Por Jason R. Blankenship, PE, SE
¿Qué haces cuando necesitas apuntalar más de 100 toneladas de paneles de concreto a 70 pies de altura, y el puntal estándar más largo disponible solo alcanza unos 45 pies? ¡Diseñas, fabricas y entregas tu propio sistema de apuntalamiento personalizado!
Needham DBS fue incorporado al proyecto por Crossland Construction Company y Crossland Prefab como parte de un esfuerzo general de ingeniería de valor en el Grove Performing Arts Center en Grove, Oklahoma. Originalmente diseñado como muros de mampostería portante (CMU), el proyecto consta de un auditorio de 1,200 asientos, un escenario y torre de escena de 70 pies de altura, y un refugio contra tormentas FEMA. Una serie de limitaciones hicieron que la construcción de CMU fuera una propuesta difícil. La practicidad de montaje, el cronograma y la secuencia fueron factores determinantes, lo que llevó a un cambio a paneles prefabricados ’fuera del sitio“ (paneles fundidos en planta con un diseño similar a los paneles prefabricados tipo tilt-up). El uso de un diseño de paneles prefabricados tipo tilt-up verdadero fue imposible debido a la falta de espacio en el sitio, por lo que se empleó un enfoque híbrido. Needham DBS fue contratado para diseñar y detallar los paneles de pared y asistir con la secuencia de construcción.
Para mantener bajo control el peso de los paneles y minimizar los cambios en los cimientos, los paneles de escenario se diseñaron como paneles acanalados (similares a un sistema de losa reticular), utilizando un encofrado de aislamiento modular diseñado a medida suministrado por LiteForm Technologies. Los encofrados de aislamiento se dejaron en su lugar y sirvieron como fijación para la fachada de paneles metálicos.
Trabajando dentro de los límites prácticos de fabricación, envío y montaje, Needham DBS utilizó el modelado 3D de Revit para diseñar 160 paneles de concreto que contenían más de 2,600 elementos empotrados coordinados con modelos estructurales de acero, MEP y arquitectónicos. Las adaptaciones para la estructura de soporte, las aberturas de los conductos mecánicos, los detalles arquitectónicos y las revelaciones, e incluso los detalles especiales de solape de paneles para la protección contra misiles en el refugio contra tormentas, se realizaron en 3D para optimizar la coordinación y el detallado. La visualización de los complejos detalles en 3D fue fundamental para coordinar las conexiones clave de estabilidad con el equipo de montaje antes de la colocación.
Para cubrir la boca escénica de 55 pies de ancho, se fundió una serie de cuatro paneles saledizos horizontales, utilizando -nuevamente- el sistema de aislamiento acanalado para ahorrar peso. Además de restricciones como la capacidad y el alcance de la grúa, la falta de un diafragma de piso en el centro del área de tramoya requirió una considerable reflexión para idear una vía de carga pragmática. Después de estudiar varias opciones, la solución final fue un diseño híbrido de losa bidireccional; se soldaron costillas verticales para crear continuidad vertical, al tiempo que se aprovechaba la capacidad de voladizo horizontal de los paneles inferiores a través de la apertura. Si bien una vía de carga horizontal era sencilla, carecía de la capacidad para manejar las cargas de viento exteriores por encima del techo adyacente. Crear la continuidad vertical entre los paneles apilados durante el montaje resultó ser el aspecto más desafiante del proyecto.
La comunicación temprana con el contratista, el fabricante de paneles y el ingeniero de elevación/arriostramiento fue crucial para coordinar la secuencia de montaje y el esquema de arriostramiento para soportar temporalmente los paneles hasta que se pudieran instalar todas las conexiones soldadas finales. Los paneles de antepecho del escenario requirieron múltiples niveles de arriostramiento temporal, utilizando tanto arriostramientos de tubería listos para usar como dos niveles de arriostramiento de celosía de ala ancha diseñados a medida. Se atornillaron contraventas de ala ancha a los paneles para proporcionar una guía para apilar los paneles de antepecho y ofrecer el soporte lateral para cada panel de antepecho que se añadió. Las contraventas sirvieron como el principal camino de carga vertical hasta que se pudieran instalar las conexiones soldadas permanentes y el entramado del techo de la casa voladora. El arriostramiento de alquiler más largo disponible en ese momento fue el Super 52 de Meadow Burke, que se usó al máximo en la parte superior del primer antepecho. Por encima de esta altura, se requirieron arriostramientos personalizados.
Needham DBS diseñó, detalló y fabricó dos pares de celosías de acero atirantadas —de 20 y 25 metros de largo— para ser instaladas como arriostramientos temporales. Los arriostramientos se enviaron en dos segmentos con un empalme en obra, se izaron en su lugar con una segunda grúa como un ensamblaje completo y se atornillaron con una simple conexión giratoria en la parte superior del arriostramiento para permitir que las conexiones se realizaran rápidamente, y así pudieran bajarse fácilmente a la cimentación para su fijación final.
La secuencia de montaje fue crítica para distribuir las cargas correctamente. El segmento superior de la armadura se diseñó para conectarse a las guías verticales de acero en lugar de conectarse a la cara del panel, para compartir cargas entre múltiples paneles. Debido al ángulo y al peso del arriostramiento de la armadura, las cargas verticales y horizontales de los arriostramientos se consideraron en el diseño de las columnas verticales y las conexiones de los paneles. El procedimiento de montaje se orquestó cuidadosamente con un ingeniero de Needham DBS presente en el sitio.
Las fuerzas laterales de los arriostramientos requirieron cimientos significativos. Los arriostramientos se apilaron para permitir que las conexiones de la base se acoplaran a una zapata corrida compartida sobre pilotes de concreto perforados de más de 7 pies (2.13 m) de profundidad y 24 pulgadas (61 cm) de diámetro. Sabiendo que se requerirían tolerancias de montaje para el plomo y la alineación, se instaló un soporte fijo y un soporte deslizante en la base de cada arriostramiento de la armadura. Se conectó un gato de trinquete de alta resistencia (¡un artículo comercial de una tienda de suministros agrícolas!) para empujar y tirar del arriostramiento según fuera necesario. La inspiración para soluciones creativas puede provenir de cualquier lugar, incluido, en este caso, el enlace superior de un enganche de tres puntos de un tractor.
La pared trasera del “flyhouse” presentó otros desafíos para el arriostramiento. Se requirieron múltiples niveles de arriostramiento, pero los tamaños de los paneles fueron diseñados específicamente para garantizar que el arriostramiento pudiera realizarse utilizando puntales de tubería de alquiler. Para evitar que los paneles del antepecho frontal empujaran hacia adentro, se instalaron arriostramientos "pass-through" que cruzaban la torre del "flyhouse", redirigiendo las fuerzas laterales a soportes en la pared exterior, un concepto similar a los famosos diseños de arbotantes utilizados en las catedrales góticas. Meadow Burke y Needham DBS trabajaron mano a mano para ejecutar este intrincado diseño.
Needham DBS extiende un agradecimiento especial a Crossland Construction por su disposición a explorar y ejecutar soluciones poco convencionales, y a Meadow Burke (ahora Leviat) por su asociación de ingeniería y gran conocimiento en el apuntalamiento de paneles.
Sobre Needham DBS
Needham DBS es una firma de ingeniería estructural de servicio completo y proveedora de acero de diseño y construcción, con oficinas en Lenexa, Kansas y Fort Wayne, Indiana. Needham DBS es un líder en la industria de los paneles precolados, participando en muchos niveles dentro de la TCA. Miembro fundador de la TCA, Needham DBS participa actualmente en el Comité de Concreto Precolado ACI 551, el Grupo de Trabajo de Paneles Compuestos, la Junta Directiva de la TCA y es un donante fundador del TILT Lab.
Sobre el autor
Jason Blankenship, PE, es director de desarrollo de negocios en Needham DBS y un ingeniero estructural con licencia en 16 estados. Su enfoque principal es aportar soluciones constructivas integrales a los clientes mediante un enfoque de diseño y construcción dirigido por ingenieros, con adquisición de acero, frecuentemente en conjunto con innovadores diseños de concreto prefabricado.
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