Prefabricados para infraestructura social
Jaime Gomezjurado Sarria I.C. M.A. Titan
Los plazos para la construcción de carreteras secundarias se reducen de manera importante cuando se utilizan prefabricados de concreto, los cuales deben ser producidos cumpliendo con toda la normativa para asegurar el buen desempeño de las vías durante su vida de servicio. Algunos prefabricados pueden ser vaciados al pie de la obra y los más especializados se pueden producir en las ciudades capitales, donde están instaladas fábricas y desde las cuales se puede organizar la logística para transportar los prefabricados a las regiones en que se necesita construir la infraestructura social, transitando por estrechas vías de penetración o incluso utilizando corredores fluviales. La logística para el suministro de prefabricados a zonas de difícil acceso, ya se ha utilizado en Colombia, en algunos proyectos, como el de la construcción de viviendas prefabricadas sobre palafitos para reemplazar las que fueron destruidas por la ola invernal en el año 2010 a 2011, por el fenómeno de la niña, en que se transportaron a 13 municipios de Bolivar, 2577 soluciones de vivienda de interés social, cuyos componentes se fabricaron en las ciudades de Barranquilla, Medellín, Manizales y Bogotá.
La utilización de equipos móviles para hacer algunos prefabricados a pie de obra, así como la instalación de los prefabricados traídos de las capitales, genera empleo a personal sin experiencia, el cual con una adecuada capacitación y supervisión podría producir e instalar los prefabricados requeridos para la construcción de la infraestructura social dentro de los estándares de calidad requeridos para que las obras sean duraderas y con baja necesidad de mantenimiento.
Los sistemas prefabricados de concreto que se describen a lo largo del presente artículo, se utilizan en las carreteras secundarias y permiten construir puentes, estructuras para el manejo de agua y protección de taludes, así como, muros para estabilización de taludes, barreras de seguridad y pavimentos segmentados. La tabla 1, presenta un listado de prefabricados que se utilizan para la construcción de infraestructura e indica la norma aplicable para el control de sus espegificaciones.
1.Prefabricados para puentes
Los puentes para cruzar quebradas y ríos pueden ser construidos utilizando sistemas totalmente prefabricados o parcialmente prefabricados, empleando columnas, estribos, prelosas y vigas, las cuales dependinendo de las luces a cubrir en las carreteras secundarias pueden ser en concreto convencional o pretensado, en forma de Te o doble Te. Los elementos prefabricados para los puentes se fabrican fuera de la obra, lo que permite que de manera simultánea a la producción de los prefabricados se construya la cimentación y en el caso de puentes parcialmente prefabricados, que se vacíen las estructuras en el sitio, reduciendo los plazos de ejecución de obra y asegurando obras con mejores acabados y calidad, en las que se ahorran apuntalamientos y formaletas.
El montaje de puentes con sistemas prefabricados requiere la utilización de grúas y tractocamiones con plataforma o un sistema de transporte con la longitud igual a las vigas del puente, así como la adecuación de rampas de acceso antes de la instalación de los prefabricados, por lo que para vías secundarias resulta muy fácil cubrir luces con vigas de 14 metros, las cuales se puedan transportar en tractocamiones estándar. Para luces mayores se pueden utilizar plataformas extendibles o sistemas articulados para el transporte.
2. Prefabricados para manejo de agua
Para el manejo de las aguas en la construcción de carreteras, se utilizan prefabricados de concreto con dimensiones y características estandarizadas, tales como rejillas, sumideros, tubos carreteros, canales, box culvert y pozos de inspección.
Las rejillas y sumideros, que se fabrican con diversas geometrías, se instalan en zonas peatonales y vehiculares para captar las aguas lluvias. En su diseño es importante que tengan la mayor cantidad de área en las ranuras para el ingreso del agua y que éstas no sean de gran tamaño para evitar que por ellas pasen objetos pequeños.
Los tubos carreteros generalmente se fabrican en diámetros entre 60 cm y 90 cm, pero también pueden ser de mayor diámetro para cruces de agua de mayor caudal.
Los canales utilizados para evitar la socavación de los taludes y las filtraciones que desestabilizan los taludes de corte en las vías, se fabrican dependiendo de las condiciones hidráulicas del proyecto, en sección trapezoidal, rectangular o semicircular de diferentes tamaños y con longitud variable, pueden ser en concreto sin refuerzo o reforzado y destapados o con tapa. Cuando los cambios de dirección son suaves, para adaptarlos a la topografía del terreno se acostumbra instalar los canales con deflexiones entre uno y otro para generar las curvas que sean requeridas, si los cambios de dirección son bruscos se pueden utilizar unas unidades especiales, denominadas cajas de unión, las cuales permiten que los canales cambien de dirección en un solo punto con el ángulo deseado, e incluso que en estos puntos se recojan aguas provenientes de otros conductos.
Los box culvert se producen con sección rectangular completa o en dos secciones en forma de U, las cuales se ensamblan para conformar la sección rectangular; su longitud es variable y pueden hacerse con una o más celdas, para ser instalados a diferentes profundidades. El tiempo de ejecución de las obras con box culvert prefabricados es muy corto porque estos se van instalando inmediatamente se realiza la excavación. Los pozos de inspección son utilizados cuando se conectan diferentes estructuras hidráulicas prefabricadas.
3. Prefabricados para protección de taludes
En este grupo de prefabricados se incluyen elementos de pequeño tamaño empleados para el manejo de aguas superficiales y la protección de los taludes, tales como las bajantes de talud y los falsos túneles.
Las bajantes de talud, permiten conducir las aguas acumuladas en la parte alta de los taludes disipando energía, generalmente son de geometría trapezoidal para que funcionen como elemento auto portante encargado de encausar el agua que baja de las laderas o taludes con fuertes pendientes, estos se interconectan y se adaptan fácilmente a la pendiente o perfil, evitando la erosión y manteniendo la estabilidad.
Los falsos túneles, que se construyen con arcos prefabricados de concreto, protegen las vías del material que eventualmente se desprende de taludes poco estables, permitiendo que estas continúen en operación cuando se presenten pequeños derrumbes, de manera que el material desprendido del talud se depósita sobre el falso túnel o pasa por encima de la carretera y rueda a la parte inferior de la misma.
4. Muros para estabilización de taludes
4.1 Muro de tierra reforzada
Los muros de tierra reforzada se conforman con un relleno de material granular reforzado con tensores, los cuales se disponen en tiras o capas durante el proceso de compactación del material y se conectan a losas de concreto que conforman el exterior del muro. El material se compacta a una densidad tal, que se alcance la resistencia y la compresibilidad que asegure en conjunto con los tensores la estabilidad del terreno.
Los tensores, que pueden ser metálicos o plásticos, se adhieren al suelo por fricción y desarrollan la tensión necesaria para mantener la estabilidad del suelo. El material de relleno debe ser capaz de desarrollar fricción y debe estar libre de materia orgánica, por lo que normalmente se utiliza grava o arena y eventualmente se puede utilizar material arcilloso. Las losas de concreto se producen con diferentes geometrías, generalmente con un sistema macho – hembra en los bordes, el cual permite que al ensamblarlas queden alineadas para conformar el plano exterior del muro. La superficie exterior de estos muros puede hacerse de cualquier color, textura y acabado.
La base se hace con secciones prefabricadas que tienen el mismo ancho de las losas y sobre la cual se apoya la primera fila de losas. Dependiendo de la sección de las losas, se fabrican secciones medias, cuartos y esquinas que permiten ensamblar a manera de mecano cualquier geometría de muro. En la parte superior se coloca otro prefabricado de coronación que permite rematar de manera recta este tipo de muros.
También se pueden hacer muros de tierra reforzada utilizando bloques de mampostería de gran formato con geometría especial, los cuales se ensamblan sin mortero en las juntas y se traban entre sí para evitar deslizamientos, estos se amarran al terreno mediante un retenedor conectado con mallas muy flexibles de alta resistencia a la tracción y se instalan con material granular conectado con tuberías de drenaje y salidas de alivio para asegurar que la evacuación del agua del muro. Los bloques, que pueden tener textura lisa o abujardada y gran diversidad de colores, se nivelan y colocan por hiladas, teniendo especial cuidado en dejar libre de tierra y material contaminante las juntas de los bloques, y por cada capa de terreno e hilada de bloque se extiende una malla de refuerzo, que sirve como tensor para mantener estable el muro. La principal ventaja de los muros de tierra reforzada construidos con bloques es que estos son manipulados a mano para su traslado y colocación sin necesidad de equipos especializados para su izaje e instalación.
4.2 Muro con contrafuerte
Estos muros consisten en un sistema de pantalla prefabricada que puede ser vertical o inclinada a la cual se le dejan unos contrafuertes, para aumentar la rigidez de la sección y soportar los empujes del suelo. Las pantallas prefabricadas se unen con una zapata vaciada en segunda etapa en la obra para generar un conjunto monolítico. Estos muros trabajan de manera similar a un muro de contención vaciado en obra y se utilizan para la protección y estabilización de taludes, así como en los estribos para puentes y en las vías deprimidas.
El proceso constructivo es bastante simple, en obra se hace la excavación de la zapata y se dispone el acero de refuerzo, para inmediatamente colocar y apuntalar cada uno de los elementos prefabricados. Estando todos estos colocados, se vierte concreto para unir el prefabricado a la zapata, generando así la estructura monolítica equivalente al muro tradicional hecho en obra. Cuando el conjunto formado por la zapata y los paneles prefabricados alcanza las resistencias requeridas, se puede empezar con el vuelco y compactación de las tierras.
En el diseño de estos muros se debe considerar el manejo de aguas en la parte posterior del muro; por ello, generalmente se construyen filtros conectados con tubería que puede pasar a través de las pantallas para permitir la salida del agua y reducir la presión. Así mismo, como si se tratara de un muro de cimentación vaciado en obra, se debe verificar la estabilidad intrínseca del muro para evitar volcamiento o deslizamiento sobre el suelo de cimentación, la posibilidad de fallas por debajo de la cimentación del muro y la capacidad de soporte de la fundación.
4.3 Muro Criba
El muro criba es una estructura compuesta por travesaños prefabricados de concreto entrelazados que conforman un cajón, el cual en su interior se rellena con suelo granular permeable para darle resistencia y masa. El conjunto de suelo- prefabricados se comporta como un muro de gravedad, de manera que para su diseño se deben tener las misma consideraciones que para este tipo de muros, con la ventaja que permite una tolerancia de asentamientos diferenciales apreciables. Los prefabricados se interconectan de manera perpendicular y paralela a la superficie del talud, para conformar una red capaz de resistir los empujes de tierra.
El espacio entre prefabricados se rellena con material granular de manera que el agua fluye libremente entre los travesaños, los cuales se pueden hacer con diferentes texturas y colores, dependiendo del diseño del paisajismo. También se puede plantar vegetación entre los prefabricados, de manera que cuando crece se tapa el concreto y se aprecia un talud verde
Muro de contención vaciado en sitio. Los Muros para estabilización de taludes prefabricados se instalan cuando la resistencia mecánica es adecuada para soportar las cargas de tierra porque son sometidos a control de calidad durante su producción.
Canales y bajantes de talud. Los canales utilizados para evitar la socavación de los taludes y las filtraciones se pueden conectar con bajantes de talud para conducir las aguas lluvias a las quebradas.
5. Barreras de seguridad
Las barreras de seguridad prefabricadas en concreto son elementos que se utilizan para separar o delimitar la circulación de las vías, la cuales se fabrican con una sección transversal que ayuda a orientar a los vehículos que accidentalmente la impactan impidiendo que pasen al carril contrario. También se pueden utilizar para separar la circulación vehicular en un solo sentido y proteger zonas peatonales contiguas o estructuras donde la cimentación y columnas se encuentran cerca a la vía, caso en que la sección de las barreras solo tiene por el lado de la circulación de vehículos la geometría que ayuda a orientarlos en caso en que se desvíen de su dirección.
La geometría de la sección transversal de las barreras prefabricadas generalmente corresponde o es muy similar a la desarrollada en el estado de New Jersey, en Estados Unidos en la década de los 50´s, la cual hace que los vehículos que impactan con la barrera de seguridad se levanten levemente sin volcarse y retornen a su carril de circulación. Es deseable permitir algunos desplazamientos en las uniones de las barreras de seguridad prefabricadas para que la absorción de energía sea mayor, por lo que se han desarrollado diferentes mecanismos para anclar las barreras al piso y para unirlas entre sí, los cuales permiten en caso de impacto un ligero movimiento.
En caso en que la altura o eje de la calzada de la vía varíe por cambio del trazado original, las barreras de seguridad prefabricadas se pueden ajustar fácilmente a las nuevas condiciones de la vía porque pueden ser retiradas e instaladas de nuevo en la posición requerida. Después de muchos años de servicio, también pueden ser reutilizadas en proyectos nuevos.
6. Pavimentos segmentados
Los pavimentos segmentados son sistemas prefabricados que no utilizan pegas, los cuales trabajan en conjunto con la base y subbase de la carretera y se instalan sobre una capa de poco espesor de arena de nivelación. Se caracterizan porque se pueden armar y desarmar y se conforman principalmente por adoquines o losetas, sardineles y vigas confinadas y porque una vez puestos en servicio requieren bajo mantenimiento. La producción de estos prefabricados puede hacerse con materiales locales en el sitio o cerca de la obra utilizando tecnología para bajos volúmenes de producción con alto componente de mano de obra o en plantas industriales especializadas con equipos de alta eficiencia capaces de producir alto volumen. La textura de la las carreteras secundarias construidas con estos materiales es antideslizante y las vibraciones transmitidas a los vehículos están dentro de los parámetros de confort para las velocidades de diseño. Se pueden utilizar en carretera de montaña con altas pendientes y radios de curvatura cerradas.
Tabla 1. Prefabricados comúnmente usados en la construcción de infraestructura
Elemento | Especificación |
Adoquines | NTC 3829 |
Bajante talud | NTC 4109 |
Barreras de seguridad | NTC 4083 |
Box culvert carreteros | NTC 3672 |
Cunetas | NTC 4109, |
Falsos tuneles | ACI ITG 7 |
Losetas | NTEC 4992 |
Muros con contrafuerte | NRS |
Muros de criba | NTC 4646 |
Muros de tierra reforzada | INVE 680 |
Pozos y/o cajas de conexión | NTC 3789 |
Sardineles | NTC 4109 |
Tubos carreteros | NTC 401, INVE 661 |
Vigas para puentes | CCP-14 sección 5, ACI ITG 7 |
Instalación Barrera de seguridad. Las barreras de seguridad pueden ser instaladas utilizando los mismos equipos requeridos para extender el material de base y sub-base de los pavimentos segmentados.