Apuntalamiento de Rescate de Zanjas: ¿Mitos o Ciencia? Parte 2

Por RON ZAWLOCKI

Una variedad de diseños de apuntalamiento para el rescate en zanjas han logrado encontrar su camino en el servicio de bomberos. Pocos han sido desarrollados o revisados ​​por ingenieros profesionales, y menos aún han sido probados en su posición de función (es decir, en una trinchera). Varios de estos diseños se han desarrollado sobre premisas que no se basan en principios de ingeniería (ciencia).

Lea la parte 1 aquí.

El diseño de sistemas para retener el suelo debe dejarse en manos de ingenieros profesionales. Los bomberos se han aventurado a "salir de sus carriles" al promover diseños de apuntalamiento no probados, como apuntalamiento puntual y sistemas de bloques de empuje. A continuación, exploraremos dos de estos diseños.

Recientemente, una práctica no científica ha comenzado a impregnar el servicio de bomberos y rescate. La premisa es que el apuntalamiento sin el uso de paneles, conocido como apuntalamiento puntual, puede ser una práctica segura en incidentes de rescate en zanjas. No hay principios ni prácticas de ingeniería ni datos tabulados del fabricante del apuntalamiento que respalden el uso del apuntalamiento puntual en las condiciones inestables y dinámicas del suelo asociadas con los incidentes de rescate en zanjas.

Aunque el apuntalamiento puntual puede ser efectivo en condiciones limitadas del suelo, esas condiciones no pueden determinarse mediante pruebas visuales o de campo rápidas. A pesar de estos hechos, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) publicó erróneamente el siguiente requisito de desempeño laboral en NFPA 1006, Norma para las cualificaciones profesionales del personal de rescate técnico, edición de 2021: "12.3.7, Utilizar técnicas de apuntalamiento puntual para soportar el suelo sin incorporar montantes o paneles como parte del plan de apuntalamiento, dado un incidente de zanja, caja de herramientas de rescate de zanja, datos tabulados y plan de apuntalamiento de zanja, para evitar que el suelo se derrumbe".

El mito del apuntalamiento puntual asume que el apuntalamiento puntual solo se utilizará cuando las condiciones del suelo sean apropiadas. Para que el apuntalamiento puntual se considere seguro para su uso, un miembro altamente capacitado y con experiencia debe realizar un análisis exhaustivo del suelo. Los socorristas pueden hacer un análisis visual de las condiciones que pueden determinar con rapidez y precisión cuándo las condiciones del suelo para apuntalamiento sin incorporar montantes o paneles (apuntalamiento puntual) no son seguras.

(1, 2) Cuando se aplican a las condiciones inestables y dinámicas del suelo que se encuentran en la mayoría de los incidentes de rescate en zanjas, los apuntalamientos puntuales y la pintura en aerosol naranja son igualmente poco confiables y peligrosos. (Fotos cortesía del autor.)

Estas condiciones incluyen cualquier signo de suelo activo (en movimiento), como el derrumbe de la pared de la zanja, abultamiento, levantamiento, flujo, desprendimiento y desmoronamiento. Desafortunadamente, cuando esos signos no son evidentes, no es posible realizar el tipo de análisis de suelo necesario para determinar con rapidez y precisión cuándo las condiciones son seguras para las técnicas de apuntalamiento puntual.

El personal del servicio de bomberos nunca tendrá suficiente experiencia y nunca estará expuesto a suficientes tipos de suelo variables para realizar de manera efectiva los tipos de análisis de suelo que se necesitan para determinar esos tipos de suelo. Esto también conduce a situaciones en las que los socorristas toman decisiones muy técnicas que afectan la seguridad de la vida de los rescatistas y las víctimas atrapadas sin la capacitación, la experiencia y el equipo adecuados. La decisión equivocada puede ser mortal.

Los diseños de apuntalamiento están obligados, por ley, a ser producidos por ingenieros profesionales (PE). El apuntalamiento puntual es un diseño de apuntalamiento. Hasta la fecha, no hemos podido encontrar un solo PE que haya producido un diseño de apuntalamiento puntual para usar en las condiciones de suelo débil e inestable encontradas en un incidente de derrumbe de zanja (rescate). Las siguientes razones para que los socorristas no utilicen apuntalamiento puntual se recopilaron de PE que son expertos en la materia de apuntalamiento de rescate en zanjas.

Principios geotécnicos. El Dr. Oliver Taylor (PE/PhD), ingeniero geotécnico de investigación del Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de EE. UU., realizó una extensa investigación sobre el apuntalamiento puntual. Su investigación abarcó casi 75 años de publicaciones académicas geotécnicas y no encontró apoyo para el uso de puntales puntuales en condiciones de suelo colapsado (débil/inestable). De hecho, Taylor concluyó que las investigaciones publicadas y en curso desaconsejan encarecidamente el uso de apuntalamientos puntuales sin refuerzos (montantes) o paneles en escenarios de rescate en zanjas. En 2019, dijo, "Los criterios de diseño geotécnico junto con varios Departamentos de Transporte del Estado [DOT] no permiten el uso de clavos de suelo o apuntalamientos puntuales para condiciones de suelo tipo C, específicamente para suelos susceptibles de colapsar [es decir, una zanja condición de falla]".

Datos tabulados del fabricante. Luego de una revisión de los datos tabulados de los cuatro mayores fabricantes de puntales neumáticos, PE Craig Dashner concluyó: "Los únicos dos fabricantes que especifican datos tabulados para apuntalamiento puntual son Hurst/Airshore y Prospan. En sus datos tabulados, ambos productos requieren la uso de láminas/paneles si se encuentra en un suelo tipo C o si hay desmoronamiento. Dado que la falla de una pared de zanja se consideraría desmoronamiento, los datos tabulados de Hurst/Airshore y Prospan esencialmente requieren láminas en todos los casos de derrumbe de zanjas. Paratech y ResQtec no recomiendan el uso de apuntalamientos puntuales en zanjas que se han derrumbado y no tienen datos tabulados para ese uso. El uso de apuntalamientos puntuales en incidentes de derrumbe de zanjas entra directamente en conflicto con todos los datos tabulados del fabricante".

Provocando colapso. La investigación realizada por la Dra. Marie LaBaw (PE/PhD) en 2009 encontró que la introducción de fuerzas de activación de puntales sobre áreas de superficie pequeñas (bases de apuntalamiento puntuales y rieles) directamente en paredes de zanjas débiles puede causar, en lugar de prevenir, la falla del suelo (colapso). Los puntales aplicados directamente al frente de una zanja (apuntalamiento puntual) pueden crear una falla adicional y hacer que la zanja sea menos estable que si no se aplicara ningún puntal. El puntal por sí solo no es suficiente para sostener un muro de excavación porque solo aplica esa fuerza resistiva sobre un área muy pequeña (base del puntal) y no en todo el muro. Esto significa que, sin el revestimiento adecuado, quedan cargas expuestas y no contabilizadas en el frente de la zanja. Es probable que esa fuerza expuesta explote (es decir, colapse) la pared de la zanja si la resistencia interna del suelo no es suficiente para contrarrestarla. En una zanja con condiciones de suelo inestables y dinámicas, es probable que el resultado sea una falla progresiva de la pared de la zanja.

Intervalos de puntal. Los puntales puntuales dejan suelo sin soporte entre los puntales. Dashner dice: "El suelo entre las orillas del lugar no tiene soporte y en condiciones de suelo débil puede colapsar". Taylor agrega: "Para crear el entorno más seguro posible para las operaciones de rescate, el apuntalamiento de zanjas debe resolver la presión lateral de la tierra, la presión de empuje y las presiones pasivas inducidas por los puntales mismos. Los puntales puntuales sin refuerzos o paneles no pueden soportar la presión lateral de la tierra, no satisfacen las ecuaciones de equilibrio y no pueden resolver las presiones de empuje. Además, dejan momentos sin resolver en la cara de la zanja expuesta donde las fuerzas no son obvias o verificables". Por último, Taylor dice: "No existe un código de seguridad, una guía de diseño o un principio sólido de ingeniería geotécnica que respalde el uso de apuntalamiento puntual de la manera establecida en la norma NFPA 1006".

Hay muy pocas condiciones de suelo en las que se pueda apuntalar de forma segura utilizando "puntillas puntuales"; esas condiciones del suelo dependen de una gran cantidad de propiedades características del suelo, por ejemplo, tamaño de grano, angularidad, redondez y distribución; dureza y rigidez en el suelo intacto; y condiciones ambientales tales como saturación, temperatura, heterogeneidad del material y pesos de sobrecarga de pilas de escombros y equipos y materiales de excavación que no pueden determinarse rápidamente por medios de prueba visuales o de campo y están más allá de la capacidad de los ingenieros, y mucho menos de los socorristas, para determinar esos variables en el sitio de una zanja colapsada.

A los bomberos se les han enseñado los siguientes mitos con respecto a los diseños de apuntalamiento con bloques de empuje:

A continuación se presentan las verdades científicas sobre el diseño de apuntalamiento con bloques de empuje.

No se necesitan puntales diagonales para soportar la esquina interior. El derrumbe más común asociado con una zanja en forma de L es la esquina interior, que es la sección más débil de la zanja porque es donde se unen dos caras de suelo sin apoyo (paredes). La falla comienza con fisuras a lo largo de la superficie del suelo en un ángulo de aproximadamente 45° entre las dos paredes. Luego, la gravedad actúa para crear una fractura que continúa desde la superficie hacia la zanja, lo que hace que la cuña de suelo se derrumbe en la zanja de forma angular.

Figura 1.Diseño de apuntalamiento simple para esquinas interiores

Mediante el uso de paneles compuestos de calidad y puntales de ingeniería, este diseño de apuntalamiento simple soportará una falla en la esquina interior sin introducir las fuerzas de deslizamiento (vectores) asociadas con los puntales en ángulo. (Figura de Craig Dashner, PE.)

Figura 2.Diseño de apuntalamiento de bloque de empuje (no recomendado)

Figura por Craig Dashner, PE.

La figura 1 muestra los vectores de una falla de cuña en la esquina interior de una zanja que se cruza. Este diseño de apuntalamiento simple captura el suelo de la esquina interior mediante el uso de paneles contiguos en la esquina interior con paneles directamente a través de la zanja (paredes exteriores) y puntales instalados perpendicularmente a las paredes. Si está utilizando paneles y puntales que son lo suficientemente fuertes para soportar la carga, no hay necesidad de puntales diagonales para soportar la esquina interior. Instalar bloques de empuje y puntales diagonales para soportar una esquina interior es una pérdida de tiempo, equipo y esfuerzo. Para empeorar las cosas, los vectores asociados con cualquier fuerza en los puntales diagonales pueden provocar el deslizamiento de los paneles en la esquina interior y provocar una falla completa del sistema de apuntalamiento.

La carga del área de la esquina exterior de una zanja en forma de L es simple, pero cuando llega a los puntales del "bloque de empuje" en ángulo, los vectores (dirección y magnitud) se vuelven considerablemente más complicados. La Figura 2 muestra la ruta de carga para una falla de pared exterior en un sistema de apuntalamiento de "bloque de empuje". Los puntales en ángulo y los bloques de empuje desarrollan tanto fuerzas de apoyo como de deslizamiento. Cuando las fuerzas de deslizamiento superan la resistencia, las columnas, los paneles y los puntales se deslizan y brindan poca o ninguna resistencia al colapso. Una vez que el equipo de apuntalamiento comienza a deslizarse, la resistencia a la fricción disminuye significativamente, lo que significa que las columnas, los paneles y los puntales seguirán deslizándose hasta que el sistema falle.

Por lo general, las gales están en contacto directo en sus extremos en la esquina. Sin embargo, cuando no están en contacto directo, los bloques de empuje exteriores hacen un contacto indirecto entre las columnas, lo que da como resultado el movimiento no deseado de ambas columnas y los puntales unidos a ellas. Cada vez que se carga un sistema, hay desviación. Cualquier deflexión al final de la columna #1 empujará la columna #2 hacia abajo de la pared, y cualquier desviación de la columna #2 empujará la columna #1 hacia abajo de la pared.

(3)El método de apuntalamiento con bloques de empuje tiene varios errores de diseño que pueden provocar fallas en el sistema.

La foto 4 muestra el resultado de la carga empujando las vigas de izquierda a derecha. La carga comienza en el suelo de la pared de la esquina exterior y se transfiere a los paneles, luego a la columna #1. El bloque de empuje exterior luego transfiere la carga, parcialmente a los puntales diagonales y parcialmente a la columna #2 en las direcciones que muestran las flechas rojas. Las columnas (superior e inferior) se deslizan y viajan hacia la derecha, llevándose consigo los puntales.

(4)Los puntales desprendidos resultantes de las correderas dejan todo este muro desprotegido contra el derrumbe.

La conclusión es que la fuerza de activación de los puntales que son perpendiculares a las paredes de la zanja y el coeficiente de fricción no pueden proporcionar suficiente resistencia para evitar adecuadamente que las columnas y los puntales mismos se deslicen por la pared. Para ayudar a comprender por qué, considere que la mayoría de las fuerzas de activación de los puntales son de aproximadamente 1,000 libras de fuerza. Siendo este el caso, puede suponer que cada puntal perpendicular podría resistir 1,000 libras de fuerza proveniente de la pared lateral o final. Sin embargo, los paneles detrás de esos puntales que están en contacto con la pared de la zanja tienen una superficie resbaladiza. Por lo general, tienen un coeficiente de fricción en el suelo de aproximadamente 0,5, lo que significa que solo la mitad de esa fuerza de la activación del puntal resistirá una carga proveniente del costado. Por lo tanto, cada puntal perpendicular instalado con 1000 libras de fuerza de activación resistirá solo 500 libras de fuerza de deslizamiento.

Dado que todos los sistemas de apuntalamiento de rescate deben tener al menos un factor de seguridad de 2:1, solo podemos contar con que cada uno de esos puntales resistirá 250 libras de fuerza de deslizamiento. En el mejor de los casos, el sistema de apuntalamiento con bloques de empuje solo puede resistir unos pocos cientos de libras de fuerza lateral del suelo por el derrumbe de una pared exterior; este es un defecto de diseño importante del sistema de bloque de empuje.

Figura 3.Diseño de ingeniería de apuntalamiento de zanjas en L (recomendado)

Figura por Craig Dashner, PE.

La fuerza geotécnica lateral actual del suelo, que incluye cargas sobrecargadas, puede alcanzar fuerzas mucho mayores que eso: 22 000 libras sobre una sección de 4 x 4 pies de pared de zanja. La resistencia adicional a la fuerza de deslizamiento en las paredes de las esquinas internas y externas es esencial para el uso seguro del sistema de bloques de empuje, pero rara vez se enseña o proporciona porque es un proceso difícil y que consume mucho tiempo. La resistencia a esas fuerzas de deslizamiento se puede resolver con una serie de piquetes colocados correctamente, pero los piquetes solo se pueden usar si la zanja es lo suficientemente ancha (longitud del piquete y suficiente espacio para balancear mazos) para instalarlos.

Desafortunadamente, esta información no está incluida en la mayoría de los instructores mal informados que enseñan el método del bloque de empuje. Cuando comparamos la fuerza requerida del sistema con la fuerza de resistencia del sistema de bloques de empuje, debería ser evidente que debemos dejar de enseñar y dejar de usar el diseño de apuntalamiento de bloques de empuje.

En la Figura 1 se muestra una solución simple que elimina las fuerzas de deslizamiento implícitas con los puntales en ángulo. La capacidad de ese diseño de apuntalamiento se puede aumentar fácilmente al acortar la longitud de la sección en voladizo de las columnas, como se muestra en la Figura 3. La capacidad de este diseño El sistema de apuntalamiento se puede aumentar en un 150 % al espaciar las columnas a intervalos de 2 pies (horizontales) (Tabla 1). Este diseño de apuntalamiento diseñado y probado con columnas de madera de chapa laminada (LVL) de 7 × 7 pulgadas es una "mejor práctica" para zanjas en forma de L.

RON ZAWLOCKI es un veterano del servicio de bomberos de 48 años que comenzó su carrera en el servicio de bomberos en 1974 con el Departamento de Bomberos de Detroit (MI). En 1977, se unió al Departamento de Bomberos de Pontiac (MI) y trabajó allí hasta su retiro como jefe de batallón en 2007. Es gerente del equipo de rescate en la Fuerza de Tareas de Búsqueda y Rescate Urbano de Michigan (MI-TF1). Zawlocki se ha desempeñado en comités locales, estatales y nacionales sobre seguridad de bomberos y rescate técnico y ha sido pionero en las pruebas destructivas de sistemas de apuntalamiento de rescate en zanjas para validar los factores de seguridad. Ha apuntalado cerca de 1.000 trincheras vivas. Recientemente, Zawlocki ha desarrollado una guía de apuntalamiento de rescate de zanjas con un equipo de ingenieros profesionales de USACE y FEMA y un especialista en estructuras de SUSAR. Zawlocki tiene una licenciatura en educación secundaria con estudios de posgrado en educación de adultos y desarrollo de cursos. Ha impartido cursos de bomberos y rescate en los Estados Unidos, Canadá, México y el Medio Oriente durante casi tres décadas y ha desarrollado varios programas de capacitación en rescate técnico, es coautor del libro Rescate en zanjas: Principios y práctica para las normas NFPA 1006 y 1670, y autor de libros de texto del curso, así como artículos que han sido publicados en revistas nacionales del servicio de bomberos y rescate.