Montaje de estructuras prefabricadas en invierno en la Segunda Ciudad

Texto de Mitch Bloomquist
Imágenes de Matthew McFarland, M Studio West

La Iglesia Copta Ortodoxa San Marcos de Chicago inició la construcción de su proyecto de expansión del edificio en diciembre de 2014, justo al comienzo del invierno en el corazón del Medio Oeste. Eligieron construir con hormigón prefabricado ("tilt-up") debido al ahorro de tiempo que ofrece este método.

En muchas partes del país, la construcción invernal presenta serios desafíos. Los datos de la Oficina del Censo muestran que el gasto en construcción no residencial en invierno de 2012 a 2014 fue, en promedio, un 33% menor durante enero, febrero y marzo, en comparación con julio, agosto y septiembre. El frío intenso, el hielo y la nieve en ráfagas crean entornos de trabajo peligrosos y pueden ralentizar el trabajo en un sitio de construcción donde deben seguir cumpliéndose estrictas normas de salud y seguridad. Cuando las condiciones climáticas alcanzan niveles críticos, las operaciones cesan inevitablemente.

Sin embargo, el mundo no puede detenerse durante tres meses cada año. Para muchos propietarios, la construcción en invierno es necesaria. El Dr. Refaat Abid Abdel-Malek, P.E., F.ASCE, quien se desempeña como representante del propietario para la construcción, explicó que la Iglesia Copta Ortodoxa de San Marcos de Chicago, una congregación de la Iglesia Copta Ortodoxa de Alejandría (Egipto), ha crecido de una congregación de 120 familias en la década de 1980 a más de 500 familias y continúa creciendo hoy en día. Era necesaria una ampliación y la iglesia estaba ansiosa por comenzar un proyecto.

Con un santuario existente con capacidad máxima para 400 personas, la iglesia utiliza su gimnasio para albergar un segundo servicio cada domingo. Los cultos se llevan a cabo de 8:30 a. m. a mediodía. Dado que la Escuela Dominical y las actividades sociales se realizan después de los cultos, estos deben llevarse a.

La expansión añadirá un nuevo santuario con capacidad para 550 personas, creando un espacio de adoración más cómodo y apropiado para uno de los dos servicios, mientras que liberará el gimnasio para otras actividades. La iglesia ofrece su espacio a la comunidad cuando no está en uso y está incorporando espacio comunitario adicional, así como espacio adicional para la Escuela Dominical, en su expansión.

Barclay Gebel, vicepresidente de Concrete Strategies LLC, el contratista de diseño y construcción de panel prefabricado para el proyecto de expansión de St. Mark, señaló que el edificio fue diseñado originalmente para una construcción convencional con estructura de acero. “El propietario tomó la decisión final de cambiar el exterior del edificio a una construcción de panel prefabricado sobre otros métodos”, dijo Gebel. “Paradigm Consulting (arquitecto) ha utilizado la construcción de panel prefabricado en varios proyectos de iglesias anteriores y sugirió que las ventajas valían la pena considerarlas”.”

“Ya se estaba acabando la temporada y queríamos tener la capacidad de trabajar durante el invierno, así que dimos un paso atrás y analizamos nuestras opciones”, dijo Abdel-Malek. Consideraron varios métodos de construcción, incluyendo estructuras de acero, bloques de hormigón, prefabricados en planta y construcción de hormigón prefabricado (tilt-up). Sin importar la estructura, planeaban revestir los muros con ladrillos y piedra para que coincidieran con la arquitectura existente. “Considerando todo el conjunto del muro, los costos de cada una de estas opciones fueron sorprendentemente similares”, dijo Abdel-Malek. “El método tilt-up nos ofreció la mayor flexibilidad en cuanto al diseño arquitectónico, lo cual era importante, y presentó, por mucho, el cronograma más eficiente”.”

El método tilt-up está ampliamente documentado como una técnica de construcción eficaz en climas fríos. “En los últimos años se han dedicado numerosos estudios a demostrar la eficacia de este método para mantener el desarrollo de la resistencia del hormigón a pesar de las bajas temperaturas ambientales, e incluso a temperaturas bajo cero”, afirmó Jim Baty, director técnico de la Asociación de Hormigón Tilt-Up (TCA). “Dado que los paneles de hormigón alcanzan fácilmente la resistencia de diseño adecuada para su elevación, la ventaja se inclina rápidamente a favor del método tilt-up. Grandes secciones del cerramiento de la pared se levantan con una sola operación de grúa, mientras que otros sistemas de ensamblaje requieren andamios y costosos cerramientos tipo carpa para mantener temperaturas adecuadas para las condiciones de trabajo y el rendimiento del producto”. Un mito común en torno a la construcción tilt-up es que no es adecuada en climas fríos. Esto no solo no es cierto —como lo demuestra la gran cantidad de proyectos que se construyen cada año en Canadá y otras regiones del norte—, sino que el sistema tilt-up demostró ser beneficioso en este proyecto en condiciones climáticas adversas. La rapidez de construcción por la que se reconoce al sistema tilt-up se amplifica durante las condiciones climáticas frías, donde cada día cuenta.

“Presentamos un plazo de ocho a diez semanas para convertir el proyecto a tilt-up y tenerlo erigido”, dijo Gebel. Concrete Strategies comenzó a formar paneles en diciembre de 2014. Los 46 paneles de carga tilt-up se fundieron en tres losas de fundición reciclables separadas que rodean la huella del edificio. Debido a restricciones del sitio, los paneles tuvieron que ser fundidos en dos secuencias. La primera secuencia de paneles se erigió del 12 al 20 de enero de 2015. “Una vez que se erige la primera serie de paneles, el tilt-up sale de la ruta crítica”, dijo Gebel. Como es típico con el tilt-up, otros oficios pueden intervenir rápidamente y comenzar su trabajo mientras se ejecutan secuencias de paneles posteriores.

El día antes de que se programara el vertido del hormigón para la segunda secuencia de paneles, el sitio de construcción fue afectado por cuarenta y cinco centímetros de nieve y temperaturas aún más gélidas. Según el Chicago Tribune, la Segunda Ciudad pasó febrero batiendo récords de frío y nieve. El Servicio Meteorológico Nacional informó que la temperatura promedio de 14.6 grados en febrero empató un récord para el mes establecido en 1875. La temperatura promedio normal para febrero en Chicago, según el Servicio Meteorológico, es de 27.7 grados. Para colmo de males, febrero de 2015 también quedará en los anales de los récords como el tercer febrero más nevado, con poco menos de 27 pulgadas registradas en el Aeropuerto Internacional O'Hare, a menos de una pulgada del segundo más nevado, febrero de 1896.

Si bien la nieve presentó un desafío, el frío fue brutal. “Trabajamos a temperaturas reales de hasta -6 grados Celsius”, dijo Gebel. “Se requirió que los trabajadores cubrieran toda la piel expuesta para prevenir congelaciones y tomaran al menos cuatro descansos de 15 minutos durante el día para calentarse”. También se prestó especial atención al equipo. “Todo el equipo que usamos funcionaba con diésel. Lo dejamos funcionando durante todo el día y lo enchufamos durante la noche para mantener calientes los bloques del motor”. También se tomaron precauciones adicionales para garantizar condiciones de trabajo seguras en el sitio. Se despejó completamente la nieve de las áreas de trabajo y se esparció arena sobre las condiciones heladas para prevenir riesgos de resbalones.

La instalación de paneles a temperaturas bajo cero presentó algunos desafíos, pero Concrete Strategies tenía soluciones. Las cuadrillas usaron sopletes de propano para retirar el hielo de los cimientos, permitiendo la colocación de los paneles, y llenaron los insertos de elevación con anticongelante para RV para mantenerlos libres de hielo y nieve. Los paneles congelados a la losa de fundición se separaron usando cuñas y palancas. Los paneles finales que conformaron una impresionante torre se instalaron el 23 de febrero de 2015.

La torre, situada en la esquina de la ampliación, complementa a la torre ya existente en el extremo opuesto del edificio. El diseño requería una estructura dividida en dos segmentos. Los primeros 13,4 metros de la torre debían tener 5 metros de ancho, mientras que el segmento superior se reduciría a 4 metros de ancho. El retranqueo de más de 45 centímetros cerca de la sección media de la torre era demasiado grande como para simplemente engrosar los paneles, ya que la torre debía albergar una escalera entre el sótano y el entrepiso situado sobre el santuario principal. La estructura de 21 metros de altura está compuesta por paneles apilados en dos niveles con un panel horizontal de hormigón prefabricado como elemento de soporte para los paneles superiores desplazados. “Decidimos utilizar una cubierta horizontal de hormigón prefabricado en los paneles inferiores para soportar el peso de los paneles superiores y el revestimiento de mampostería”, dijo R. Douglas Antholz, ingeniero profesional y especialista en estructuras de KPFF Consulting Engineers. “La secuencia de construcción no permitía verter una losa de hormigón después de erigir los paneles inferiores, y retrasar los paneles complicaba considerablemente su construcción”.”

“Nos hemos acostumbrado a esperar paneles únicos con iglesias”, dijo Scott Collins, PE, Gerente de Ingeniería de Meadow Burke, empresa con sede en Tampa, Florida, encargada de la ingeniería y el suministro de los sistemas y accesorios de elevación de hormigón. “Una de las cosas buenas de trabajar con Concrete Strategies es que toman en plena consideración nuestras recomendaciones sobre la disposición de las juntas de los paneles para una mayor eficiencia general en el montaje de los mismos”, dijo Collins. Muchos de los paneles en el trabajo tienen características especiales para complementar la arquitectura de la estructura original.

La existente St. Mark Coptic Orthodox Church fue construida en 1981 y se completó en 1983. El edificio, ubicado cerca de la histórica Ruta 66 en Burr Ridge, Illinois, un suburbio próspero de Chicago, en los condados de Cook y DuPage, está revestido de ladrillo y piedra. Además de combinar la materialidad de la estructura existente, la volumetría de la adición también es sensible al edificio original.

Los paneles están desfasados hacia adelante y hacia atrás para descomponer la masa de la estructura. En la mayoría de estos casos, los paneles se fundieron con patas de retorno integrales, lo que eliminó la necesidad de paneles pequeños para puentear las brechas fuera del plano en el perímetro. Si bien los retornos agregaron complejidad al diseño de elevación, ahorraron tiempo y dinero durante el montaje.

En la parte frontal de la estructura, amplias y esbeltas aberturas arqueadas contrastan con la fachada monolítica del edificio original, mientras que caras arqueadas monumentales unen lo nuevo y lo viejo. Las partes superiores de múltiples paneles adyacentes están curvadas para formar las grandes fachadas arqueadas. Las formas curvilíneas se presentaron tanto en planta como en alzado. Los paneles curvos (de radio verdadero) se fundieron en estructuras hechas de madera dimensional y contrachapado construidas sobre las losas de fundición. Numerosos paneles de forma irregular no dejaron mucho espacio para diseños de elevación estándar. “Esto nos obligó a idear algunos patrones de inserción creativos que estoy seguro hicieron que algunos tipos en el campo se rascaran la cabeza”, dijo Collins.

Según Antholz, lo que acabó siendo el panel más difícil del proyecto fueron dos paneles de la fachada sur. “Tal como se concibió originalmente, el panel de 17,7 metros de alto y 12,2 metros de ancho tenía una sola abertura de 11,3 metros de ancho en la base”, dijo Antholz. “Por sí solo, ese es un panel difícil de diseñar, pero la complicación adicional de las cargas soportadas significó que la arquitectura tuvo que modificarse ligeramente”. El panel soporta el nivel principal del santuario en el interior, que está compuesto por tablones prefabricados de núcleo hueco con un recubrimiento de hormigón, y un revestimiento de mampostería en el exterior. “Se añadió un elemento de columna de hormigón de 76 cm por 46 cm, moldeado integralmente en el panel, para soportar las cargas pesadas”, explicó Antholz. “Los pies de retorno engrosados en los bordes del panel se analizaron de manera similar como elementos de columna de hormigón para poder soportar cargas superiores a las permitidas mediante los procedimientos para muros delgados de la norma ACI 318, cap. 14”. Dado que el panel habría pesado casi 200 000 libras, se tomó la decisión de dividirlo en dos.

Con el exterior del edificio revestido de ladrillo y piedra, los paneles se fundieron con la cara interior del panel hacia abajo. “Desde el punto de vista del diseño, esto creó un desafío para asegurarse de que se estaba utilizando la orientación correcta”, dijo Antholz. Típicamente, la cara exterior del panel se funde con la cara hacia abajo, ya que la losa de fundición proporciona el mejor acabado superficial. Fundir los paneles de esta manera permitió al equipo colocar empalmes de acero directamente sobre la losa en lugar de tener que colgarlos del encofrado o del refuerzo de acero. El hecho de que los paneles nunca estarían expuestos también ayudó en la colocación del hardware de arriostramiento.

Según Collins, la mayoría de los soportes para los paneles se anclaron a los Badgers de Meadow Burke, un sistema de anclaje helicoidal al suelo. Instalados en el exterior del edificio, estos anclajes y soportes dejan el interior del edificio libre para el montaje de la estructura de acero. Con 2 pies de escarcha presente, los anclajes helicoidales no pudieron instalarse como se haría normalmente. Concrete Strategies utilizó una broca helicoidal de 6 pulgadas para pre-perforar los agujeros para los anclajes.

Si bien muchos aspectos de la construcción de este proyecto podrían considerarse anómalos en comparación con un proyecto de construcción típico con paneles prefabricados, la conclusión es que el método constructivo es lo suficientemente flexible como para adaptarse a algunos de los desafíos de diseño y construcción más difíciles. La construcción con paneles prefabricados permitió que el proyecto avanzara cuando otros métodos de construcción eran demasiado lentos o limitantes.

Abdel-Malek compartió el entusiasmo de la Iglesia por el producto que se está entregando y expresó su gran gratitud por el equipo que está trabajando. “Estamos muy impresionados con el profesionalismo de Concrete Strategies”, alabó Abdel-Malek. “Su esfuerzo inicial para cumplir con nuestro cronograma, su comportamiento en el sitio, su equipo y su mano de obra son de primera clase”.”

Después del hecho, se están reconociendo beneficios adicionales de la decisión de la Iglesia de optar por la construcción con paneles prefabricados. “Sabíamos al inicio los beneficios relacionados con el cronograma. No nos dimos cuenta por completo de los beneficios adicionales de nuestra decisión”, dijo Abdel-Malek. “Ahora que los paneles están colocados, estamos extremadamente satisfechos con la durabilidad y calidad de los muros. Los beneficios relacionados con la eficiencia energética también se disfrutarán durante muchos años.”

SOBRE ESTRATEGIAS CONCRETAS

Miembro de TCA desde 1989

Concrete Strategies emplea a más de 350 trabajadores de campo y genera más de $100,000,000 en ingresos anuales, desde su oficina central en St. Louis, Missouri. La compañía tiene una excelente reputación de rapidez, calidad y, sobre todo, de operaciones, con un compromiso total con la seguridad. Durante los últimos 10 años, Concrete Strategies ha sido uno de los mayores proveedores de servicios de concreto prefabricado (tilt-up) del país, completando proyectos en más de 43 estados. Con 12 premios TCA (Tilt-Up Concrete Association) Achievement Awards, Concrete Strategies es continuamente reconocida por las principales firmas de ingeniería y diseño por su calidad e introduce constantemente medidas innovadoras de ahorro arquitectónico y de costos en proyectos prefabricados. El experimentado equipo de diseño y operaciones incluso ha convertido proyectos de concreto colado en sitio a prefabricado (tilt-up) para ahorrar costos y tiempo al cliente, garantizando al mismo tiempo la seguridad y acabados de calidad.

SOBRE KPFF CONSULTING ENGINEERS

Miembro de la TCA desde 2015

Fundada en 2002, la Oficina de St. Louis de KPFF brinda servicios de ingeniería civil y estructural a la industria del diseño y la construcción. Sus ingenieros tienen décadas de experiencia en el diseño de estructuras de paneles prefabricados para todo tipo de edificios, incluyendo almacenes, escuelas, edificios industriales e iglesias. Además de su trabajo en la industria de paneles prefabricados, KPFF St. Louis ofrece una amplia gama de experiencia en ingeniería para todo tipo de edificios en los Estados Unidos, aplicando su experiencia general para resolver los problemas más difíciles y desafiantes.