Com a consultors d’estructures, una de les moltes feines que fem en el nostre dia a dia és la de comprovar la capacitat resistent d’estructures ja existents i, en cas de necessitat, dimensionar el reforç necessari per tal de poder continuar utilitzant l’estructura en consideració.
En la majoria d’estructures que visitem ens trobem amb tipologies estructurals de les més comunes, com són pilars de formigó, forjats reticulars, forjats unidireccionals, estructures metàl·liques, etc.
Hi ha vegades, però, que ens trobem amb alguna sorpresa com és el cas d’una estructura que vaig anar a veure a Igualada. Aquesta estructura formava part d’una antiga fàbrica tèxtil que datava dels anys 60. Només entrar al local, s’hi podia observar uns forjats formats per encavallades de formigó que suportaven les biguetes d’un forjat unidireccional. Descobrir una estructura tan poc usual i que a dia d’avui està en desús, em va fer decidir a compartir-ho a les xarxes socials: a Instagram i a LinkedIn.
Poca estona després d’haver-ho compartit, diverses persones s’hi van mostrar interessades i van sorgir diferents preguntes sobre el tema. És per això que vaig decidir aprofundir en la matèria i fer un estudi sobre aquestes encavallades de formigó.
Després d’una primera recerca sobre aquestes, se’n pot resumir el següent:
- La revolució industrial iniciada al segle XIX va incentivar que algunes ciutats de Catalunya apostessin pel desenvolupament de la seva indústria.
- Les estructures de les primeres naus industrials a Catalunya estaven formades per pilars de ferro, i bigues i encavallades de fusta i/o de ferro.
- L’any 1824 es va patentar el ciment pòrtland, el qual va ser utilitzat posteriorment per la creació del formigó armat.
- A poc a poc, es va anar incorporant a les estructures el formigó armat. Aquest material aportava molta més manejabilitat. Una de les seves grans aplicabilitats va ser la construcció de pilars i encavallades per a la cobertura de les naus i per als forjats, permetent també crear grans voladissos i grans espais per facilitar l’activitat fabril.
COM TREBALLA ESTRUCTURALMENT UNA ENCAVALLADA DE FORMIGÓ?
Introducció
Per analitzar com treballa una encavallada de formigó, s’ha simplificat una mica el càlcul per intentar facilitar la comprensió dels resultats. S’ha substituït la geometria de l’encavallada per una geometria més simple: una biga rectangular de gran cantell.
Les dades de càlcul utilitzades per fer l’estudi són les següents:
- Llum de l’encavallada/biga = 7.8m
- Distància entre encavallades = 5.5m
- Càrregues permanents:
- Pes propi de l’estructura = ja intrínsec en el càlcul
- Pes propi del forjat unidireccional = 3.00 KN/m2
- Pes propi del paviment = 1.00 KN/m2
- Sobrecàrregues:
- Sobrecàrrega d’ús = 5.00 KN/m2
Primer model de càlcul
Amb totes aquestes dades es fa un primer model de càlcul per a la biga de secció rectangular utilitzant el mètode d’elements finits.
La repercussió de les càrregues del forjat sobre la biga són les següents:
- Càrregues permanents: (3.00KN/m2 + 1.00KN/m2) · 5.5m = 22KN/m
- Sobrecàrregues: 5.00KN/m2 · 5.5m = 27.5KN/m
Aquestes càrregues, repartides en cadascun dels nusos que formen els elements finits, es representen en el model de càlcul de la següent manera:
Després de fer el càlcul, i gràcies a haver utilitzat elements finits, podem veure com són les línies dels esforços normals a l’interior de la biga:
Les línies dels esforços resultants en el model, ens permeten observar clarament dues parts ben diferenciades: una zona de compressió i una altre de tracció. Si aïllem aquestes zones en parts separades, obtenim clarament la forma de l’encavallada:
Segon model de càlcul
Un cop entès perquè l’encavallada té aquesta forma, podem passar a fer un segon model de càlcul molt més senzill utilitzant únicament nusos i barres. Aquest cop però, farem el model amb la forma de l’encavallada que tenim.
Segons les dades extretes de l’obra, totes les encavallades eren iguals amb les següents característiques:
Utilitzant totes aquestes dades el model de càlcul que s’ha fet és el següent:
La repercussió de les càrregues del forjat sobre l’encavallada queda de la següent manera:
Després de realitzar el càlcul, es pot passar a analitzar els resultats obtinguts del model. A continuació es mostren els esforços en Estat Límit Últim (E.L.U.):
Comprovació
Per agilitzar totes les comprovacions de resistència, s’ha utilitzat el promptuari informàtic del Formigó Estructural segons la EHE-08.
Les sol·licitacions que tenim en Estat Límit Últim (ELU) en el cordó superior de l’encavallada són les següents:
- Càrrega axial = 513.84 KN (compressió)
- Tallant = 140.47 KN
- Moment = -69.09 KN
En aquesta part de l’encavallada la secció de formigó és de 30cmx35cm amb un armat de 2f16 superior, 2f16 inferior i estreps de f8 cada 10cm. Les característiques mecàniques de la secció són:
Es passa a analitzar si la secció de formigó és suficient per complir amb els límits estructurals que ens exigeix la normativa:
- Flexió composta:
- Tallant:
S’observa clarament que, amb la secció armada que tenim en el cordó superior de l’encavallada, complim en totes les limitacions resistents.
Les sol·licitacions que tenim en Estat Límit Últim (ELU) en el cordó inferior de l’encavallada són les següents:
- Càrrega axial = -513.86 KN (tracció)
- Tallant = 0 KN
- Moment =» 0 KN
A diferència del cordó superior, s’observa que només tenim càrrega axial a tracció. En aquesta part de l’encavallada, la secció de formigó que tenim és de 30cmx15cm amb un sol armat de 8f20.
Com se sap, el formigó pot treballar a tracció amb càrregues molt i molt baixes. Però a partir d’un cert límit, deixa de treballar i llavors és l’armat qui passa a resistir les càrregues a tracció. Per això, passem a calcular quina és la capacitat a tracció de les 8 barres de diàmetre 20mm:
- 8 barres de diàmetre 20mm: As = 8 · 3.14cm2 = 25.12cm2
- L’acer més comú utilitzat als anys 60 tenia un límit elàstic de 240MPa (24KN/cm2) i una tensió de ruptura de 360MPa (36KN/cm2).
- Per tant, la capacitat a tracció de les 8 barres és de: 24KN/cm2 · 25.12cm2 = 602KN
Es veu clarament que amb la secció armada que tenim en el cordó inferior, complim en totes les limitacions resistents.
CONCLUSIONS
- Aquesta tipologia d’encavallades es van utilitzar a Catalunya als anys 60 per construir indústries per la gran versatilitat que oferia el formigó armat.
- Estructuralment, s’ha observat que encara avui funciona correctament i que amb les dades geomètriques i les càrregues que tenim complim amb les exigències de resistència que ens marquen les normatives actuals.
- El cordó superior de l’encavallada treballa a flexió composta (flexió + compressió). Com sabem, el formigó armat a flexo-compressió no sol presentar massa problemes.
- Pel què fa al cordó inferior hem observat que només treballa a tracció. Potser sorprèn que aquesta part de l’encavallada sigui de formigó tot i treballar a tracció pura .
- Sovint es poden trobar encavallades de fusta o de formigó amb el cordó inferior format únicament per barres d’acer. És una tipologia estructural bastant utilitzada actualment.
- Per les encavallades estudiades, l’argument pel qual el cordó inferior és de formigó segurament és per raons de durabilitat i protecció contra el foc. El fet de que el local era una antiga fàbrica tèxtil, va fer que qui es va fer càrrec del projecte d’estructures decidís utilitzar el formigó per tal de protegir les armadures.
NEWSLETTERS
Vols estar informat/da de les noves entrades del meu blog? Apunta’t al newsletters
Avui m’has fet perdre una estona llegint la teva entrada de bloc, però és que m’ha semblat genial!
Súper ben explicat i analític. M’ha recordat els meus anys a la carrera d’enginyeria Industrial quan feia càlcul d’estructures i m’ha encantat.
Moltes gràcies Guillem pel teu comentari. M’alegra molt que t’hagi agradat i que, tot i ser una mica teòric, t’hagi fet passar una bona estona.
Molt bona explicació Xevi. Jo també he passat una estona llegint l’article. He trobat a faltar una mica de flexió pura!! Per cert, ara entenc què fas a les tardes… Hahaha
Ah, i pels que ja ens queda una mica enllà en el temps, gràcies per recordar la teoria i la pràctica, realment ben explicat!!!
Salut
Ja veus Miquel que no paro mai amb el tema de les estructures!
M’alegro que també t’hagi agradat.