¿Ha cambiado la construcción de andamios desde el siglo XVIII?

¿Cómo logra un andamio mantenerse en pie sin colapsar por su propio peso ni por las cargas que se le aplican? Si aún no has tenido la emocionante experiencia de estar en un andamio a varios cientos de metros del suelo, mirando hacia abajo por una pata de menos de cinco centímetros de diámetro, anótalo en tu lista de deseos.

Las cargas de los andamios suspendidos no ejercen una carga de compresión axial, sino una carga de flexión en el extremo exterior de la viga en voladizo. (Foto: David Glabe)

Es mágico que pueda soportar cualquier carga. ¿Por qué un andamio suspendido cuelga ahí sin caerse? ¿Cuál es el secreto de la capacidad de estas estructuras temporales para soportar cargas sustanciales con patas tan delgadas y cables filiformes? Aunque es un misterio para algunos, y quizás un milagro para otros, hay una explicación.

La idea de calcular la resistencia de los materiales fue desconocida durante milenios. La construcción era más un arte que una ciencia. Los artesanos expertos practicaban su oficio, utilizando la experiencia como guía para su trabajo futuro. Las grandes catedrales europeas son ejemplos de esta metodología, donde los trabajadores seguían ampliando los límites del conocimiento construyendo cada vez más grandes, deteniéndose solo cuando era evidente que la estructura que construían ya no podía soportar las cargas aplicadas.

Cargas de soporte

Fue recién en el siglo XVIII que la ciencia y las matemáticas se desarrollaron lo suficiente como para permitir el análisis preciso y, posteriormente, la determinación de la capacidad de materiales específicos para resistir fuerzas y soportar cargas. Durante este período, se descubrió que era posible crear fórmulas que un diseñador podía usar para determinar no solo la resistencia de un material determinado, como el hierro, sino también el tamaño necesario de un componente estructural para soportar una carga. Este conocimiento dio origen a lo que se conoce como ingeniería, y los profesionales de la ingeniería lo utilizan para el diseño y el análisis. De hecho, este conocimiento de ingeniería se utiliza para demostrar cómo y por qué un andamio puede hacer lo que hace.

Una columna, como la pata de un andamio, puede soportar una carga de compresión en función de tres factores: el tipo de material, su forma y la longitud sin arriostrar de la columna. Para andamios de estructura y de sistema, la forma preferida es un tubo redondo. Se utiliza un tubo redondo porque ofrece la misma resistencia en todas las direcciones, a diferencia de un tubo rectangular, por ejemplo, que es más resistente en dos direcciones y más débil en las otras dos. Los tubos cuadrados, que minimizan la diferencia, son la segunda opción, y por eso se pueden ver algunos andamios con tubos cuadrados. ¿Por qué se utiliza un tubo en lugar de una varilla sólida? Al fin y al cabo, un árbol es sólido.

Mediante investigación, se determinó que para lograr la resistencia del tubo se requería mucho más material alrededor del perímetro exterior que en su centro. Dado que el material del centro no era necesario, se eliminó. Por eso se utilizan tubos en lugar de varillas sólidas. Si bien una varilla sólida soporta más carga, la economía es fundamental, ya que los tubos ofrecen resultados satisfactorios. Además, ¿se imaginan el peso de un andamio con varillas sólidas como patas?

Algunos podrían decir que los orígenes de la construcción, específicamente en lo que respecta a las estructuras y los principios de soporte de carga, fueron más un arte que una ciencia. (Foto: David Glabe)

formas cambiantes

El acero es el material predilecto para la mayoría de los andamios. En las primeras etapas del desarrollo de la ingeniería, se determinó que la resistencia de un material variaba considerablemente según la mezcla, como la proporción de carbono y mineral de hierro. También se determinó que las impurezas eran perjudiciales. Para lograr consistencia, la producción actual de acero se controla cuidadosamente para que la resistencia del material sea muy predecible y, por lo tanto, el fabricante de andamios pueda producir un producto predecible. Por otro lado, un fabricante sin escrúpulos puede utilizar acero de inferior calidad, pero ese es un tema para otro momento.

El tercer factor que determina la resistencia a la compresión de una columna es la longitud sin arriostrar. Un tubo sin arriostrar de 5 cm de diámetro es muy resistente a la compresión, pero cuando tiene 6 metros de altura, no tiene capacidad alguna. Leonhard Euler, matemático y físico suizo del siglo XVIII, fue el primero en determinar, además del tipo de material y la forma de la columna, que la longitud sin arriostrar era un factor significativo en su resistencia. Posteriormente, desarrolló una fórmula que incluye los tres factores. En otras palabras, su fórmula para la columna, y otras posteriores, incorporan la relación entre la forma, la resistencia del material y la longitud sin arriostrar. En el caso de los andamios, la longitud sin arriostrar es la distancia vertical entre los elementos horizontales y la distancia vertical entre las conexiones de los arriostramientos diagonales.

Los montadores de andamios no pueden cambiar el material utilizado ni la forma de la pata, a menos que, por supuesto, utilicen un tubo doblado o enroscado. Usar un tubo doblado o enroscado perjudica la resistencia de la columna y explica por qué nunca se deben utilizar componentes de andamio dañados. Lo que sí pueden hacer, y lo hacen con frecuencia, es modificar la longitud sin arriostrar de la pata. El ejemplo más común se da en los andamios de estructura donde nunca se instalan los travesaños delanteros. Esta práctica cambia la longitud sin arriostrar de 1,2 m (la distancia entre los montantes de los travesaños) a 1,9 m (la altura nominal de un marco transitable). De esta forma, la capacidad de la pata se reduce hasta en un 50 %. Por el contrario, aumentar el número de elementos horizontales y los travesaños verticales correspondientes en un andamio de sistema, de modo que se reduzca la longitud sin arriostrar, aumenta significativamente la capacidad de la pata. Desafortunadamente, pocos montadores comprenden el impacto que el arriostramiento tiene en la capacidad.

En el mundo actual, ninguna estructura significativa se diseña ni construye sin recurrir a la ciencia. (Foto: David Glabe)

Los andamios suspendidos también se ven afectados por la investigación del Sr. Euler, pero quizás no de la forma esperada. Las columnas en tensión no se ven afectadas por la longitud sin arriostrar, por lo que los cables de acero pueden soportar cargas considerables en relación con su diámetro. Donde los tres factores de Euler destacan es en la viga voladiza horizontal a la que se fija el cable de suspensión. Si bien la carga del andamio suspendido no aplica una carga de compresión axial, sí aplica una carga de flexión en el extremo exterior de la viga voladiza. Si la forma de la viga es incorrecta, la resistencia del material es inadecuada o el arriostramiento de la viga es insuficiente, esta se enrollará, se torcerá, se doblará y, en última instancia, será incapaz de soportar la carga del andamio, lo que resultará en un resultado desfavorable para los ocupantes del andamio.

El mundo de hoy

El diseño y análisis de andamios se originó en investigaciones iniciadas por físicos hace trescientos años. Estas investigaciones aportaron certeza al diseño de estructuras y andamios, y permitieron una construcción más económica. Con el tiempo, pusieron fin a la práctica de construir estructuras basándose en la experiencia y el rendimiento previo del constructor.

En el mundo actual, ninguna estructura significativa se diseña ni construye sin utilizar la ciencia que hoy conocemos como ingeniería. Excepto los andamios.

Sorprendentemente, la industria de los andamios aún los construye como se hacía en 1700, confiando en montadores que, sin conocer el concepto de longitud sin arriostrar, esperan acertar basándose únicamente en la experiencia previa. Aún más sorprendente, se considera una práctica aceptable.