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Informe Construya N° 208 - Junio 2020

 

ACERBRAG

 

INGENIERÍA DE DETALLE DEL ACERO EN ESTRUCTURAS DE Ho. Ao.
SU INCIDENCIA EN EL COSTO Y SEGURIDAD DE LAS CONSTRUCCIONES.

I. SUSTENTABILIDAD. COSTOS

Los tres aspectos fundamentales que se plantean como objetivos básicos al desarrollar un proyecto de construcción son: funcionalidad, seguridad y economía. Todos, pero a la vez cualquiera, podrían colocarse como el más importante: los tres son necesarios, y ninguno, por sí solo, es suficiente. Tal vez, decidimos colocarlos en ese orden porque el primer aspecto mencionado surge de, por ejemplo, un proyecto de arquitectura, el segundo suele estar muy vinculado a la estructura que lo contiene y sostiene, y el tercero, en definitiva, definirá si lo proyectado y estructurado es económicamente posible de ser ejecutado, con los beneficios y las expectativas de rentabilidad correspondientes.

En las últimas décadas se habla además del concepto de sustentabilidad de las construcciones, dentro del cual la optimización en los consumos de materiales cumple un rol determinante. Se incluye además el tema de la durabilidad, para, por un lado, no producir cosas 'descartables', que aumentan deshechos y que terminan con 'vejez deficiente', y por otro, cumplir con las normas en lo relativo a vida útil.

Tradicionalmente, el costo se analizaba como una variable que afectaba o interesaba solamente al inversor, al propietario. Hoy se entiende como un concepto mucho más amplio, y tiene que ver con la optimización de los recursos disponibles no solamente a nivel local (ciudad o país), sino del planeta en el que vivimos. El consumo energético para producir y mantener las construcciones ha dejado de ser un tema de 'posibilidad de pagarlos' para transformarse en un tema de racionalidad en el aprovechamiento de lo que, hoy se sabe, puede agotarse. Hay que admitir, reconocer, que los recursos son limitados y su derroche, y consecuente camino a la escases, puede conducir a desequilibrios generales, algunos impredecibles, pero otros que ya se perciben en la naturaleza. Lo construido en forma deficiente, aumenta la basura, y daña al medio ambiente. Nada de esto debería considerarse solo como un efecto local: es válido el 'efecto mariposa'.

Los costos de las estructuras de hormigón armado, tanto en materiales como en mano de obra, tienen básicamente tres componentes: el hormigón, sus encofrados y las armaduras de refuerzo. En los tres casos, debería tenerse en cuenta no solamente el aspecto del 'poder adquisitivo del propietario' de la obra, sino también los consumos de energía involucrados para producir esos materiales que contienen, respectivamente, cemento-agregados-agua, madera-metal y acero.

En nuestro medio, el costo del metro cúbico de hormigón elaborado, puesto en obra y bombeado, puede oscilar entre 60 a 80 U$S. Depende de la resistencia (por razones obvias, no nos embarcaremos con la historia de qué valor dólar se considera; manda lo conceptual, y que nos permita establecer relaciones generales). El costo del Kgr. de acero es aproximadamente 1,0 U$S. Entonces las relaciones costo/peso son:

Hormigón................................................ 70 U$S/2300 kgr  = 0,03 U$S/kgr
Acero ..........................................................       =1,00 U$S/kgr
Relación costo acero/hormigón ......  1,00/0,03  = 33   por kgr de material.

 Es decir, que el costo del acero, en masa o peso, admitiendo un 10% de variabilidad en lo antes indicado, puede ser entre 30 a 35 veces mayor que el costo unitario del hormigón. Es claro entonces, que el costo del material compuesto, depende fuertemente de la eficiencia con que se utilicen las barras de refuerzo en la masa de hormigón. Es fundamental la cuantía de acero utilizada.

 

El hormigón armado es elaborado, generalmente, in situ, por lo que la incidencia de la mano de obra es muy importante. Cuando se comparan costos, la relación entre los mismos no es la misma en países como el nuestro, con alto costo relativo de materiales, que en países más desarrollados donde la incidencia de la mano de obra puede ser determinante para optar por otras soluciones, acero, madera u hormigón prefabricado, por ejemplo. En el costo final no solamente están los materiales sino también, entre otros, la colocación y curado en obra. Además veremos cómo el encofrado puede tener una fuerte incidencia.

En nuestro medio se puede tomar como costo de corte, doblado y colocación de armadura unos 0,50 U$S/kgr, por lo que el costo de la armadura, en el material compuesto, es entonces aproximadamente 1,50 US$/kgr. Para el hormigón hay que sumar el costo de encofrado, el cual puede estimarse en 8 US$/m2 el material y 4 U$S/m2  la confección y colocación, es decir unos 12 U$S/m2. El colado y curado del hormigón se estima en 15 U$S/m3. Por ejemplo para una columna de 40cmx40cm, con cuantía total del 2,0% (longitudinal más transversal, y adicionando un 10% por empalmes, anclajes y desperdicios, total 2,2%), el costo sería:
Acero= 7850kg/m3x0,022x1.50 US$/kg......................................260 U$S/m3  (56%)
Hormigón=  (70+15)....................................................................   85 U$S/m3  (18%)
Encofrado (relación perímetro/área=10)......................................120 U$S/m3  (26%)
Costo total es aproximadamente ………………………………….465 US$/m3 (100%)

Sin embargo, para el caso de una losa, de espesor 12 cm, con incidencia de acero de unos 85 Kg/m3 (más10% adicional), y factor de uso 0,75 el costo sería:

Acero 85 kg/m3 x 1,10 x 1,50 U$S/kg...........................  140 U$S/m3  (47%)
Hormigón (70 +15) U$S/m3.............................................   85 U$S/m3  (28%)
Encofrado 0.75 (1 m2/0,12m)*12U$S/m3...........................  75 U$S/m3  (25%)
          Costo es de aproximadamente……………………………  300 U$S/m3 (100%)

Del análisis de los costos unitarios por volumen del material hormigón armado, se ve, por un lado, cómo cambian según el elemento estructural, y por otro, la fuerte incidencia del encofrado. Para este último, hay que aclarar que depende de la calidad de la madera (en estos ejemplos se ha tomado material de muy buena calidad) y obviamente del elemento en cuestión para la incidencia en el costo, como así también, del cuidado y posibilidades de re-utilización. Hay casos en que el encofrado es muy poco o nulo (cilindros de fundación, vigas de fundación enterradas).

Sin embargo, lo más importante de observar, y en particular, relacionado con el objetivo de esta presentación, es que el acero es, sin lugar a dudas, el componente de mayor costo en las estructuras de hormigón armado (alrededor del 50%). A este hecho hay que agregar un aspecto no menor, que hace que la incidencia del acero sea aún más determinante: las cantidades de material realmente recibidas y utilizadas en las obras. Los recuentos finales suelen sorprender, pero no hacia el lado de la felicidad.

 

II. INGENIERÍA DE DETALLE: CONTROL DE CONSUMO Y SEGURIDAD.

Cuando se lleva a cabo un cómputo de materiales estructurales de hormigón armado, las mayores incertidumbres están en el acero de refuerzo. Los volúmenes de hormigón y superficies a encofrar pueden determinarse con bastante precisión a partir de planos generales de encofrados, como usualmente se los designa. No ocurre lo mismo con el acero, y en particular cómo se trabaja a nivel de documentación y en la forma en que se comercializa el material. Para el hormigón, hasta se pueden pedir lo que se llama 'cortes', que son fracciones de los 'mates' o de los contenidos que transportan los camiones hormigoneros. Generalmente el material en exceso es mínimo, y hasta utilizable en cualquier parte de la obra. No es el caso de los aceros, los que normalmente se comercializan en barras de (casi) 12 metros de longitud (en realidad, el acero se vende por peso).

La ingeniería de detalle de las armaduras tiene impacto directo básicamente en cuatro aspectos importantes y por ende apunta a: (i) reducir consumos y contribuir a la sustentabilidad de las construcciones; (ii) optimizar para aliviar el costo de la construcción, beneficio directo para el propietario; (iii) asegurar que el comportamiento de elementos estructurales y sus conexiones respondan a las hipótesis del diseñador; (iv) facilitar la revisión estructural o auditoría por pares, la interpretación del constructor, la aprobación municipal y la inspección en obra. Además, contando con la ingeniería de detalles, se pueden establecer logísticas y planificaciones de trabajo que reducirán tiempos de obra, a la vez que se pueden llevar mejores controles de compra de materiales. Si se terceriza tareas de armado, se puede ganar en control y rapidez.

La Fig.1(a) y (b) muestran dos fotos de una obra importante, donde se observa que no se ha desarrollado la ingeniería de detalle. Su ausencia impacta negativamente en cada uno de los cuatro aspectos antes mencionados: (i) no es sustentable, (ii) aglomeración de acero con pobre distribución y muy mal resuelta; (iii) lo hecho en obra la hace vulnerable y su factor de seguridad, numéricamente, sería menor de 1.0; (iv) si eso se dibujaba así en los planos de detalle, era pasible de rechazo inmediato. Como se suele decir, 'duele al ojo' (.....y al bolsillo !!!). 

 
 
 

Fig.1.  (a) Unión viga-tabique; (b) Viga de acople. Inexistencia de ingeniería racional.

Se enfatiza acá el aspecto importante de seguridad adecuada, que se opone al de vulnerabilidad, en particular en zonas de gran peligro sísmico. Una obra ejecutada de esta manera, al ser vulnerable, potencia su riesgo sísmico.

El nuevo reglamento INPRES CIRSOC 103, parte I, versión 2013, menciona en forma explícita, que se debe ejecutar la ingeniería de detalle completa como condición para obtener la aprobación de construcción por parte de la autoridad competente. A veces se culpa a los reglamentos de la gran cantidad de acero que se coloca en las construcciones lo que, se dice y sin fundamentos, las transforma en muy caras. De la simple observación de las imágenes anteriores, más la Fig.2(a) de la columna que se presenta a continuación, Fig.2(b), es claro que el código no es el problema, sino todo lo contrario. La cantidad de armadura longitudinal,16 barras de diámetro 25mm, que se colocó a esa columna de hormigón relativamente pequeña, ya no cumple el código, pues supera la cuantía máxima. Peor aún, cuando se efectúan los empalmes, mal, todos juntos, la cuantía resulta 100 % mayor que la que permite el código. Si hubiera respetado el código, hubiera consumido menos.

 
 

    Área bruta de Hormigón:   Ag = 30 x 50    = 1500cm²
    Área de Acero:    As = 16 x 4.91cm²   = 78.56cm²
    Cuantía Máxima (IC-103-II 2005):  lmax = 18/fy = 18/420MPa  = 0.043 (4.3%)
    Cuantía de Acero longitudinal:  l = As/Ag    = 0.052 (5.2%) > lmax

¡la cuantía aplicada resulta 21% mayor a la permitida por la reglamentación!
En zona de empalmes la cuantía asciende al doble, l = 10.4%,
y con ganchos a 180° al triple, l = 15.6%. Inadmisible.

Fig. 2. (a). Exceso de armadura en columna. (b) Mal detalle resultante. Estructura muy cara, ineficiente y condenada al fracaso si se ve sometida a fuerte terremoto.

La imagen a la derecha, Fig.2(b), muestra el resultado lamentable de la falta de criterio y detalle en el armado de la columna. Los estribos no se pueden cerrar!!!. En consecuencia, se malgastó el acero y, contrariamente a lo que se puede suponer (porque se 'puso mucho fierro'), el diseño resulta antieconómico y anti-seguro. De nuevo, en la documentación original, no hubo ingeniería de detalle: sólo las 'lamentables planillas', pese a las poderosas herramientas de diseño y dibujo con que se cuenta hoy. Ni siquiera se respetaron las distancias mínimas entre barras.

Los grandes causantes del exceso de hierro que se coloca en obra son entonces el mal diseño y la falta de detalles: paradójicamente, son los mismos que causan las grandes fallas estructurales durante los terremotos. Los últimos grandes sismos que ocurrieron en Chile (2010), Japón (2011) y Nueva Zelanda (2011), lo mostraron en numerosas construcciones. Afortunadamente, nosotros aún los vemos por TV. No se puede seguir 'culpando ni a los códigos, que son los que deben proteger a la sociedad, ni a los terremotos, que son fenómenos naturales'.

Cuando el diseño es malo, muchas veces acompañado por un no cumplimento del código, el gasto injustificado se origina 'en el tablero', es decir en la oficina del diseñador. Si, a su vez, no se desarrolla la ingeniería de detalles, el gran exceso se va a generar en 'la misma obra'. En este caso, será el armador quien decida longitudes de corte, lugares de empalmes, formas de anclaje, y es obvio que no existirá ningún plan o estrategia de utilización de las barras, ya que, al no existir detalles, no tienen otra posibilidad de llegar a obra en longitudes de, por ejemplo, 12m. O sea, se está delegando gran parte de la 'seguridad y economía de la obra' al armador. 

En la Fig. 3 se muestra los detalles de la armadura longitudinal de una viga. Cada barra, con sus formas y dimensiones, para que pueda ser fabricada en taller y traída a obra lista para colocar, o bien, para que sea cortada y doblada in situ con las dimensiones adecuadas. Ver, por ejemplo, cuadro de combinaciones que suman 12m. Optimización. Seguridad, en síntesis, ingeniería.

Veamos números concretos para que se tome en cuenta la real dimensión de los problemas que acarrean los malos diseños, la falta de detalles, la falta de controles adecuados a la hora de aprobación de documentación, y la falta de inspección sistemática y capacitada. En el caso de la obra a la que pertenecen las dos primeras fotos, Fig.1, se consumieron en exceso alrededor de 40 Kgr de acero por metro cuadrado de construcción. Por favor, atención que estamos diciendo 'en exceso' (racional 70 Kgr/m2, colocado 110 Kgr/m2). La obra tiene aproximadamente 25.000 metros cuadrados de superficie cubierta. Podríamos dejar para el lector de esta nota que obtuviera los 'resultados asombrosos' de lo mal que se pueden hacer las cosas. Pero como somos ingenieros, no podemos resistir la tentación de decirlos en forma explícita: se colocaron en exceso 40Kgr/m2 x 25000m2 = 1.000.000 de Kgr de acero (un millón). Eso implica que, al costo antes descripto de 1,50 US$/kgr, resulta entonces que el exceso fue aproximadamente de 1.500.000 U$S (¡¡¡ un millón quinientos mil !!!). De sustentabilidad, ni hablar. Pero si queremos referirnos a 'resultados económicos', vemos la gran pérdida en la ecuación inversión/beneficios.

Si suponemos que el costo por metro cuadrado de construcción es de 1.000 (un mil) U$S/m2, y que los departamentos que se pueden comercializar en esa construcción fueran de, por ejemplo 100m2, esto implicaría que el propietario, de no haber gastado esa barbaridad en hierro, podría haber construido al menos 15 (¡quince !) departamentos más. La ingeniería de detalle hubiera detectado que no era posible colocar esa cantidad de armaduras en el hormigón. Obviamente, si la cifra se relaciona con el valor de venta de los departamentos, se podría concluir  que 'las pérdidas' son aún mayores. Cada uno haga sus cuentas.

Debe quedar claro que sólo hemos tenido en cuenta el exceso de armaduras. Generalmente esto va acompañado de otros gastos, como el de tener que utilizar hormigones especiales para el colado, tiempos y riesgos de construcción, problemas de acopio, etc., etc. Lo lamentable es que, debido al exceso de acero colocado, el coeficiente de seguridad de la construcción (si existe) en vez de aumentar, se ha reducido. Con sólo ver los 'detalles resultantes en la obra' se infiere esta aseveración.

 

Conscientes del beneficio que produce la optimización del consumo de armaduras a través de la entrega del material ya listo para ser colocado en obra, algunas empresas productoras ofrecen el servicio de cortado y doblado. La empresa Acerbrag, por ejemplo, ha estado trabajando en los últimos años con el IMERIS (Instituto de Mecánica Estructural y Riesgo Sísmico), en investigación asociada a los tipos y las calidades de acero. Se incorporan formas de enseñanza del comportamiento de estructuras de hormigón armado, a partir de modelos físicos en escala reducida, diseñados, fabricados y ensayados por los alumnos de la Facultad de Ingeniería de la UNCuyo, a la que pertenece el instituto mencionado. Esto es muy importante para que realmente se cumpla el proceso de interacción investigación-empresa-sociedad. Los alumnos construyen los modelos y predicen su respuesta.

A veces se quiere limitar la ingeniería de detalle a grandes obras, justificando que no es necesario en obras menores, como por ejemplo en viviendas de uno o dos niveles. Nada más alejado de la realidad. Nuestra experiencia nos dice que la falta de ingeniería racional y de detalle puede conducir a gastar en exceso entre un 30 a 100 % más de acero del necesario.

Como ejercicio vamos a tomar una vivienda de 200m2 de superficie cubierta, para la cual el consumo de acero, con diseño racional, puede ser del orden de 25 a 30 Kgr/m2 (obviamente hay muchas variables en función del tipo de construcción, sistema de fundaciones, materiales mampostería y/u hormigón, tipo de cubierta, etc.). Si se supone que por falta de ingeniería de detalle se coloca un 50 % en exceso, implicaría gastar de más en obra 200m2x30Kgr/m2x0.50= 3.000 Kgr. Esto llevado al costo del acero implica casi 4.000 US$ de exceso. El precio de los aranceles profesionales en nuestro medio, cuando se incluye la ingeniería de detalle, es del orden de 10 U$S/m2, y cuando no se ejecuta, alrededor del 50 % de ese valor.

Ahorrar detalle = pésimo negocio = gran pérdida.

Ahora sí dejamos al lector de esta nota para que evalúe, en números y en consecuencias, la importancia  de que: (i) el mismo propietario-cliente 'exija' la ingeniería de detalle; (ii) el profesional responsable 'ejecute' (y cobre por ella) la ingeniería completa (que no exista la excusa injustificable de que no se hace porque no la pagan); (iii) que el organismo competente, autoridad de aplicación, la 'exija siempre y sin excepciones'; y (iv) que la sociedad toda aprenda que, mal que nos pese a los argentinos, las normas y códigos están para que se cumplan en su totalidad.

No creemos que hacen falta más argumentos para que, como dice el cantautor Joan Manuel Serrat: '… y cada uno a lo que hay que hacer'.

 
 
 

Ingeniero Carlos Ricardo LLopiz - Ingeniero Eduardo Javier Vega

CIES: Consultoría de Ingeniería Estructural. Martínez de Rozas 773. Mendoza.

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