La base de cada ascensor: por qué es importante el apoyo en tierra

La Tercera Ley del Movimiento de Newton sostiene que por cada acción existe una reacción igual y opuesta. Para mantener el equilibrio, cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro (una grúa en el suelo o tu pie contra el suelo), el segundo objeto ejerce contra el primero una fuerza de igual magnitud, pero de dirección opuesta. Si el segundo objeto carece de la estabilidad o capacidad adecuadas, se produce una falla.

Para garantizar un soporte de base (suelo) adecuado para operaciones de elevación pesada, el planificador de la elevación debe comprender clara y completamente tres elementos básicos: estabilidad del terreno, capacidad del terreno y conocimiento de la elevación en sí.

Desde la invención de las grúas de construcción alrededor del año 600 a. C. por los griegos y hasta la actualidad, ha existido un entendimiento básico de que una estabilidad y una capacidad del suelo adecuadas son esenciales para garantizar operaciones de elevación seguras y eficientes.

Así pues, ya sea al levantar una carga de 10 000 toneladas por encima de la cabeza o la espalda desde el sofá, todo movimiento de carga seguro y exitoso depende de que las condiciones de soporte sean estables y tengan la capacidad adecuada. Por lo tanto, todo levantamiento comienza bajo tierra, con la necesidad universal de un soporte de cimentación adecuado.

A pesar de su reconocimiento durante siglos, el tema del soporte terrestre ha cobrado recientemente mayor visibilidad en el sector de carga pesada. Ejemplos de este mayor interés se pueden ver en la recién publicada Guía de Materiales, Selección y Uso de Soportes de Estabilizadores de SC&RA, y en el apéndice no obligatorio, de próxima publicación, del Apéndice D de la Norma ASME P30: Planificación de Cimentaciones y Soportes de Soportes de Estabilizadores de Tierra (LHE).

Advertencia rápida: el contenido de este artículo se centra en recomendaciones para elevaciones de ingeniería de mayor capacidad, complejidad y complejidad. Se entiende que la rentabilidad de las operaciones con grúas de rodaje limita o impide la implementación de muchas de estas recomendaciones. Sin embargo, pueden ayudar a visibilizar la necesidad de este tipo de información, independientemente del tamaño o la complejidad de la elevación.

Garantizar el apoyo terrestre

Para garantizar un soporte de cimentación (suelo) adecuado para operaciones de elevación pesada, el planificador de elevación debe comprender clara y completamente tres elementos básicos:

Estabilidad del suelo: conocimiento de la integridad de la superficie del suelo y las condiciones de su subsuelo, incluido el conocimiento de las instalaciones subterráneas (cimientos, tanques, servicios públicos, etc.), la condición de esas instalaciones y su ubicación tridimensional (posición de coordenadas y profundidad de la cubierta), áreas de suelos potencialmente no consolidados y vacíos subterráneos.

Capacidad del suelo: capacidad mecánica de los suelos, pavimento o estructura elevada para resistir la deformación y soportar las cargas impuestas.

Conocimiento del ascensor en sí: identificación del equipo de manejo del ascensor específico (LHE) que se va a desplegar, cualquier equipo de asistencia que se va a desplegar y las fuerzas de reacción sobre el suelo relacionadas (presiones sobre el suelo, también conocidas como GBP) que se van a imponer sobre el suelo.

Los métodos geofísicos recopilan datos sobre amplias franjas y ofrecen una descripción general de las condiciones del subsuelo en todo el sitio. El análisis de estos datos permite identificar vacíos y áreas de suelos no consolidados, estimando su posición y extensión.

Estabilidad del suelo

Conocer las condiciones de la superficie y el subsuelo del sitio es un primer paso fundamental en el proceso de planificación de la elevación, siendo este último la recopilación de la documentación histórica y relacionada con el proyecto. Fotografías aéreas (actuales e históricas), levantamientos topográficos, informes geotécnicos, mapas y atlas de servicios públicos, planos civiles y planes logísticos del sitio ayudarán al planificador a conocer las instalaciones y los elementos subterráneos que puedan existir. Con esta información, el siguiente paso es realizar un estudio físico del sitio. Los estudios del sitio ofrecen la oportunidad de validar y documentar las condiciones actuales.

Al planificar la inspección del sitio, es importante no ignorar las ubicaciones de operación de los equipos de asistencia, ni las rutas de recorrido de los equipos relacionados con la carga y la elevación que salen o atraviesan el sitio.

El proceso de reconocimiento comienza con una inspección a pie del sitio para observar las condiciones de la superficie del terreno y los elementos sobre el suelo. Esta inspección también se utiliza para identificar otros posibles peligros de elevación, como estructuras de servicios públicos, sótanos adyacentes, cimientos y estructuras elevadas.

Aunque se pueden utilizar mediciones manuales de estas características para documentarlas, la tecnología actual permite la captura de datos en 3D. El escaneo láser terrestre, el LiDAR, el SLAM (localización y mapeo simultáneos) y/o la fotogrametría, incluyendo los drones (sistemas aéreos no tripulados), son tecnologías viables de captura de datos. Si bien cada una tiene su propia aplicabilidad específica, ofrecen la capacidad de capturar de forma completa y precisa las condiciones de un sitio.

La combinación de pruebas geofísicas y geotécnicas es muy recomendable para las evaluaciones subterráneas. En conjunto, ofrecen una visión integral de las condiciones del subsuelo. Diversas normas ASTM rigen los métodos de prueba geofísica y geotécnica.

Las pruebas geofísicas utilizan técnicas no invasivas, como el georradar (GPR), para comprender y caracterizar cualitativamente las condiciones del subsuelo. Los métodos geofísicos recopilan datos sobre amplias franjas y ofrecen una descripción general de las condiciones del subsuelo en todo el yacimiento. El análisis de estos datos permite identificar vacíos y áreas de suelos no consolidados, y estimar su posición y extensión.

Otra ventaja de un estudio GPR es su capacidad para descubrir y validar la presencia de diversas instalaciones subterráneas, incluyendo materiales metálicos y no metálicos. El GPR proporciona la capacidad analítica para documentar la profundidad y la posición de servicios públicos subterráneos, cimentaciones de hormigón y similares. Los localizadores portátiles de tuberías y cables también se pueden utilizar en estos estudios para ayudar a determinar la ubicación de servicios públicos subterráneos conductores.

Es importante destacar que no existe nada intrínseco en los datos geofísicos que identifique o diferencie específicamente un objetivo del subsuelo (también conocido como "anomalía") de otro. En otras palabras, no hay nada en los datos de GPR que identifique automáticamente un objetivo lineal en particular como una alcantarilla, ni que diferencie automáticamente una alcantarilla de una línea de gas, de un conjunto de conductos de la raíz de un árbol. Una evaluación adecuada de estos datos requiere un análisis experto e información adicional (es decir, documentos históricos y relacionados con el proyecto) para contextualizarlos y hacerlos realmente útiles.

La recolección de datos geotécnicos es un proceso físicamente invasivo que genera datos cuantitativos del propio material del suelo. Un estudio geotécnico exhaustivo incluye el muestreo físico de los suelos en puntos específicos (perforaciones). El análisis comienza en el momento de la recolección con el registro del número de golpes necesarios para introducir un muestreador de cuchara partida quince centímetros en el suelo (conteo de golpes) y la evaluación visual de los materiales muestreados; el análisis culmina en un laboratorio de pruebas.

Un método geotécnico alternativo, rápido y rentable para evaluar la resistencia del suelo es la Penetometría de Cono Dinámico (DCP). Consiste en clavar un cono metálico sobre una varilla graduada en el suelo, utilizando un peso estándar que se deja caer desde una altura fija, y medir la penetración por impacto para evaluar la resistencia del suelo. Las tasas de penetración se correlacionan con el Índice de Carga de California (CBR), a partir del cual se calcula la rigidez del suelo.

Un requisito final para la recopilación de datos del sitio es el establecimiento de un control topográfico y/o georreferenciación. El conocimiento de las alineaciones y ubicaciones de las características de la superficie y los puntos de recolección de datos es crucial para la evaluación de la elevación propuesta y la correcta disposición de las mejoras y el equipo de elevación.

Capacidad terrestre

Una vez que se han documentado y caracterizado las condiciones del sitio, es necesario determinar la capacidad de carga mecánica del suelo.

Con base en datos de pruebas geotécnicas, una persona competente puede calcular la capacidad portante última del suelo para la ubicación dada. La capacidad portante última del suelo se define generalmente como la carga máxima por unidad de área que el suelo puede soportar antes de fallar. Es un factor crítico para establecer la capacidad portante admisible del suelo para la elevación propuesta.

El trabajo de Dearborn Companies abarca implementaciones de grúas en estructuras elevadas, calles urbanas densas, plantas de energía e industriales y parques eólicos, así como aplicaciones de ingeniería de andamios complejos, apuntalamiento y sistemas de retención de tierra.

Independientemente del método de prueba geotécnica utilizado, los datos representan una instantánea de las condiciones del terreno en esa ubicación específica. Se requieren múltiples puntos de prueba en toda el área de despliegue de LHE, ya que las condiciones entre ellos se infieren o interpolan.

Utilizando la capacidad portante última y aplicando un factor de diseño (también conocido como factor de seguridad), la persona competente calcula la capacidad portante admisible del terreno para la elevación propuesta. Un factor de diseño es un multiplicador que se aplica en este caso a la capacidad portante última para tener en cuenta las incertidumbres en las propiedades del material y los efectos ambientales desconocidos, y para proporcionar un margen de seguridad ante un fallo catastrófico.

Entendiendo el ascensor

Una vez documentadas las condiciones existentes y conocidas las capacidades del terreno en el sitio, se puede llevar a cabo la planificación final de la elevación. El equilibrio entre las reacciones de fuerza del terreno calculadas por el LHE y la capacidad de carga admisible del terreno orientará las decisiones sobre el uso y la ubicación de las plataformas y losas de la grúa, la posible necesidad y el alcance de las mejoras del terreno, o incluso un posible cambio en la selección del LHE o la ubicación de la elevación.

No importa cuán meticuloso sea el plan de elevación o cuán elegante sea el aparejo, nada sobrevive a una mala base: cada elevación comienza y termina con lo que está abajo.

EL AUTOR

Mike Walsh, miembro de ASME P30, es presidente de Dearborn Companies, una empresa familiar de tercera generación que ha brindado consultoría de ingeniería y construcción durante más de 70 años. El trabajo de Dearborn Companies abarca el despliegue de grúas en estructuras elevadas, calles urbanas densas, plantas eléctricas e industriales, y parques eólicos, así como aplicaciones de ingeniería de andamios complejos, apuntalamiento y sistemas de contención de tierras.