el Autocad, pero es necesario realizar el modelado posterior de los elementos prefabricados, tanto en la Fase 1 como en la 2, ya que ahí se toman en consideración efectos de segundo orden. Para ese cálculo no se precisa más que un buen programa de cálculo estructural, con capacidad de análisis dinámico y de segundo orden, que pueda trabajar con barras y nudos (matricial) y con elementos finitos de forma simultánea. Nosotros usamos en RAM Elements, de Bentley, pero hay muchos en el mercado.  Lo que no recomendamos son programas de diseño automatizado; hay que tener mucha experiencia y cuidado en su uso para poder detectar problemas en los resultados. Para elementos postesados el análisis es más pesado que para pretensados, pero también tenemos una hoja de cálculo para el pre-proceso de los datos (con los que alimentamos el programa de cálculo). Sin embargo, para el dimensionamiento usamos el mismo de pretensado, considerando un mayor nivel de pérdidas (son del orden del doble).

En la charla se expuso que el tiempo de ejecución con el uso de prefabricados es menos con relación a los elementos colados en sitio, sin embargo, me gustaría conocer la opinión sobre el tiempo total de fabricación, preparación; es decir actividades previas a la llegada de los prefabricados a la obra. La gran ventaja es que puedes prefabricar mientras haces actividades que en cualquier caso se han de hacer antes de la colocación de los prefabricados, por lo que las actividades previas en general no afectan a la ruta crítica, al desligarse de la misma. Solo en proyecto muy pequeños o muy grandes en comparación con la capacidad de producción podría ser que la fabricación de prefabricados quede en la ruta crítica; si bien en el primer caso es de difícil solución, pero en cualquier caso ahorra tiempo frente a la ejecución “In situ”, en el caso de proyectos grandes lo más adecuado es aumentar la capacidad de producción, ya que normalmente la inversión que se tenga que hacer para ello es rentable al ser más elevados los costos indirectos de la obra.  Y además, en muchos casos de clientes privados, puede ser lo que marque la diferencia en la medida de que la reducción de plazos afecta directamente a su flujo de efectivo: “time is money”.

En tiempos de ejecución ¿cuál es la diferencia de usar prefabricados a construcción in situ? Es difícil dar tiempos ya que la casuística es enorme.  Pero si sabe qué tiempo dedica al cimbrado, moldeado, armado, colado, desmoldado, espera para alcanzar resistencia, y el descimbrado, se puede hacer una ideal del ahorro de tiempo, al compararlo con el tiempo de instalación de los prefabricados, armado del topping y colado del mismo.  Eso sin contar la cantidad de personal que ocupa en un proceso y en otro.

¿Cuáles son los mayores claros que han alcanzado con vigas pretensadas? En su momento se hizo una evaluación de los medios para fabricar, transportar e instalar vigas, así como de las necesidades de longitud de vigas en la mayor parte de puentes, y se vio que con una longitud de poco más de 30m se podía cubrir la mayor parte de los casos.  Finalmente planteamos fabricar vigas de hasta 40 Ton de peso, para lo cual se han diseñado los elementos de la planta: cama, pórticos de manipulación y dollies de transporte. Así, la viga más larga que hemos fabricado es de poco menos de 33m de longitud.  Ha sido una decisión de tipo industrial, que pensamos es buena.  Para puentes con mayor luz, se pueden realizar diseños que aprovechen dichas vigas, por ejemplo, a base de ménsulas o combinadas con otros elementos que funcionen sobre las pilas a momento negativo.  En el primer caso, hemos llegado a cubrir 35m de luz libre (equivalente a casi 37m de longitud de viga normal), y en el segundo hemos planteado diseños con luces de 50m, en ambos casos, más económicos y ligeros que soluciones con vigas postesadas. Claro que también podemos hacer las vigas postesadas con esas longitudes, pero no es lo óptimo para los clientes.

¿Limitantes del uso de prefabricados para construcción en altura? La principal limitante es la del equipo de instalación, esto es, las grúas. Ya estamos evaluando la adquisición de una grúa torre para llevar a cabo este tipo de proyectos en altura.

¿Limitantes con el uso de prefabricados para incorporar pasa tubos para señales débiles, eléctricos, etc.? El limitante principal es que no se pueden desviar los cables de prefuerzo, por lo que se han de ver con el proyectista la ubicación de los pasatubos. Fuera de eso, no hay problema, si se entrega la ubicación se llevan instalados desde la propia planta, ya que cada elemento va numerado para instalarlo en el puesto adecuado.

Hitos de control para control de calidad y acelerar construcción. El primer control que se realiza es el geométrico, que es bien estricto ya que las piezas han de acoplarse en obra en espacios limitados. De ahí se lleva absoluto control del prefuerzo, tanto a nivel de deformación como de tensión, usando manómetros calibrados.  Contamos con laboratorio de concreto en la propia planta, para poder tener el control total del mismo, así como una dosificadora digital para elaborar el concreto. El acero de prefuerzo se trae de proveedores europeos, con control de calidad propio bajo normas ISO, que es lo que exije la normativa, lo que permite documentar perfectamente la ejecución de cada pieza. La aceleración de construcción se consigue por medio de la planificación del proceso y su adecuación al trabajo en la planta, donde se trabaja para varios proyectos simultáneamente.  Sin embargo, no se aceleran procesos si ello pone el riego la integridad de las piezas. De igual forma, el diseño de los procesos de instalación es lo que garantiza la seguridad del proceso y la ejecución sin trabas.

¿Cuál es la diferencia entre sistemas postensados y sistemas pretensados? En el postesado, primero se cuela la pieza, en la que se dejan ductos para el paso del prefuerzo, y una vez que se alcanza la resistencia necesaria para poder aplicar el prefuerzo, se instala el mismo y se aplican las fuerzas con los gatos hidráulicos, que han de tirar de todos los cables o cordones que conforman una unidad de fuerza o tendón; se precisan por ello gatos multitorón, anclajes que quedan embebidos, de un solo uso, y la disposición de una vaina o ducto especialmente diseñado para ello; posteriormente proteger los cables con la inyección de lechada de cemento, ceras, o grasas en el interior del ducto.  Se pueden hacer los elementos en su posición final o prefabricarlos. En el pretensado, se ha de trabajar en unas instalaciones adecuadas para ello donde se dispone una cama sobre la que se disponen la armadura pasiva y activa (prefuerzo), se aplica la fuerza de prefuerzo anclando los cables en postes o muertos de anclaje, donde se usan anclajes reutilizables, y posteriormente se moldea y se cuela; cuando el concreto alcanza suficiente resistencia, se hace la transferencia de la fuerza del prefuerzo desde los muertos de anclaje a los elementos, quedando los cables protegidos por el propio concreto. El postesado es claramente más complejo y caro que el pretensado, que permite hacer piezas más esbeltas y por ello más livianas.  Por la cantidad de procesos, hay más riesgo de problemas en el postesado frente al pretensado, que es más industrializado.  Y las pérdidas de pretensado son mucho mayores en el caso del concreto postesado, lo que hace que su eficacia sea menor.  Por ello, allá donde sea posible, el uso del pretensado es ventajoso y se ha de seleccionar sin duda.  Pero tiene sus limitaciones, y ahí es donde el postesado tiene su mayor ventaja.  Ambos sistemas son necesarios, pero los proyectistas han de promover el uso del pretensado en la medida que resulta más conveniente para el cliente final.

¿Cuál es la longitud mínima y máxima para un pretensado y para un postensado? Es una buena pregunta; para el caso del postesado con cables, las pérdidas de penetración de cuñas y rozamiento hacen que para longitudes cortas (digamos de menos de 6 m) se pierda excesiva fuerza de prefuerzo, lo que lo hace poco eficaz. Esa problemática se puede solventar con el uso de barras roscadas de alta resistencia, que presentan mínimas pérdidas en dicho sentido, o bien con el uso de pretensado, donde dichas pérdidas son irrelevantes independientemente de la longitud. Ahora bien, para luces o longitudes pequeñas, el uso de concreto reforzado puede resultar más económico que el del presforzado, por lo que se ha de considerar como opción. Con relación a las longitudes máximas, el pretensado está limitado por aspectos de fabricación y transporte, mientras que con el postesado el límite está en las capacidades constructivas, que mejoran constantemente, por lo que el límite está por descubrise. Fuera de estas consideraciones, que son más de tipo económico y constructivo, no hay más restricciones.

¿Cuáles deberían de ser las consideraciones que se tienen que tomar en cuenta para la movilización de las estructuras prefabricadas a instalar? La manipulación de los elementos prefabricados, esto es, su carga, transporte e instalación, es una de las etapas más críticas en la ejecución de obras con este tipo de elementos. Al tratarse de piezas pesadas, esbeltas y muchas veces, largas, es preciso realizar una adecuada planificación de todas las operaciones a realizar. Para ello, es preciso determinar las dimensiones, que en la medida de lo posible ha de tener una se ellas menor o igual de 2.5m (o fracción entera) para evitar transporte especial, poder establecer posibilidad de acopio en varios niveles para completar el peso o volumen para el cual tiene capacidad el equipo.  De ahí, hay que establecer cuidadosamente los puntos de suspensión, para que no generen esfuerzos indeseables (el cuelgue ha de ser lo más vertical posible, y cerca de los puntos de apoyo final) y, por último, se ha de cuidar la estabilidad de la pieza, ya que durante la manipulación aparecen cargas inerciales horizontales o/e inclinaciones de los ejes de trabajo de las piezas, lo que para, por ejemplo, vigas esbeltas, puede suponer un grave problema de inestabilidad lateral.

En estructuras prefabricadas: ¿Qué tipo de concreto es más factible, el concreto pretensado o el concreto postensado? Para trabajos que se puedan llevar a cabo en planta de prefabricación, salvo excepciones es mejor el pretensado, pero en prefabricación en proyecto, salvo que sea muy grande, sale mejor el postesado. Pero no son procedimientos rivales, sino que son complementarios.  Nosotros usamos los dos, aunque priorizamos el pretensado por su costo y eficacia.

¿Los prefabricados son móviles? Espero poder interpretar bien la pregunta ya que es un poco ambigua.  Por definición, los prefabricados han de ser transportados desde el lugar de fabricación al de instalación. Una vez instalados y unidos a la estructura, son tan móviles como cualquier otro elemento estructural. Si se refiere a si se puede hacer un prefabricado en un lugar y luego transportarlo a otros, de forma sucesiva, es factible siempre que se diseñe para ello.  Incluso se puede plantear como una especie de piezas de “Lego” que se acoplan y desacoplan para transportarlo a otro puesto. Todo es posible siempre que se diseñe para esa función.  Incluso elementos incorporados en un proyecto, podrían separarse de la estructura final para reutilizarse en otro proyecto, lo que solo puedo recomendar si se diseña y ejecuta de forma específica, se tiene la información del diseño original, no se daña la pieza al liberarla de los colados de segunda fase, y se trata de una obra de poca importancia o bajo tráfico.

¿Prefabricados para retención? El más extendido es el panel de muro, que se hace de altura completa apoyando sobre el fondo de la zapata de forma previa a colocar el acero de ésta, quedando unido a la misma tras su colado. Pero también se usan prefabricados con tierra armada, anclajes al terreno, etc., permiten una sustancial reducción de los materiales al usar secciones optimizadas, además de una gran rapidez de ejecución.

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