Anales de Construcciones y Materiales Avanzados

UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
DEPARTAMENT D’ENGINYERIA DE LA CONSTRUCCIÓ
SERIE: DOCENCIA
REFERENCIA: 706-D02-06
Anales de Construcciones y Materiales Avanzados
Volumen 5
Curso 2005-2006
Profesores y
editores:
Antonio Aguado
Luis Agulló
Barcelona, Mayo 2006
E.T.S. D’ENGINYERS DE CAMINS, CANALS I PORTS
SERIE: DOCENCIA
REFERENCIA: 706-D02-06
Anales de Construcciones y Materiales Avanzados
Volumen 5
Curso 2005-2006
Profesores
y editores:
Antonio Aguado
Luis Agulló
Barcelona, Mayo 2006
Depósito Legal B-39020-2006
I.S.B.N. 84-87691-38-2
Publicaciones del Departamento de Ingeniería de la Construcción
E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Universidad Politécnica de Cataluña
C/ Jordi Girona Salgado 1-3. Módulo C1. 08034 Barcelona
Esta monografía ha sido aprobada en la Junta del Departamento del día 20 de julio de 2006, si bien el
Departamento no se hace participe de las opiniones emitidas en la misma.
Indice
-i-
ÍNDICE
Prólogo
ASPECTOS GENERALES DE CONSTRUCCIÓN
Propuesta metodológica para la gestión integrada de obras ......................................... 1
Rafael Arturo Dueñas Naranjo – César Trapote Barreira
Análisis de riesgos en los proyectos de infraestructuras
públicas en España y mejora con experiencias en otros países .................................... 13
Carlos Albiol Boira – Montse Ferre Avellaneda
Índice de sostenibilidad en estructuras de hormigón ................................................... 21
David Gómez Brañas – Ignacio Sáenz de Santa María Gatón
ASPECTOS ESPECÍFICOS DE CONSTRUCCIÓN
Alternativas para la construcción de grandes torres para aerogeneradores................ 33
Enric Borrell Ferreres – José Mª Santiago Pérez
Medidas para la construcción de estructuras de hormigón a bajas temperaturas........ 43
Joan Bertomeu Bo – Lluís Marco Planells
Medidas para la construcción de estructuras de hormigón a bajas
temperaturas en países del norte de Europa ............................................................... 55
Anna Álvarez Moretó – Pedro Jiménez Pérez
Las barreras de seguridad tipo New Jersey .................................................................. 65
Francesc Brufau Vall – Mª Rosa Oliveras Brunsó
Las barreras de seguridad tipo New Jersey (II) ........................................................... 75
Cristian Gil Sagueres – Marta Jordà Regàs
Underwatter concret ................................................................................................... 87
Steffen Mohr
Resistencia y efectos del fuego en las estructuras de hormigón armado .................... 93
Sebastià Villena Nicolau – Esteve Riba Genescà
Recomendaciones de producción y utilización de hormigón reciclado........................ 103
Alberte, Eleine Varela Pinto – Louzada, Desilva Machado
-ii-
Índice
MATERIALES AVANZADOS
Materiales para estructuras de ámbito marino .......................................................... 115
Albert de la Fuente Antequera – Mónica Martínez Escamilla
Comportament dels materials compostos de fibra de vidre i les
seves aplicacions en l’enginyeria ............................................................................... 125
Evangelina Blanco Obiol – Josep Casas Pérez – Elsa Pastó Carmona
Hormigón autocompactable ........................................................................................ 135
Miquel Arévalo Rodríguez
El hormigón autocompactable y su aplicación con fibras ........................................... 145
Marc Busquets Zapata – Javier Pausas Escolà
Necesidad de finos en los hormigones autocompactables............................................ 155
Mireia Hernández Asensi – Josep Vilanova Gabarró
La utilización de fibras plásticas en el hormigón proyectado
para la construcción de túneles .................................................................................. 165
Jose Carlos Edo Monfort – Víctor Guasch Vela
Reinforced masonry applied to arches and walls ........................................................ 177
Pedro Miguel Almeida Silva
Hormigón antimicrobiano ........................................................................................... 187
José María Vaquero Martínez
PRÓLOGO
En el denominado Plan Viejo de la titulación de Ingeniero de Caminos, Canales y
Puertos de la E.T.S.I.C.C.P de Barcelona se incluyó una asignatura optativa denominada
Hormigones Especiales, iniciada en el curso 1980-81, siendo el profesor Antonio Aguado el
responsable de la misma, convirtiéndose en pocos años en una asignatura de gran éxito que se
ha constatado, no sólo en nuestra Escuela sino en otras universidades españolas y extranjeras.
Esa repetición exhaustiva, supuso un cierto cansancio, por lo que se planteó impartir de forma
alternativa con una nueva asignatura sobre Construcciones Especiales.
La razón de ser del nacimiento de esta nueva asignatura fue la constatación, a través de
los ejercicios teórico-prácticos de los exámenes de las asignaturas del área de Hormigón, que
existía una falta de ligazón entre los conocimientos impartidos y la aplicación de estos, a casos
concretos. Por ello se entendió conveniente, tanto en el entorno citado como en el
Departamento de Ingeniería de la Construcción, el proponer una asignatura que intentase
cubrir esa laguna detectada así como otros temas no recogidos en otras asignaturas de los
estudios de Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
Esta propuesta se realizó a la E.T.S.I.C.C.P de Barcelona para iniciar la asignatura
"Construcciones Especiales", en el curso 1994-95, con el profesor Antonio Aguado como
responsable de la misma. Ahora bien, con el fin de no dispersar más la oferta existente, se
consideró conveniente que dicha asignatura optativa tuviese un carácter cíclico con la
asignatura "Hormigones Especiales" que se venía impartiendo desde 1981.
La desaparición del Plan Viejo y la introducción del Plan Nuevo, dió lugar a la
aparición de una intensificación de Construcción y, en ella se fundieron las dos asignaturas
citadas en la denominada Construcción y Materiales Avanzados, con 9 créditos, la cual
comenzó a impartirse el curso 1999-2000, quedando encuadrada en la docencia de la Cátedra
de Hormigón del citado departamento, dentro de la citada intensificación.
El título de la misma responde a que en ella se estudia, por un lado, temas relativos a la
ejecución de obras de todo tipo, haciéndose un mayor énfasis en aquellas que presentan mayor
singularidad y, por otro lado, en los materiales avanzados, especialmente, hormigones
especiales, que hacen posible esas obras. El planteamiento transversal que se señala, se refleja,
tanto en el marco general que constituye el sector de la construcción, como en el estudio de
casos particulares donde se tienen que integrar conocimientos de diversas áreas.
El objetivo principal de la asignatura es transmitir al alumno criterios cara a una
adecuada solución estructural, empleando tanto técnicas avanzadas de construcción como
materiales avanzados. Hay que pensar que el nivel de los requisitos exigidos a las mismas
pueden ser muy variados y distintos a los usuales en estructuras convencionales. Asimismo, se
pretende crear en el alumno una disposición abierta ante los cambios tecnológicos que
representan. Con ello se pretende superar la inercia que con frecuencia conlleva el día a día de
la práctica profesional.
En el planteamiento de la asignatura, no se pretende hacer especialistas en estos temas,
sino dar criterio al alumno sobre estos temas, cara a que el mismo se enfrente con garantía de
seguridad a dichos temas dentro de su vida profesional. El carácter de la misma es
marcadamente tecnológico, pero con un planteamiento muy transversal de los temas, basados
en los amplios conocimientos que el alumno debe poseer de las asignaturas, tanto de la
especialidad más afines, como de otras especialidades.
Dentro del método seguido en la asignatura se ha incorporado, aparte de las
herramientas utilizadas usualmente en docencia, la filosofía del caso (frecuente en los master
del ámbito de economía). Asimismo se plantea una evaluación mediante trabajos, los cuales
deben ser presentados y defendidos en público. El desarrollo de esta asignatura a lo largo de
los años ha tenido resultados, asimismo, muy satisfactorios, tanto para los profesores que la
imparten como para los alumnos que la cursan.
En el presente curso académico, con el afán de mejorar el rendimiento de los trabajos y
aportar valor añadido a los mismos, los temas han sido propuestos por los profesores que han
intervenido en la misma (Antonio Aguado y Luis Agulló), habiendo colaborado otros
profesores del departamento como tutores de esos trabajos, a los cuales queremos agradecer su
contribución y dedicación.
Aparte de la definición de los trabajos, también se preparó un formato de presentación
tipo artículo o comunicación, limitando el número de páginas, el cual se aportó a los alumnos
que han seguido dicho formato. El documento que ahora tienen en sus manos es el resultado
de ese esfuerzo colectivo que, como el lector podrá comprobar, se entiende ha merecido la
pena.
Dada la envergadura de la labor y el éxito alcanzado en la edición anterior se mantiene
el carácter anual de esta publicación tenga. Por ello se da el título de ANALES DE
CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. Vol 5 (Curso 2005-2006),
representando, este documento, el quinto volumen de la serie.
Para finalizar, quisiéramos agradecer su aportación a nuestros compañeros que han
colaborado como tutores de algunos de los trabajos y, muy especialmente, a todos los
alumnos, tanto de este curso como de cursos anteriores, verdaderos artífices de este
documento y clave en la motivación conjunta por esta asignatura que ha sido factor principal
del éxito de la misma.
Barcelona, 14 de abril de 2006
Los profesores de la asignatura:
Antonio Aguado
Luis Agulló
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE
OBRAS.
Rafael Arturo Dueñas Naranjo
César Trapote Barreira
Universitat Politècnica de Catalunya / Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
Departamento de Ingeniería de la Construcción / ETSECCPB
Jordi Girona, 1-3 Edifici C1, Campus Nord / Tel. 93 401 65 16 / Fax 93 401 10 36
Resumen: La gestión de obra supone, en la práctica, un
conjunto de toma de decisiones que recae sobre el jefe de
obra. Los nuevos requerimientos del sector y unas mayores
exigencias aumentan la incertidumbre ante estas decisiones.
A partir de este trabajo, se pretende aportar una herramienta
válida para el gestor de la obra que aporte un rigor en el
proceso de gestión, evitando en la medida de lo posible
todas aquellas actuaciones llevadas a cabo bajo una
justificación subjetiva y, por lo tanto, arriesgadas.
La metodología planteada se basa en estudiar por separado
las diferentes situaciones en las que un jefe de obra se
puede encontrar y definir, para cada una, un procedimiento
a seguir considerando tanto la magnitud del problema como
los recursos temporales y materiales de que se dispone.
llevan a cabo de forma rápida y basándose, en la
mayoría de los casos, en la propia experiencia del jefe
de obra. Esta situación hace plantearse la necesidad
de una herramienta en forma de plan de gestión
integrada de obra destinada al jefe de obra, que le
ayude en el proceso de toma de decisiones a lo largo
de toda la obra y que considere los condicionantes y
sus pesos presentes en cada fase de ejecución del
proyecto. Esto supondría, con el tiempo, un
mecanismo de gestión del conocimiento en cuanto a
la gestión de obras que suplantaría las carencias del
sistema descentralizado de obras.
En esta situación, se pretende valorar la necesidad
de implantar un programa de gestión integrado de
obra como herramienta en el proceso de toma de
decisiones en la ejecución de la obra.
Para este punto, se han consultado las impresiones
de varios profesionales del sector que han podido
vivir en primera persona esta experiencia.
Por último, se pretende formalizar un modelo de
proceso de toma de decisiones para gestionar la obra
en cada momento de su ejecución.
Palabras clave: gestión de obra, toma de decisiones,
requerimientos, teoría de sistemas, propuesta metodológica.
1. Introducción
El sector de la construcción en España supone una
importante área de actividad económica y social,
representando el 8.3% del Producto Interior Bruto
(PIB) y un 11.4% de los puestos de trabajo.
Actualmente, tras el Tratado de Mastrich, las nuevas
exigencias en términos de déficit público han hecho
que se reduzca la inversión pública. Éste hecho, junto
con la reducción progresiva de fondos de cohesión
europeos destinados al crecimiento económico
mediante la creación de infraestructuras supondrá
que las nuevas demandas de obra civil sean
absorbidas por el sector privado, con sus respectivos
condicionantes y exigencias.
La creciente complejidad de los proyectos, el
ambiente de gran incertidumbre que rodea siempre el
sector constructivo y la necesidad de grandes
organizaciones para la ejecución de obras cada vez
mayores exigen un control continuo de la obra que
resulta vital en un mercado cada vez más
competitivo.
En este sentido, el jefe de obra como máximo
responsable de la ejecución de un proyecto y gestor
del mismo, se ve obligado a planificar, controlar y
decidir continuamente en un entorno altamente
exigente y cambiante. Además, estas funciones se
2. Gestión de obra
2.1. Introducción
Este apartado pretende establecer una base sobre
lo que se entiende por gestión de obra para
posteriormente analizar el desarrollo que ha tenido
dicha técnica en el contexto actual de la construcción.
2.2. Concepto de gestión
En primer lugar, se puede definir la gestión de
obra como el conjunto de actividades tales como la
planificación, tomas de decisión, organización y
control del proceso que se llevan a cabo con el fin de
materializar el proyecto constructivo y alcanzar los
objetivos propuestos optimizando los recursos y el
tiempo. Esta definición es paralela a la que se puede
encontrar en referencia a una Gestión Integrada de
Proyecto o Project Management con la salvedad que
el contexto de la obra es más concreto y está
1
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
centros de investigación. El motivo es que se conoce
el rol decisivo que tienen en el logro de los objetivos
básicos del proceso de construcción. Hay que tener en
cuenta que en este proceso disminuyen las
posibilidades de mejora con el tiempo y aumentan los
costes de dichos cambios, por consiguiente es
indispensable realizar una óptima gestión.
contenido en un ámbito superior que sería el
proyecto.
Tradicionalmente la gestión de una obra se ha
basado en el trinomio calidad, coste y plazo. No
obstante, los tiempos cambian y en la actualidad
aparecen más planos de requerimiento que deben ser
considerados, como por ejemplo, la sostenibilidad
medioambiental entre otros. Esta circunstancia ha
creado la necesidad de entender la complejidad de la
obra desde otros puntos de vista y por lo tanto la
necesidad de gestionarla de una forma global.
2.4. Gestión integrada, necesidad y realidad.
De igual forma que se han ido desarrollando
técnicas de Gestión Integrada de Proyectos de
Construcción está apareciendo en el sector la fórmula
de la Gestión Integrada de Obras. Es aún reducido el
número de empresas que cuentan con un programa de
estas características, por ejemplo Dragados o ACS,
no obstante la tendencia es alcista.
La realidad de la mayor parte de las obras es que
la gestión se hace en base a la curva de producción y
la planificación, donde los criterios o requerimientos
que más pesan son el coste y el plazo, primando el
primero de ellos más en la primera mitad de la obra y
el segundo en la segunda mitad. Debido a esto, las
actuales propuestas de las empresas sobre sistemas de
gestión integrados están destinadas a estudiar el curso
de la obra. Se han introducido como una herramienta
informática de pronosticación del curso del plan de
obra. Estudiando básicamente los requerimientos
económicos y temporales, intentan pronosticar las
repercusiones futuras de la obra a partir de dos o más
opciones a escoger. En este sentido, siempre se opta
por aquella decisión que asegura una mejor marcha
de la ejecución en el futuro. Uno de los problemas
que conlleva estos métodos aparece cuando el
número de variables y requerimientos es elevado. En
estos casos, el programa juega con tal cantidad de
variables, que la predicción dada por un programa
informático que manipula una gran cantidad de
variables de carácter social, económico y político
(todas con pesos y repercusiones distintas) no puede
ser creíble
Los nuevos y recientes planteamientos de calidad
y medioambiente son muy restrictivos y quedan
reflejados en las exigencias de la propiedad, no
obstante, la realidad es que los proyectos no los
recogen presupuestariamente de forma adecuada, de
forma que sumado a la baja de la adjudicación se
genera un todo que complica el desempeño real de
estos criterios.
En cuanto a la toma de decisiones basta decir que
se realiza un número muy elevado al día de ellas por
parte del jefe de obra, máximo responsable de la obra
y gestor. Pero pocas de ellas se toman con rigor
metodológico sino más bien de forma intuitiva en
base a la experiencia.
2.3. Innovación en gestión
La innovación y la investigación no han tenido en
la construcción el peso que se le ha dado en otros
sectores, sin duda por las características particulares
del sector. Siempre se ha centrado principalmente en
campos como el de los materiales, los equipos y los
procesos constructivos; siendo aislados y menos
sistemáticos los esfuerzos en materias como la
dirección o la gestión.
Son varios los factores de carácter general que
explican este insuficiente desarrollo, los más
importantes son sin duda la alta competitividad en
que se desenvuelven las empresas constructoras, los
bajos márgenes de beneficio y la inercia propia del
medio. También la gran movilidad de personal y
medios entre las empresas del sector que hace muy
difícil rentabilizar las inversiones en investigación.
Por último y quizá el más importante de todos, una
obra es única, cada proyecto es un prototipo y es
imposible su estandarización. El clima creado por
estas condiciones no es favorable para la inversión en
investigación.
Además existen factores relativos a los agentes
que intervienen en la construcción que han
desfavorecido el desarrollo como son la falta de
tradición investigadora y la creencia que la
construcción es una actividad no se puede analizar de
forma científica y sistemática.
Una característica importante del medio es que en
una obra cualquier situación nueva o imprevisto es
resuelto, pero cuan óptima ha sido la solución
encontrada es más difícil de cuantificar porque rara
vez es abordado el análisis. Sin duda los
profesionales del sector poseen cualidades como la
creatividad, el ingenio y la habilidad para resolver
con medios precarios los problemas que se presentan.
De esta forma el conocimiento que se genera en una
obra lo capitalizan las personas, por lo que es
frecuente oír aquel refrán que dice: “Cada maestrillo
tiene su librillo”. Esta circunstancia es una fuente
potencial de conocimiento y experiencias que
adecuadamente recogidas y divulgadas serían de
enorme utilidad en el sector.
En los últimos años el área de la gestión ha
recibido mayor atención por parte de universidades y
2
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
otros subsistemas para poder obtener el producto
final exigido.
El sistema queda definido pues a partir de una
serie de elementos y las relaciones que existen entre
cada uno de ellos. Ambos serán descritos a
continuación de una forma crítica al respecto de cómo
afectan a la propia gestión de la obra.
3. La obra como parte de un sistema.
3.1. Enfoque sistemático de la obra.
Para comprender bien todos los mecanismos que
engloban la gestión de una obra desde el punto de
vista del jefe de obra, se han de considerar todas
aquellas variables y factores que intervienen en ella.
Todos estos elementos no afectan únicamente al jefe
de obra, sino que se relacionan entre ellos a la vez
que interactúan con el medio que les rodea. Ante esta
complejidad, la teoría de sistemas nos permite
plantear y estudiar esta situación.
Desde un punto de vista sistémico y teniendo en
cuenta la jerarquización de los sistemas, se considera
para este caso que la obra, inserta en un entorno que
tiene como objetivo el obtener un producto final que
supone la ejecución de un proyecto, es un subsistema
dentro del sistema ‘proyecto constructivo’. A su vez,
dicho sistema, no solo consta del subsistema ‘obra’,
sino que esta formado por otros subsistemas (que
suponen sistemas individualmente) que interaccionan
mutuamente afectando el resultado final.
En el siguiente gráfico se muestra el enfoque
sistemático en el cual se quiere ubicar la obra para
poder dar el paso que nos permita ver el problema
desde una perspectiva ventajosa.
Dicho gráfico nos muestra como ‘propiedad’,
‘dirección de obra’, ‘proveedores’, ‘subcontatista’ y
la propia obra son los subsistemas que forman el
sistema general llamado ‘proyecto’.
3.2. Actores del sistema.
Uno de los elementos más importantes que forma
parte del proyecto es su demandante: la propiedad.
Tal y como se ha indicado en el punto anterior, los
organismos públicos generan un alto porcentaje de la
demanda de proyectos constructivos. Este hecho hace
que las respectivas administraciones pasen a ser el
principal cliente de las empresas constructoras, lo que
incide fuertemente en el mercado de la construcción,
produciéndose en la práctica un monopolio de
demanda en el cual los organismos públicos se ven
con la capacidad de fijar las condiciones y
características de las empresas que pueden licitar,
reglas de contratación, financiación, etc.
Esta posición ventajosa por parte de la propiedad
provoca que la empresa constructora se encuentre
ante un reducido espacio de maniobra empresarial y
con las reglas del juego prefijadas, reduciendo al
máximo toda posibilidad de negociación.
En los proyectos con empresas privadas, la
situación cambia notoriamente ya que se produce un
ambiente de mayor flexibilidad, que debidamente
conducido, permite una mayor optimización del
proceso constructivo.
La dirección de obra (D.O.) tiene una presencia y
participación en el proyecto que varía según si se
trata del redactor del proyecto o no. En el primer
caso, la D.O. mantiene en todo momento una relación
más estrecha con la propiedad que con las empresas
constructoras involucradas en el proyecto,
manteniendo con éstas una relación puramente
técnica. Por el contrario, cuando esta no ha redactado
el proyecto, se establece entre D.O. y empresa
constructora una relación mucho más provechosa en
la cual se unen las fuerzas de ambas formando un
único frente que comparte el mismo deseo de ejecutar
la obra de una forma rápida, económica y bajo las
exigencias de la propiedad.
El papel del sistema ‘empresas subcontratadas’ es
muy importante durante todo el proceso constructivo,
es decir, durante la ejecución del proyecto. Éstas se
relacionan principalmente
con
la empresa
constructora dentro del sistema ‘proyecto’.
Actualmente, la política de subcontratación se ha
adoptado de forma general por parte de la gran
mayoría de empresas constructoras hasta el punto que
en algunas obras todo el proceso de ejecución se
divide por completo en diferentes tajos
subcontratados. Esta realidad hace que las
Figura I : Enfoque sistemático de la obra.
Las relaciones que se pueden dar entre los
diversos subsistemas son numerosas, tanto entre los
agentes como entre los subsistemas que ellos forman.
Estos flujos representan todas aquellas negociaciones
que se dan entre dos partes y que desean cumplir en
la medida de lo posible los objetivos de ambos.
De esta forma, conceptos como condicionantes,
requerimientos, plazo, coste, riesgos, variabilidad,
etc, forman el entorno que rodea el subsistema ‘obra’
y con el que éste ha de luchar conjuntamente con los
3
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
como la ubicación geográfica del proyecto,
accesibilidad y disponibilidad de recursos en la zona
son aspectos que te determinan en gran medida la
flexibilidad y maniobra comercial que permiten
alcanzar los objetivos de dicha baja.
Otra consecuencia negativa para la constructora
debido a esta política más económica que práctica es
la falta de control de los costes de las unidades de
obra. Como consecuencia de esta obsesión por aplicar
modificados, el mayor esfuerzo se centra en aspectos
que no pertenecen al proyecto definido y se busca
continuamente la rentabilidad de la obra en la
obtención
del
correspondiente
modificado,
complementario, etc. Vemos así como la política de
contratación llevada a cabo por la propiedad cambia
la filosofía de un sector.
constructoras dependan por completo de estas
empresas de personal especializado y que su
presencia en el sistema ‘proyecto’ sea vital.
El subsistema ‘proveedores’ corresponde al
conjunto de empresas que suministra materiales,
equipos y maquinaria. Son importantes durante el
proceso de construcción y se relacionan
principalmente con la empresa constructora o, tal y
como se ha reflejado en la Figura I, con el subsistema
‘obra’.
Por último, el sistema ‘proyecto’ está formado por
un quinto subsistema, la ‘obra’. Dirigida por el jefe
de obra como máximo responsable, está contratada
por la propiedad para que ejecute un proyecto
constructivo que tendrá como finalidad la
construcción de una infraestructura destinada a cubrir
necesidades humanas. Todo esto lo ha de hacer
considerando la presencia de los otros cuatro
subsistemas, cada uno con sus objetivos diferentes, y
enmarcado globalmente por un entorno que le
restringe la libertad de actuación en base a una serie
de requerimientos sociales, económicos, políticos,
etc.
3.3. Relación ‘Obra’-‘Propiedad’.
3.4. Relación ‘Obra’-‘D.O.’.
Principalmente, la relación que se establece por
parte de la dirección de obra es de asistencia técnica.
En este sentido, el jefe de obra acudirá a la D.O.
siempre que exista algún tipo de duda en cómo define
el proyecto un procedimiento, detalle constructivo,
indefinición de materiales a utilizar o cualquier otro
aspecto que no quede claro en el documento.
Este tipo de relación hace indispensable un
mecanismo de comunicación entre ambas partes
capaz de permitir la puesta en contacto y la
transmisión de decisiones de una forma rápida y clara
para no interrumpir el proceso constructivo.
Esta relación se optimizaría con la presencia de un
representante de la D.O. en la obra que no se da en la
mayoría de los casos en los que el contraste entre
comunicación y prisas obliga a ralentizar la ejecución
o tomar decisiones arriesgadas por parte del jefe de
obra. Este defecto hace que todo problema surgido en
una planificación diaria e incluso semanal suponga un
obstáculo para la marcha normal de la ejecución.
La no presencia continua de la asistencia técnica en
la obra supone muchas veces que a la dirección de
obra le cueste llevar el ritmo de la constructora, lo
que supone que el papel de la D.O. entorpezca la
marcha de la obra.
Es importante tener en cuenta también que la
participación de la D.O. aparece en cuanto surgen
dificultades para el jefe de obra en relación al
proyecto. Desde este punto de vista, y resaltando
nuevamente la repercusiones de una mala definición
del proyecto, las relaciones necesarias con la D.O.
como asistente técnico crecen cuanto peor es el
estudio del proyecto.
El jefe de obra se encuentra pues en un entorno en
que las indefiniciones del proyecto y la no siempre
fácil comunicación y disposición de la D.O. le obliga
a tomar importantes decisiones, arriesgándose en
muchos casos cuando el factor tiempo es primordial.
Tradicionalmente la realización de la obra pública
en España tiene como uno de sus pilares
fundamentales la relación de confianza entre el
contratista y la administración como ente contratante.
Esta confianza, basada en múltiples relaciones
personales y modelada a partir de proyectos
ejecutados satisfactoriamente para ambas partes, ha
sido necesaria para poder llevar a cabo la gran
mayoría de actuaciones. Esta confianza ha generado
una mecánica de producción de costes de obra que se
ha convertido en habitual y ha llevado al sector a la
política de las bajas de adjudicación excesivas.
Aunque la constructora tiende a compensar estas
bajas con la negociación de los modificados del
proyecto, proyectos complementarios, precios
contradictorios y un sinfín de estrategias diferentes,
esta práctica obliga al gestor de la obra a dedicar una
gran cantidad de tiempo y esfuerzo en resolver los
problemas originados por las “trampas” realizadas
durante el proceso de adjudicación.
Esta política de bajas como medio para conseguir
la adjudicación de una obra se ha especializado tanto
en nuestro país, que los procesos de adjudicación y
ejecución se estudian de forma separada, siendo el
gerente el punto de unión entre ambas. Este hecho
supone una dificultad añadida a la gestión de
ejecución de la obra debido a que los criterios
seguidos a la hora de crear el proyecto no persiguen
los mismos objetivos que posee el jefe de obra y que
intentan optimizar el proceso de ejecución del
proyecto. El jefe de obra se encuentra así con una
baja que puede no haber tenido en cuenta el tipo de
proyecto al que va asociada. Por ejemplo, aspectos
4
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
muchos kilómetros de carreteras y autopistas que no
son estudiados y que el mantenimiento de una base de
datos en la que se va incorporando toda la
información extraída de los ensayos resulta una tarea
difícil.
Actualmente, la política de concesiones originada
tras las restricciones del tratado de Mastrich obliga a
las constructoras a buscar nuevos inversores en el
sector privado. En este sentido, para el inversor que
apueste por una concesión de infraestructuras de este
tipo, la gestión de la infraestructura, tanto durante la
ejecución como en la explotación, es una pieza clave
para garantizar la rentabilidad de su inversión. En
este sentido, el Banco Mundial, muy interesado en el
sector de las concesiones, ha creado un sistema de
gestión integrada (SGI) de obligado cumplimiento
para el concesionario. A nivel europeo este sistema,
llamado HDM-III, se ha afianzado de forma
generalizada.
Dicho sistema de gestión integrado consiste en un
programa que se va alimentando continuamente con
información acerca del estado de los firmes y
proporciona el estado general de la red viaria. Al
mismo tiempo, se definen en el programa diferentes
estrategias a seguir sobre la infraestructura según
posibles patologías, todas ellas asociadas a un coste y
considerando el parámetro dinero disponible a lo
largo de la concesión. Toda esta información se
complementa con todas aquellas obligaciones y
restricciones impuestas desde el exterior que limitan
ciertas decisiones. Con toda esta información, el
programa valora la situación de la red, las
posibilidades de actuación y los requerimientos
externos para proporcionar cuales son las actuaciones
mas acertadas.
3.5. Relación ‘Obra’-‘Subcontratista’.
La política de subcontratación llevada a cabo por
las constructoras permite reducir al máximo la
estructura de la empresa disminuyendo así los gastos
indirectos. Así pues, la subcontratación minimiza los
costes, aunque no está comprobado que este
mecanismo permita maximizar los beneficios.
Este tipo de relación también dificulta la tarea del
gestor de obra en el sentido en que es él quien acaba
decidiendo que recursos se necesitan y cuales ha de
escoger considerando aspectos como el rendimiento,
el riesgo e incluso el factor humano intrínseco a la
mano de obra que se busca. Todo esto, hace que el
jefe de obra se enfrente ante una elección para la cual
no tiene las herramientas necesarias para realizar un
juicio lo más objetivo posible. Hay que sumar que
esta elección no siempre es libre, ya que en ocasiones
la elección de la subcontrata viene condicionada o
forzada desde esferas superiores.
En este apartado hay que resaltar que si bien la
subcontratación permite minimizar costes, este
procedimiento no supone un traspaso de
responsabilidades en cuanto al tajo subcontratado.
4. Propuesta metodológica de gestión
integrada de obras.
4.1. Introducción.
Vista la posición de la obra desde la perspectiva
sistémica, se observa como el papel de la constructora
dentro de un complejo sistema que engloba el
proyecto no se resume simplemente a la propia
ejecución del mismo, sino que se ve involucrada en
un medio de negociaciones de índole político,
económico y social que quedan fuera de la propia
actividad constructora. Esta situación hace plantearse
la necesidad de introducir un elemento que participe
en este sistema de la mano del subsistema ‘obra’ y
que le permita centrar todos sus esfuerzos en la
propia actividad constructora. Dicho elemento se
propone en este trabajo en forma de programa de
gestión integrada para la obra.
Ratios
Estrategias.
f ($,plazo…)
Modelo
Estado de la
vía.
Requerimientos
externos.
HDM-III
4.2. Antecedentes.
La gestión de infraestructuras viarias consiste en
controlar de forma continua la evolución de la calidad
de las infraestructuras, evaluada por diferentes
parámetros e índices que indican el estado de la
misma, y determinar programas de actuación según
su deterioro. En el marco europeo, cada país lleva su
política de gestión de infraestructuras, realizando los
ensayos oportunos y abarcando la muestra más
representativa que se considere de la red. Sin
embargo, la experiencia ha demostrado que existen
Actuaciones a hacer en el tiempo.
Figura II : Modelo de gestión integrada HDM-III.
Este caso pretende ser un antecedente que nos
permita ser optimistas al pensar en la fiabilidad de un
sistema integrado de gestión de obra. Aunque los
objetivos de ambos sistemas de gestión no se
comparten y puede parecer que no tengan nada en
5
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
en detalle y hacerlo desde una óptica específica al
contexto de una obra.
En primer lugar hay que destacar que los
problemas a los que se tienen que enfrentar los
responsables de una obra tienen una vertiente técnica
importante pero no es única, sino que intervienen
otros aspectos como el coste, el plazo, la seguridad y
salud o aspectos medioambientales; por no comentar
las interacciones con otros actores del sistema que se
han analizado anteriormente. Por lo tanto, es
necesario tomar decisiones con una voluntad
integradora, de manera que se contemplen todas las
vertientes del proyecto y se evite reducir su valor a un
determinado aspecto.
En segundo lugar y relacionado con lo expuesto
anteriormente, la gestión de cualquier proceso tiene
varias
actividades
(planificación,
ejecución,
control…); pero queda claro que una vez establecida
la estrategia a seguir para llevarlo a cabo en cuanto a
planificación, ejecución y control para lo que ya se
han tomado varias decisiones, lo que resta es una
larga serie de tomas de decisiones para poder corregir
y solventar los diferentes problemas que vayan
surgiendo. Expuesto esto, queda justificado que se
plantee la gestión de un proceso dándole especial
importancia a la toma de decisiones.
Conviene ahora destacar que los problemas de
gestión y en concreto la toma de decisión en la
construcción tienen diferencias sustanciales a los
estrictamente técnicos. Por citar algunos, se destacan:
• El alcance y límites del problema son difusos
o de compleja definición.
• La toma de decisión contempla varios
procesos, componentes y las diversas
vertientes o aspectos del problema.
• Numerosas variables y cuya interdependencia
es de difícil estimación.
• Algunas variables no se pueden medir de
forma cuantitativa sino cualitativa.
común, la naturaleza de un sistema de gestión
integrada como herramienta de apoyo en la toma de
decisiones dentro de un entorno agresivo y muy
variable está presente en ambos casos. En la tabla
siguiente, se intenta mostrar este paralelismo entre las
funciones de ambos sistemas de gestión:
Franja
temporal
Ratios
Gestión
infraestructuras
Explotación
Fisuras, asientos,
colmataciones…
Modelo
Ciclo de vida con
mínimas prestaciones.
Estrategias
Mantenimentos
Por que?
Herramienta de ayuda
en explotación.
Gestión de obra
Ejecución
Dinero, recursos,
plazo.
Plan de obra.
Más recursos,
optimización.
Herramienta de ayuda
en ejecución
Tabla I : Paralelismo entre sistemas de gestión integrada.
Este ejemplo pretende mostrar un caso en el que
la aplicación de un sistema de gestión integrada ha
supuesto una herramienta útil y un apoyo en la
realización de una actividad de gran complejidad
como son las concesiones en infraestructuras.
4.3. Justificación de la necesidad de un SGI para
la obra.
El asumir la obra como parte de un sistema que
funciona gracias a la presencia, la participación y las
interrelaciones de los subsistemas que lo forman, han
puesto de manifiesto la gran cantidad de
condicionantes, impedimentos, restricciones y demás
dificultades que suponen una molestia para la normal
ejecución del proyecto constructivo.
Esta
complejidad hace que las continuas decisiones
llevadas a cabo por el jefe de obra para resolver
problemas puedan tener una mayor repercusión a la
vez que se dificulta la búsqueda de una solución
óptima para cada problema en la que todas las partes
implicadas en éste queden satisfechas.
Ante este marco, es muy razonable pensar en la
necesidad de un instrumento que ayude al jefe de
obra a valorar la situación en cada toma de
decisiones, teniendo presentes todas aquellas
variables impuestas por el entorno del proyecto, tanto
de forma cualitativa como cuantitativa, que restringen
fuertemente y de forma variable a lo largo del
proyecto la libertad de actuación del gestor.
Por lo tanto, la nueva propuesta debe dotar a los
responsables de la obra de una herramienta que les
permita desarrollar un proceso de toma de decisión
con mayor rigor, pero sin ser ésta de una complejidad
tal que la haga poco útil o atractiva.
La propuesta se basará fundamentalmente en un
proceso metodológico denominado ACE en relación a
las tres etapas que lo componen: Análisis, Creatividad
y Evaluación. El método en detalle se expone en el
siguiente apartado, no obstante el esquema
conceptual puede verse a continuación.
4.4. Bases de la propuesta.
El objeto de este apartado es sentar las bases que
regirán la nueva propuesta que más tarde se describirá
6
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
que su determinación en la toma de decisión conlleva
al análisis. Ahora bien, los requerimientos de primer
nivel o planos funcionales son básicamente seis en el
ámbito de la construcción: Económicos (E),
Temporales (T), Funcional (F), Social (S),
Medioambiental (M) y Seguridad Laboral (SS). Los
tres primeros son tradicionales pero en los últimos
tiempos cobran también importancia los tres últimos.
Por último, conviene hacer énfasis en que la
experiencia pone de manifiesto que a lo largo del
proceso de ejecución material del proyecto van
cambiando los pesos de los requerimientos, por
ejemplo, empieza primando el coste en la primera
mitad de la vida de la obra para acabar primando el
plazo en la segunda.
Finalmente, toda esta herramienta potente de toma
de decisiones se implanta sobre la planificación
obviamente, que es donde el decisor podrá identificar
los puntos clave. Además de jugar con otras
herramientas ya tradicionales como son la curva de
producción, etc., pero que no serán más que
herramientas de apoyo al método ACE.
Retroalimentación
Análisis
Creatividad
Evaluación
Control
Fig. III: Esquema del proceso de toma de decisión.
A grandes rasgos la fase de análisis permitirá
conocer el problema y los requerimientos a los que
está sujeto, que obviamente pueden tener un nivel de
importancia diferente en según que punto del proceso
se esté. El proceso de creatividad tiene como
finalidad la generación de alternativas, donde una vez
más la experiencia del jefe de obra y del equipo es
esencial en las aportaciones. Y por último, la
evaluación introduce técnicas que formalizan las
decisiones que habitualmente se toman de forma
intuitiva, como base fundamental la propuesta tiene
diferenciar las diferentes situaciones en que un
decidor puede estar en obra, por ello plantea una
técnica sofisticada y otra más sencilla, pero ambas
rigurosas. La fase de control tiene por objeto
retroalimentar el proceso.
Llegados a este punto conviene introducir dos
conceptos que dan lugar a las técnicas de evaluación
y que, por otro lado, han sido objeto de cuestiones
filosóficas: el valor y el riesgo. Aunque son diversas
las ideas vertidas sobre ambos por diferentes autores
o corrientes de pensamiento [6] básicamente podemos
resumir los siguientes puntos:
• El valor tiene por objeto medir la utilidad
percibida por un usuario de una cierta
alternativa, después de este matiz general se
puede entrar en detalles de enfoque
positivista o posmodernista que no son ya
objeto de este artículo. La formulación del
valor en el ámbito de la toma de decisión será
la abajo propuesta, donde v(x) es el valor
asociado al objeto x y ki es el peso del
requerimiento i-ésimo.
v( x) =
∑ k ⋅ v (x )
i
i
i
4.5. Propuesta metodológica
En resumen la aportación de este documento es
una propuesta metodológica que se centra en el uso
de dos metodologías conocidas que se han aplicado al
ámbito de la obra. En primer lugar, mediante el
método ACE podremos conocer el problema y
generar el flujo del proceso identificando los puntos
posibles de mejora y los puntos de tomas de decisión
importantes. Las decisiones pueden ser de dos tipo,
las pertenecientes a los puntos identificados o bien las
que surjan durante la obra y que no se han previsto;
las primeras se resolverán mediante una técnica de
análisis multicriterio similar al proceso MIV [6]0 y
las segundas se abordarán mediante un método más
rápido pero riguroso también.
La propuesta propone realizar la gestión de la
obra a partir de tres elementos clave, que son:
• La planificación de las actividades
complementada por la planificación de
decisiones.
• Los requisitos temporales.
• Herramientas tradicionales de gestión, como
por ejemplo, la curva de producción para
analizar la evolución de costes.
Los dos primeros puntos están perfectamente
contenidos en el método ACE.
A continuación se desarrollará el concepto del
método ACE aplicado a la gestión y toma de decisión
de la obra, para ello se hará un análisis de las
diferentes fases.
Previamente hay que indicar que lo idóneo es
realizar un ACE al inicio del trabajo con un alcance
de toda la obra (ACE en global – primer paso) ya que
siempre es mejor introducir mejoras en edades
(1)
i
•
El riesgo es la incertidumbre asociada a cierto
resultado, también en este concepto hay
matices según los enfoques positivistas o
posmodernistas. En el artículo y en la
propuesta por sencilla que pretende ser se
abordará de una forma práctica.
Los requerimientos juegan un papel fundamental
en la vida del proyecto desde su inicio, por lo tanto
será así también en la obra donde muchos llegan de
fases iniciales (plazo, coste, sociales, etc.) y otros
aparecen (constructibilidad, etc.). En la propuesta
planteada se abordan mediante el árbol de
requerimientos, como se podrá comprobar, de forma
7
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
deban ser modificados, de hecho el sistema
permite retroalimentarse y por lo tanto es
flexible. En un nivel primario los
requerimientos son los seis comentados
anteriormente (E, T, F, S, M y SS)
tempranas porque los costes de los cambios crecen
con el tiempo, después se aplica de nuevo sobre cada
punto singular sobre la marcha de la obra (ACE en
local – recursivo sobre puntos de decisión). Esta idea
irá quedando perfectamente especificada a lo largo de
la exposición.
El objetivo de la fase de análisis es estudiar el
marco del problema y fijar una estructura que servirá
de base para la siguiente fase. En el caso de una obra
esta fase efectuaría una análisis global del proyecto
que permita conocerlo y hacer un esquema de cómo
va a ser la ejecución material del mismo en base a la
definición de proyecto. No se entra todavía en la
identificación de los puntos de decisión. Las
diferentes partes de esta fase son las siguientes:
• Conocer el proyecto y recopilar información:
Sería interesante no solo conocer el
documento del proyecto en cuestión y los
condicionantes propios de la fase de
adjudicación (baja, plazo y consideraciones
constructivas propuestas por la constructora)
sino también recabar información de
proyectos similares y de la zona donde se va
a llevar a cabo.
• Identificación de procesos: Es interesante
plantear los diferentes procesos que
conforman la obra en tres niveles que son los
clave, los estratégicos y los de soporte
(AENOR, 2000). Llegando a un nivel de
detalle tal que se haya confeccionado la
planificación de la obra (diagramas de
precedencias, etc.) para los condicionantes
dados de tiempo y coste iniciales. Es
importante ya que sobre este esquema se van
a identificar posteriormente los puntos de
decisión y mejora.
• Requerimientos: En esta fase se deben
identificar los diferentes requerimientos que
entran en juego y no solo desde el punto de
vista de la constructora, sino desde el de otros
actores. El motivo es que la posición relativa
que adopta cada uno de ellos respecto a los
requerimientos puede ser diferente y por lo
tanto puede resultar que las diferentes
posiciones de éstos den lugar a una dispersión
en los objetivos cuya meta no debe ser otra
que la realización exitosa del proyecto. Este
concepto queda bien explicado con una
analogía a la determinación de centros de
gravedad, véase la siguiente figura, donde la
región de gravedad es el área encerrada por
los diferentes centros de gravedad y supone la
dispersión comentada anteriormente. A este
concepto se volverá a hacer referencia en
apartados
posteriores.
Además
estos
requerimientos deben establecerse para los
diferentes niveles de concreción de análisis
aunque después en cada punto de decisión
Centro de gravedad
objetivo del Actor i
R6
R7
Región de
gravedad
R1
R5
R2
R4
R3
Figura. IV: Región de gravedad.
•
•
Ponderación y asignación de pesos. Aunque
existen técnicas muy rigurosas para realizar
este proceso (análisis jerárquico o AHP), la
realidad hace pensar que en la obra no es el
método más adecuado, aunque deseable, y
por lo tanto es más práctico proponer una
estimación de los pesos en función la
experiencia del jefe de obra, del equipo y de
los otros actores si la decisión a tomar les
incumbe. Es interesante destacar que este
último matiz pone de manifiesto el carácter
integrador de la propuesta.
Construcción del árbol de requerimientos, de
forma genérica queda resumido por el
siguiente esquema.
REQUERIMIENTOS
RESPUESTA
Nivel 1
Req
Subreq
X1
Subreq
X2
Subreq
X3
Subreq
X4
K V
Nivel 2
V
Req K V
Nivel i
indicadores
Requerimiento 1r orden
Requerimiento 2º orden
K. Peso del requerimiento
V. Valor relativo del requerimiento
8
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
Figura V: Árbol de requerimientos.
Aquí hay que indicar que el nivel de desarrollo del
árbol, aunque si bien al principio debe plantearse de
forma genérica bien desarrollado, podrá adaptarse a
las necesidades de la decisión en cuestión, incluso
como se verá reducirse hasta el punto en que la toma
de decisión sea por comparación de criterios
(decisión rápida).
Asignación
Obra
Análisis
detallado,
ACE gobal
Planificación
actividades
Planificación
puntos de
decisión
Análisis
detallado,
ACE local
Respecto a la fase de creatividad cabe decir que su
misión principal es buscar puntos de mejora y generar
alternativas. El motivo principal es que debido a la
oferta es probable que el plazo y coste propuestos no
sean compatibles con el proyecto sin entrar en una
fase de planteamiento de estrategias. Cabe en esta
fase plantear los cambios constructivos y mejoras e
identificar los puntos en que el gestor deberá abordar
las decisiones más importantes de la obra. Por lo
tanto, los puntos importantes de esta fase del método
son:
• Identificación de los puntos de decisión: Cabe
identificar los puntos de decisiones que
requieren un análisis más sofisticado como
los que necesitan las más rápidas, aunque
como la práctica pone de manifiesto este tipo
de decisiones son numerosas y muchas
aparecen sobre propia marcha de las obras. Al
aplicar el método en un primer paso, de
forma más global, se puede realizar una
identificación de puntos de “parada” durante
la obra. Al entrar en el análisis de cada uno de
ellos será necesario profundizar el método, en
ese caso la fase creativa destacaría los
aspectos importantes de cada ítem de forma
específica
• Generación de alternativas para cada punto de
decisión: Aquí solo cabe un comentario,
cuando se aplica la metodología en un primer
paso global las alternativas con de carácter
general tal que permitirían cambios de
proyecto, etc. Cuando se aplican en detalle
sobre los puntos de “parada” suelen ser
alternativas de carácter específico.
Es el momento adecuado de presentar un
esquema de cómo puede ser la identificación de
puntos de decisión y se comenta lo relativo a esta
fase con un ejemplo; de esta forma en lo sucesivo
ya se puede avanzar de forma precisa.
Análisis
rápido,
ACE local
Final Obra
tiempo
Figura VI. Esquema aplicación de la propuesta.
Como ejemplo supongamos ahora que la obra en
cuestión en la que un determinado jefe de obra está
embarcado es el proyecto de un edificio de uso
industrial. Al recibir el proyecto (punto rojo inicial) la
aplicación del método ACE en un nivel global le
lleva a conocer el proyecto e identificar claramente
los planos funcionales (fase A) y a continuación
comienza la fase C. En ella el gestor realiza una
identificación de los puntos de decisión sobre el eje
temporal que dicta la propia planificación. Además es
el momento de plantearse alternativas de tipo general
como cambiar la estructura prefabricada de hormigón
por la metálica, el tipo de cimentación, etc. Cuando
entra en el análisis de un punto de decisión debe
aplicar de nuevo el ACE en local, es decir,
profundizar el análisis ya que tiene capacidad en ese
punto para ver los subrequerimientos que aplican y
los puntos de decisión a mejorar sobre esa cuestión en
particular, sería por ejemplo, en el caso de la
cimentación cuestiones relativas a subcontratar
algunas partes, traer maquinaria extra o no para ganar
tiempo, etc.
Por último de detallan los aspectos fundamentales
de la última fase, la evaluación. En ella y de forma
general, se debe concretar los indicadores que se van
a utilizar como valores respuesta para cada
subrequerimiento (último nivel), darles valor y
evaluar el conjunto. Ahora bien, el cómo detallado
depende del tipo de decisión:
• Opción A: Decisión meditada, requiere
análisis más profundo y tiempo para
realizarlo. Muchas veces carente en obra.
9
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
•
área es mayor es la que sería más adecuada. El riesgo
debe valorarse de forma intrínseca, es decir, no cabe
aquí la técnica de introducir un indicador específico.
Si bien, puede sofisticarse si es posible aproximar una
probabilidad asociada al evento, de la siguiente
forma:
V ( x) =
v i (x i ) ⋅ p (x i )
(4)
Opción B: Decisión rápida, un análisis
riguroso pero con pocos criterios aunque muy
significativos (dos o tres). Decisiones típicas
en obra que requieren una respuesta al
momento.
Ante la situación A, la aplicación de lo detallado
es directa. Todo el desarrollo del árbol por
subrequerimientos con su peso correspondiente ha
acabado llevando a unos indicadores o parámetros
respuesta que han podido ser evaluados. La
formulación del valor es la siguiente:
V ( x) =

∑ k ⋅  ∑ k
i
i

j
j

⋅ ...


∑k
k
k
 
⋅ v k (x k ) 

i
∏
i
Aunque la realidad es que los planteamientos
probabilísticas a pie de obra no son los más deseados.
X2
(2)
V2(x2)
Obviamente, es inmediata la asociación de esta
formulación con la aplicada en el análisis
multicriterio. En realidad se ha adoptado el desarrollo
propuesto por Ormazábal para una estructura en árbol
de requerimientos. La evaluación de cada alternativa
da al final un ranking del que se deduce cual es la
adecuada o más interesante.
Dos consideraciones adicionales, en primer lugar,
la forma de tratar el riesgo es introduciendo un
indicador a nivel de subrequerimiento, a modo de
ejemplo:
Plano
funcional
Subrequerimiento
Indicador
Temporal
Plazo obras
Duración (tiempo)
Certeza duración
V1(x2)
A1
V2(x1)
i
i
X1
Con esto queda finalizada la propuesta
metodológica, las consideraciones a cerca de ella se
abordan en siguiente apartado.
4.6. Consideraciones a la propuesta
Finalmente se pueden hacer unas consideraciones
a modo de conclusión específicamente sobre la
propuesta metodológica.
En primer lugar conviene destacar que se aporta
una metodología que viste de rigor la gestión y la
toma de decisiones en obra pero sigue dando
contando con la experiencia del jefe de obra como
principal decisor. Además incorpora formalmente los
diferentes planos funcionales en la toma de
decisiones, desde el concepto del valor y del riesgo.
La aportación más práctica es que la metodología
exige una entrada de información en el sistema
pequeña aunque específica pero que está al alcance
del equipo y del jefe de obra, distingue bien dos
aplicaciones en evaluación para considerar los ritmos
de trabajo en obra y todo esto da como resultado una
respuesta contrastable siempre con experiencias
previas. La experiencia, tan valorada en el sector, no
es un elemento que se desee sustituir por
procedimientos sistemáticos sino que da juego en la
metodología.
Por último, decir que la propuesta sirve de
elemento integrador de los diferentes actores,
facilitando por tanto acercarse a objetivos comunes
en el proyecto, reduciendo los conflictos del plano
social que tradicionalmente se han vivido en la obra o
la pérdida de ciertas perspectivas relativas a otros
criterios.
Como se puede apreciar, la certeza del coste
indica la incertidumbre sobre lo que puedan durar las
obras. Esta técnica ha sido aplicada por Manga
(2005) en el ámbito de la gestión y toma de decisión
en la contratación.
En segundo lugar, puede ser necesario descartar
alternativas por condiciones filtro. Esto es, cuando
una alternativa no cumpla algún condicionante de
tipo contorno.
La segunda opción, una la decisión que deba ser
inmediata no debe excusar la falta de rigor formal,
consecuencia de ello son los problemas generados por
la práctica de decisión por hechos consumados. La
propuesta en este sentido es práctica, reducir el
número de planos funcionales a dos o tres, de cada
uno un indicador. La evaluación propuesta es:
∏ v (x )
V1(x1)
Fig. VII. Esquema gráfico de la valoración rápida.
Tabla II. Ejemplo de valoración del riesgo.
V ( x) =
A1>A2
A2
(3)
i
La idea gráfica en que se basa esta sencilla técnica
es que, dados dos criterios por ejemplo, la expresión
mide el área encerrada por un paralelogramo cuyos
ejes son los criterios valorados. La alternativa cuya
10
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA GESTIÓN INTEGRADA DE OBRAS.
[6]
5. Conclusiones.
Una vez finalizado este trabajo, las conclusiones
obtenidas son optimistas, aunque la imagen de un
sector tradicional como es el de la construcción, con
una inversión en innovación escasa, merma el
potencial que dispone esta propuesta metodológica.
Para empezar, se ha mostrado la existencia de la
necesidad de una herramienta de apoyo para el jefe
de obra en la toma de decisiones en un entorno
agresivo y muy variable en el tiempo en cuanto a
requerimientos, que es la obra.
En segundo lugar, se han introducido ejemplos de
iniciativas llevadas a cabo por parte de empresas
buscando un concepto integral de gestión. En el caso
de las concesiones de infraestructuras viarias ha
quedado demostrada su utilidad. Por el contrario, en
el caso de los sistemas de gestión integral de obra
utilizados por empresas constructoras, el uso de éste
como herramienta de pronosticación ha supuesto una
importante inversión desde el punto de vista del
tiempo y de los recursos, sin que suponga este valor
añadido para el jefe de obra que aquí se está
buscando.
Esto realza la idea de una metodología de gestión
integrada de obra destinada a apoyar al jefe de obra
en el proceso de toma de decisiones, pero nunca
deberá ser un instrumento que haga el trabajo en su
lugar.
Agradecimientos
Los autores expresan su agradecimiento a
A.Simarro, G.Ormazábal, G.Ramos, C.Fernandez,
D.Andrés, F.Ares, R.Domínguez, M.Planas y
A.Guillén por la colaboración prestada para la
realización de este trabajo, que no hubiera sido
posible sin su participación.
Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
G. Santana Larenas.“Construcción: Características y
propiedades de un sistema”, Revista de Obras
Públicas. Marzo 1988. pp 221-231.
G. Santana Larenas. “La investigación en ingeniería
de construcción”, Revista de Obras Públicas.
Diciembre 1987. pp 803-818.
J.M. Compte Guinovart. “Algunas especulaciones
relativas a organización de obras”, Revista de Obras
Públicas. Septiembre 1950. pp 474-479.
F.J. de Águeda Martín. “El papel de la administración
en la gestión de la reducción de costes de obra”,
Revista de Obras Públicas. Noviembre 1997. pp 1719.
R.Manga Conte. “Una nueva metodología para la
toma de decisiones en la gestión de la contratación de
proyectos constructivos”, Tesis doctoral. Septiembre
2005.
11
G. Ormazábal Sánchez. “Un nuevo sistema integrado
de toma de decisiones para la gestión de projectos
constructivos “, Tesis doctoral.
Enero 2002.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 3. CURSO 2003-2004
12
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
ÍNDICE DE SOSTENIBILIDAD EN ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN
David Gómez Brañas e Ignacio Sáenz de Santa María Gatón
Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona
Campus Nord, Edificio C2, C/ Jordi Girona Salgado, 1-3, 08034 Barcelona
Resumen: Este artículo tiene como fin desarrollar las
directrices de un Índice de Sostenibilidad, específico para
las estructuras de hormigón, de manera que se pueda
catalogar de una forma sistémica, ágil y eficaz una
determinada estructura en su fase de proyecto. Tras un
análisis de las cifras que mueve el sector en la actualidad y
tras un repaso a los condicionantes de la época en que
vivimos, se pasa a la resolución del problema. Para ello se
avanza cronológicamente, empezando con una breve
singladura por los precedentes existentes y después
adentrándose en las tendencias más actuales. Se formaliza
una metodología particular, con un esquema del método y
una propuesta de su respectivo árbol de requerimientos,
quedando pendiente de cara a una futura revisión, la
calibración numérica del mismo.
Si observamos las cifras que mueve el sector, al
igual que sucede en otros países desarrollados, vemos
que es uno de los sectores productivos de mayor
importancia en España. Esta importancia se justifica
no sólo por su impacto en el producto interior bruto
del país, sino también en el empleo: cada 60.000
euros invertidos significan la creación de un puesto
de trabajo directo y 0,6 indirectos. Asimismo el
efecto multiplicador global estimado para el sector en
España es de dos (x2), lo que quiere decir que una
subida de un punto porcentual en la demanda
constructiva se traduce en casi el doble de subida en
la producción económica del país.
A título indicativo se pueden ver algunas de las
cifras que explican el peso del sector de la
construcción
en
la
economía
nacional
correspondientes al año 2001 (fuente: “Informe
Construcción 2001 de SEOPAN”):
Palabras clave: Índice de Sostenibilidad, Estructuras de
Hormigón, Fase de Proyecto
1. Introducción
Parámetro
Cifra de producción total
% de la producción sobre el PIB
Valor Añadido Bruto sobre el PIB
Población laboral ocupada sobre el total
Nº trabajadores empleados
En el transcurso de la historia la construcción ha
sufrido la lógica evolución tecnológica buscando
solventar los problemas que surgían con la aparición
de nuevas necesidades, creando obras cada vez
mayores en cuyo complejo desarrollo se ha perdido
de vista el verdadero fin de las mismas, servir al
ciudadano. Se precisa en la actualidad de un nuevo
enfoque encaminado a considerar las necesidades
tanto individuales como colectivas y éstas pasan sin
duda por una construcción sostenible que nos lleve a
racionalizar el consumo tanto de materias primas
como de energía y disminuir en lo posible el impacto
generado en el entorno. Un primer paso se está dando
con la implantación de las normas de calidad y medio
ambiente (UNE-EN ISO 9000:2000 así como la
UNE-EN ISO 14000:2004 y la norma de sistemas de
acreditaciones UNE-EN ISO 17025:2004), pero el
sector de la construcción por su gran variabilidad en
la ubicación de los centros de trabajo así como la
provisionalidad de los mismos requiere un nuevo
enfoque, una nueva solución. De hecho se puede
observar un incremento de la exigencia de la sociedad
en calidad, medio ambiente, seguridad, etc. Estas
nuevas tendencias han incitado la aparición de un
nuevo concepto, “desarrollo sostenible”. Una
derivación es la conocida como “construcción
sostenible”, aplicada tanto en el sector de
construcción en general como en el de Obra Civil en
particular.
Valor
95.200 m€
14,62%
8,30%
11,40%
>1 millón
Tabla I: Peso de la construcción en la economía nacional
Estos datos son referencias al global del sector,
haciendo una pequeña introspectiva, se observa que el
peso se subdivide tal y como sigue:
Subsector
Obra civil
Edificación
Edificación Residencial
Edificación no Residencial
Rehabilitación y Mantenimiento
de la Edificación
Peso (sobre el total)
22%
78%
37%
11%
30%
Tabla II: Subsectores de la Construcción
Todo ello nos hacen pensar en grandes consumos,
tanto energéticos como de materias primas. Y
pensando en materias primas lo primero que nos
viene a la cabeza es el hormigón. Para hacernos una
idea, hagamos la siguiente cábala: considerando que
somos una población de unos 44 millones de
habitantes y que consumimos unos 76 millones de
metros cúbicos de hormigón al año, lo que equivale a
una producción de 45 millones de toneladas, la
21
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
relación obtenida es de 1.73 metros cúbicos de
hormigón por habitante y año (ó 1.02 toneladas por
habitante y año), cantidades que a simple vista no
parecen ser nada despreciables. De hecho, los datos
oficiales sitúan a España como el país europeo que
más hormigón consume por habitante y año.
A la vista pues de los datos, resulta evidente que
cualquier mejora en proyecto o en construcción desde
el punto de vista medioambiental, conducirá a
grandes mejoras a nivel global.
Como ya se ha comentado, las estructuras de
hormigón son un patrimonio de los ciudadanos y,
consecuentemente, deben satisfacer las necesidades
de éstos. Estas necesidades el ciudadano las explicita
indirectamente a través de la legislación vigente, la
cual tradicionalmente ha puesto el énfasis en los
temas de seguridad y durabilidad. Ahora bien, el
aumento de la sensibilidad medioambiental de la
Sociedad, con una potenciación de la sostenibilidad,
requiere una respuesta en la actual Instrucción para
abrir el camino a este planteamiento más global.
En este contexto se está trabajando en la creación
de un Anejo donde se puedan sentar las bases
conceptuales y metodológicas para la evaluación de
las estructuras de hormigón desde el punto de vista de
la sostenibilidad.
El tema es muy amplio, tanto por lo que hace
referencia a los aspectos metodológicos como a la
necesidad de disponer de bases de datos fiables, hoy
en día no disponibles, ya sea por inexistencia o por
falta de exteriorizar a la opinión pública. En
definitiva, falta un consenso importante de cómo
abordar el tema (pero dicho documento puede
significar un primer paso en esta dirección).
El objetivo de este artículo, a su vez, será
establecer los mecanismos que regulen los proyectos
de estructuras de hormigón a través de indicadores
que cuantifiquen el grado de sostenibilidad de la
estructura buscando una herramienta de sencilla
aplicación, y mejorando en la medida de lo posible y
desde la perspectiva de la crítica constructiva, las
propuestas existentes en dicho Anejo.
actuación o proyecto con anterioridad a que los
efectos medioambientales derivados de aquellos
impactos lleguen a producirse, y con el fin último de
facilitar la toma de decisiones durante el proceso de
planificación y/o diseño. Por otro lado tenemos los
sistemas basados en el análisis del ciclo de vida que
pretende ser un proceso objetivo para evaluar los
efectos medioambientales asociados a un producto,
un proceso o una actividad, por medio de la
identificación y cuantificación del uso de energía y
materiales y de la emisión de residuos al entorno, así
como para evaluar y aplicar medidas de reducción de
dicho impacto medioambiental.
Una vez quedan definidos los sistemas pasamos a
describir las herramientas para la evaluación. Existen
tres enfoques en el planteamiento de los instrumentos
que se pasan a esbozar a continuación junto con
ejemplos del nombre adoptado así como el lugar
donde se están desarrollando.
ƒ Basados en la ponderación de criteriosindicadores de impacto en el análisis completo del
ciclo de vida, tales como: GBC-GBTool, VERDE
(España), PromisE (Finlandia), BREEAM (Gran
Bretaña), ESCALE (Francia).
ƒ Basados en la valoración de actuaciones (CheckList) tal como LEED (USA).
ƒ Basados en la valoración de impactos utilizando
“ecopuntos” (el número de ecopuntos conseguidos
sirve como elemento de comparación y mejora
ambiental de diseño) como ENVEST (BRE-Reino
Unido) o utilizando el concepto de ecoeficiencia
como CASBEE (Japón).
De entre los instrumentos desarrollados y
disponibles en el mercado, destaca la herramienta
denominada GBTool, debido al Green Building
Challenge (GBC es un proyecto internacional, en el
que España se ha incorporado en el año 2000, forma
parte de la IISBE (International Iniciative for
Sustainable Built Environment – www.iisbe.org) que
es una organización sin ánimo de lucro que pretende
como fin, facilitar y promover la adopción de
propuestas, métodos y herramientas para acelerar el
proceso hacia un medio ambiente global, construido
sosteniblemente). Este método permite evaluar el
rendimiento energético y medioambiental de los
edificios. Presenta como característica, que lo
distingue de otros sistemas de evaluación, el que se
diseña desde el principio para permitir a los usuarios
una mayor libertad de cara a poder reflejar sus
prioridades,
tecnologías,
tradiciones
en
la
construcción e incluso los valores culturales
existentes en diversas regiones o países solventando
así el obstáculo principal de cara a conseguir una
herramienta global.
Como instrumento consiste en una hoja de
cálculo. Las primeras hojas están orientadas a todos
los usuarios, el resto de hojas se dividen en cuatro
secciones principales, que se pueden organizar y
acoplar a gusto del evaluador. La primera de las
2. Precedentes
El problema que nos ocupa tiene múltiples
soluciones y dada su complejidad y los
condicionantes del entorno se entiende que existan
diversos enfoques, estudiándose en la actualidad en
distintos puntos del planeta, hecho que no hace más
que reafirmar la importancia que se le da al mismo así
como la necesidad inmediata de aplicar medidas de
protección ambiental. Estos sistemas de evaluación
ambiental en estudio se pueden descomponer en dos
tipos. Primero tendríamos los sistemas de evaluación
del impacto que persiguen el desarrollo de métodos
para evaluar y presentar el potencial impacto
medioambiental producido por una determinada
22
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
secciones se refiere a valores de contexto, energía,
etc., y debe rellenarse por personas que no estén
vinculadas al diseño o aquellas encargadas de la
evaluación. Para rellenar las hojas de la segunda de
las secciones, se requiere un profundo conocimiento
del edificio a evaluar, y se manejan datos referentes al
emplazamiento,
características
arquitectónicas,
instalaciones y consumos de energía, materiales, ciclo
de vida, etc. La sección tres se compone de una
evaluación, por cuanto contiene las puntuaciones para
todos los criterios y subcriterios y aplica los valores
asignados a la sección primera. La importancia
relativa de unos criterios respecto de otros se
determina mediante una serie de coeficientes de
ponderación que se asignan a todos y cada uno de los
criterios de evaluación. Por último, la cuarta sección
resume y muestra los resultados de todas las entradas
de datos previos y como tales, no contiene campos
modificables por el usuario. La hoja final muestra los
resultados de las evaluaciones efectuadas, mediante
puntuaciones y pesos ponderados, mostrándose dos
tipos de resultados. Primeramente se muestra los
indicadores de sostenibilidad medioambiental, que
son números absolutos. A continuación se presentan
los gráficos de barras que muestran las puntuaciones
del rendimiento de los pesos ponderados, con valores
comprendidos entre –2 y +5, del edificio analizado y
en relación con los valores de referencia.
La aplicación del GBC como método de
evaluación de la sostenibilidad de los edificios
proporciona una medida, tanto del comportamiento
absoluto del edificio respecto a un determinado grupo
de indicadores de sostenibilidad para su contraste con
otros edificios en diferentes regiones, como del
comportamiento medioambiental de un edificio
determinado, con relación a la práctica habitual para
este tipo de edificio en la zona geográfica donde este
situado y representada ésta por el edificio de
referencia. Por el contrario, este método resulta
farragoso y precisa disponer de una gama muy amplia
de datos (consta de 90 indicadores). Además la
definición previa de los pesos a priori admite la
crítica ya que puede introducir un sesgo en la
decisión. Por última la visualización del proceso no es
óptima, lo que puede representar una barrera para su
uso más generalizado.
la bibliografía relacionadas con la toma de decisiones
en el sector de la construcción, que plantean
herramientas matemáticas (basadas en el análisis
multicriterio) que a su vez permiten la toma de
decisiones en cada etapa del proceso, teniendo en
cuenta no solo aspectos económicos sino también
temas ambientales, de seguridad y salud, sociales,
funcionales y plazos, entre otros.
3.1. Esquema del método
El primer paso lógico en cualquier proceso es
definir con precisión tanto los límites como los
objetivos a alcanzar. Estando ya claro el segundo
punto pasamos a definir los límites del sistema
propuesto para evaluar un edificio. Estos quedan
reflejados de forma gráfica en la figura 1, en la que se
representan en tres ejes los parámetros principales del
modelo que se presenta. Estos ejes son: funciones o
requerimientos, ciclo de vida (eje temporal) y
componentes.
Fig. 1: Ejes del sistema y desglose del eje de funciones o
requerimientos
Entrando en detalle en cada uno de ellos, dentro
de las funciones o requerimientos, las consideradas
desde el punto de vista de la sostenibilidad son:
Medio ambiente, económico y social. Es importante
destacar que si bien estas son las funciones
consideradas en la actualidad, el planteamiento que se
realiza permite incorporar otras en el futuro, lo cual
es imprescindible en un instrumento que nazca con
voluntad de futuro más si cabe en un sector tan
cambiante como es la construcción.
En lo referente al eje temporal, correspondiente al
ciclo de vida, se puede descomponer en 4 diferentes
etapas que según un orden cronológico son la
concepción y planificación incorporando las fases
asociadas a la toma de decisiones respecto a la
ubicación de la estructura, la materialización asociada
al proyecto y la ejecución, la gestión de la estructura,
incorporando los aspectos relativos a la explotación y
mantenimiento así como la última y siempre olvidada
fase de deconstrucción integrando la demolición así
como gestión de residuos.
3. El enfoque actual
A continuación se presenta el método en que se
está trabajando en nuestro país del que primeramente
se expondrá su planteamiento general, el esqueleto en
el que se sustenta, para posteriormente entrar en
detalle al estudio de la sostenibilidad de las
estructuras de hormigón en los apartados siguientes.
Dicho estudio se basa en el borrador de uno de los
Anejos de la futura Instrucción de Hormigón
Estructural así como en tesis doctorales expuestas en
23
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El eje de componentes quedará definido por los
propios objetivos a alcanzar en la creación de
espacios controlados para el desarrollo de las
actividades humanas. Desde un punto de vista global,
se puede dividir en tres partes, que tienen en cuenta
las interacciones existentes entre ellas como son el
exterior del edificio o entorno, el edificio (estructura)
en sí y también el interior del edificio. Se deberá por
tanto tener en cuenta los diferentes elementos
constructivos que lo componen. De un modo genérico
se debe de estudiar el tipo de cimentación a utilizar en
función del terreno y de las cargas del edificio, el
sistema estructural más adecuado, los cerramientos,
las instalaciones etc. En definitiva, es posible el
desglose que se estime oportuno, siendo lo principal
acotar los límites del eje, para que no se produzcan
superposiciones o lagunas, que reduzcan o invaliden
el resultado de la evaluación. Se desprende de lo
expuesto que la herramienta permite hacer tanto un
análisis global del edificio o bien un análisis parcial
del mismo. Para ello sólo requiere la consideración
parcial de las etapas o fases en las que se desglosa
cada uno de los ejes como muestra la figura 2 en la
que se muestra como ejemplo el caso que pretende
estudiar a fondo este artículo.
Fig. 2: La metodología de análisis
aspectos medibles de cada plano de requerimiento.
Los indicadores, corresponden al último nivel de
jerarquía. Éstos representan la forma de cuantificar el
valor de cada alternativa según los criterios
planteados en cada plano de requerimiento. Un
indicador medioambiental de un edificio señala un
aspecto medioambiental en términos de carga o
impacto. Cargas ambientales son el uso de recursos y
la producción de residuos, olores, ruidos y emisiones
nocivas para el suelo, agua y aire. Estas cargas
ambientales están relacionadas con los impactos
ambientales que pueden expresarse como categorías
de impacto. Así pues queda patente la importancia de
los indicadores en la formulación del método pues
son el eslabón entre la realidad y el papel y por tanto
un punto de posibles imprecisiones y errores. Es por
ello que se les deben exigir unos requisitos tal como
ser exactos, inequívocos y específicos así como
comprensibles y fáciles de interpretar. Deben ser
asimismo accesibles y sencillos de obtener evitando
aquellos cuya interpretación requieran de infinidad de
3.2. Parámetros de medida
El siguiente paso lógico e imprescindible en la
creación de nuestra herramienta para la evaluación de
la sostenibilidad será definir y ponerse de acuerdo
sobre qué criterios e indicadores son los que se van a
utilizar. Asimismo es importante acotar el número de
criterios o indicadores a considerar, en aras de evitar
sesgos o difuminar los principales. Para ello se puede
definir a priori un nivel de representación, por debajo
del cual, ese indicador y/o criterio no debe
considerarse.
A partir de las funciones o requerimientos, en
cada decisión se generan una serie de niveles más
específicos llamados criterios e indicadores que junto
al nivel de las funciones, conforman el árbol de
requerimientos de la decisión, el cuál de forma
genérica toma la forma que se muestra en la figura 3.
Los criterios, tal como se muestra en la citada figura
3, corresponden a un segundo nivel de jerarquía.
Tienen como función agrupar de forma natural los
24
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
cálculos estadísticos y matemáticos. Otra exigencia es
que sean significativos y relevantes; que representen
la realidad de un sistema para poder actuar en
consecuencia y ser sensibles a los cambios, solo así se
podrá evaluar de una manera rápida, sencilla y
continua el desarrollo de las actuaciones ambientales.
Por último deben ser válidos, científicamente
solventes, verificables y reproducibles.
Fig. 3: Despliegue de las funciones (o requerimientos) en criterios e indicadores
El siguiente paso será pues definir la respuesta
que genera una alternativa a cierto indicador y para
ello es necesario definir la función de valor de cada
uno de ellos. Será imprescindible homogeneizar las
unidades de los indicadores, convirtiéndolos en
unidades de valor, optando por establecer un rango
entre 0 y 1. Para construir dichas funciones de valor
de un indicador es necesario definir previamente la
tendencia de la función de valor, los puntos de
mínima y máxima respuesta así como la forma de la
función de valor, dando la expresión de la misma. A
continuación se exponen las 2 formas de la función
de valor que se emplearán en nuestra propuesta cuya
expresión matemática se incluye seguidamente.
Fig. 4: Diversos ejemplos de funciones de valor
25
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Vind
⎛ X ind − X mín
⎡
− K i *⎜
⎜
Ci
⎢
= A + B* 1− e ⎝
⎢
⎣⎢
⎞
⎟
⎟
⎠
Pi
⎤
⎥
⎥
⎦⎥
(indicadores, criterios y funciones). Este proceso
consta de tres pasos:
ƒ Construcción de la matriz de decisión
ƒ Cálculo del vector de pesos
ƒ Evaluación de la consistencia de la matriz
La matriz de decisión o matriz “A”, es una matriz
cuadrada de n*n (donde n es el número de
indicadores del criterio o los criterios del plano de
requerimiento o los planos de requerimiento que
definen el valor de las alternativas, según el caso) en
donde cada uno de sus elementos se calcula a través
de una comparación por pares entre ellos. Los valores
que toma cada elemento de la matriz “A”, se calculan
de acuerdo a la escala que se muestra en la tabla III.
Para el cálculo del vector de pesos es necesario
normalizar los elementos de la matriz “A” mediante
la expresión (3) creándose la matriz “B”. Cada
elemento de la matriz “B” es igual al elemento
correspondiente a la matriz “A” dividido entre la
sumatoria de los elementos de la columna donde se
encuentra.
(1)
Donde:
A =Valor que genera la abscisa “Xmin”,
generalmente A = 0
Xmín=Abscisa del indicador que genera un valor
igual a “A”.
X ind =Abscisa del indicador evaluado que genera
un valor
Pi
Ci
Ki
Vind
=Es un factor de forma que define si la curva
es cóncava, convexa, recta o con forma de
“S”. Obteniéndose curvas cóncavas para
valores de Pi < 1, convexas o en forma de
“S” si Pi >1 y tendiendo a rectas si Pi ≈ 1.
Además, determina la pendiente de la curva
en el punto de inflexión de coordenadas:
(Ci, Ki)
=En curvas con Pi > 1 establece el valor de
la abscisa donde se localiza el punto de
inflexión.
=Define el valor de la ordenada del punto
b ij =
a ij
n
∑ a ij
i =1
(3)
Ci
B =Este factor permite que la función se
Con los componentes de la matriz “B” se calcula
el vector de pesos mediante la expresión (4). Por lo
que cada elemento del vector está compuesto por el
resultado de la sumatoria de los elementos de cada
columna de la matriz “B” dividido entre el número de
requerimiento, criterios o indicadores.
mantenga en el rango de valor de (0,00;
1,00) y que siempre la mejor respuesta tenga
un valor igual a 1.
⎛ X máx − X mín
⎡
− K i *⎜⎜
Ci
⎢
B = 1− e ⎝
⎢
⎣⎢
⎞
⎟
⎟
⎠
Pi
⎤
⎥ (2)
⎥
⎦⎥
n
∑ b ij
j =1
wi =
n
Xmáx= Abscisa del indicador que genera un valor
igual a 1.
(4)
Cada uno de los elementos de este vector es el
peso correspondiente del requerimiento, criterio o
indicador evaluado, según el orden en que hayan sido
ubicados en la matriz “A”.
La evaluación de la consistencia, mide cómo el
usuario tiene examinada la matriz “A”, teniendo en
cuenta la proporcionalidad de las referencias. Para
evaluar la consistencia, Saaty propone calcularla
mediante la relación de consistencia (C.R.,
Consistency Ratio). Para ello, se parte del vector
propio máximo que se consigue mediante el producto
de la suma de las columnas de la matriz aij, por la
componente del vector de prioridades Wi
obteniéndose el valor de λmáx mediante la ecuación
(5).
3.3. Metodología de evaluación
Una vez que cada indicador tiene su función, es
necesario pasar a evaluar cada alternativa. En esta
fase es necesario incorporar dos aspectos importantes.
Por un lado, la determinación de los pesos de cada
uno de los indicadores dentro de su grupo de criterios
y de estos englobados en el correspondiente eje de
funciones. Por otro lado, introducir para cada
alternativa, el total de unidades que corresponden a
cada indicador, por ejemplo, el volumen de hormigón
necesario para construir la estructura, etc.
Con respecto a la obtención de los pesos se
propone utilizar el planteamiento existente en el
Análisis Jerárquico de Procesos (AHP Analytical
Hierarchy Process; Saaty 1980), para cada nivel
26
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
n ⎛ n
⎞
λ max = ∑ ⎜⎜ ∑ a ij ⎟⎟ * w j
j = 1⎝ i = 1 ⎠
Posteriormente, la consistencia
mediante la ecuación matemática (6).
C.R. =
El índice de consistencia (C.I.), se define
mediante la ecuación (7).
(5)
se
calcula
C.I.
≤ 0.1
R.I.
C.I. =
(6)
Donde,
λ max − n
n −1
(7)
λ max y n tienen el significado dado con
anterioridad.
Donde,
C.R.=relación de consistencia (Consistency Ratio)
C.I. =índice de consistencia (Consistency Index)
R.I. =índice de consistencia aleatoria (Random Index)
Elemento de la matriz
Importancia
relativa
Significado (i respecto a j)
aij
aji
1/9
Absolutamente o extremadamente menos preferido
1/9
9
1/8
Valor intermedio entre 1/9 y 1/7
1/8
8
1/7
Mucho menos importante o preferido
1/7
7
1/6
Valor intermedio entre 1/7 y 1/5
1/6
6
1/5
Menos importante o preferido
1/5
5
1/5
Valor intermedio entre 1/5 y 1/3
1/4
4
1/3
Ligeramente menos importante o preferido
1/3
3
1/2
Valor intermedio entre 1/3 y 1
1/2
2
1
Igual importancia
1
1
2
Valor intermedio entre 1 y 3
2
1/2
3
Ligeramente más importante o preferido
3
1/3
4
Valor intermedio entre 3 y 5
4
1/4
5
Más importante o preferido
5
1/5
6
Valor intermedio entre 5 y 7
6
1/6
7
Mucho más importante o preferido
7
1/7
8
Valor intermedio entre 7 y 9
8
1/8
9
Absolutamente o extremadamente más preferido
9
1/9
Tabla III: Comparación por pares para el cálculo de la matriz de decisión
El índice de consistencia aleatoria (R.I.) se
describe como el máximo índice de consistencia de
una matriz de decisión generada de forma aleatoria.
Sólo depende del tamaño de la matriz y toma los
valores que se encuentran en la tabla IV.
Tamaño de la matriz (n)
Índice de consistencia aleatoria (R.I.)
El valor final que se denomina índice de
sostenibilidad viene dado por:
⎫
⎧4
V(I k C j R i ) = Función ⎨∑ I k C j R i ⎬
⎩ e =1
⎭
(8)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,00
0,00
0,58
0,90
1,12
1,24
1,32
1,41
1,45
1,49
Tabla IV: Índices de consistencia aleatoria de las matrices de decisión según su orden
27
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
incluidos en dicha propuesta, sin entrar en la
cuantificación numérica de los mismos, ya que
entendemos que para ello sería preciso un estudio
previo que incluyera la visión particular de todos los
agentes que participan en el sector, y no sólo la
nuestra.
En la tabla V se presenta el desarrollo del árbol de
requerimientos.
3.4. Desarrollo del árbol de requerimientos
El último paso en el camino sería definir el árbol
de requerimientos incluyendo en cada indicador las
estrategias a considerar en su evaluación y las
posibles funciones de valor a emplear. En este
artículo mostraremos una propuesta de árbol de
requerimientos y desarrollaremos los indicadores
Hormigón
Elección del material
Acero
Materiales
Optimización de
recursos
Racionalización del armado
Nivel de control especificado
Uso de aditivos
Utilización áridos reciclados
Reutilización de
recursos
Adiciones
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN
*FASE DE PROYECTO*
Fabricación
In situ
Colocación
Fabricación
Ejecución
(según procedencia
del material)
Planta/taller
Colocación
Fabricación
Prefabricación
Colocación
Vida útil
Conservación
uso de adiciones en el
cemento
uso de adiciones en el
hormigón
sin certificación
ISO 14001
uso de encofrados
reutilizables
control específico del
curado
control de impactos,
gestión de residuos,
gestión del agua
sin certificación
con compromiso
medioambiental
ISO 14001
uso de encofrados
reutilizables
control específico del
curado
control de impactos,
gestión de residuos,
gestión del agua
sin certificación
con compromiso
medioambiental
ISO 14001
control de impactos,
gestión de residuos,
gestión del agua
Vida útil especificada
Calendario de inspecciones
especificado
Cuadro patologías/medidas
correctoras especificado
Cuadro de materiales
potencialmente reciclables
especificado
Gestión de residuos
Inspección
Patologías
Demolición
uso de hormigones de
altas prestaciones que
permitan reducir
espesores
uso de aceros de altas
prestaciones que permitan
reducir cuantías
Recuperación
Tabla V: Desarrollo del árbol de requerimientos (Gómez y Sáenz de Sta. María, 2006)
28
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Nivel de control especificado
Define el nivel de control en obra que especifica
el proyecto y así reducir el uso de materia prima, a
consecuencia de la disminución en los coeficientes
parciales de seguridad para acciones, por el aumento
del control en la ejecución de las obras, según la
normativa vigente. Se deberá especificar en el
proyecto el nivel de control de ejecución y los costes
derivados de dicho nivel de control. Según la
normativa vigente, se deben seleccionar uno de los
siguientes niveles de control:
¾
Control a nivel normal: Este nivel de control
externo es de aplicación general y exige la
realización de, al menos, dos inspecciones por
cada lote en los que se ha dividido la obra.
¾
Control a nivel intenso: además del control
externo, exige que el constructor posea un sistema
de calidad propio, auditado de forma externa, y
que la elaboración de la ferralla y los elementos
prefabricados, se realicen en instalaciones
industriales fijas y con un sistema de certificación
voluntario. Si no se dan estas condiciones, la
Dirección de Obra deberá exigir al constructor
unos procedimientos específicos para la
realización de las distintas actividades de control
interno, involucradas en la construcción de la
obra. Para este nivel de control, externo, se exige
la realización de, al menos, tres inspecciones por
cada lote en los que se ha dividido la obra.
¾
Control con certificado de calidad de
ejecución: Este nivel de control externo incluye
los niveles anteriores y, además, se encuentra
normalizado lo cual asegura una correcta
ejecución de la construcción y, por lo tanto, una
mayor disminución de los coeficientes de
seguridad.
Uso de aditivos
En lo referente a los aditivos, la inmensa variedad
de éstos no nos permitiría entrar en detalle en este
artículo, pero si mencionar un ejemplo de las
ventajas ambientales que nos pueden ofrecer. Como
muestra los plastificantes o superplastificantes, que
permiten un consumo de agua menor pudiendo
alcanzar una reducción del 30%. De nuevo por la
complejidad del tema será precisa la colaboración de
la industria, que además de ayudar en el calibrado de
la herramienta, puede promocionar y buscar
productos con beneficios medioambientales bien
determinados.
3.5. Materiales
La mayor parte de los materiales que se utilizan
en la construcción de estructuras de hormigón son
recursos no renovables, o cuya renovación se da de
forma muy lenta. En consecuencia, se plantea este
requerimiento en aras a evaluar la eficiencia con la
que se utilizan los materiales del proyecto de
estructuras de hormigón
3.5.1. Elección del material
Hormigón
Se favorece el uso de hormigones de altas
prestaciones debido a que éstos permiten, a igual
solicitación, el diseño de estructuras con cantos
menores que las obtenidas con hormigones
convencionales. La reducción de canto conlleva un
menor consumo de hormigón. Se discriminarán de
este criterio las estructuras que ya requieran el uso de
hormigones de altas prestaciones por motivos de
resistencia y/o estructurales.
Acero
Análogamente al caso del hormigón se puede
deducir que el uso de aceros de altas prestaciones
permite una reducción, a igual solicitación, de la
cuantía de armadura a disponer. Lo que conlleva una
reducción del acero utilizado en la estructura.
Asimismo, a aquellas estructuras que ya requieran
aceros de altas prestaciones por motivos de
resistencia y/o estructurales no se les aplicará esta
bonificación.
3.5.2. Optimización de recursos
Este criterio esta enfocado a determinar la
eficiencia con la que se utilizan los materiales en
construcción. Lo cual está relacionado con la
optimización del diseño en aras a disminuir el uso de
acero de armado, cemento y otros recursos naturales.
Racionalización del armado
El objetivo será reducir las mermas de armado y,
en consecuencia, los impactos producidos por la
extracción de minerales y la fabricación de dicho
acero. Se considera que un proyecto permite la
optimación del armado y la industrialización de la
ferralla si:
¾
Emplea mallas electrosoldadas o mallazo
soldado en losas con superficie mayor a 6,00 x
6,00 m.
¾
Utilización de soldadura, u otro método de
conexión, como unión tanto de las barras como de
los elementos fabricados de la estructura.
¾
Utiliza las formas de barra incluidas en UNE
36831:97
¾
Utilizar armadura activa en aquellos
elementos donde su uso este indicado.
3.5.3. Reutilización de recursos
Se determina el aprovechamiento, en el proyecto,
de residuos producidos en otras actuaciones humanas.
Con ello se disminuirían los impactos generados por
la extracción o modificación de los recursos
naturales.
29
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Utilización de áridos reciclados
Este indicador tiene en cuenta la incorporación de
áridos reciclados, tanto en el hormigón estructural
como en el no estructural, esperando que así se
impulse el uso de éstos hormigones con el fin de
disminuir los posibles impactos que se crean por la
extracción de recursos naturales y los residuos
generados en la demolición de estructuras cuya
funcionalidad ha terminado. Cabrá recordar en el
momento de definir con precisión la función de valor
que el punto de máxima satisfacción será del 20 %
del árido total puesto que es el límite que marca la
normativa.
Adiciones
Se deberá valorar positivamente el uso de
adiciones que favorezcan la reducción de algún
impacto, especialmente aquellas que permiten una
disminución en el consumo de ciertas materias primas
y que además ofrecen otros valores añadidos de
carácter estructural o de durabilidad. Usar
subproductos de otras industrias conlleva un
beneficio en dos frentes, primero una reducción de
recursos empleados de origen natural, y segundo, una
solución a los residuos ajenos al sector propio. Si
empleamos además aquellos que reduzcan el calor de
hidratación, reduciremos el consumo de agua.
menor optimización de la cuantía y se generan
mayores desperdicios que con los aceros figurados y
armados en taller o planta. Además, no se asegura el
control de desperdicios y se originan mayores
impactos en el entorno debido al ruido ocasionado
por el armado y figurado del acero de refuerzo.
¾ ISO 14001: Es similar al caso anterior pero se
asegura un mejor control de los residuos e impactos
en los entornos de la obra.
Colocación
Se valorará el uso de encofrados (y otros
elementos auxiliares) de más de un solo uso o
reutilizables. También se valorará que exista un
control específico del curado, con la intención de
mejorar el comportamiento resistente de la estructura
minimizando las actuaciones de conservación. Y por
último, un uso racional del agua y una gestión
adecuada de los residuos generados que permitan la
minimización de los impactos generados.
3.6.2. Planta/taller
Fabricación
Sin certificación: Se disminuyen los impactos en
los entornos de la obra pero no se asegura un
adecuado control de desperdicios ni procesos. El
proceso industrial, colabora con la optimización de la
dosificación (del hormigón) pero sin la certificación
no se asegura.
¾ Con compromiso medioambiental: Se disminuyen
los impactos en los entornos de la obra y se
disminuyen los desperdicios producidos. Existe un
plan, no normalizado, para el control de desperdicios
procesos. Para el caso del hormigón, se entiende que
es una planta grande en la cual se optimiza la
dosificación.
¾ ISO 14001: Igual que en planta o taller con
compromiso ambiental pero los procesos se
encuentran normalizados.
Colocación
De forma análoga a la expuesta en la colocación
de materiales manipulados in situ.
¾
3.6. Ejecución
Los proyectos se discretizarán dependiendo del
lugar en donde se manipule la materia prima para
preparar el hormigón y la armadura, y el tipo de
compromiso medioambiental que se pide en proyecto
a la empresa encargada de la manipulación de dichos
materiales. En el proyecto se debe estimar el
porcentaje de:
ƒ Hormigón preparado en obra por la empresa
constructora
ƒ Hormigón preparado en planta hormigonera
ƒ Hormigón utilizado en prefabricado
ƒ Armadura pasiva manipulada en obra por la
empresa constructora
ƒ Armadura pasiva manipulada en taller de
ferralla
ƒ Armadura pasiva utilizada en elementos
prefabricados
Además se debe indicar si el responsable de la
preparación (o definición) de estos materiales debe
tener certificación UNE-EN ISO 14001:2004.
3.6.3. Prefabricación
Fabricación
Sin certificación: Se disminuye al mínimo los
impactos en el entorno y se optimiza al máximo la
dosificación del hormigón y la cuantía de armadura.
Sin embargo, al no tener compromiso ambiental o
ISO 14001 no se asegura el control de residuos ni el
de los procesos.
¾ Con compromiso medioambiental: Igual que sin
certificación. Sin embargo el compromiso ambiental
permite asegurar un control de los residuos y de los
procesos pero sin que estos se encuentren
normalizados.
¾ ISO 14001: Igual que con compromiso ambiental
pero con procesos normalizados
¾
3.6.1. In situ
Fabricación
Sin certificación: En cuanto al hormigón se
producen impactos en el entorno, mayores
desperdicios que con los hormigones preparados en
planta, en prefabricados o en obra con certificación
ISO 14001. Además, hay una menor optimización de
la dosificación. En cuanto a la armadura, hay una
¾
30
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Colocación
A diferencia de los casos anteriores aquí se
valorará únicamente que haya un uso racional del
agua y una gestión adecuada de los residuos
generados que permitan la minimización de los
impactos generados.
cualquier tipo de problema con que nos podamos
encontrar en el futuro.
3.8. Demolición
La última etapa en la vida de una estructura es
obviamente su demolición. Siendo un momento tan
decisivo en cuanto al impacto ambiental que se
generará resulta chocante ver como se encuentra
relegado al olvido. Deben sentarse por tanto las bases
para reducir los impactos generados en este momento
concluyente.
3.7. Conservación
Esta vertiente del estudio incluye todas aquellas
medidas que favorezcan una mejor conservación de la
estructura pues resulta evidente que ello conllevará
una reducción del consumo tanto de materiales como
energía en el largo periodo de tiempo asociado al uso
de la estructura.
3.8.1. Recuperación
Se enfocará el problema buscando tanto una
correcta gestión de los residuos como aprovechar al
máximo todo aquel material que libere a futuras
estructuras del uso de material de origen natural.
Reciclado
Es este un apartado en estrecha relación con el ya
expuesto de reutilización de recursos. Sería preciso
especificar en el proyecto el porcentaje del árido y
hierro que podrán ser reciclados así como las medidas
correctas para llevar a cabo este proceso. Es
interesante añadir que, al margen de lo expuesto, se
requeriría un desarrollo de la industria del reciclado
de hormigón. Si se aplicasen a gran escala estas
propuestas, que en la actualidad son más bien
excepcionales, serían imprescindibles depósitos y
plantas de tratamiento, siendo éste un campo
empresarial de gran potencial por explotar.
Gestión de residuos
Se evaluarán las propuestas en el proyecto, y
tenidas en cuenta en los presupuestos, para gestionar
adecuadamente los residuos sólidos que genere la
demolición con el fin de disminuir el volumen de
material a enviar a vertedero.
Los residuos se identifican siguiendo el código
CER (Catálogo Europeo de Residuos) en inertes, no
especiales y especiales según su naturaleza y el
impacto ambiental que generan. Dependiendo de
dicha clasificación, se debe realizar su control
obteniendo la hoja de seguimiento del residuo,
justificante de recepción o bien el justificante de
transporte de éste. Todos los productores de residuos,
según el Real Decreto 952/1997 del 20 de junio,
deben realizar un seguimiento minucioso del residuo,
desde el momento en que se genera o el tiempo de
almacenaje hasta su transporte hasta la planta de
residuos donde será tratado.
3.7.1. Vida útil
El objetivo de este criterio será valorar la
especificación de la vida útil de la estructura y sus
repercusiones en la sostenibilidad.
Vida útil especificada
Se valorará positivamente la especificación de la
vida útil en el proyecto. Cuanto mayor sea este valor
mayor será a su vez el rendimiento de los materiales
aportados y por tanto repercutirá en un impacto
ambiental menor. Se deberá ajustar este indicador a lo
establecido en la futura Instrucción de Hormigón
Estructural.
3.7.2. Inspección
Un correcto seguimiento de la estructura a lo
largo de su vida útil llevará a detectar las posibles
patologías que inevitablemente surgen con el paso del
tiempo. La temprana detección de un problema
facilita siempre su solución y por tanto reduce costes.
Calendario de inspecciones especificado
Deberá adjuntarse en el proyecto un anejo donde
queden perfectamente delimitados los ensayos a
realizar así como el calendario de las inspecciones.
Será preciso para ello un estudio más profundo de las
patologías asociadas a las distintas edades del
hormigón.
3.7.3. Patologías
En relación a lo expuesto en el punto anterior, el
siguiente paso lógico será adjuntar en el proyecto un
cuadro de patologías y en relación a ellas las posibles
medidas correctoras.
Cuadro de patologías y medidas correctoras
especificado
Se
evaluará
positivamente
aquellos
proyectos que incluyan un cuadro de posibles
patologías que pueda sufrir por el ambiente al que
está expuesto así como por su uso, así como una
relación de medidas correctoras para subsanar
4. Conclusiones
El presente artículo se ha planteado desde el
enfoque de ser un punto de partida en el desarrollo de
la herramienta definitiva para conseguir una
evaluación del Índice de Sostenibilidad de las
31
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Estructuras de Hormigón en fase de proyecto,
aportando finalmente tras su aplicación una categoría
a la estructura que sea un reflejo del impacto asociado
a la misma. Las alternativas son múltiples y por ello
está sujeto, de hecho será imprescindible, a una
discusión con los distintos agentes del sector tanto
para las modificaciones en el árbol de requerimientos
como para establecer, como ya se ha indicado, un
sólido sistema de valoración numérica para los
diferentes indicadores.
De cara a la implantación debemos recordar
varios aspectos que pueden favorecer su correcto uso.
Sería deseable un manejo fácil del mismo para lograr
así una mayor aceptación. Ello conllevaría además un
mejor uso y por tanto una herramienta útil. Lo peor
que podría pasar es que tanto los anejos que sean
precisos añadir a los proyectos, como las
modificaciones en la concepción del conjunto, sean
resueltas por parte del proyectista como pasa en la
actualidad con el anejo de seguridad y salud del que
se tiene un modelo y se adjunta sin pensar o valorar
los condicionantes con que se encontrará.
En el aspecto económico resulta evidente que se
producirá un encarecimiento de la estructura. El
conflicto de intereses que se generará puede limitarse
aplicando unos límites bien claros, por parte de la
administración, sobre los costes añadidos según la
categoría de sostenibilidad que obtenga la estructura
en cuestión. La picaresca en el sector que nos ocupa
en busca de un mayor beneficio económico está a la
orden del día. Por eso hemos de cuidar muy
detenidamente la calibración del modelo para evitar
que puedan obtenerse categorías de sostenibilidad
alta con medidas de bajo coste y poca repercusión
real en la reducción de impactos ambientales para
conseguir así mayores beneficios. Es preciso un
compromiso, un esfuerzo conjunto en el que cada uno
tome su grado de responsabilidad en busca de un
futuro sostenible.
Agradecimientos
Los autores de este artículo quieren expresar su
agradecimiento a Adriana y a Mireia por su paciencia
y apoyo incondicional.
Así como al profesor Antonio Aguado de Cea, del
Departamento de Ingeniería de la Construcción de la
Universidad Politécnica de Cataluña, por su ayuda a
la hora de documentarnos para abordar la resolución
del caso objeto de estudio de este artículo.
Referencias
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[4]
[5]
[6]
32
Gaizca Ormazabal Sánchez. “El IDS: un nuevo
sistema integrado de toma de decisiones para la
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2005
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Madrid 2006
Norma española UNE-EN ISO 14040. “Gestión
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y estructura”, Asociación Española de Normalización
y Certificación AENOR, Madrid 1998
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
ALTERNATIVAS (HORMIGÓN, ACERO) PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE GRANDES TORRES PARA GENERADORES
Enric Borrell Ferreres, José Mª Santiago Pérez
UPC / Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
[email protected], [email protected]
Resumen: Este trabajo plasma las distintas tipologías de
torres para la sustentación de aerogeneradores existentes
en la actualidad. Las diferentes tipologías están
clasificadas según el material empleado: acero, hormigón
y híbridas (acero + hormigón). De cada una de ellas, se
citan las características geométricas, los procesos de
fabricación y montaje necesarios, así como las ventajas e
inconvenientes de cada una de ellas, para con todo ello
dar forma a un documento divulgación sobre estas
estructuras.
territorio influyen lógicamente en el resultado que
se puede lograr.
c) “Cuanto menor sea el número de torres y más
separación exista entre ellas, hay más posibilidades
de
integrarlas
visualmente”.
Esto
añade
argumentos, para los que propugnan, por razones de
economía y de eficacia, el incremento de la
potencia y de la altura de las torres.
d) “Una torre aislada, bien diseñada, puede ser
muy bien tolerada visualmente e incluso se puede
convertir en un símbolo visual con un significado
atractivo, por cuanto cualquier observador percibe
la intención de utilizar energías renovables”.
Palabras clave: torres eólicas, aerogeneradores, energía
eólica.
1. Introducción
La energía eólica empezó a ser utilizada por
nuestros antepasados hace ya muchos años y en la
actualidad está tomando un fuerte auge como
energía renovable.
Los daneses, con un territorio muy llano y
próximo al mar, habituados a convivir con el
viento, sin recursos energéticos propios y, por tanto,
dependientes absolutamente del suministro
energético exterior, decidieron frente a la
alternativa nuclear (que era la otra posibilidad de la
que Francia es, tal vez, el mayor exponente
europeo), impulsar la energía eólica.
Las bases y criterios tomados por los daneses (y
posteriormente seguidos por el resto de países) en
sus diseños de torres eólicas se pueden resumir en:
a) “La geometría troncocónica, sección circular,
superficies planas, sin adornos, la calidad de los
materiales y el color blanco de la pintura, son los
elementos importantes en el diseño de
aerogeneradores”. La importancia visual de la torre
ha hecho que en los últimos años la industria
danesa, haya convocado a diseñadores de primera
línea para hacerse cargo de tal hecho. La nariz de la
góndola de la torre que no es funcionalmente
necesaria o el carenado de la carcasa que alberga
los equipos mecánicos y eléctricos de la torre,
también son consecuencia de la preocupación por la
imagen de la torre.
b) “El número, proximidad y distribución de
implantación de las torres en un parque es un factor
esencial de la imagen que resulta”. Es mucho más
problemático encontrar una buena solución para la
implantación visual de un parque con numerosas
torres. La propia orografía y el paisaje original del
Fig. 1: Parque de aerogeneradores “off shore”.
e) “Las infraestructuras que acompañan a la
creación de un bosque de torres eólicas, tienen
también un efecto ambiental que puede ser negativo
y que va acompañado, por otra parte, de un coste
que puede ser significativo”. Los accesos de los
vehículos que transportan las torres, de las grúas
que las ponen en posición, de los caminos
definitivos para acceso al parque y circulación
interior en el mismo deben ser los mínimos posibles
y estar bien estudiados para que puedan ser
integrados. Los conductos eléctricos y de
33
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
comunicaciones enterrados y la red aérea para
transporte de energía pueden ser también
intrusiones. Tras la ejecución de la obra hay que
procurar recuperar el paisaje original y si es posible
mejorarlo.
f) Ya se ha comentado que “los acabados de la
torre y del entorno en el que se instalan es un
concepto muy valorado, por cuanto favorece la
aceptación social de la energía eólica”. En tal
sentido, la prefabricación de torres de hormigón
tiene unas indudables ventajas, que las puede
equiparar en calidad a las torres metálicas. Y que,
por el contrario, no son comparables al aspecto que
inevitablemente resulta de torres de hormigón
construidas con encofrados trepantes o deslizantes.
En las torres prefabricadas de hormigón la
utilización del cemento blanco puede ser muy
interesante. Una cuidada ejecución de las juntas
sería indispensable. Y la geometría exterior no tiene
por qué ser exclusivamente troncocónica y de
sección circular. [1]
Por lo que respecta a los principales productores
de energía eólica, España es la tercera potencia
mundial en energía eólica, y en diciembre de 2003
existían 9.650 molinos de viento con 6.202
megawatios instalados (potencia media de unos 650
Kw por molino). España sólo es ampliamente
superada a este respecto por Alemania, que con
14.609 Mw instalados es la mayor potencia del
mundo y está muy cerca de la potencia eólica
instalada en Estados Unidos (6.370 Mw). Dentro de
nuestro país, Navarra ha sido la Comunidad que
con mayor convicción apostó por la energía eólica.
Creó una empresa muy eficiente, Gamesa Eólica,
que ha contado con la tecnología de la empresa
danesa VESTAS, y con una empresa semipública,
EHN, que ha sido decisiva al mostrar con hechos
las posibilidades de la energía eólica en España.
El Director del IDEA (Instituto para el
Desarrollo de Alternativas para la Energía),
Institución que ha tenido un papel destacado en el
impulso a la energía eólica, considera que la meta
oficial de 13.000 Mw de energía eólica debería
ampliarse para llegar a 20.000.
En Holanda, Alemania y Dinamarca se están
construyendo parques “off-shore” con torres eólicas
implantadas en zonas marinas, donde las
profundidades no son muy elevadas. Greenpeace
que también favorece estas implantaciones, aunque
de momento le parezcan prematuras, ha hecho
estudios evaluando en 25.000 megavatios el
potencial en España de los parques marinos. Este
dato, y esta percepción, es particularmente
interesante, porque las torres en parques marinos
suelen ser más potentes y de más altura que las
construidas en “parques terrestres”, para compensar
los sobrecostes de los cimientos, y porque el
montaje de las torres se puede llevar a cabo con
grúas y medios marinos sobre plataformas flotantes
mucho más potentes que las empleadas en tierra.
Ya se han instalado torres de 100 metros y 3,0 a 5,0
Mw en estos parques marinos, lo que significa que
la tecnología requerida está disponible y es fiable.
Fig. 2: Parque de aerogeneradores de celosía.
Es también digno de destacar la tendencia a
proliferar pequeños promotores (ayuntamientos,
inmobiliarias, industrias específicas, sociedades
concesionarias, etc.) que se verán atraídos por el
impulso de plantas “llave en mano” o con
“operación y mantenimiento” incluidos, con pocas
torres pero más potentes. Todas las obras lineales
(carreteras, ferrocarriles), áreas de descanso,
centros de mantenimiento asociados a corredores de
infraestructuras, plataformas logísticas, zonas
industriales, diques de puertos, generan espacios
que pueden ser adecuados para implantar un
número limitado de torres de gran potencia, del
orden de 3,0 a 5,0 Mw y de alturas que,
probablemente, no tendrán que superar los 100
metros. [2]
Los aerogeneradores están construidos para
atrapar la energía cinética (de movimiento) del
viento. Sin embargo el numero de palas es limitado
ya que las turbinas con muchas palas o con palas
muy anchas están sujetas a fuerzas muy grandes,
cuando actúa sobre ellas fuertes vientos y, dado que
los fabricantes de aerogeneradores deben certificar
sus turbinas, garantizando que una vez cada 50 años
pueden soportar vientos extremos de unos 10
minutos de duración, estos optan por construir
turbinas con pocas palas, largas y estrechas. Para
compensar la estrechez de las palas de cara al
viento, los fabricantes prefieren dejar que las
turbinas giren relativamente rápidas.
Los componentes sujetos a una flexión repetida
pueden desarrollar grietas, que en última instancia
pueden provocar la rotura del componente. Un
ejemplo de esto es la enorme máquina alemana
Growian (100 m de diámetro de rotor), que tuvo
que ponerse fuera de servicio en menos de 3
semanas de funcionamiento. La fatiga del metal es
un problema bien conocido en muchas industrias.
34
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Así pues, generalmente el metal no se elige como
material para las palas del rotor.
En el diseño de una turbina eólica, es muy
importante calcular por anticipado como vibrarán
los diferentes componentes, tanto individualmente
como en conjunto. También es importante calcular
las fuerzas que participan en cada flexión y
estiramiento de un componente. De esto se ocupa la
dinámica estructural, donde los físicos han
desarrollado modelos matemáticos de ordenador
que analizan el comportamiento de toda la turbina
eólica. Las propias palas del rotor son también
flexibles y pueden tener tendencia a vibrar,
digamos, una vez por segundo. Como puede ver, es
muy importante conocer las frecuencias propias de
todos los componentes para diseñar una turbina
segura, que no oscile fuera de control.
utilizados para conformar las torres de sustentación
son el hormigón, el acero y una solución híbrida de
ambos, así pues a continuación se procede con los
datos más relevantes de cada una de las topologías.
[3]
3. Torres de Acero
3.1 Torre tubular de acero
El uso del acero para la construcción de las
torres de sustentación para los grandes
aerogeneradores es la tipología que más se ha
utilizado hasta la actualidad. Pese a presentar
ciertas limitaciones de altura y geométricas, resulta
ser óptima por razones de resistencia y de ahorro de
materiales para alturas inferiores a 80 metros.
2. Tipología de torres
3.1.1. Características geométricas
Las limitaciones geométricas que presenta esta
tipología se resumen en la siguiente tabla.
Las funciones principales de las torres de
aerogeneradores son las de soportar la góndola y el
rotor, y elevar el conjunto para permitir su correcto
funcionamiento.
La razón de la búsqueda de altura estriba en que
la velocidad del viento crece cuanto mayor sea la
cota del rotor, dado que las capas inferiores de la
atmósfera se ven afectadas por la rugosidad del
terreno. Para alturas considerables este efecto es
apenas perceptible. Por otro lado, torres de mayor
diámetro permiten rotores de dimensiones
proporcionales, que generan mayor cantidad de
energía por sus dimensiones y altura de la torre.
En los grandes aerogeneradores los materiales
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Torres Tubulares de Acero
<80m
Altura (H)
Diámetro máximo (φmax) 4,30m
H/φ
Espesor Chapas
17-18
16-30mm
Topología Geométrica
Tronco-cónicas
Tabla I: Características geométricas de torres
tubulares de acero [4]
Fig. 3: Tipología de torres de aerogeneradores
35
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
carretera, y la longitud máxima permitida de cada
sección está entre los 20 y 30 metros.
3.1.2. Fabricación y montaje
Para la fabricación de las torres tubulares de
acero en planta, se usan de planchas de acero,
previamente cortadas con láser, que son enrolladas
para formar una subsección cónica (cada una con
sus características propias).
3.1.3. Ventajas e inconvenientes
Las principales ventajas de las torres tubulares
de acero son que permiten una altura considerable
(hasta los 80 m de altura resultan rentables); la
mayor parte del proceso constructivo está altamente
industrializado, lo cual permite una optimización de
costes y reduce el tiempo de ejecución; y por
último, al ser tubulares huecas, permiten el acceso a
su interior de una manera cómoda y segura al
personal de mantenimiento de la misma.
Por el contrario esta tipología necesita de
maquinaria especial, tanto para montaje como para
el transporte, el cual también se ve limitado a
distancias inferiores a los 1000 Km. para que
resulte rentable. Otro factor en contra es la
limitación de altura de la torre, pues si se superan
los 80 metros la torre no presenta un buen
comportamiento estructural
Fig. 4: Secciones tubulares de acero.
A cada subsección de la torre se suelda con un
cordón longitudinal y a su vez se suelda a la
subsección contigua con un cordón transversal
hasta conformar la sección completa. Todas las
soldaduras
son
inspeccionadas
mediante
dispositivos ultrasonidos o rayos X.
Se utilizan bridas de acero laminado en caliente
soldadas en los extremos de cada sección de la
torre, para permitir la correcta unión de elementos
de la torre, mediante pernos. La calidad de las
bridas y la tensión de los pernos son la pieza clave
para la calidad y seguridad de la torre.
Una vez conformadas las secciones se
transportan a su emplazamiento final en obra. El
transporte es uno de los factores más
condicionantes en la concepción de la torres, pues
Fig. 6: Transporte de las secciones.
4. Torre de celosía metálica
Las torres de celosía se basan en la creación de
una estructura en celosía mediante la unión de
perfiles de acero soldados o atornillados.
Fig. 5: Brida de acero. Detalle de pernos.
el tamaño de las piezas se limita a 4,30 metros de
diámetro, debido al gálibo de los transportes por
Fig. 7: Torre de celosía.
36
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
En este caso, la torre de hormigón está
construida con encofrado deslizante, esto implica
que el proceso de construcción es continuo,
evitando así cualquier tipo de junta constructiva,
pues el encofrado va ascendiendo de manera
continuada mediante un sistema gatos hidráulicos.
4.1. Características geométricas
Las limitaciones geométricas que presenta esta
tipología se resumen en la siguiente tabla:
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Torres de celosía metálica
>114m
Altura (H)
Diámetro máximo (φmax) Sin límite
17-18 Variable
H/φ
Topología Geométrica
Celosía
Tabla II: Características geométricas de torres de celosía
metálica [4]
4.2. Fabricación y montaje
La fabricación genérica de esta tipología de
torres, se basa en la unión soldada de diferentes
perfiles metálicos, elaborados en fábrica, y se
pueden unir “in situ” o bien en fábrica (para piezas
especiales que luego son transportadas a obra)
El transporte, en este caso, también condiciona
el tamaño de las piezas (12 metros de longitud y
4,30 de gálibo).
El montaje de la torre, se basa en el ensamblado
y soldadura de los diferentes perfiles, o
semiestructuras de celosía formadas en fábrica, para
dar lugar a la torre de sustentación. Este proceso
permite la posibilidad de usar grúas externas o bien
usar la propia estructura para el izado de las piezas
Fig. 8: Torre de hormigón “in situ” encofrado
deslizante.
5.1.1 Características geométricas
Las limitaciones geométricas que presenta esta
tipología se resumen en la siguiente tabla:
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Torres Hormigón “in situ” con encofrado
deslizante
4.3. Ventajas e inconvenientes
Esta tipología de torre, presenta una estructura
que ofrece una menor resistencia al viento sobre el
fuste. Son más ligeras, con lo que se consigue una
gran reducción de material, aproximadamente un
50%.
Sin embargo, esta tipología no resulta tan segura
como la de acero tubular y, su principal punto en
contra, es que su base ocupa grandes superficies.
Este último factor, en consecuencia, limita la altura
de torre, pues el área de ocupación necesaria en la
base de la torre es proporcional a la altura de la
misma.
<340 metros
Altura (H)
Diámetro máximo (φmax) Sin límite
H/φ
Espesor
10-20
>0.18 metros
Tipologia Geométrica
Tronco-cónicas
Tabla III: Características geométricas de torres de
hormigón “in situ” con encofrado deslizante [4]
5.1.2 Fabricación y montaje
La fabricación y el montaje, ambos, tienen lugar
en obra. Para el montaje se emplean ascensores
fijados a las torres para el izado de materiales y
equipos. El encofrado asciende de forma continua
sin necesidad de grúas ni medios auxiliares
externos.
El proceso se inicia con el montaje de la
armadura pasiva que se realiza en altura en la
misma torre, coordinado con el avance del
hormigón. El hormigonado se realiza de forma
continua por ello necesitamos que hormigones
5. Torres de Hormigón
5.1. Torre tubular de hormigón “in situ”:
Encofrado deslizante.
Las torres de hormigón “in situ”, son torres de
hormigón armado, construidas en obra, como si de
la pila de puente se tratase.
37
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Se permite la variación del diámetro con la
altura, siendo más compleja la variación del espesor
de la pared con la altura. Son seguras y cómodas
para el personal que tiene que acceder a la torre.
Presentan un mejor comportamiento en caso de
incendios que las soluciones metálicas, alcanzando
con recubrimientos de 4cm resistencias al fuego de
120’. Se utiliza poco volumen de hormigón al día
(15m3/día), repartido durante las 24h. Existe la
posibilidad de implantar una planta móvil de
hormigonado en obra, lo que supone un incremento
del coste del hormigón. Todo el trabajo se
desarrolla en obra: menores posibilidades de
industrialización y mayor riesgo de afecciones
externas. La colocación del transformador cuando
la torre alcanza una altura media debido a
condicionantes
geométricos
supondría
la
interrupción del proceso de hormigonado continuo,
lo que implicaría el tratamiento de la junta y un
perjuicio para el proceso y, por lo tanto, para los
rendimientos.
deben fluidos y de altas resistencias (en los cuales
se controlan las resistencias iniciales y el calor de
hidratación). En caso de tener que parar el avance
del hormigonado debido a condicionantes
meteorológicos u otros motivos, se debe cuidar
especialmente la limpieza y preparación de la
superficie de contacto, aplicando, si se considerase
necesario, una resina epoxi en la junta entre
hormigones para conseguir la adherencia necesaria
entre juntas.
Al ser una fabricación “in situ”, hay tener en
cuenta diversos condicionantes ambientales durante
el proceso constructivo. Así pues para temperaturas
medias diarias inferiores a 5ºC, habría que prestar
especial atención a la dosificación del hormigón,
con relaciones agua/cemento lo más bajas posible y
utilizando cementos de mayor categoría resistente.
Cuando exista riesgo de helada, el hormigón fresco
deberá protegerse mediante dispositivos de
cobertura o aislamiento, manteniendo la humedad
adecuada. En la unión entre el tramo final de
hormigón y la parte de acero de la góndola, se
dispondrá una brida similar a la solución empleada
en la estructura tubular de acero, anclando la chapa
al hormigón mediante barras corrugadas tipo GEWI
o similar.
En esta clase de torres el transporte es poco
condicionante pues únicamente se debe considerar
para el suministro de encofrados, materiales y otros
elementos. Por otra parte, el verdadero
condicionante de estas construcciones son los
vientos admisibles (<70Km/h) que impiden los
trabajos constructivos en altura.
Los rendimientos típicos de estos trabajos son
de 4m/día aproximadamente. Esta solución permite
dejar elementos embebidos en el hormigón para la
posterior fijación en la pared interior de la torre de
elementos internos (ascensores y otros), sin
coaccionar el avance del encofrado.
5.2. Torre de Hormigón “In situ”: Encofrado
trepante
Como ya se ha indicado en el apartado 5.1, las
torres de hormigón “in situ”, son torres de
hormigón armado, construidas directamente en su
emplazamiento final en obra.
5.1.3 Ventajas e inconvenientes
La solución de hormigón armado permite
reducir la excentricidad de la carga debido al
incremento de peso que supone el fuste de
hormigón respecto al metálico (aproximadamente 3
veces superior para la misma geometría exterior).
Se produce un mejor comportamiento de la
cimentación, al aumentar el axil y disminuir los
vuelos. Esto puede suponer un ahorro en el coste de
las cimentaciones.
La ejecución “in situ” permite adoptar
diámetros y espesores mayores que mejorarán el
comportamiento dinámico de la torre. Se pueden
dejar huecos o aperturas sin mucha complejidad.
Esta solución no genera importantes zonas de
acopio y elimina las juntas frías. No precisa
tratamiento de impermeabilización para evitar la
entrada de agua a través de la pared de la torre.
Fig. 9: Torre de hormigón “in situ” encofrado
trepante.
En este caso, la torre está construida con
encofrado trepante, esto implica que el proceso de
construcción se va realizando a tramos, y estos
38
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
encofrados se van izando en posteriores puestas
para conformar la totalidad de la torre.
anclando la chapa al hormigón mediante barras
corrugadas tipo GEWI o similar.
Los rendimientos normales de esta tipología
son de 4,40 m/día. Al igual que con los encofrados
deslizantes, esta solución permite dejar elementos
embebidos en el hormigón para la posterior fijación
en la pared interior de la torre de elementos internos
(ascensores y otros), sin coaccionar el avance de la
trepa.
La colocación del transformador a mitad de la
torre debido a condicionantes geométricos supone
menos interferencias en el proceso constructivo que
en el caso de los encofrados deslizantes.
5.2.1. Características geométricas
Las características geométricas que presenta
esta tipología se resumen en la siguiente tabla:
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Torres Hormigón “in situ” con encofrado
trepante
>80m
Altura (H)
Diámetro máximo (φmax) Sin límite
H/φ
Espesor
10-20
>0.30 metros
Topología Geométrica
Tronco-cónicas
5.2.3. Ventajas e inconvenientes
La solución de hormigón armado permite
reducir excentricidades debido al incremento de
peso que supone el fuste de hormigón respecto al
metálico (aproximadamente 3 veces superior para la
misma geometría exterior). Mejor comportamiento
de la cimentación, al aumentar el axil y disminuir
los vuelos. Esto puede suponer un ahorro en el
coste de las cimentaciones.
La ejecución “in situ” permite adoptar
diámetros y espesores mayores que mejorarán el
comportamiento dinámico de la torre. Se pueden
dejar huecos o aperturas sin mucha complejidad.
Esta solución no requiere importantes zonas de
acopio. Si las juntas entre tongadas se ejecutan
correctamente, no se precisa tratamiento de
impermeabilización para evitar la entrada de agua a
través de la pared de la torre.
Frente a la solución de encofrado deslizante,
permite turnos de trabajo de 8 horas al día, lo que
evita la exigencia de trabajar ininterrumpidamente.
La variación del diámetro con la altura está
constructivamente resuelta. Son seguras y cómodas
para el personal que tiene que acceder a la torre.
Presentan un mejor comportamiento en caso de
incendios que las soluciones metálicas, alcanzando
con recubrimientos de 4cm resistencias al fuego de
dos horas. Requieren poco volumen de hormigón al
día (15m3/día), pero en una única puesta. En caso
de no disponer cerca del parque una planta de
hormigonado con garantías, existe la posibilidad de
implantar una planta móvil de hormigonado en
obra, lo que supone un incremento del coste del
hormigón a cambio de un mayor control de la
calidad del hormigón.
Todo el trabajo se desarrolla en obra lo que
conlleva menores posibilidades de industrialización
y mayor riesgo de afecciones externas. En el caso
de encofrados no autotrepantes se necesitan grúas
con grandes plumas.
Tabla IV: Características geométricas de torres de
hormigón “in situ” con encofrado trepante. [4]
5.2.2. Fabricación y montaje
La fabricación y el montaje tienen lugar a pie de
obra. Para el montaje se emplean grúas importantes
para el izado de los encofrados, que han de ser
bajados en cada puesta para su limpieza y
adaptación a la geometría troncocónica o parabólica
del fuste. Existe la alternativa de emplear
encofrados autotrepantes, con lo que se elimina la
necesidad de las grúas de gran tonelaje, pero se
incrementa el precio de venta de los encofrados 2,5
veces.
Los pasos de una puesta son los siguientes:
- Descenso al suelo del encofrado exterior e
interior para su limpieza y adaptación geométrica
- Izado de los elementos de trepado interior y
exterior desde la posición anterior, incluidas las
plataformas de trabajo.
- Izado de los encofrados desde el suelo y ajuste
geométrico mediante usillos; colocación de la jaula
de ferralla ya montada y soldada en el suelo para
optimizar el proceso.
- Hormigonado de la tongada de 4,40m; fraguado
durante la noche.
- Repetición del proceso.
Al tratarse de una ejecución “in situ”, los
condicionantes son los vientos admisibles de
trabajo (hasta 70 km/h). Para temperaturas medias
diarias inferiores a 5ºC, habrá que prestar especial
atención a la dosificación del hormigón, con
relaciones agua/cemento lo más bajas posible y
utilizando cementos de mayor categoría resistente.
Cuando exista riesgo de helada el hormigón fresco
deberá protegerse mediante dispositivos de
cobertura o aislamiento. En la unión entre el tramo
final de hormigón y la parte de acero de la góndola,
se dispondrá una brida similar a la solución
empleada en la estructura tubular de acero,
39
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
5.3. Torres de Hormigón Prefabricado
En los últimos años, gracias al interés de
algunos fabricantes de torres, se han empezado a
utilizar las torres de hormigón prefabricado para
grandes alturas (del orden de 100 metros o
superior), debido a la competitividad que ofrece
esta solución frente a las torres de acero, al
disminuir los volúmenes a transportar, y frente a las
torres de hormigón “in situ”, pues permiten unos
espesores menores y un mayor control de la calidad
final de la torre.
Espesor
>0.15 metros
Tipologia Geométrica
Tronco-cónicas
Tabla V: Características geométricas de torres de
hormigón prefabricado [4]
5.3.2. Fabricación y montaje
Se utilizan plantas de prefabricados. Se podría
utilizar una planta de prefabricación en el parque si
resulta económicamente viable. Para el transporte
existe limitación de gálibo a 4,30 metros. En el
montaje se utilizan grúas adecuadas para la unidad
prefabricada.
Existe la posibilidad de pretensar la estructura
mediante barras de pretensado que se dejan
embebidas en la pieza durante el proceso de
prefabricación. En la unión entre el tramo final de
hormigón y la parte de acero de la góndola, se
dispondrá una brida similar a la solución empleada
en la estructura tubular de acero, anclando la chapa
al hormigón mediante barras corrugadas tipo GEWI
o similar. Los rendimientos normales son de 10-15
m/día.
Fig. 10: Torre de hormigón prefabricado.
Esta tipología se basa en la prefabricación de las
diferentes piezas y su unión posterior en obra
mediante el uso de cables tesados.
5.3.1. Características geométricas
Fig. 11: Secciones prefabricadas de hormigón.
Las características geométricas que presenta
esta tipología se resumen en la siguiente tabla:
5.3.3. Ventajas e inconvenientes
La solución de hormigón armado, tanto
prefabricado como “in situ”, permite reducir
excentricidades debido al incremento de peso que
supone el fuste de hormigón respecto al metálico
(aproximadamente 3 veces superior para la misma
geometría exterior). Para esta solución existe mejor
comportamiento de la cimentación, al aumentar el
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Torres Hormigón Prefabricado
>80m
Altura (H)
Diámetro máximo (φmax) Sin límite
H/φ
10-20
40
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
axil y disminuir los vuelos. Esto puede suponer un
ahorro en el coste de las cimentaciones. Esta
solución permite una fácil industrialización del
proceso. Por otro lado tenemos mayor
independencia de los condicionantes los
condicionantes meteorológicos, son seguras y
cómodas para el personal que tiene que acceder a la
torre, no generan importantes zonas de acopio.
Como inconvenientes tenemos una pérdida de
monolitismo, un mayor coste, las uniones son muy
comprometidas, existe una limitación de transporte
por carretera y en función de la modulación de las
piezas, se necesita de grúas de gran tonelaje.
pretensar
tanto
longitudinalmente
como
circunferencialmente el pedestal de hormigón para
rigidizar la base. Este pretensado puede ser exterior
al hormigón por el interior del fuste. Los
rendimientos normales son de 3-5 días.
6.3. Ventajas e inconvenientes
Como ventajas se puede decir que se aprovecha
la tecnología ya controlada para la chapa metálica,
alcanzando alturas superiores, permite una
optimización e industrialización del proceso. Esta
solución es segura y cómoda para el personal que
tiene que acceder a la torre, el pedestal de hormigón
permite reducir excentricidades, aunque en menor
medida que en el caso del fuste completo de
hormigón, lo que supone también un mejor
comportamiento de la cimentación, al aumentar el
axil y disminuir los vuelos, existe mayor
independencia
de
los
condicionantes
meteorológicos, permite también la variación del
diámetro con la altura.
Como inconvenientes tenemos que se generan
importantes zonas de acopio, tenemos pérdida de
monolitismo y se requieren grúas importantes. En
esta tipología existe la necesidad de controlar dos
procesos distintos en la industrialización, las
uniones son mucho más comprometidas al ser entre
dos materiales distintos, y el empleo de dos
materiales puede penalizar la percepción visual de
la torre.
6. Torres híbridas
Las torres híbridas, se caracterizan por tener
parte de su estructura construida en acero y parte en
hormigón. En la configuración más general, estas
torres constan de un fuste metálico con un pedestal
de hormigón. Apto para alturas mayores de 80
metros. La relación altura diámetro se sitúa entre 10
y 20. El diámetro máximo no tiene límite.
6.1. Características geométricas
Las características geométricas que presenta
esta tipología se resumen en la siguiente tabla:
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Torres Híbridas
>80m
Altura (H)
Diámetro máximo (φmax) Sin límite
H/φ
Espesor Chapas
10-20
16-30mm
Topología Geométrica
Tronco-cónicas
7. Conclusiones
El estudio realizado permite contemplar un
amplio abanico de torres posibles para alcanzar las
grandes alturas que requieren los aerogeneradores,
y que permitan la sustentación de los rotores, que
cada vez son mayores para conseguir velocidades
de viento más altas.
La elección de la tipología a desarrollar para el
fuste de las torres cobra especial importancia tanto
funcional como económicamente, ya que, además
de tener que ofrecer un buen comportamiento
estructural frente a las solicitaciones dinámicas del
viento, la torre de un aerogenerador supone
alrededor de un 20% del coste total del molino
eólico. Estos condicionantes implican que la
construcción de las torres de la forma más óptima
adquiere una relevancia importante en el coste final
de la energía.
Las limitaciones que las torres tubulares
metálicas, que se presentan a partir de ciertas
alturas, obligan a considerar otros materiales y
tecnologías, más propios de otros campos de la obra
civil, para adecuarse a la rápida evolución que se
vive en la actualidad en el desarrollo de la
ingeniería eólica. Así, las tecnologías aplicadas en
Tabla VI: Características geométricas de torres de
híbridas [4]
6.2. Fabricación y montaje
El pedestal se ejecuta “in situ” con encofrados
trepantes o módulos prefabricados, la estructura
metálica se elabora en talleres siguiendo los
procedimientos ya explicados anteriormente. Se
puede utilizar una central de prefabricación en el
parque si es económicamente rentable.
Referente al transporte existe una limitación del
tamaño de las piezas debido al gálibo del transporte
por carretera. Para el montaje se necesitan grúas
importantes de gran tonelaje, para unas piezas con
pesos máximos de 40-50 toneladas. Las uniones se
materializan mediante bridas en los tramos de
chapa metálica y a través de una virola para la
conexión acero-hormigón. Existe la posibilidad de
41
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Repasar la situación de la tecnología actual en el
mundo para las torres eólicas permite observar que
ya se han realizado en el norte de Europa fustes de
gran altura (118m) con soluciones de hormigón
ejecutado “in situ” mediante encofrados deslizantes.
Este proceso constructivo, utilizado para las
chimeneas de las centrales térmicas, consigue
rendimientos elevados con hormigonado continuo
(24h/día), lo que implica la eliminación de las
juntas frías a costa de 3 turnos diarios de trabajo. La
alternativa a este tipo de encofrados la representa
los encofrados trepantes, utilizados frecuentemente
en pilas de puentes y en edificación, cuyo
desarrollo tecnológico ha permitido igualar
rendimientos con la solución deslizante en turnos
de trabajo de 8h/día.
No parece haber precedentes en la
prefabricación de fustes para torres eólicas, aunque
con la técnica actual sí que existen estructuras
similares solucionadas con dovelas o módulos
prefabricados. Cabe señalar la posibilidad de
conjugar estos dos materiales en estructuras
híbridas, materializadas mediante un pedestal de
hormigón más la estructura tubular metálica. Esta
solución permitiría aprovechar la tecnología ya
controlada en las torres metálicas introduciendo las
virtudes del hormigón en la base.
la construcción de enormes chimeneas de hormigón
armado para centrales térmicas, de hasta 380m de
altura, o en las pilas de los grandes viaductos que
cruzan los valles, guardan gran similitud con las
que cabría emplear en el fuste de hormigón que ha
de soportar la góndola y el rotor en una torre eólica.
La tendencia a la disminución del peso de la
torres en los últimos años (alrededor del 50% en los
últimos 5 años) por medio de métodos de diseño
más avanzados, tiene su justificación en la
importancia de los costes de transporte dentro de
los procesos actuales. Con la solución de fuste de
hormigón ejecutado “in situ” este inconveniente se
torna en ventaja, al no existir el condicionante de
transporte y ser estructuras más pesadas que
permiten reducir la excentricidad de las cargas
consideradas y abaratar las cimentaciones de las
torres (entre un 5 y un 10%). Además, las
estructuras de hormigón permiten un mejor control
frente a vibraciones debidas al viento que las de
acero. El inconveniente que pueden suponer,
además de un posible incremento de coste respecto
a las soluciones más tradicionales, es que presentan
menos posibilidades de industrialización al
ejecutarse completamente ”in situ”. Esto supone un
ahorro en transporte desde los talleres o plantas a la
obra, pero conlleva un menor control del proceso o
un mayor riesgo de verse afectado por factores
externos propios de la obra.
Como alternativa a la ejecución “in situ” de las
torres se contempla la opción de módulos
prefabricados de hormigón, que tienen la virtud de
poder someterse a procesos de industrialización
similares a los que se desarrollan en la actualidad
para las torres metálicas (fabricación + transporte +
montaje), aunque precisen de transportes especiales
y medios de montaje importantes. Por otro lado, la
solución prefabricada pierde una de las ventajas que
supone la ejecución “in situ” del hormigón, como
es el monolitismo del conjunto. Esto se soluciona
con la posibilidad de introducir cables de
pretensado que atan los diversos módulos de la
torre o mediante algún sistema que permita crear un
elemento monolítico en la zona de juntas, opción
que se puede contemplar para las torres ejecutadas
“in situ” con vistas a reducir las cuantías de
armadura pasiva, aunque en principio no se prevé
necesario. Por otro lado, la inversión necesaria para
realizar un primer prototipo de hormigón
prefabricado se dispara en comparación con lo que
puede suponer hacerla “in situ”, ya que la inversión
inicial necesaria en el prefabricado necesita un
número muy importante de torres para poder
amortizarse.
Agradecimientos
Los autores expresan su agradecimiento a Marta
González Pliego, a Jesús Villar por la información
facilitada y el gran interés mostrado; y muy
especialmente a los profesores del departamento de
ingeniería de la construcción, Antonio Aguado y
Luis Agulló, por guiarnos y ayudarnos en la
búsqueda de información.
Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
42
http://www.windpower.org/es/tour.htm
http://www.enercon.de/es/_home.htm
http://www.windpower.org/es/tour/wtb/tower.htm
Villar Juan, Jesús “Proyecto de cimentación y
torre eólica de gran altura en hormigón”,
Proyecto final de carrera, Julio 2005, pp, 12-80.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
MEDIDAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE
HORMIGÓN A BAJAS TEMPERATURAS. RAZÓN DE SER
Joan Bertomeu Bo / Lluís Marco Planells
Universitat Politècnica de Catalunya / Enginyeria de Camins, Canals i Ports
Departament d’Enginyeria de la Construcció / ETSECCPB
Jordi Girona 1-3 Edifici C-1 / telf. 93 401 65 16 / Fax. 93 401 10 36
Resumen: Este artículo aborda el estudio de los efectos del
tiempo frío sobre el hormigón fresco y las solicitaciones a
las cuales se verá sometido una vez endurecido. Se
aplicarán medidas correctoras, que otros países con climas
más adversos se han visto obligados a adoptar, para paliar
estos efectos desfavorables. El artículo introduce, en primer
lugar, la peligrosidad de este tipo de condicionantes
ambientales, enumerando las distintas hipótesis a tener en
cuenta a la hora de proyectar los elementos que constituyen
el hormigón. Seguidamente se presentan las principales
medidas para paliar los efectos de tiempo frío durante el
hormigonado y sobre qué elementos incidir principalmente
para obtener unos mejores resultados. Finalmente, se
realiza el capítulo de conclusiones dónde se describen los
puntos más importantes tratados en el presente artículo.
en hormigones frescos como en endurecidos para
pasar a un segundo estadio más extenso donde se
exponen las medidas correctoras para paliar los
efectos de la puesta en obra en tiempo frío.
Finalmente, se realiza el capítulo de conclusiones
dónde se describen los puntos más importantes
tratados en el presente texto.
2. Cinética del hormigón
2.1. Definición de Tiempo frío
Se entiende por Tiempo frío aquella condición
climática en que la temperatura ambiental desciende a
niveles que obligan a tomar precauciones especiales
en el hormigonado.
En nuestro país, la EHE en su artículo 72º,
siguiendo la definición expuesta en el código
ACI306R – Cold Weather Concreting, establece
tiempo frío como el período durante el cual existe,
durante más de tres días, las siguientes condiciones:
la temperatura media diaria del aire es
inferior a 5º C
la temperatura del aire no supera los 10º C
durante más de la mitad del día.
A hora bien, la condición de tiempo frío puede
variar según la normativa, su importancia no radica
en la definición, sino en el criterio para poder
determinar cuándo y qué medidas se deben tomar en
la faena de hormigonado con bajas temperaturas.
En general, se deberán tomar medidas especiales
siempre que la temperatura ambiente descienda bajo
los 5° C. El hormigón puede sufrir daño considerable
cuando la temperatura decrece al punto que el agua
contenida en mezclas frescas o en hormigones
jóvenes se congela.
Entre los efectos del tiempo frío sobre el
hormigón encontraremos:
- Aumento en los tiempos de fraguado (tanto
inicial como final).
- Disminución en la tasa de desarrollo de
resistencia.
- Daño
en
hormigón
endurecido
por
congelación del agua contenida en su interior.
La presión interna provocada por el aumento
de volumen del agua al congelarse (cercano a
Palabras clave: tiempo frío, ciclo hielo-deshilo, cinética
del hormigón, temperatura del hormigón puesto en obra,
calor de hidratación, curado, protección, aislamiento,
resistencia.
1. Introducción
En nuestro país, o países con similares
características climáticas, donde raramente estaremos
condicionados por el tiempo frió no tiene razón de ser
un estudio detallado de la puesta en obra de
hormigones en tiempo frío, pues a priori siempre
podremos elegir unas condiciones climáticas más
propicias sin que ello suponga ningún retraso en
plazo de obra y siempre en cuando tengamos una
planificación curada y bien definida. Ahora bien en
otros países donde las condiciones climáticas son más
adversas se han visto en la obligación de estudiar con
mayor grado de atención estos efectos sobre el
hormigón tanto en edades tempranas como una vez
endurecido. Estas medidas serán de gran utilidad
cuando por circunstancias externas a la propia obra o
por plazos de obra ajustados tengamos que
hormigonar en tiempo frío. De hecho, en el artículo
72º de nuestra instrucción de hormigón se recoge
unas directrices básicas de actuación bajo estas
condiciones climáticas adversas, dejando al criterio
de los técnicos competentes un estudio más detallado
cuando no sea posible seguir el articulado básico.
El contenido de esta comunicación se divide en
tres partes. En primer lugar se hace referencia a la
concepción general de la cinética del hormigón tanto
43
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
un 10%)
irreparable.
puede
provocar
destrucción
adherencia partícula-partícula y pasta-árido.
Finalmente, las propiedades mecánicas se
producen el desarrollo continuo
de
resistencia, la disminución de la fluencia y la
porosidad y morfología del sistema hidratado
determinan la resistencia última, estabilidad de
volumen y durabilidad.
Siendo C-S-H silicato cálcico hidratado o gel de
tobermorita. CH hidróxido de calcio. Afm la fase
formada en la hidratación del cemento Portland que
se deriva del monosulfoaluminato puro con
sustitución parcial de A(AL2O3) por F(Fe2O3) y SO4-2
por otros aniones. AFt la fase formada en la
hidratación del cemento Portland que se deriva de la
etringita pura con sustitución parcial de A(AL2O3)
por F(Fe2O3) y SO4-2 por otros aniones.
2.2. Etapas de reacción del hormigón Portland
Para situarnos, en cuanto a la cinética del
hormigón, partimos de cuatro etapas de reacción del
hormigón, sus procesos químicos y físicos y las
propiedades mecánicas adquiridas todo ello para una
temperatura de curado alrededor de 20º C, es decir en
unas condiciones “estándar” para nuestro clima
temperado.
a) Los primeros minutos. Desde un punto de
vista químico se produce una rápida
disolución inicial de sulfatos alcalinos y
aluminato, la hidratación inicial del C3S y la
formación del AFt. En cuanto al proceso
físico, se desarrolla una alta velocidad de
liberación de calor. Finalmente, en las
propiedades mecánicas se producen cambios
en la composición de la fase líquida que
pueden influir en el posterior fraguado
b) Primeras horas (período de inducción). Desde
un punto de vista químico se produce un
reducción de silicatos y concentración de
iones Ca2+, la formación de CH y C-S-H y la
concentración de Ca2+ alcanza el nivel de
sobresaturación. En cuanto al proceso físico,
se desarrollan productos de hidratación
iniciales y una baja liberación de calor seguido
de un incremento continuo de viscosidad.
Finalmente, en las propiedades mecánicas se
forman las fases AFt y AFm que pueden
influir en el fraguado y la trabajabilidad y la
hidratación de los silicatos cálcicos determina
el fraguado inicial y final.
c) Aproximadamente 3 a 12 horas (etapa de
aceleración). Se producen la reacción química
rápida del C3S y aceleración de la formación
de C-S-H y CH junto con la disminución de la
concentración de Ca2+. En cuanto al proceso
físico, la rápida formación de hidratos conduce
hacia la solidificación y la disminución de la
porosidad y se produce una alta velocidad de
liberación de calor. Finalmente, en las
propiedades mecánicas se produce el paso
reconsistencia plástica a rígida (fraguado
inicial y final) junto con el desarrollo de la
resistencia inicial.
d) Etapa de post-Aceleración. El proceso
químico se inicia con la difusión-formación
controlada de C-S-H y CH, la recristalización
de la etringita hacia monosulfato y alguna
polimerización de posibles silicatos para
terminar con la hidratación del C2S que llega a
ser significativa. En cuanto al proceso físico,
se produce una importante disminución de la
velocidad de liberación de calor, el descenso
continuo de la porosidad y la formación de
2.3. Efectos de la congelación en el hormigón fresco
En primer lugar, antes de hablar de los efectos
dañinos de la congelación y del deshielo en el
hormigón endurecido, uno de los principales
problemas en lo que se refiere a la durabilidad del
hormigón, tenemos que considerar la acción del hielo
sobre el hormigón fresco y los problemas que se
relacionan con la elaboración del hormigón en clima
frío.
Si se permite que el hormigón se congele antes de
fraguar, la anterior etapa tercera, la acción del hielo
es muy similar a la que se observa en un suelo
saturado sometido a dislocación: el agua de mezclado
se congela y, en consecuencia, se observa un aumento
del volumen total del hormigón. Además, ya que no
hay agua disponible para reacciones químicas, se
retrasan el fraguado y el endurecimiento del
hormigón. Es decir, si el hormigón se congela
inmediatamente después de haber sido puesto en
obra, no fraguará, y por lo tanto, no habrá pasta que
se pueda romper a causa de la formación del hielo.
Mientras la temperatura sea baja, el proceso de
fraguado quedará pendiente para cuando comience
posteriormente el deshielo del hormigón, éste se
deberá volver a vibrar y, entonces, fraguará y se
endurecerá sin perder su resistencia. Sin embargo,
puesto que el agua de mezclado se expande debido a
la congelación, la falta de vibrado permitirá que el
hormigón fragüe en presencia de gran cantidad de
poros y, en consecuencia, disminuya la resistencia. El
revibrado en el momento del deshielo puede producir
un hormigón satisfactorio, pero este procedimiento no
se recomienda, excepto cuando sea inevitable.
En cambio, si la congelación ocurre después de
que el hormigón ha fraguado, inicio de la etapa de
post aceleración, justo antes que logre una resistencia
apreciable, la expansión junto con la formación de
hielo, causa fractura y pérdida irreparable de
resistencia. No obstante, si el hormigón ha adquirido
suficiente resistencia, puede soportar la temperatura
de congelación sin dañarse, no sólo gracias a su
44
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
mayor resistencia contra la presión del hielo, sino
también porque gran parte del agua de mezclado se
habrá combinado con el cemento o se encontrará en
los poros de gel y no podrá congelarse. Sin embargo,
es difícil determinar cuándo se ha llegado a esta
situación, ya que el fraguado (figura 1) y
endurecimiento (figura 2) del cemento dependen de la
temperatura que impere durante el período anterior a
la verdadera helada. En términos generales, mientras
más avanzada se encuentre la hidratación del cemento
y mayor sea la resistencia, menos vulnerable será el
hormigón a la congelación.
Se han sugerido valores de resistencia mínima que
caen dentro de un rango de 5 MPa hasta 14 Mpa pero
no hay datos confiables relativos a la resistencia que
puede soportar con éxito temperaturas inferiores al
punto de congelación. Un enfoque opcional consiste
en considerar la edad máxima de hormigón
almacenado a determinada temperatura, en la cual la
exposición a la acción del hielo no le cause daño. La
tabla I proporciona valores típicos promediados.
Tipo de
cemento
Relación
agua/cemento
Portland
normal
0.4
0.5
0.6
Pórtland
fraguado
rápido
0.4
0.5
0.6
Edad (horas) de exposición
cuando la temperatura anterior
de curado era:
5ºC
10ºC 15ºC 20ºC
35
25
15
12
50
35
25
17
70
45
35
25
20
30
40
15
20
30
10
15
20
7
10
15
Tabla I: Edad del hormigón a la que la exposición a la
congelación no causa daños.
La figura 3 muestra la influencia ejercida por la
edad a que se inicia la congelación en la expansión
del hormigón, es notoria la disminución de la
expansión del hormigón al que se permitió endurecer
durante 24 horas, y esta claro que es muy
recomendable proteger el hormigón de la acción
durante ese período.
Fig.1 Tiempo de fraguado del cemento Pórtland normal a
diferentes temperaturas, como una proporción del tiempo
de fraguado a 15º C.
Fig.3 Aumento de volumen del hormigón durante la
congelación prolongada en función de la edad a la que se
inicia la congelación.
La resistencia a la congelación y al deshielo
alternados también depende de la edad del hormigón
al incidir el primer ciclo (figura 4), pero este tipo de
exposición es más grave que la congelación
prolongada sin periodos de deshielo, y varios ciclos
alternados pueden dañar hasta hormigón curado a 20º
C durante 24 horas. Cabe señalar que no hay relación
directa entre la resistencia a la congelación del
Fig.2 Desarrollo del la resistencia del hormigón a distintas
temperaturas de curado.
45
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
hormigón joven y la durabilidad del hormigón
maduro sujeto a numerosos ciclos de congelación y
deshielo.
por lo tanto no son apreciables para la acción del
hielo. El contenido de humedad del hormigón al
momento del congelamiento es un factor fundamental
en la magnitud del daño. Al aumentar el contenido de
humedad existirá más agua disponible para
congelarse, por lo que el daño será mayor. En cuanto
a los áridos no es tan importante el congelamiento de
estos como el producido en la pasta de cemento que
produce mayores daños.
La congelación es un proceso gradual debido en
parte a la velocidad con que el calor se transfiere a
través del hormigón, en parte al aumento progresivo
de la concentración de álcalis disueltos en el agua que
aún no se ha congelado, y en parte a que el punto de
congelación varía según el tamaño de la cavidad.
Puesto que la tensión superficial de los cuerpos de
hielo que se encuentran en los capilares los hace
sufrir una presión más alta mientras más pequeños
sean, la congelación comienza en las cavidades de
mayor tamaño y se va extendiendo a las más
pequeñas. Los poros del gel son demasiado pequeños,
para permitir la formación de núcleos de hielo a más
de -78º C, de tal manera prácticamente no se forma
hielo en ellos, básicamente por la diferencia de
entropía entre el gel y el hielo, el agua del gel
adquiere una energía potencial que le permite
penetrar en las cavidades capilares que contienen
hielo. La difusión de dicha agua de gel hace crecer
los cuerpos de hielo y produce expansión.
Así pues, nos encontramos con dos fuentes de
presión de dilatación. En primer lugar, el agua que se
hiela causa un aumento de volumen de orden del 9%,
de modo que se expulsa el exceso de agua que se
encontraba en las cavidades. La velocidad de
congelación
determina
la
velocidad
de
desplazamiento del agua, la cual debe salir al ser
empujada por el frente de hielo que va avanzando, y
la presión hidráulica resultante dependerá de la
resistencia al flujo, es decir, de la longitud de la
trayectoria y la permeabilidad de la pasta entre la
cavidad en congelación y una cavidad en que se
pueda acomodar el exceso de agua.
La causa de la segunda fuerza de dilatación del
hormigón es la difusión de agua que ocasiona un
incremento en la cantidad relativamente pequeña de
cuerpos de hielo. Con base a numerosas
investigaciones se cree que este último mecanismo es
especialmente importante debido al daño por
congelación que causa al hormigón. Esta difusión es
producida por la presión osmótica causada por
aumentos locales de concentración de solutos que
ocurren debido a la separación de agua congelada
(pura) de la solución. Como ejemplo, una losa que se
está congelando en su parte superior sufrirá un grave
daño si el agua tiene acceso desde abajo y puede
viajar a través del espesor de la losa impulsada por la
presión osmótica. Entonces, el contenido total de
humedad del hormigón será mayor que el que existía
antes de la congelación y, en algunos casos, se han
Fig.4 Aumento de volumen del hormigón sometido a
congelación y deshielo en función de la edad a la que se
inicia la primera congelación.
2.4. Efectos de la congelación en el hormigón
endurecido
Llegados a este punto consideraremos el
hormigón maduro sometido a congelación y deshielo
alternado, que es un ciclo de temperatura que se
encuentra con frecuencia en la naturaleza.
2.4.1 Ciclos hielo-deshielo
En primer lugar definimos el ciclo hielo-deshielo
como aquel evento de congelamiento y posterior
deshielo del agua contenida en el hormigón o mortero
endurecido en un período de tiempo determinado. Los
ciclos hielo-deshielo son un fenómeno común en la
naturaleza, debido al cambio propio en la temperatura
ambiente en zonas que registran tiempo frío.
La exposición a estos ciclos es una solicitación
severa a la durabilidad del hormigón. Por medio de
una serie de mecanismos complejos, el efecto cíclico
de congelamiento y deshielo del agua al interior del
hormigón en servicio puede destruir su estructura.
Conforme disminuye la temperatura del hormigón
saturado y endurecido, el agua que contienen los
poros capilares se congela en la pasta de cemento, de
manera similar a lo que sucede con los capilares de
las rocas, y se produce una expansión del hormigón.
Si un subsiguiente deshielo va seguido de otra
congelación, hay más expansión, de manera que los
ciclos repetidos de hielo-deshielo ejercen un efecto
acumulativo y se puede apreciar una analogía entre
este proceso y la falla por fatiga. La acción ocurre
principalmente en la pasta de cemento, generalmente,
los poros más grandes de hormigón, que provienen de
una compactación incompleta, están llenos de aire y
46
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Entre las posibles medidas de protección
encontraremos la selección adecuada de los
materiales, el uso de aditivos químicos, procurar una
buena dosificación y el calentamiento de los
componentes. Otro tipo de medidas podrían ser las
que se aplicarían en el amasado, el transporte, el
vertido y la compactación, el acabado, el curado y el
desencofrado. Veamos cada una de estas medidas.
llegado a observar daños producidos por la
segregación de cristales de hielo que forman capas.
La presión osmótica también proviene de otra fuente,
cuando se utilizan sales para deshelar carreteras, la
parte superior del hormigón absorbe parte de ellas.
Esto produce una alta presión osmótica, y un
movimiento de agua hacia las zonas más frías, en
donde ocurre la congelación.
Así pues, el daño ocurre cuando la presión de
dilatación del hormigón es mayor que su resistencia a
la tensión. Esta presión causa la ruptura de la pasta
endurecida, acrecentando microfisuras existentes y
creando otras nuevas. Con el deshielo el agua se
trasladaría a estas microfisuras. Por el mismo
proceso, una posterior congelación causaría nuevo
daño en las zonas debilitadas, registrándose un
deterioro acumulativo que puede resultar en la
destrucción parcial o total del hormigón. La extensión
del daño varía desde un descascaramineto superficial
hasta una desintegración total a medida que se van
formando las capas de hielo, empezando por la
superficie expuesta y progresando a través de su
profundidad.
Finalmente, aunque la resistencia del hormigón a
la congelación depende de varias de sus propiedades
(resistencia de la pasta de cemento, extensibilidad y
fluencia), los principales factores son el grado de
saturación y la estructura de poro de la pasta de
cemento.
3.1. Selección de los materiales
El objetivo principal en construcciones a bajas
temperaturas es la adquisición rápida de resistencia.
Por lo tanto, procuraremos tener en cuenta este
aspecto a la hora de trabajar con los distintos
materiales que configuran el hormigón.
3.1.1. Cemento
Son recomendables cementos con alta velocidad
de fraguado y endurecimiento. Serían adecuados pues
cementos del tipo clase CEM I (Portland sin
adiciones) clase CEM IIA-D (Portland con humo de
Sílice). Siendo preferible la no utilización de cenizas
volantes o escorias puesto que reducen la velocidad
de adquisición de resistencia del hormigón.Los
cementos de alta resistencia también ofrecen altas
prestaciones a bajas temperaturas dada la rápida
adquisición de resistencia.
3. Medidas para el hormigonado a bajas
temperaturas
Hasta ahora, hemos visto los efectos negativos
que se pueden derivar de unas condiciones
meteorológicas dominadas por las bajas temperaturas.
Ahora bien, el hormigonado en tiempo frío presenta
varias ventajas que deben ser aprovechadas. El
hormigón colocado a bajas temperaturas (entre 5º C y
13º C), protegido adecuadamente del congelamiento y
curado adecuadamente, poseerá mayor resistencia
final, mayor durabilidad y será menos susceptible a
la figuración por temperatura.
La planificación para proteger el hormigón del
congelamiento y posterior mantenimiento sobre
temperaturas mínimas debe comenzar antes de que
ocurran temperaturas de congelamiento. Esto, que
puede parecer obvio, obliga a que en todo proyecto
donde se esperan condiciones en tiempo frío, el
constructor, el proveedor de hormigón y el promotor
(o sus representantes como la dirección de obra)
evalúen antes de la construcción las medidas a
implementar, el nivel de protección y sus costos.
A su vez, es importante planificar los trabajos de
hormigonado de forma que estos se realicen durante
períodos de la jornada dónde la temperatura sea la
máxima posible (evitando, por ejemplo, faenas
nocturnas en invierno).
Fig.5 Relación entre la resistencia del hormigón con
cemento normal y cemento de alta resistencia inicial en la
primera edad.
47
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
3.1.2. Agua
Deberá controlarse aquellas sustancias que
retrasen el fraguado del cemento como azúcares,
grasas, aceites etc.
3.1.3. Áridos
Evitar los áridos con nieve, hielo o grumos
helados. Los grumos de más de 75mm no se deshacen
en el amasado y permanecen en el hormigón una vez
colocado.
Una medida preventiva sería cubrir los acopios de
árido, especialmente por la noche, con lonas, láminas
de plástico o mantas aislantes. En el caso de los
áridos rodados convendría controlar la presencia de
materia orgánica en ellos puesto que contribuye al
retraso del fraguado.
Fig.6 Hormigonado con acelerantes y aditivos tales que no
necesitan de medidas adicionales.
3.2.2. Acelerantes
3.2. Uso de aditivos químicos
Los acelerantes son aditivos que aceleran la
velocidad de endurecimiento. Aún así, un efecto
negativo sería la disminución de resistencia a largo
plazo.
Un ejemplo de ellos es el cloruro cálcico o potasa
(K2CO3). El uso de este último se desarrolló en la
antigua URSS como un método auxiliar diferente
para la colocación de hormigón en clima de
congelación, la potasa disminuye el punto de
congelación del agua de mezclado y permite así que
el hormigón desarrolle cierta resistencia. No obstante,
debido a que la potasa acelera el fraguad, es necesario
el uso de un retardante simultáneo. Aparentemente, la
potasa no afecta adversamente la adherencia con el
acero ni fomenta la corrosión, de tal forma que su uso
en la fabricación y colocación del hormigón en
invierno puede ser interesante en invierno.
En cuanto al uso de cloruro cálcico, aunque es de
una gran efectividad, en España está prohibido por la
EHE en hormigones armados y pretensazos.
3.2.1. Anticongelantes
Partiendo de los estudios de la US Army Corps
Engeneer Reserch and Development Center: Cold
Weather Concreting, los anticongelantes son
productos solubles, que activan la hidratación del
cemento. Ello permite obtener desprendimiento más
rápido del calor de hidratación del cemento,
aumentando así en algunos grados la temperatura del
hormigón durante el amasado. Por otra parte, rebajan
la temperatura de congelación del agua del hormigón.
Estos efectos combinados permiten que el
hormigón se endurezca antes que se produzca su
congelamiento por efectos de las bajas temperaturas
durante el hormigonado en tiempo frío. Sin embargo
estos aditivos disminuyen la velocidad de
endurecimiento así como la aparición de efloscencias
en la superficie. Aunque en España el uso de estos
productos no se encuentra normalizados.
El empleo de este tipo de aditivos, unido al uso de
las medidas de protección recomendadas en la
tecnología para el hormigonado a bajas temperaturas,
permite el trabajo hasta con temperaturas de –10º C.
Dado que el efecto de este tipo de aditivos
depende de la concentración que se use en proporción
al agua de amasado del hormigón y de la clase de
cemento empleado, es conveniente verificar en la
práctica su aplicabilidad o, al menos, obtener
información sobre otras experiencias de uso en
condiciones similares al de la obra en construcción.
Hoy en día se está investigando en el campo de
aditivos y acelerantes que permitan hormigonados a
temperaturas de hasta -10º C sin medidas adicionales
tomando como buena práctica no hormigonar sobre
superficies con hielo o escarcha o con una sub-base
congelada.
3.2.3. Aireantes
Como ya se ha comentado anteriormente, el
efecto más destructivo debido al intemperismo es el
debido al hielo y deshielo ya sea en el estado fresco
del hormigón como durante su vida útil de éste.
Para afrontar este efecto, podemos optar por la
inclusión de aire en el amasado. Incluyendo aire en la
mezcla, el hormigón gana una gran resistencia al
deterioro. Durante la congelación, el agua se desplaza
a través de los recintos de aire y se acomoda en la
matriz de la mezcla sin ocasionar daños perjudiciales
debidos al aumento de las presiones intersticiales. Sin
embargo estos aditivos tienen como efecto secundario
la reducción de la resistencia del hormigón aunque
una parte pequeña de este efecto se compensa por la
mejora de docilidad del hormigón fresco, una
docilidad que ayuda a reducir ligeramente el agua del
amasado.
48
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Con un 4%-8% de aire incluido en el hormigón,
éste podrá resistir un gran número de ciclos de hielo y
deshielo sin presentar síntomas de fallida.
Cabe resaltar que en España la EHE no permite el
uso de aireantes en hormigones pretensados con
armaduras ancladas por adherencia.
Para estudiar los efectos del hielo y deshielo, se
ha definido un ensayo de durabilidad ASTMC666
“Standard Test Method for Resitance of Concrete to
Rapid Freezing & Thawing”. Con este ensayo se
obtiene un factor de durabilidad a partir del cuál se
puede diseñar la estructura.
3.4. Calentamiento de los componentes.
Una medida básica, para proteger al hormigón
recién colocado frente al congelamiento, es asegurar
una temperatura mínima de colocación y posterior
curado. Esta temperatura depende básicamente del
espesor del elemento ya que los elementos de menor
espesor pierden calor más rápidamente y
consecuentemente deben ser colocados a mayores
temperaturas.
Puede ser de ayuda la siguiente tabla recogida en
las normas NCh170.
3.2.4. Plastificantes y superplastificantes.
Estos aditivos nos permiten reducir la relación a/c
del hormigón. Aún así, es importante prestar atención
al efecto retardador de fraguado ocasionado por los
plastificantes. Siendo más aconsejable el uso de
superplastificantes puesto que no presenta los efectos
adversos anteriores.
Espesor de la sección,
dimensión (cm.)
<
30
30 a
90
90 a
180
>180
Temperatura mínima
de colocación (º C)
13
10
7
5
La temperatura de colocación del hormigón nunca será
inferior a 5ºC
Tabla II: Temperaturas mínimas recomendadas para la
colocación y mantenimiento del hormigón.
3.3. Dosificación.
La dosificación debe favorecer un fraguado
rápido, velocidad de adquisición de resistencia,
minimizar la exudación y elevar el calor de
hidratación. Para ello conviene:
- Uso de cementos adecuados con un aumento
de la cantidad de estos para aumentar el calor
de hidratación.
- Una baja relación Agua/Cemento (A/C), con
un asiento menor a 1cm.
Para conseguir resistencia al hielo-deshielo
deberemos considerar la inclusión de aire y la
cantidad de cemento.
Cabe observar que hormigones con temperaturas
muy superiores a las recomendadas no aumentarán la
protección al congelamiento, más aún, mayor
temperatura demandará mayor dosis de agua,
aumenta la tasa de pérdida de trabajabilidad (medida
por descenso de cono), puede causar fraguado
temprano e incrementa el riesgo de fisuración. Por
ello, la temperatura de colocación del hormigón debe
ser, dentro de lo práctico, siempre cercana a la
mínima recomendada y nunca superior a ésta en más
de 10º C.
De todas formas, la temperatura del hormigón al
fabricarlo debe ser mayor que al colocarlo, con tal de
contrarrestar la pérdida térmica que se produce entre
estos dos procesos. Así pues, cuanto más baja sea la
temperatura ambiente mayor debe ser la temperatura
de fabricación.
Temperatura mínima de
colocación (º C)
Temperatura del aire
(º C)
13
10
7
5
de 0º C a 5º C
16
13
10
7
de -18º C a 5º C
18
16
13
10
Bajo -18º C
21
18
16
13
La temperatura refabricación no deberá exceder en más
de 15º C a las recomendadas.
Tabla III: Temperaturas mínimas del hormigón durante
la fabricación (º C).
El método más común y de menor costo para
elevar la temperatura de hormigón durante la
fabricación es el calentando el agua de amasado. La
Fig.6 Desarrollo de la resistencia de un hormigón para
distintas cantidades unitarias de cemento Pórtland normal
con una temperatura de curado de 4.5º
49
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
mayoría de las veces esta medida será suficiente, sin
embargo, en casos de frío extremo será necesario
además calentar los árido, tarea por lo general de
mayor complicación y costo.
(tuberías con circulación de vapor en acopios) de
forma uniforme, evitando en lo posible el uso de calor
seco.
3.4.3. Cálculo de la temperatura del hormigón
recién fabricado.
3.4.1. Calentamiento del agua.
Como ya se ha comentado esta es la forma más
económica y sencilla de aumentar la temperatura del
hormigón. El método es suficiente si los áridos están
libres de hielo y grumos helados, y la temperatura no
baja de los -5º C. Como consideraciones adicionales
tomaremos:
- Se debe contar con suficiente cantidad de agua
a temperatura uniforme, para evitar diferencias
térmicas importantes entre amasada y amsada.
- La temperatura del agua no debe superar los
70º C con tal de evitar el “fraguado
relámpago”.
- Cuando el agua posea alta temperatura,
durante el mezclado se debe evitar su contacto
directo con el cemento. Para ello, se debe
mezclar el agua de amasado con los áridos(el
árido grueso primero) y luego añadir el
cemento.
- La temperatura del agua puede ajustarse
mezclando agua fría y caliente, de modo que
se obtenga un temperatura del hormigón
dentro de un rango de ± 5°C de la requerida.
Como medios de calentamiento podemos utilizar
vapor inyectado, vapor circulando por tuberías o
calefactores eléctricos o de gas. Finalmente, debe
disponerse de un depósito aislado térmicamente.
Conocidos los pesos, absorción y el contenido de
humedad de los áridos; la temperatura del hormigón
recién fabricado se puede estimar como:
T: Temperatura final del
hormigón (°C)
Ws: Peso árido fino
saturado superficie seca
(SSS) (kg)
Ts: Temperatura del
árido fino (°C)
Wa: Peso árido grueso SSS
(kg)
Ta: Temperatura del
árido grueso (°C)
Ww: Peso agua de amasado
(kg)
Tc: Temperatura del
cemento (°C)
Wws: Peso agua libre en
árido fino (kg)
Tw: Temperatura del
agua de amasado (°C)
Wwa: Peso agua libre en
árido grueso (kg)
Wc: Peso del cemento
(kg)
Esta ecuación asume los calores específicos del
cemento y los áridos son iguales a 0.22 Kcal/(Kg ºC).
Si la temperatura de uno o ambos áridos está bajo
0º C, el agua contenida en ellos se congelará. Así, la
ecuación debe ser modificada sustituyendo el término
(Ts Wws) por Wws(0.50Ts - 80) si la arena está
congelada, o (Ta Wwa) por Wwa(0.5Ta – 80) si la
grava está congelada.
De donde se deduce que, para la mayoría de las
mezclas, elevar la temperatura del hormigón en 1º C
se logra subiendo la temperatura del agua de amasado
aproximadamente 5º C o la de los áridos 1.4º C.
3.4.2. Calentamiento de los áridos
Como consideraciones para el calentamiento de
los áridos, tomaremos las siguientes:
- En general será necesario calentar los áridos
cuando la temperatura ambiente permanezca
bajo -4º C.
- Normalmente no será necesario calentar los
áridos sobre 15º C si el agua de amasado
alcanza 50º C.
- No se deben calentar los áridos por encima de
los 50º C.
- Si el árido grueso se encuentra seco y libre de
hielo, generalmente será necesario sólo
calentar la arena, que usualmente no requerirá
poseer más de 40º C si el agua de mezclado
alcanza los 50º C.
- Los áridos deberán estar el mayor tiempo
posible tapados y con humedad uniforme.
El calentamiento de los áridos para deshacernos
de hielo, nieve o grumos puede hacerse con aire
caliente insuflado desde distintos puntos estando el
acopio bajo lonas. Los áridos deben calentarse de
uniformemente y nunca a temperaturas por encima de
los 65º. Se recomienda el uso de calor húmedo
3.5. Amasado
La temperatura recomendable del hormigón en el
amasado es 3º C o 4º C por encima de la temperatura
exigida en obra. De esta forma se tiene en cuenta la
pérdida de calor durante el transporte.
3.6. Transporte
Para temperaturas superiores a los -10º C la
disminución de temperatura del hormigón en las
cubas de los camiones no superará los 3º C. Si las
temperaturas fuesen inferiores, el descenso podría
llegar a los 5 ó 6º C. Para ayudar a no perder calor en
el transporte se recomienda girar la cuba lo
indispensable.
50
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
3.7. Vertido y compactación
El hormigón debe colocarse en los encofrados y
compactarse a continuación de forma rápida e
ininterrumpida.
Se debe eliminar toda la nieve, hielo, escarcha y
el agua originada en su fusión antes de verter el
hormigón. Puede utilizarse para ello inyectores de
aire caliente.
Las temperaturas de todos los equipos que entran
en contacto con el hormigón no deben ser inferiores a
los 3º C ni superar en más de 5º C la temperatura del
hormigón. La superficie del terreno donde se vierta el
hormigón puede calentarse cubriéndola con un
material aislante durante días, o en caso extremo, con
aire seco. La utilización de encofrados de madera es
totalmente recomendada. Los equipos de encofrado
pueden estar dotados de encofrado térmico con
espesor recrecido en las esquinas.
Para evitar congelaciones locales alrededor de la
armadura conviene que ésta esté por encima de los
0ºC. En cuanto a canaletas y cintas transportadoras,
éstas deberían evitarse a no ser que se aíslen.
Mínima
dimensión
(mm)
<300
mm
300900m
m
9001800mm
>1800
mm
Temperatura
mínima en la
colocación
13ºC
10ºC
7ºC
5ºC
Caída máxima
de temperatura
en las 24h
después de
interrumpir el
curado
28ºC
22ºC
17ºC
11ºC
Tabla IV: Temperaturas del hormigón recomendadas según
el ACI 306R-88.
Para prevenir la helada temprana y llegar a
temperaturas excesivamente bajas se puede optar por
la protección térmica a base de una cobertura con
materiales aislantes utilizando así el calor natural de
hidratación.
El periodo de protección térmica del hormigón
que va a entrar en carga y no va estar expuesto a
ciclos de heladas, puede acortarse hasta que el
hormigón haya alcanzado una resistencia de 5Mpa.
Esta resistencia se suele alcanzar en 2 ó 3 días si la
temperatura exterior no baja de los 5º C. En
elementos de grandes dimensiones el periodo debe
ser mayor para evitar fisuración térmica.
Si el hormigón ha de estar expuesto a ciclos de
hielo-deshielo, el periodo se alargará hasta que éste
haya alcanzado los 25Mpa.
Aún así, debemos asegurarnos que el hormigón
seguirá ganando resistencia al quitar la protección.
Por ello se opta por un periodo de 5-6 días de curado:
medida muy conservadora. Se pueden tomar como
referencia los valores expuestos en las siguientes
tablas:
3.7. Acabado
A bajas temperaturas, el agua proveniente de la
exudación debe eliminarse antes de realizar el
acabado ya que si se mezcla en el hormigón durante
el alisado o fratasado, la superficie se volverá menos
resistente a la helada.
3.8. Desencofrado
En hormigonados a bajas temperaturas conviene
mantener los encofrados el máximo tiempo posible
puesto que si están aislados o bien están calentados,
éstos ayudan a mantener el calor.
El momento de desencofrar depende de varios
factores como el tipo de cemento, la dosificación,
temperatura de curado etc. Por lo tanto el momento
de desencofrar se determinará por experiencia.
Antes del descimbrado o el desapeo es
fundamental hacer controles de resistencia para
verificar que el hormigón ha adquirido la resistencia
necesaria. Una vez hecho el desencofrado debe
protegerse el hormigón.
Temperatura
media diaria
del aire
durante el
periodo de
curado (º C)
3.9. Protección de los hormigones expuestos a
bajas temperaturas: el Curado.
Cuando se habla de protección del hormigón a las
bajas temperaturas, el objetivo que se busca es
mantenerlo a una temperatura y con una humedad que
aseguren la resistencia y la durabilidad a lo largo de
la vida útil de la estructura. A la vez, lo que se busca
con el curado es evitar la helada temprana y evitar
llegar a temperaturas críticas para el hormigón.
Temperatura del hormigón protegido
10º C
21º C
Grado de cemento
Grado de cemento
Normal
Alta
resistencia
Normal
Alta
resistencia
Sobre 0º C
6
3
4
3
de 0º C a -4º C
11
5
8
4
de -5 C a -9º C
21
16
16
12
menos de -9º C
29
26
23
20
Tabla V: Plazos de protección en elementos cargados y
expuestos en días.
51
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Plazo para asegurar
durabilidad
Plazo para asegurar
durabilidad y
resistencia
Cemento grado
Cemento grado
Condición del
elemento
Norma
l
Alta
resistenci
a
Norma
l
Alta
resistencia
Sin carga, no
expuesto
(función bajo
tierra)
2
1
2
1
Sin carga,
expuesto
(represas,
pilares
macizos)
3
2
3
2
Carga parcial,
expuesto
(sobrecimient
os)
3
2
6
4
Cargado y
expuesto
(vigas, losas,
columnas)
3
2
3.9.1. Métodos de protección.
3.9.1.1. Cubrición aislante.
Con tal de aprovechar el calor de hidratación para
evitar que el hormigón se hiele podemos optar por
distintos medios de cubrición.
Estos medios deben mantenerse en contacto
directo sobre la superficie de hormigón o sobre los
encofrados. Éstos deben colocarse inmediatamente
después de haber vertido el hormigón. La cara
exterior del material aislante debe ser resistente al
agua y al viento.
Algunos materiales aislantes serían:
• láminas de espuma de poliestireno
• mantas de lana mineral
• fibra de vidrio
• fibras de celulosa
• espumas proyectadas al encofrado.
Aplicar tabla V
Es importante no excederse en cuanto a
aislamiento puesto que se puede incrementar en
exceso la temperatura interna del hormigón.
Tabla VI: Plazo de protección en días.
Los días o fracciones de día de interrupción de la
protección no cuentan para determinar el plazo de
protección.
En elementos cargados, especialmente aquellos
con alta solicitación, se recomienda determinar el
plazo de protección basándose en controles de
resistencia de al menos 6 probetas especiales en cada
etapa de hormigonado (probetas confeccionadas y
curadas en condición de mayor similitud a la
estructura que representan), estableciendo un plan de
ensayos para determinar la curva edad-resistencia. El
plazo de protección para cumplir con la resistencia
puede reducirse cuando las probetas especiales
demuestren resistencias superiores a las indicadas en
la siguiente tabla:
Fig. 7 Láminas aislantes que protegen las paredes, ya sea de
la deshidratación como de la pérdida muy rápida de calor.
3.9.1.2. Calentamiento bajo lonas.
Temperatura media diaria
del ambiente previsto para
el período de curado º C.
% de la resistencia
especificada
Sobre 0º C
50
de 0º C a -4º C
65
de -5 C a -9º C
85
menos de -9º C
95
Otra forma de mantener la temperatura del
hormigón sería a base de cubrirlo con lonas apoyadas
sobre caballetes u otros soportes. Éstas deberían estar
a una distancia de unos 30-40cm del hormigón. A
través de este espacio se ha de poder insuflar aire
caliente o vapor.
Al usar aire para calentar, el hormigón debe
cubrirse con algún material impermeable para evitar
que se seque.
Si calentamos mediante vapor, lo debemos hacer
si la temperatura exterior no es inferior a 0º C puesto
que en este caso se originaría hielo en los puntos
donde se insufla el vapor y en el agua condensada a
su salida.
El curado con agua no es recomendable puesto
que presenta problemas de helada en la evacuación de
ésta.
Tabla VII: Resistencia mínima para finalizar plazos de
protección.
Con tal de acortar el periodo de curado se puede
optar por distintos métodos sin olvidar que todo lo
que ganemos en resistencia a corto plazo se pierde, en
parte, a largo plazo. Entre estas medidas se
encontrarían los acelerantes.
52
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Las piezas que son sólo calentadas por una cara
no deben tener un espesor superior a los 15cm para
evitar gradientes térmicos excesivos.
El calentamiento por inducción a través de un
campo electromagnético sería el más adecuado dada
la uniformidad que se consigue en elementos de todo
tipo, incluso los fuertemente armados.
3.9.1.3. Recintos calentados
Cuando las temperaturas bajan de forma drástica
hará falta tomar medidas adicionales para proteger el
hormigón. Entre ellas, la construcción de recintos
para aislar el hormigón de la intemperie. Estos son el
método más efectivo pero a la vez el más caro. Este
método es aconsejable cuando las temperaturas son
inferiores a los -10º C.
Los recintos pueden ser de madera, de lona o de
polietileno, hasta pueden ser recintos prefabricados
de plástico rígido. Deben ser capaces de soportar
cargas de viento, nieve y a la vez ofrecer una cierta
estanqueidad al aire.
Un factor a tener en cuenta es el aprovechamiento
de la luz solar en cuanto al calentamiento del recinto.
Por ello, muchos recintos están hechos a base de
materiales translúcidos. Las dimensiones y formas de
los recintos dependen, en buena parte, de la tipología
de la estructura. Aún así, se acepta una altura mínima
de protección de 1.8m para lograr una protección
adecuada a los vientos penetrantes.
El uso de recintos permite un curado al vapor que
ayuda a mantener el hormigón a una temperatura
adecuada y, a la vez, evita problemas de fisuración.
En cuanto a los materiales de los recintos, estos
tendrán que retener tanto el calor como la humedad.
Para ello, se buscan también materiales fibrosos.
Entendemos por materiales fibrosos, materiales que
en su estructura interna disponen de una gran
porosidad con tal de que el aire de los poros actúe
como aislante ideal.
3.2.4. Control de las temperaturas a que se expone
y a las que llega el hormigón. Consideración del
calor de hidratación.
El calor de hidratación del hormigón depende del
tipo de cemento. Este calor ayuda al proceso de
hormigonado puesto que ya de por sí, este calor es
suficiente para mantener una temperatura de curado
sin que sean necesarias otras fuentes de calor
adicionales.
Con tal de aprovechar al máximo este calor
tomaremos ciertas medidas:
• En primer lugar verteremos el hormigón a una
temperatura adecuada calentando agua o
áridos como se ha comentado anteriormente.
• Se tendrá en cuenta la temperatura de los
encofrados. Sobretodo, en las zonas angulosas
y bordes, que son las más susceptibles en
cuanto a pérdida de calor.
• El acero estructural de refuerzo de los moldes
también tendrá que estar a una temperatura
adecuada.
• La temperatura del terreno también es un
factor crucial y nada menospreciable. Como
norma, nunca se debe hormigonar sobre
terrenos congelados o nevados. Si el terreno
presentara estas situaciones tendríamos que
acondicionarlo y quitar la nieve o el hielo.
• Control de la temperatura del hormigón a lo
largo de todo el proceso de hormigonado.
Fig.3 Recinto de hormigonado necesario para poder
hormigonar a menos de 5ºC.
3.9.1.4. Calentamiento del hormigón.
El hormigón también puede calentarse mediante
bobinas embebidas y resistencias eléctricas aisladas.
Sin embargo se debe hacer un control intenso de la
temperatura con tal de no llegar a temperaturas
críticas.
Este método no es muy adecuado para elementos
de pequeño espesor o elementos muy armados.
Fig.4 Determinación de la temperatura del hormigón
• Proteger el hormigón de las corrientes de aire.
• Si la temperatura del hormigón desciende por
debajo del punto de congelamiento, prolongar
el tiempo de curado.
53
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
5. Conclusiones
Agradecimientos
Con esta comunicación se ha pretendido dar a
conocer las distintas medidas a tener en cuenta a la
hora de hormigonar en tiempo frío. Primeramente,
hemos analizado los diversos efectos dañinos que
podrían inducir las bajas temperaturas en el hormigón
fresco y endurecido. A partir de ahí, consultando
bibliografía de otros países con climas más adversos,
así como también bibliografía nacional hemos llegado
a las siguientes conclusiones:
- Lo más importante es una buena planificación
y previsión. Cualquier medida correctora en
situaciones de urgencia sale más cara tanto
desde un punto de vista económico como
estructural.
- El hormigonado en tiempo frío es posible
técnicamente gracias a las nuevas tecnologías,
a una buena protección de los agentes externos
y a un buen curado.
- Aunque en los últimos tiempos se ha recurrido
sistemáticamente a nuevos productos que
representan importantes ventajas tecnológicas,
es necesario no olvidar técnicas clásicas que
igualmente presentan mejoras frente a la
puesta en obra del hormigón: sería el caso
representativo el calentamiento del agua o de
los áridos.
- Finalmente el hormigonado en tiempo frío no
sería posible sin un control exhaustivo del
proceso de endurecimiento y de la temperatura
del hormigón.
Esperamos que este artículo haya sido de interés y
haya aproximado al lector a un nuevo campo de
aplicación del hormigón.
Todo lo expuesto anteriormente no hubiera sido
posible sin el criterio y consejo de Lluís Agulló
Catedrático de la Escuela de Ingenieros de Caminos,
Canales y Puertos de Barcelona. También queremos
agradecer al Servei de Recerca de la Biblioteca
Rector Gabriel Ferraté (UPC, Campus Nord) la
documentación facilitada.
Referencias
[1]
A. M. Neville. Tecnología del concreto, tomo 2,
México 1988, pp. 39-61.
[2] J. Calavera Ruiz, P. Alaejos Guitiérrez, J. Fernández
Gómez, E. González Gómez Valle, F. Rodríguez
García. Ejecución y control de Estructuras de
Hormigón, Instituto Técnico de materiales y
construcciones, Madrid 2004, pp. 287 a 303.
[3] Comisión permanente del hormigón “artículos 72º y
89º”, Instrucción de Hormigón estructural, Madrid
2000, pp. 259 y 284-285.
[4] J. A. Ortiz Lozano. “Estudio experimental sobre la
influencia de la temperatura ambiental en la
resistencia del hormigón preparado”, Tesis doctoral,
Barcelona 2005, pp. 40-50.
[5] R. Day y N. Watson “Cold-weather concreting”, In
journal: Concrete, London 2002 v.36 nº 8, pp. 55-56.
[6] L. Hodgkinson. “Cold-weather”, In journal: Concrete
formes de la Construcción, London 1999 v.33 nº 7.
[7] Engineer Research and Development Center, US
Army Corps of engineers “Cold Weather
Concreting”, June 2003, www.erdc.usace.army.mil
[8] http://www.hormigonelaborado.com/manual-14.htm
[9] http://www.melon.cl
[10] http://www.crrel.usace.army.mil/concrete/
[11] http://www.construaprende.com
[12] http://www.arqhys.com
54
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
MEDIDAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE
HORMIGÓN A BAJAS TEMPERATURAS
EN PAÍSES EL NORTE DE EUROPA. RAZÓN DE SER
Anna Alvarez Moretó/Pedro Jiménez Pérez
UPC/Ingeniería de caminos
Departamento de construcción
669 94 16 78 / 647 331 635
Resumen: Los efectos nocivos provocados por las bajas
temperaturas sobre el hormigón básicamente son dos. Por
un lado el aumento de volumen (aprox. 9%) derivado de la
congelación del agua y las tensiones internas que genera y
por el otro, directamente relacionado, las bajas
temperaturas actúan como un retardador del fraguado. Por
ello es preciso adoptar previamente las precauciones
adecuadas. La temperatura del hormigón fresco, en el
momento de su colocación, se debe mantener tan próxima
como se pueda a los mínimos adecuados a las
temperaturas ambientales que se prevean. De todos los
componentes del hormigón, el mas afectado por los
efectos del frío es el agua y aunque la proporción de agua
en el hormigón no es elevada, su calor específico es más
de cuatro veces los del cemento y áridos. Si la temperatura
ambiente no es demasiado baja el sistema de calentar el
agua de amasado puede ser suficiente.
Según el “American Concrete Institute”
(ACI), se considera tiempo frío el periodo de
tiempo dentro del cual, durante mas de tres días
consecutivos, las temperaturas medias que se
presentan son inferiores a 5ºC. Si durante más de la
mitad de cada periodo de 24 horas tienen lugar
temperaturas del aire superiores a 10ºC, no se
considerara como tiempo frío.
En los países del Norte de Europa
predominan largos periodos de tiempo frío, entre los
meses de noviembre a marzo. Ello obliga a que la
construcción se tenga que adaptar a los problemas
derivados del frío. El hormigonado es una de las
actividades mas afectadas por las bajas temperaturas.
Palabras clave: hormigonado, frío, norte de Europa,
congelación, fraguado
1. Introducción
1.1. Introducción
Los períodos de tiempo frío tienen un
enorme impacto en la industria de la construcción y
la economía. Esto se refleja de varias maneras. El
tiempo frío puede causar retrasos y paradas en la
obra. Una obra de hormigón no realizada
correctamente por no haber sido protegida del frío
puede conllevar el tener que ser demolida y
reconstruida.
El propósito de este documento técnico es
describir cómo reacciona el hormigón ante
condiciones atmosféricas adversas y exponer las
medidas que se deben tomar en la fabricación,
transporte, colocación y curado del hormigón fresco
para reducir los efectos adversos que sobre el
hormigón puede producir el ambiente frío si no se
utilizan. Con estos sistemas se obtendrá un
hormigón con mejores características en su estado
final endurecido.
El ambiente frío puede provocar problemas
en el curado y en el endurecimiento en las primeras
edades del hormigón fresco, lo que puede afectar
negativamente a las propiedades del hormigón
endurecido y a su durabilidad durante su vida útil.
Fig. 1: Hormigonado a bajas temperaturas en el Norte de
Europa
1.2. Problemas del hormigonado en tiempo frío
Los problemas del hormigonado en tiempo
frío pueden tener repercusiones muy diferentes,
según si la temperatura es tan baja que implica la
congelación del agua del hormigón o no.
Si la temperatura es muy baja, el agua del
hormigón comienza a helarse aumentando de
volumen y rompiendo los débiles enlaces de la pasta
de cemento, de manera que el hormigón pierde todas
sus propiedades resistentes.
Si la temperatura no implica la congelación
del agua, las consecuencias son la ralentización de la
reacción, disminuyendo las resistencias a edades
tempranas aunque aumentando éstas a 28 días.
55
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Las propiedades del hormigón que fragua y
endurece en un ambiente frío pueden verse influidas
de manera desfavorable. El fraguado y
endurecimiento del hormigón es una reacción
química de hidratación de la pasta de cemento que es
exotérmica, es decir, desprender calor al producirse.
Como la mayoría de las reacciones químicas, su
velocidad depende de la temperatura de los
materiales que reaccionan, retrasándose el proceso al
disminuir la temperatura. Por ello, al retrasarse el
fraguado y el endurecimiento, el hormigón es
vulnerable a acciones externas durante más tiempo,
por lo que será preciso alargar los periodos de
curado y de inicio del desencofrado y del
descimbrado.
Además, el agua que contiene el hormigón
fresco o poco endurecido, necesaria para la
hidratación del cemento y que siempre existe en
exceso, puede helarse, aumentando de volumen
dentro de los poros de un hormigón poco resistente y
produciendo su rotura.
En consecuencia, es necesario adoptar las
medidas adecuadas para asegurar una correcta
velocidad de endurecimiento y que no se hiele el
agua del hormigón ya colocado ni tampoco durante
su transporte. En cambio, con bajas temperaturas del
hormigón fresco, al retrasarse la reacción química de
fraguado por hidratación y reducirse la evaporación
del agua de amasado, se disminuye la exigencia de
agua y se puede obtener una resistencia final mas
alta. Además, se mantiene la fluidez y se reduce la
velocidad con la que ésta se pierde, por lo que se
favorecen en algún modo las condiciones de puesta
en obra, aumentando el tiempo disponible para
manejo, acabado y curado (siempre que no haya
riesgo de formación de hielo) y disminuyendo el
riesgo de necesidad de juntas frías. También se
reduce el riesgo de fisuras por retracción plástica.
Los riesgos de daños por heladas van
disminuyendo
conforme
el
hormigón
va
endureciendo. Por un lado, al desprenderse calor del
hormigón al fraguar, se acelera la reacción y se
calienta el agua interna y, por otro, se van vaciando
los poros donde se halla el agua que se va
empleando en la hidratación del cemento, dejando
hueco para que se pueda dilatar al helarse. Además
el hormigón va incrementando su resistencia.
construcción, de las peores condiciones climáticas
esperadas y de los materiales empleados. Como la
improvisación rara vez tiene éxito, se debe
programar con anticipación todo el proceso antes de
iniciar el hormigonado.
Entre las medidas utilizadas para controlar
los efectos del tiempo frío en el hormigón se pueden
citar:
a) Utilización de mayor cantidad de cemento y
de baja relación de agua/cemento
b) Uso de cementos de mayor calor de
hidratación y mayor resistencia inicial y
final
c) Uso
de
aditivos
acelerantes
y
anticongelantes
d) Calentamiento de uno o varios de los
componentes del hormigón
e) Calentamiento
de
los
encofrados,
especialmente si se calienta el hormigón
f) Protección del hormigón frente a pérdidas
de calor mediante aislamiento
g) Calentamiento del aire ambiente que rodea
el hormigón
h) Suspensión del hormigonado hasta la
mejora del tiempo
2. Dosificación del hormigón
para tiempo frío
2.1. Efectos del tiempo frío en el hormigón fresco
Los factores más importantes que en
invierno pueden actuar sobre el hormigón en el
Norte de Europa, son: la helada, el viento, el frío, la
lluvia, la nieve y la humedad.
La helada es uno de los fenómenos que más
pueden afectar al hormigón durante su fraguado y
principio de endurecimiento. El agua pura y libre se
congela a 0ºC, con un aumento de volumen del 9%.
Esta agua llena los poros de un hormigón que aun no
tiene resistencia a tracción suficiente para soportar la
presión que produce la expansión de ésta al helarse
en los mismos, con lo cual, el hormigón se
disgregara y perderá toda su coherencia. Por
supuesto que, cuanto mas avanzado esté el proceso
de endurecimiento del hormigón, tanto mejor
resistirá la presión ejercida por el hielo y no sólo por
tener mayor resistencia a tracción sino, también, por
haber disipado la cantidad de agua disponible al
haberse combinado una buena parte de ella con los
componentes del cemento.
El viento refuerza la acción destructiva de
las bajas temperaturas, especialmente, si sobreviene
bruscamente. Su acción consiste en acelerar la
pérdida calorífica del hormigón y se manifiesta
principalmente en la superficie. La dirección del
viento y su velocidad condicionan la intensidad de
disipación calorífica.
1.3. Precauciones en tiempo frío
Como se ha dicho, los daños causados en
las propiedades del hormigón endurecido, por los
efectos de la congelación del agua de amasado por
hormigonar en tiempo frío, no se pueden remediar
después, por lo que es preciso adoptar previamente
las precauciones adecuadas para que no se
produzcan estos daños, llegando a un compromiso
entre economía, calidad y facilidad de hormigonado.
Las medidas a tomar dependen del tipo y medios de
56
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Conviene repetir que los hormigones
fabricados, colocados y curados con temperaturas
bajas (siempre que no exista congelación)
desarrollan normalmente sus resistencias con mayor
lentitud, pero suelen tener unas resistencias
superiores a los 28 días. Esto se produce por un
mejor curado. En efecto, las bajas temperaturas
ambientales suelen ir acompañadas de más altas
humedades relativas, lo que disminuye la
evaporación del agua del hormigón fresco,
manteniendo con holgura la disponible para la
correcta hidratación del cemento. Además, se
produce una lenta pérdida del agua del hormigón
superficial, inferior al posible aporte por difusión
desde el resto del hormigón, lo que reduce la
formación de fisuras superficiales por retracción
plástica. Por otro lado, la exposición al sol no suele
ser perjudicial, al ser reducida en duración y con
poca intensidad.
Las medidas a adoptar en el hormigón
fresco para evitar los efectos perjudiciales del
tiempo frío se pueden reducir a dos tipos, el
calentamiento de uno o varios de los componentes
del hormigón, que se tratará después en los
siguientes apartados, y el diseño de una mezcla
apropiada de hormigón en componentes y
dosificación, que se analiza a continuación.
Si las temperaturas no son excesivamente
frías, la humedad del aire puede cederse al hormigón
por condensación si éste está más seco que aquel,
favoreciendo de esta forma su curado, pero, si ocurre
lo contrario, el agua será cedida por el hormigón
produciéndose una desecación superficial que puede
ocasionar una fisuración importante debida a la
retracción plástica generada; por otra parte, la
humedad y sus variaciones producen cambios
volumétricos del hormigón que se traducen en
entumecimientos y contracciones según aumente o
disminuya esta. Las precipitaciones de nieve y lluvia
limitan la profundidad de penetración del frío.
La baja temperatura del hormigón fresco
retrasa la reacción química de fraguado y disminuye
la velocidad de hidratación y la exigencia de agua,
por lo que se aumenta la fluidez. Además, ésta
disminuye con el tiempo mas lentamente, por lo que
se favorecen en general las condiciones de puesta en
obra. Por ello es posible disminuir la cantidad de
agua de la mezcla y aumentar la resistencia y
durabilidad del hormigón, pudiendo también
disminuir las cantidades de plastificante o
superfluidificante, manteniendo las condiciones
previstas de trabajabilidad para la adecuada puesta
en obra.
2.2. Influencia de los materiales del hormigón
El cemento utilizado es el factor principal
en el proceso de fraguado. Las altas dosificaciones
de cemento desarrollan más calor de hidratación y
los cementos de alta resistencia, normalmente con
mayor finura de molido y también los de altas
resistencias
iniciales,
lo
desarrollan
más
rápidamente, por lo que su empleo en tiempo frío
puede ser conveniente. Se puede emplear algo más
de cemento del estrictamente necesario y es
conveniente usar cementos de fraguado rápido o de
mayor calor de hidratación, que reducen los efectos
térmicos antes descritos. Los mayores contenidos de
silicatos y aluminatos tricálcicos en los cementos
aumentan el calor de hidratación de los mismos.
No es conveniente sustituir parte del
cemento por otras adiciones activas como
microsílice, cenizas volantes, puzolanas o escoria de
alto horno, que pueden reducir la velocidad de
fraguado.
El contenido de agua se puede reducir para
aumentar la velocidad de hidratación del hormigón
fresco, lo que además conlleva un aumento de la
resistencia y de durabilidad del hormigón. Las
propiedades térmicas de los áridos influyen poco en
el comportamiento del hormigón en tiempo frío.
Además, son propiedades que no se suelen conocer y
no es fácil poder elegir la naturaleza de los áridos al
no disponerse de varias alternativas a precios
adecuados. Se puede actuar en la elección de
Fig. 2: Relación entre temperatura de curado, resistencia y
edad del hormigón
Como puede observarse en la figura 1, la
resistencia del hormigón curado a bajas temperaturas
es inferior a la de un hormigón curado
a
temperaturas mas elevadas, sin embargo aumenta
con el paso del tiempo, y a los 28 días, ha
desarrollado una resistencia aceptable aunque no tan
elevada como la que adquiere un hormigón curado a
temperaturas mas elevadas.
57
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
granulometrías y formas que requieran menos
demanda de agua, facilitando la obtención de una
apropiada fluidez al hormigón fresco, con una menor
relación agua/cemento y por lo tanto aumentando su
velocidad de hidratación.
El uso de aditivos anticongelantes
adecuados puede proporcionar una mayor resistencia
al congelamiento del agua de amasado, pero no
deben ser susceptibles de atacar las armaduras, por
lo que se debe tener cuidado en caso de que estén
basados en el ión cloro, y limitar su porcentaje, de
manera que se asegure que no se dañan las
armaduras. También el uso de aditivos acelerantes y
aireantes favorecen la elevación de temperatura en el
hormigón.
adecuadas, a fin de mantener las temperaturas por
encima de los mínimos permisibles para impedir que
el hormigón se hiele.
Los acelerantes de fraguado y las adiciones
de CaCl2 aumentan la evolución térmica de los
cementos Pórtland normales y su velocidad de
endurecimiento. El CaCl2 es muy adecuado para
temperaturas frías, pero se ha de tener cuidado de
que su porcentaje, sobre peso de cemento, no
sobrepase el 2% y, sobretodo, no emplearlo bajo
ningún concepto con armaduras pretensadas. La
adición de CaCl2 no exime que se proteja al
hormigón.
Para diseñar hormigones resistentes a la
acción de las bajas temperaturas hay que conocer
cuales van a ser las magnitudes de estas, su
duración, acción del viento, etc. Fundamentalmente,
en estos hormigones va a tener una gran influencia
no solo el tipo de cemento empleado y el uso o no de
acelerantes, sino también las medidas que se tomen
en el amasado y protección de los mismos.
2.3. Ensayos previos
Los materiales utilizados y su dosificación
son por lo tanto importantes para el hormigonado en
tiempo frío. Es pues conveniente realizar ensayos
previos con la dosificación que se tiene previsto
realizar, si no se tiene suficiente experiencia de su
uso bajo las temperaturas que se van a presentar.
Hay que verificar la fluidez si se ha reducido la
relación agua/cemento y además su variación con el
tiempo para distancias largas de transporte. También
hay que estudiar el desarrollo de temperaturas
durante el endurecimiento. Estos ensayos no son a
veces suficientemente representativos si se realizan
en laboratorio, por lo que es preciso hacer amasadas
y pruebas en situaciones similares a las de obra.
3. Producción y transporte del hormigón
3.1. Consideraciones generales
Es importante que los sistemas de
producción y transporte sean capaces de suministrar
el hormigón requerido al ritmo previsto, ya que el
tiempo transcurrido puede reducir la trabajabilidad,
si se demora la colocación, en el caso de utilización
de relaciones agua/cemento muy bajas o si se
utilizan acelerantes (salvo que se añadan en obra).
Las demoras debidas a averías en los sistemas
pueden obligar a prolongar el hormigonado hasta
últimas horas de la tarde o ya de la noche, con
ambiente aun más frío, o retrasar la instalación de
los sistemas de protección durante el curado por
aislamiento o calentamiento. También se puede
producir un enfriamiento del hormigón, reduciendo
o anulando las medidas de calentamiento durante la
producción del hormigón. Por lo tanto, es muy
importante
estar
seguros
del
correcto
funcionamiento de todos los equipos, en especial si
hay sistemas de calentamiento no habituales en las
obras y, por ello, más difíciles de reparar.
2.4. Precauciones a tomar en el proyecto del
hormigón
A la hora de redactar el proyecto, se debe
especificar que a menos que se tome alguna
precaución en forma de calefacción y protección del
hormigón, es conveniente suspender el hormigonado
cuando la temperatura alcance +4ºC a las nueve de
la mañana del día que se hormigona, ya que es
probable que se alcancen los 0ºC dentro de las 48
horas siguientes. Con ciertas precauciones puede
continuarse hormigonando aun con temperaturas
muy por debajo de 0ºC teniendo en cuenta que el
grado de precaución durante el tiempo frío debe ser
proporcional al descenso de la temperatura
ambiente.
En proyectos de obras realizadas en lugares
donde es habitual encontrarse bajas temperaturas a la
hora de realizar la obra, se recomendara tomar una
serie de precauciones. Una de las precauciones a
tomar consiste en el empleo de cementos de alto
calor de hidratación que tienen la ventaja de poder
emplearse con temperaturas muy por debajo de 0ºC.
Otras precauciones consisten en emplear
aditivos acelerantes, calentar los componentes del
hormigón y prever medidas de protección
3.2. Control de la temperatura del hormigón
Se ha tratado anteriormente del efecto de la
temperatura del hormigón fresco en su proceso de
fraguado. Deberá evitarse preparar el hormigón con
una temperatura excesivamente baja ya que esto trae
como consecuencia el peligro de congelación del
agua de amasado.
En tiempo frío, una de las medidas posibles
para evitar el riesgo de congelación es la colocación
de un hormigón más caliente.
58
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
La protección contra la helada no aumenta
proporcionalmente a la temperatura del hormigón,
ya que las pérdidas de calor son tanto mayores
cuanto más elevada sea la diferencia térmica. Por
otra parte, mayores temperaturas exigen mayores
cantidades de agua de amasado, producen
variaciones de la consistencia y, a veces, un
fraguado rápido. Las rápidas pérdidas de humedad
de las superficies calientes del hormigón pueden ser
causa de la aparición de fisuras. Por tanto, la
temperatura del hormigón fresco, en el momento de
su colocación, se debe mantener tan próxima como
se pueda a los mínimos adecuados a las temperaturas
ambientales que se prevean.
Para aumentar la temperatura del hormigón
se pueden calentar uno o varios de sus componentes
(no se utiliza el calentar el hormigón fresco durante
su fabricación o el ya fabricado). En cada caso habrá
que estudiar las medidas a adoptar, valorando la
posibilidad y facilidad de cada una y el
cumplimiento de los requisitos que el hormigón final
debe cumplir.
En primer lugar se deben mantener los
materiales tan protegidos como se pueda de la
temperatura ambiente y en especial del viento y de la
escarcha, mediante la protección o ensilado de los
áridos. También se puede llegar a tener que aislar
térmicamente los silos y las tuberías o conducciones
de los materiales a la amasadora.
Es posible por otro lado calentar los
materiales del hormigón. Lo más fácil es calentar el
agua mediante un sistema de resistencias o con
vapor de agua en un depósito previo a la amasadora.
Aunque la cantidad de agua en el hormigón no es
elevada, su calor específico es mucho mayor que el
correspondiente a cemento y áridos. Si la
temperatura ambiente no es demasiado baja este
sistema puede ser suficiente.
La temperatura de los aditivos no influye
prácticamente en la del hormigón por su pequeña
cuantía. El calentamiento de los demás materiales
debe hacerse con un sistema especial, ya que son
materiales sólidos con baja transmisión de calor.
Cuando se calientan los áridos su temperatura en
cualquier punto no debe superar los 100º C y su
media debe ser inferior a los 65º C.
El cemento puede tener una ventaja
adicional, ya que llega generalmente caliente a la
planta al no haberse enfriado suficientemente en a
fábrica después de su calcinación y molienda. Por
ello puede ser ventajoso aislar el silo de la planta o
dejarlo en un silo aislado previo, para evitar que se
enfríe antes de pasarlo al silo de la planta.
palas y el reducido tiempo de permanencia en ella
evitan la congelación del agua de amasado de su
interior. La protección de la amasadora mediante
aislamiento no es necesaria. Si se utiliza una relación
agua/cemento muy baja, hay que controlar con más
cuidado la fluidez de la salida de la amasadora, para
asegurar que el hormigón llegará a la obra en las
condiciones requeridas para su puesta en obra. En la
tabla I pueden consultarse las temperaturas mínimas
recomendadas en el hormigón a la salida de la
amasadora en función de la temperatura del aire y
del espesor mínimo de la pieza a hormigonar.
Temperatura
del aire
> -1ºC
-1ºC a –
18ºC
<-18ºC
Dimensión mínima de la sección en
mm
<300
300900>1.800
900
1.800
16ºC
13ºC
10ºC
7ºC
18ºC
16ºC
13ºC
10ºC
21ºC
18ºC
16ºC
13ºC
Tabla I. Temperaturas mínimas recomendadas en el
hormigón a la salida de la amasadora.
3.4. Transporte
El transporte debe ser más cuidado, para
evitar interrupciones y retrasos en la puesta en obra.
El calor que se produce en la cuba, si es amasadora,
por rozamiento del hormigón con paredes y palas,
evita la congelación del agua del amasado en su
interior, siempre que el tiempo de permanencia en
ella no sea muy elevado y que las temperaturas
ambientales no sean excesivamente frías. En caso
contrario habría que adoptar medidas especiales de
aislamiento de las cubas. El suministro debe estar
sincronizado con la puesta en obra, para evitar
esperar tanto del hormigón ya colocado y
desprotegido como de los pendientes de su descarga.
La pérdida de calor en el transporte en
camión hormigonera puede evaluarse según
T = 0.25 (th-ta)
(1)
Donde:
T es la pérdida de temperatura en ºC por cada hora
durante el amasado
th temperatura deseada en el hormigón
ta temperatura ambiente
En el caso de transporte por cinta se debería
proteger el hormigón del enfriamiento por el viento
si la longitud es muy larga, y del desecado si se
emplea una relación agua/cemento muy baja. En
caso de tubería muy larga pude ser recomendable su
aislamiento.
3.3. Amasado
El amasado no difiere del realizado en
tiempo normal. El calor que se produce en la
amasadora por rozamiento del hormigón con cuba y
59
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El equipo para la colocación del hormigón
tiene que tener la capacidad adecuada para que la
colocación no sufra retrasos y que sea posible
consolidar el hormigón tan pronto como haya sido
colocado, para no demorar su protección durante el
curado. Todos los equipos estarán en condiciones
óptimas de trabajo. Hay que prever un número
suficiente de vibradores adecuados. Deben preverse
los equipos de repuesto necesarios para no
interrumpir la colocación por causa de una avería, ya
que en tiempo muy frío las averías suelen se más
frecuentes. Los preparativos para la colocación
deben incluir la exacta realización y preparación de
las juntas de construcción.
Los encofrados deben ser lo más estancos
posibles, para evitar las pérdidas de lechada. Los
encofrados de madera son preferibles, ya que son
peores conductores de calor y evacuan más
lentamente el generado por el cemento al hidratarse.
4. Colocación y curado
4.1. Requisitos generales
Los requisitos generales de colocación y
curado del hormigón en tiempo frío no difieren de
los usuales en condiciones normales como son:
a)
Transporte con un mínimo de segregación y
pérdida de fluidez
b) Colocación en el sitio donde deba quedarse.
c) Colocación en capas con intervalos que
permitan la unión entre ellas.
d) Juntas hechas en hormigón sano y limpio.
e) Curado cuidadoso para que no falte
humedad de hidratación.
Además, en tiempo frío hay que proteger de
la congelación el hormigón fresco colocado hasta
que alcance un endurecimiento suficiente. A medida
que endurece el hormigón el agua se va utilizando en
el proceso de hidratación del cemento y se reduce la
cantidad de agua que se puede helar y dañar al
hormigón; éste va incrementando progresivamente
su resistencia.
La temperatura mínima del hormigón
recomendada durante su colocación se recoge en la
tabla II.
Dimensión mínima de la sección en mm
<300
300-900
900-1.800
>1.800
13ºC
10ºC
7ºC
5ºC
Tabla II. Temperaturas mínimas recomendadas en el
hormigón durante su colocación.
4.2. Preparativos para la puesta en obra y curado
Con antelación suficiente se deben prever
todas las operaciones para reducir los efectos
adversos del tiempo frío y no tener que improvisar.
Se debe tener conciencia en la obra de los daños que
el tiempo frío puede causar al hormigón. Es
conveniente tener datos climáticos registrados,
temperaturas, insolación y vientos, para poder
estimar las condiciones a que va estar sometido el
hormigón y adoptar las medidas oportunas, tanto
sobre el hormigón fresco, como se ha descrito en
apartados anteriores, como sobre el sistema de
colocación en obra, que se describe a continuación.
Se debe prever que el transporte, colocación
y consolidación del hormigón se realicen a un ritmo
rápido sin interrupciones largas. El suministro de
hormigón a obra debe estar programado de tal
manera que su colocación se realice sin demoras tan
pronto como se reciba. En especial, la obra debe
estar dispuesta antes de la llegada de las primeras
entregas.
Fig. 3: Encofrado de madera, apropiado en tiempo frío ya
que es peor conductor térmico
Hay que proteger las estructuras del viento
excesivo y aislar adicionalmente en caso de bruscos
cambios en la temperatura ambiente.
60
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Para eliminar toda la nieve y el hielo de los moldes y
de las armaduras antes de proceder al hormigonado
puede dar muy buenos resultados la aplicación de
vapor o de aire caliente mediante cañones
calefactores. El hormigón nunca se echara sobre un
terreno helado o en moldes con armaduras cuya
temperatura sea inferior a 0ºC.
Fig. 4: Recinto aislado y protegido del viento
Los preparativos para la colocación del
hormigón en tiempo frío deben incluir también las
previsiones de protección y curado necesarios, que
se deben aplicar tan pronto como finalice el acabado,
para evitar una rápida disminución de la temperatura
en las superficies desprotegidas.
Se pueden utilizar también recintos
calentados. Estos deben ser fuertes, a prueba de
viento, e impermeabilizados. Si no, no se pueden
mantener las temperaturas apropiadas en las
esquinas, bordes, y en secciones. El hormigón fresco
expulsa gas dióxido de carbono a la atmósfera,
debido al uso de calefacción. Esto puede dar lugar a
la carbonatación superficial.
El agua puede ser perjudicial para el curado
de las superficies por el riesgo de que se hiele. En
muchas obras puede ser más práctico la rápida
aplicación de productos de curado o el extendido de
láminas de materiales plásticos. Una protección
adicional contra el viento puede ser muy
conveniente y se debe prever. Al endurecer el
hormigón más lentamente en tiempo frío, las
operaciones que se deben realizar con el hormigón
todavía fresco o poco endurecido, como el corte y
preparación de juntas o la aplicación de retardadores
superficiales, es menos crítica, por lo que estas
operaciones deben estar previstas y planificadas pero
sin que sea necesario un cuidado especial por
realizarse en tiempo frío.
Antes de la colocación del hormigón, todo
el hielo y toda la nieve tienen que eliminarse de las
superficies que van a estar en contacto con el
hormigón. La temperatura de las superficies que van
a estar en contacto con el hormigón debe ser tan
próximo como se pueda a la del hormigón. Ningún
hormigón se debe colocar sobre un lecho helado o
que contenga materiales helados. Cuando sea preciso
colocar el hormigón sobre un lecho que esté
permanentemente helado, la superficie exterior del
lecho tendrá que ser deshelada hasta la profundidad
suficiente para asegurar que no se helará el
hormigón durante el período de protección previsto;
o bien; el lecho deberá ser cubierto con un material
granular seco de altura suficiente.
Fig. 5: Cañón calefactor de aire caliente para eliminar
hielo y nieve
4.3. Puesta en obra
En general se suspenderá el Hormigonado o
se adoptarán medidas especiales si se prevé que la
temperatura pueda descender por debajo de 0ºC
dentro de las 48 h siguientes. Como la temperatura
del hormigón durante el fraguado depende del tipo
de cemento y de los espesores de las partes o piezas
a hormigonar, estas medidas se tomarán en general
si a las nueve de la mañana (hora solar) se registran
temperaturas inferiores a las siguientes según los
tipos de obras:
Para estructuras de hormigón con cemento Pórtland:
-
4ºC para estructuras ordinarias sin más
condiciones.
1ºC para estructuras de elementos de gran
masa o con protección aislante.
Para estructuras de hormigón
siderúrgico o puzolánico:
-
61
con
cemento
9ºC para estructuras ordinarias sin más
condiciones.
6ºC para estructuras de elementos de gran
masa o con protección aislante.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Es necesario asegurarse de que el hormigón
no se coloque en los encofrados a un ritmo superior
al que permite su correcta compactación y acabado
final. En la puesta en obra del hormigón en forjados
y elementos superficiales es necesario realizar la
colocación en frentes reducidos.
Dimensión mínima de la sección en mm
<300
300-900
900-1.800
>1.800
28ºC
22ºC
17ºC
11ºC
Tabla III: Máximos descensos de temperatura en la
superficie del hormigón en las primeras 24 horas
posteriores a la retirada de encofrados y otras protecciones
4.4. Curado
En general, durante el fraguado y
endurecimiento del hormigón la temperatura de
superficie no deberá bajar de -1ºC en obras con
cemento Pórtland y de 5ºC en obras con cemento
siderúrgico o puzolánico. Hay que mantener las
condiciones de curado, que protegerán el normal
desarrollo de la resistencia, sin un excesivo
calentamiento ni una saturación crítica del hormigón
al final del período de protección.
El grado de saturación del hormigón fresco
se va reduciendo a medida que endurece el
hormigón y el agua se utiliza en el proceso de
hidratación. El tiempo en que el grado de saturación
alcanza el nivel en que no se suelen producir daños
por la helada se corresponden más o menos con el
tiempo en que el hormigón alcanza una resistencia a
la compresión de 3,5 MPa. Para temperaturas de
10ºC la mayoría de los hormigones bien dosificados
alcanzan esta resistencia durante el segundo día.
Es preciso limitar los cambios rápidos de
temperatura, sobre todo antes de que la resistencia se
haya desarrollado lo suficiente como para soportar
las tensiones térmicas. Una helada repentina de la
superficie del hormigón puede dar lugar a una
figuración en detrimento de la resistencia y de la
durabilidad. Acabado el período de protección,
deben ponerse los medios necesarios para que la
disminución de la temperatura en cualquier porción
de hormigón sea gradual y no brusca.
Hay que obtener la protección adecuada a la
finalidad de la estructura. Una resistencia
satisfactoria a los 28 días no será suficiente si la
estructura muestra esquinas deterioradas por la
helada, fisuración por un calentamiento excesivo o
superficies deshidratadas como consecuencia de una
protección y curado inadecuado. Por idénticas
razones, una resistencia temprana y una buena
apariencia estructural, conseguida a base de un
exceso de acelerantes, no serán suficientes si el
hormigón se fisura años más tarde o se corroen las
armaduras. La economía en la construcción no se
debe conseguir a costa de sacrificar la durabilidad.
Después de las operaciones de colocación y
acabado, hay que proteger el hormigón tan pronto
como sea posible de las pérdidas de calor por las
superficies que no están protegidas por los
encofrados, en especial las esquinas que poseen una
mayor relación superficie/volumen.
Fig. 6: Proceso de protección del hormigonado
Este trabajador esta tapando el hormigón
fresco con una manta de aislamiento impermeable.
El calor producido por la reacción química de
hidratación en el fraguado del hormigón se retiene
en el hormigón gracias al uso de esta manta.
Fig. 7: Mantas para el hormigonado en tiempo frío
Antes de eliminar las protecciones, debe
existir un período de enfriamiento gradual del
hormigón para adecuarlo a las condiciones
ambientales, de forma que en las primeras 24 horas
posteriores a su retirada el descenso de la
temperatura en la superficie del hormigón no supere
los valores indicados en la tabla III.
62
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
DURACION DE LA PROTECCION DEL
HORMIGON EN TIEMPO FRIO
Clase de
Protección recomendada en días, para
servicio
la temperatura indicada en la tabla 2
Protección
Asegurar
contra la helada
resistencias
Cem Cement
Cement
Cement
ento
o tipo
o tipo I
o tipo
tipo
III,
o II
III,
I o II acelerant
acelerant
(AS
es o 60
es o 60
TM)
Kg/m3
Kg/m3
de
de
superce
mento
1. Sin
2
1
2
1
carga,
expuesto a
las
condicion
es (a)
2. Sin
3
2
3
2
carga,
expuesto a
las
condicion
es (b)
3.
3
2
6
4
Parcialme
nte
cargado,
expuesto a
las
condicion
es (c)
4.
3
2
De acuerdo con el
Cargado
grado de madurez
Debido a los problemas de riesgo de
congelación del agua de amasado que se presentan
en tiempo frío, hay que tener mayor cuidado en la
toma de muestras y en la conservación en obra de las
probetas antes de su envío al laboratorio. Las
muestras se deben tomar de partes que sean
representativas del hormigón que se está colocando
y lo más cerca posible del vertido del hormigón.
Se debe evitar el transportar el hormigón en
recipientes sin proteger para confeccionar las
probetas en un laboratorio de obra. Las probetas son
pequeñas y los efectos del tiempo frío son más
dañinos sobre ellas. Hay que protegerlas
debidamente del frío, del viento y de la desecación,
manteniéndolas cubiertas y convenientemente
aisladas. También hay que protegerlas durante el
transporte al laboratorio de ensayo, para que las
probetas
jóvenes
no
sufran
temperaturas
excesivamente bajas.
En tiempo frío puede ser conveniente
realizar ensayos sobre el principio y el fin del
fraguado y mediciones de la temperatura del
hormigón, especialmente en las superficies menos
protegidas. También es conveniente registrar las
condiciones ambientales de la puesta en obra.
La inspección de todo el proceso de
hormigonado debe ser más cuidadosa, para evitar
que algún elemento no esté correctamente dispuesto
y se produzcan daños al hormigón.
En caso de haberse producido la
congelación del hormigón, se rechazarán las zonas
afectadas picando el hormigón dañado hasta llegar al
hormigón sano. Posteriormente, dependiendo del
volumen afectado, se realizará el relleno cuidando la
unión de hormigón fresco con endurecido.
Tabla IV: Duración de la protección del hormigón
en tiempo frío
6. Conclusiones
Condición (a): Incluye a los hormigones de
cimentaciones y subestructuras que no están sujetas
a cargas tempranas y que, debido a la protección del
terreno, al estar enterradas, no van a sufrir las
acciones de las heladas. Están sometidos a un curado
natural.
Condición (b): Incluye a los hormigones empleados
en presas y grandes masas que poseen superficies
expuestas al ambiente y helada pero cuyo núcleo
esta sometido a un auto curado. A fin de dar un
curado inicial a las superficies y a las esquinas, que
son las partes más delicadas, se respetaran los
tiempos recomendados.
Condición (c): Incluye a las estructuras expuestas a
la intemperie que pueden ser cargadas antes de que
las condiciones de curado natural hayan
subministrado las resistencias suficientes al
hormigón.
La acción del frío, bien sea natural o
artificial, sobre un hormigón en estado de fraguado o
principio de endurecimiento, retarda o incluso, anula
el endurecimiento al disminuir la velocidad de
hidratación de los componentes activos del cemento,
o bien, destruye las resistencias mecánicas del
hormigón si el frío es tan intenso como para que se
hiele el agua del hormigonado.
Si el hormigón se hiela inmediatamente
después de su colocación en estado aun fresco, no
fraguara al no existir agua por haberse convertido en
hielo, es decir, el proceso de fraguado se habrá
interrumpido. Si después de haber deshelado, el
hormigón se vibra nuevamente, fraguará y
endurecerá de forma totalmente normal.
En conclusión se puede decir que en los
lugares donde es habitual el hormigonado en tiempo
frío, como es el Norte de Europa, se toman
5. Control de calidad
63
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
habitualmente las medidas siguientes para minimizar
los efectos del tiempo frío: se utiliza más cantidad de
cemento y la relación de agua/cemento es inferior a
lugares con climas más calidos. Además, se utilizan
cementos de mayor calor de hidratación y mayor
resistencia inicial y final. Por otra parte, es habitual
el uso de aditivos acelerantes y anticongelantes o el
calentamiento de uno o varios de los componentes
del hormigón o de los encofrados, especialmente si
se calienta el hormigón. Se protege también el
hormigón frente a pérdidas de calor mediante
aislamiento (mantas térmicas impermeables) o se
calienta el aire ambiente que rodea el hormigón
mediante cañones de aire caliente. En última
instancia, en caso de que ninguna de estas medidas
resulte suficiente, se procede a la suspensión del
hormigonado hasta la mejora del tiempo
Agradecimientos
A Ruth Gallardo, Jefa de Obra de la
Conservación del Túnel de Vielha, experta en
hormigonado a bajas temperaturas.
Referencias
[1] ACI Committee 306R, “Cold Weather
Concreting,(ACI 306R-99),” American Concrete
Institute, Farmington Hills, Mich., 1999
[2] Manuel Fernandez Canovas, “Hormigón”,
Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales
y Puertos, 1989, pp. 298-309
64
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
LAS BARRERAS DE SEGURIDAD TIPO NEW JERSEY
Aspectos de proyecto, materiales y construcción
Francesc Brufau Vall
MaRosa Oliveras Brunsó
Universitat Politècnica de Catalunya / ETSECCPB
Resumen: Ya desde su aparición las barreras de seguridad
tipo New Jersey han ido evolucionando adaptándose a las
necesidades de cada momento hasta convertirse
actualmente en un elemento básico e indispensable en las
carreteras de todo el país. Su papel cada vez más relevante
ha provocado la necesidad de normativas de utilización y
fabricación para asegurar de manera fehaciente que
cumplan con los requisitos de seguridad y durabilidad para
los que fueron creadas. No sólo han representado una
mayor seguridad en toda la red viaria sino que además se
están reivindicando como elementos válidos para la
integración de distintos servicios requeridos en la trama
vial.
altura a 24 pulgadas (60,96 centímetros) y
posteriormente a 32 pulgadas (81,28 centímetros) en
1959. Y su altura de talud se redujo de 25,4
centímetros a 17,8. Este nuevo perfil se pasó a
denominar perfil F, que es el más utilizado
actualmente como elemento de seguridad en los
proyectos de vías de circulación en todo el mundo.
2. Descripción
La forma de las barreras de seguridad fue pensada
explícitamente para resistir los impactos de los
vehículos que salen de la carretera evitando daños
importantes. Se diferencian tres segmentos: un
segmento inferior vertical, otro intermedio inclinado
a 55º y otro superior inclinado a 88º con el eje
vertical.
Las barreras tras recibir el impacto de un vehículo
funcionan primero como un muro inclinado a 55º y
después funcionan como un muro liso vertical.
El segmento inferior, de altura 75 milímetros
aproximadamente, está diseñado con un corte vertical
por un requerimiento práctico del diseño general de
estructuras de hormigón. En efecto, el ángulo de 55º
podría iniciarse desde el pavimento mismo, pero esto
generaría una zona débil en la estructura de
hormigón, lo cual es subsanado por el plano vertical
de 75 milímetros. Esta altura se determinó en base a
numerosas pruebas, obteniéndose que éste era el valor
máximo que evitaba un efecto negativo ante un
impacto de un vehículo pequeño.
Si este elemento del diseño es ampliado por cualquier
razón, se generan dos problemas importantes.
Primero, se eleva el punto de transición entre el plano
de 55° y 84°, aumentando la posibilidad de volcar
vehículos pequeños. Segundo, algunos vehículos no
podrían pasar por encima de este segmento, anulando
la efectividad de la barrera. Si la dimensión del
segmento inferior es disminuida, no se afecta el
funcionamiento de la barrera.
La función del segmento intermedio inclinado a 55º
es desviar la trayectoria del vehículo verticalmente, lo
que se consigue con el impulso inferior a la rueda que
impacta. Para la mayoría de los casos, este segmento
provoca que el primer impacto del vehículo contra la
barrera sea en las ruedas y no directamente en su
carrocería. Para impactos a baja velocidad el vehículo
podrá retomar su pista de circulación con daños
menores o, en muchos casos, sin daños.
Palabras clave: barreras, seguridad, hormigón, in situ,
prefabricado, perfil F.
1. Introducción
Las barreras New Jersey fueron diseñadas en 1949
por General Motors y la administración del estado de
Nueva Jersey basándose en un gran número de
pruebas de impacto.
Esta primera generación de barreras nació con dos
objetivos principales, en primer lugar reducir el
número de vehículos pesados que su trayectoria se
salía de la calzada y en segundo lugar reducir el coste
y mantenimiento de los elementos de seguridad en los
puntos más conflictivos de la red viaria.
Estas barreras pueden ser simples o dobles
dependiendo de su ubicación lateral o central en la
carretera.
Las medianas (barreras dobles) se constituyen en una
situación de riesgo natural ya que en ellas se
presentan dos condiciones de riesgo permanente. La
primera está relacionada con la alta probabilidad de
que un vehículo que abandona su pista de circulación,
por su costado izquierdo, impacte frontalmente a otro
que circula en sentido contrario. De este tipo de
accidentes se esperan normalmente consecuencias
muy graves y un alto número de vehículos
involucrados.
La otra situación de riesgo característico en la
mediana son los vehículos que viran en U,
utilizándola como zona de estacionamiento o como
zona de parada intermedia en el viraje a la izquierda.
La primera barrera fue instalada en 1955 en Jersey y
contaba con una altura de 18 pulgadas (45,72
centímetros). Se observó que las medidas de la
estructura no respondían de forma eficiente a los
impactos de los vehículos por lo que se aumentó su
65
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Las pruebas de impacto real han demostrado la
conveniencia de levantar de manera moderada el
vehículo durante el impacto, ya que esto contribuye a
eliminar el contacto entre los neumáticos y el
pavimento, facilitando el redireccionamiento
horizontal del vehículo.
Por último, el segmento superior tiene la función de
evitar que el vehículo sobrepase la barrera y es el
último elemento responsable del redireccionamiento
horizontal de la trayectoria del vehículo. La mayor
parte de la energía disipada por el roce entre el
vehículo y la barrera también se produce en este
tramo. El pequeño ángulo que mantiene con el eje
vertical se relaciona con la conveniencia de mantener
el centro de gravedad de la barrera a una baja altura y,
adicionalmente, contribuye a disminuir la severidad
del impacto horizontal.
Una vez expuestas las funcionalidades de cada
segmento, se han observado una serie de relaciones
en las dimensiones de los elementos, por ejemplo: la
altura entre la superficie del pavimento adyacente a la
barrera y el quiebre entre los planos de 84º y 55°
nunca debe superar los 330 milímetros (perfil New
Jersey) y es aconsejable que no fuera menor de 180
milímetros.
La altura máxima del segmento inferior nunca debe
superar los 75 milímetros. No hay límite inferior.
La altura total de la barrera se recomienda en 810
milímetros, sin límite superior. Nunca debe ser
inferior a 740 milímetros.
El perfil New Jersey y el perfil F han sido los
sistemas de barreras más probados en los últimos
años. En la mayoría de los casos, el elemento de
prueba ha sido una sección típica del perfil, con lo
que se asume un comportamiento absolutamente
rígido del elemento de contención.
Las pruebas se han realizado con todo tipo de
vehículos, demostrando un comportamiento adecuado
en el rango de 820 a 2000 kilogramos.
Ocasionalmente, ha demostrado también un
comportamiento adecuado en la contención de
autobuses, con un peso aproximado de 8000
kilogramos y en impactos moderados. El perfil
utilizado en estos casos tiene una altura de 810
milímetros.
Un perfil New Jersey con una altura de 1070
milímetros ha contenido de manera razonable un
camión con acoplado, con un peso de 36300
kilogramos, impactando a 15º y a una velocidad de 84
kilómetros/hora.
El comportamiento de este tipo de barreras no se
considera regular cuando son colisionadas en forma
moderada por vehículos pesados, mostrando un
desempeño aleatorio en cuanto a la estabilidad y
redireccionamiento, teniendo en la mayoría de los
casos como consecuencia el volcamiento del móvil.
Se han realizado pruebas con perfiles de mayor altura
para contener de manera estable vehículos con
centros de gravedad más altos, sin embargo, éstas no
han sido concluyentes en cuanto a la conveniencia de
su utilización. Es decir, se reconoce que funcionan,
pero no está claro si tienen una buena relación
coste/beneficio.
Por último, se debe mencionar que estos sistemas son
usados más comúnmente como barrera central, sin
embargo, también es adecuado en ubicaciones
laterales. En este caso, se puede omitir la
construcción del perfil simétrico en la parte posterior,
pero se debe asegurar la estabilidad estructural de la
barrera o proveer los anclajes adecuados entre
elementos y/o el suelo.
Para facilitar el drenaje de las aguas superficiales de
la calzada en muchos casos llevan a lo largo de su
base una ranura interna de 5,1 centímetros de altura y
10,2 centímetros de ancho aproximadamente y dos
aberturas laterales de la misma altura y mediana
longitud.
Existen, finalmente, unos elementos finales para los
tramos en los que se colocan estas barreras que
consiguen un mejor acabado.
A continuación se presentan un ejemplo comercial de
barreras de seguridad ya que las dimensiones no están
estandarizadas.
En el gráfico siguiente se recoge un ejemplo de la
barrera doble de hormigón de perfil J (tipo 1), de
perfil F (tipo 2) y una de simple (tipo 3).
Fig. 1: Esquema de las barreras según el fabricante
Vanguard
Las medidas se adjuntan en la siguiente tabla:
Tipo de perfil
Ancho superior
Ancho intermedio
Ancho inferior
Altura superior
Altura de talud
Altura recta
Altura total
Perfil
doble
J
17
25
59
47
25
10
82
Perfil
doble F
Perfil
simple F
20
32
57
54
18
8
80
17
20
46
54
18
8
80
Tabla I: Medidas de las barreras según el fabricante
Vanguard
Estas barreras al ser prefabricadas tienen una longitud
predeterminada; en este caso, el perfil tipo 1 tiene una
longitud de 622 centímetros y el tipo 2 de 200
66
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
centímetros. Estas piezas están unidas entre sí por
unas rótulas metálicas que permiten la rotación de las
piezas.
Ante un impacto, la barrera se deforma, pero los
bloques se mantienen unidos por efecto de la rótula.
Para acabar con este ejemplo comercial y a modo de
orientación indicar que un elemento del tipo 1 tendrá
un peso de 3680 kilos y el de tipo 2 de 1140 kilos.
un máximo de 33 centímetros, medidos de la
superficie de rodado adyacente, y, a esa elevación, se
convierte en un muro liso, casi vertical, a un ángulo
de 84°. En el caso de la forma F, la transición de
muro inclinado a muro vertical ocurre a una elevación
de 25,5 centímetros.
Esta reducción del segmento intermedio fue debida al
cambio de comportamiento que los coches
experimentaban al colisionar con estos elementos.
La altura donde se intersectan los dos planos, uno a
55° y el segundo a 84°, es crítica para el buen
funcionamiento de estos perfiles. La diferencia de 7,5
centímetros de elevación entre el perfil New Jersey
(tipo J) y el perfil F es importante, ya que en los años
70 y 80 se notó un aumento significativo del parque
de vehículos pequeños, los cuales tendían a volcarse
al impactar con el perfil New Jersey. Un estudio
definió, basado en ensayos a escala real, la elevación
ideal para la intersección de los dos planos. Se
encontró que bajándolo de 33 a 25,5 centímetros, se
limitaba el fenómeno del volcamiento de vehículos
pequeños.
Los perfiles X están hormigonados con molde y
pueden estar construído “in situ” o pueden ser
prefabricados.
Las dimensiones de estos perfiles no están
estandarizadas aunque todos los fabricantes tienen
comercializadas barreras de dimensiones parecidas.
3. Clasificación
Las barreras de seguridad de hormigón se clasifican
en primer lugar en simples (BHS) y dobles (BHD).
Dentro de esta clasificación se subdividen según su
fabricación, “in situ” y prefabricada. Y en último
lugar se diferencian según su sección, con una letra
que expresa el tipo de perfil: J para New Jersey; F
para perfil F, y T para perfil "Tric-Bloc".
A continuación se adjunta un cuadro resumen de
todos los tipos de barreras de hormigón existentes en
el mercado:
E
J
Perfil
J
In situ
E
F
Perfil
F
J
Perfil
J
4. Utilización
Las barreras de seguridad dobles se utilizan en
medianas estrechas (anchura inferior a 3 metros), se
utilizan también cuando la distancia mínima al borde
de la calzada es de como mínimo 0,50 metros y
cuando la distancia mínima al obstáculo es entre 5 y
10 centímetros. Las barreras de seguridad son
aconsejables en vías suburbanas de IMD elevada. El
perfil F está recomendado frente al J con tráfico
elevado de vehículos ligeros.
Las barreras fueron concebidas principalmente para
reducir los daños provocados por salidas de calzada,
es por este motivo que se ha tabulado la disposición
longitudinal de las barreras en relación a la sección
que presenta mayor peligrosidad. En el siguiente
gráfico se representa dicha disposición:
In situ
B
H
S
F
Perfil
F
P
Prefab
J
ricadas Perfil
J
B
H
D
J
Perfil
J
P
Prefab
F
ricadas Perfil
F
T
Tricbloc
X
De
molde
F
Perfil
F
Fig. 2: Clasificación de las barreras según normativa
española
Fig. 3: Esquema de distancias entre calzada y barreras
La diferencia entre los perfiles en J y los perfiles en F
es la altura del talud siendo la del perfil J superior a la
del perfil en F. En el caso de la forma New Jersey
(perfil J), el muro inclinado sube verticalmente hasta
67
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Distancia
transversal a una
zona peligrosa u
obstáculo
Calzada única
Calzadas separadas
<2m
100
140
De 2 a 4 m
64
84
De 4 a 6 m
72
92
>6m
80
100
a
b
Los módulos están diseñados para ser utilizados
indistintamente tanto en trazos rectos como en curvas.
La utilización de estas barreras es también interesante
en ferrocarriles para elevar andenes y para realizar
canaletas de hormigón armado sobre balasto,
extrayendo después una segunda canaleta sobre la
anterior para paso de cables.
Distancia Lr (m) del comienzo de la
barrera a la sección en que resulta
estrictamente necesaria
5. Materiales
Tabla II: Distancias recomendadas entre calzadas y barreras
de seguridad
En barreras de hormigón se empleará un material con
una resistencia característica superior a veinticinco
megapascales (25 MPa), de acuerdo con la vigente
"Instrucción hormigón estructural (EHE-98)", o
normativa que la sustituya. En barreras con encofrado
perdido, el hormigón de relleno deberá tener una
resistencia característica
superior
a
veinte
megapascales (20 Mpa).En el caso de barreras de
hormigón prefabricadas el valor de dicha resistencia
característica sería de treinta y cinco megapascales
(35 MPa).
Cementos: Se podrán utilizar cementos de tipo I ó II
en todas sus clases y categorías resistentes (35, 35A,
45 , 45ª, 55 y 55ª) definidas en la norma UNE 80.301.
Asimismo, estos cementos podrán tener, en caso
necesario, características especiales: resistentes a los
sulfatos y/o al agua de mar (UNE 80.303), o de bajo
calor de hidratación (UNE 80.306).
La dosificación mínima en cemento del hormigón
será de 325 Kg/m3, con una relación agua/cemento
<0,5, y la consistencia, acorde con el método de
construcción, debe ser muy regular. Para el caso de
utilizar máquina de encofrado deslizante debe ser de
3 centímetros en el cono de Abrahms, con una
tolerancia de ± 1 centímetro.
El tamaño máximo de árido será de veinte milímetros
(20 mm) y cumplirá con las prescripciones técnicas
indicadas en el artículo 7 de la vigente "Instrucción
de hormigón estructural (EHE-98)", o normativa que
la sustituya.
En lugares sometidos a la helada, el hormigón debe
presentar un contenido de aire ocluido comprendido
entre el 4 y el 6 por ciento.
Si se utilizaran aditivos, cuyo uso esté permitido,
deberían cumplir las prescripciones indicadas en la
norma UNE 83 200.
Áridos: Los áridos, con un tamaño máximo de 20
milímetros, cumplirán con las prescripciones técnicas
indicadas en el artículo 7 de la “Instrucción para el
proyecto y la ejecución de obras de hormigón en
masa o armado EHE”.
Agua de amasado: El agua para el amasado y curado
del hormigón cumplirá con lo especificado en el
artículo 6 de la “Instrucción para el proyecto y la
ejecución de obras de hormigón en masa o armado
EHE”.
También está regulada la distancia máxima al borde
de la calzada, en la siguiente tabla se muestra como
varía esta distancia en función de las velocidades de
proyecto de cada vía:
No
carriles
50
Velocidad de proyecto Vp (km/h)
60
70
90
100
120
140
1
1,5
2,8
4,5
7,5
11,0
16,8
23,3
2
0,5
0,5
1,0
4,0
7,5
13,3
19,8
3
0,5
0,5
0,5
0,5
4,0
9,8
16,3
4
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
6,3
12,8
Tabla III: Distancia máxima al borde de la calzada
Esta distancia, expresada en metros, indica la
distancia máxima entre el borde de la plataforma y
una barrera de seguridad paralela a ella.
En el caso de la mediana, si ésta es plana las barreras
se colocarán simétricamente respecto de los bordes de
los arcenes interiores. Si la mediana es muy ancha, no
se recomienda esta disposición. Para el resto de los
casos se colocará una barrera doble en el centro de la
mediana. Si la mediana no es plana, las barreras se
dispondrán de la misma manera que en los márgenes
de la carretera y dependerá de cada sección
tranversal.
Cuando se instalen o se repongan deberá tenerse en
cuenta que la altura debe ser igual o superior a 80
centímetros.
Las barreras simples se colocan en lugares donde se
tiene tránsito por un solo lado de la barrera, esto es al
lado derecho de las calzadas o en la protección de
estructuras existentes en el separador central. Estas
barreras son muy parecidas a las dobles pero la pared
trasera debe tener un ángulo de 81º con relación a la
horizontal, un ancho de 500 milímetros en la base y
150 milímetros en la cara superior. La pared trasera
inclinada amplía la base y le confiere mayor
resistencia al volcamiento. Estas barreras simples
también se colocan a los lados de una vía frente a los
terraplenes, depresiones o estructuras que representen
posibilidades de colisión para el vehículo
conformando una baranda que evita que los vehiculos
se salgan de la vía.
68
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
La vida útil de estos elementos es de 40 años o más
si no se producen daños considerables debidos a
colisiones
de
vehículos.
Este
valor
es
significativamente superior al de las barreras
metálicas (semirígidas) que se estima en 20 años.
Pero estas cualidades que las hacen tan competitivas
y funcionales dependen en gran medida del proceso
constructivo elegido para su ejecución y puesta en
obra.
Existen tres métodos de fabricación de barreras New
Jersey, pueden ser fabricadas con moldes deslizantes,
prefabricadas y con moldes fijos “in situ”. También
existe otra variedad de ejecución, menos usada, y que
se podría introducir en la variedad de “in situ”, son
las barreras de módulos o encofrados perdidos.
Aditivos: Los aditivos cuya utilización está permitida
deben cumplir las preinscripciones técnicas indicadas
en la norma UNE 83.200.
Hormigón: Se empleará un hormigón con una
resistencia característica superior a 25 N/mm2, de
acuerdo con la “Instrucción para el proyecto y la
ejecución de obras de hormigón en masa o armado
EHE”.
Para barreras de alta capacidad de contención, se
podrá elegir mayor resistencia, en función de los
ensayos de impacto realizados.
En el caso de las barreras BH*P y de los pretiles, el
valor de dicha resistencia característica será de 35
N/mm2.
6.1. Moldes deslizantes
Las barreras fabricadas con moldes deslizantes tienen
mayores beneficios en coste y efectividad, ya que
pueden ser colocadas en largos tramos, sin
interrupciones.
El modo de construcción es mediante orugas
extendedoras que cuentan con moldes deslizantes
capaces de regular y dar forma a estructuras lineales
de hormigón.
Fig. 4: Relación entre la tensión del hormigón y la tensión
de rotura por compresión en probetas cilíndricas
Las armaduras deberán cumplir las especificaciones
que recoge el artículo 9.3 de la "Instrucción de
hormigón estructural (EHE-98)", o normativa que la
sustituya.
Las armaduras serán de alta adherencia y
características mecánicas AEH 400, como mínimo.
Los encofrados perdidos estarán construidos de un
material resistente y que conserve sus características
mecánicas ante la exposición continua de la radiación
solar.
El Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares
definirá las condiciones para la elaboración y
presentación para la aceptación por parte del Director
de las Obras de un certificado emitido por un
laboratorio
acreditado,
donde
figuren
las
características de los materiales utilizados en la
fabricación de las barreras de hormigón.
Fig. 5: Imagen de una oruga extendedora
6. Ejecución
Es importante mencionar que existe equipamiento
disponible para colocar las barreras fabricadas con
moldes deslizantes en zonas con elevación variable,
como es el caso de islas centrales con sección
transversal escalonada, siempre y cuando la
diferencia de elevación entre carreteras adyacentes no
sea mayor de 0,9 m.
Un perfil New Jersey, como barrera central o lateral ,
es el sistema de contención rígido más común en uso
actualmente. Su popularidad se debe a su bajo coste,
efectivo funcionamiento y que, dada sus
características,
prácticamente
no
necesita
mantenimiento.
69
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
6.2. Prefabricadas
Las barreras prefabricadas son ocasionalmente
utilizadas como alternativa de las barreras fabricadas
con moldes deslizantes y son, generalmente,
instaladas donde se requiere que las barreras centrales
sirvan para proteger objetos tales como pilares de
puentes o soportes de señales elevadas.
Las barreras prefabricadas como elementos
modulares, requieren de una conexión fuerte entre
ellos, ya que durante un impacto serán sometidos a
esfuerzos importantes. Si los elementos que
constituyen una barrera rígida no se arriostran o
anclan debidamente, la barrera no trabajará como un
conjunto y tendremos una barrera ineficaz, y tal vez
peligrosa por sí misma.
Fig. 8: Esquema de armado y de unión de las barreras
Elementos para anclaje inferior
Casquillos roscados M24 (4 unid pieza) Calidad ST 52
Tornillo fijación M24 (4 unid pieza) Calidad acero 8.8
Chapa de unión 280x80x10 (2 unid pieza) Calidad A 42 B
Barra de continuidad Ø20. Calidad B500
Manguito de unión Ø20. Calidad B500
Contratuerca de bloqueo Ø20. Calidad B500
Tabla IV: Características de los elementos de unión
Otras marcas comerciales proveen a las barreras de
lengüetas o ranuras en los extremos para facilitar su
emsamble.
Fig. 6: Ejemplo de mala colocación de las barreras
Fig. 9: Lengüeta que facilita el ensamble en las barreras
6.3. In Situ. Con encofrado.
Las barreras fabricadas en sitio es el método más
versátil, debido a que su forma puede ser moldeada
para ajustarla a situaciones que no sean muy típicas.
Su construcción se realiza mediante encofrados fijos
continuos.
Estas barreras pueden funcionar basadas en su peso
propio o como parte solidaria del pavimento o berma.
Lo que se refiere a la cimentación de las barreras
New Jersey, estas se apoyarán sobre el firme previsto
o existente; o en su defecto sobre una capa de 20
centímetros de espesor de hormigón magro, zahorra
artificial, o capa estabilizada convenientemente
compactada y nivelada.
Fig. 7: Ejemplo de colocación barreras “in situ”
Existen varios tipos de anclaje, según la empresa
fabricante. Su funcionamiento básico es la unión de
las piezas mediante elementos metálicos en su parte
inferior y en su parte superior.
70
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Si se utilizan encofrados fijos, las superficies
desencofradas antes de 24 horas deberán ser
protegidas con un líquido de curado.
El hormigonado se deberá detener en caso de que
haya riesgo de helada durante las primeras horas de
endurecimiento del hormigón. Si la temperatura
ambiente es superior a 30 ºC, se deberá detener el
hormigonado si la temperatura de éste no es inferior a
20 ºC. Se detendrá el hormigonado con máquina de
encofrados deslizantes en caso de fuerte lluvia.
Para la puesta en obra de las armaduras, en el caso de
utilizar soldadura para garantizar la continuidad, el
solape de las barreras debe ser de, al menos, 12
centímetros, y estar soldado con cordón continuo. En
los demás casos, el solape será de 50 centímetros
como mínimo, con atado de las barras en sus
extremos.
En el caso de utilizar máquinas de encofrados
deslizantes las juntas de construcción se realizarán
empleando una plantilla con la forma del perfil
anclada en la base. Para asegurar la continuidad
estructural de la barrera, debe disponerse de una
llave, o pasar la armadura por unos agujeros
practicados en la plantilla.
Las juntas de dilatación deben disponerse en
localizaciones especiales (por ejemplo, encuentros
con obras de fábrica), o bien acomodarse a juntas de
dilatación existentes en el pavimento o mediana sobre
la que se haya construido la barrera.
Si se detiene el hormigonado durante un espacio de
tiempo superior a una hora y media, se considerará
que se ha formado una junta de construcción y deberá
tratarse como tal.
Una de las ventajas más importantes de las barreras
de hormigón es que en general no requieren labores
de manutención, aún después de múltiples impactos.
Su diseño estructural debe ser tal que estos elementos
puedan resistir además cambios de temperatura y
otros efectos ambientales. Ante un impacto, los
segmentos móviles tienen que contar con una
armadura suficientemente fuerte, para resistir los
esfuerzos impartidos a los elementos durante su
desplazamiento.
Por eso motivo la implementación de la cuantía de
armadura de acero dependerá del diseño en el
proyecto y las solicitaciones calculadas.
Fig. 10: Esquema de colocación del armado
7. Puesta en obra
7.1. In situ-Encofrados deslizantes
7.2. Prefabricadas
El hormigón será fabricado en una central automática
(o semiautomática) fija o móvil, equipada con
dispositivos de control continuo de dosificación por
peso.
El transporte del hormigón debe ser realizado
mediante camiones hormigonera mezcladores, siendo
su tiempo de transporte inferior a una hora, y el
tiempo global de transporte y puesta en obra inferior
a dos horas.
La puesta en obra de este hormigón se realizará según
el modo de ejecución. En el caso de encofrados
deslizantes la puesta en obra será mediante extrusión
del material.
En el caso de ejecución “in situ” con encofrados fijos,
las condiciones serán disponer de encofrados para
una jornada de hormigonado y contar con un vibrador
interno de aguja.
El curado del hormigón se garantizará mediante la
aplicación de un producto filmógeno de curado; o
mediante el recubrimiento de la superficie con
membranas impermeables debidamente sujetas por
sus extremos.
Los moldes utilizados para la fabricación de las
barreras se deben ubicar en un lugar cubierto,
protegido del sol y del agua.
Los moldes se deben recubrir interiormente con algún
producto desmoldante.
El aspecto general de la barrera debe ser continuo y
uniforme. La base del asiento de la barrera debe ser
plana, con irregularidades inferiores a 5 milímetros,
medida con una regla de 3 metros.
Cada elemento prefabricado deberá contar con la
armadura necesaria para resistir los esfuerzos debidos
a su manipulación.
El conjunto compuesto por tres unidades ensambladas
tiene un peso suficiente para llegar a considerarse una
barrera de gran estabilidad, que puede ser instalada
sobre pavimentos existentes, sin anclajes.
Para instalaciones de carácter permanente, las
unidades se insertan en un corte practicado en la
calzada, previo llenado del mismo con un mortero de
cemento, que se compacta adecuadamente.
71
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
los que se comprobará los recubrimientos mínimos de
2 centímetros de las armaduras en todos los puntos,
también se comprobarán los pequeños defectos
superficiales que no deben ser superiores al 15% de la
superficie de cada elemento; se comprobará la
ausencia de coqueras y por último, se verificará la
resistencia característica del hormigón del
prefabricado, la resistencia media sobre testigos
extraídos de la barrera deberá ser al menos el 80% de
la especificada.
7.3. Modulares
Los módulos o encofrados perdidos que conforman
las barreras estarán construidos en un material
resistente y que conserve sus características
mecánicas ante la exposición continuada a la
radiación solar.
La configuración de las paredes interiores del módulo
debe presentar salientes o relieves que, además de
conformar la estructura resistente, sean capaces de
soportar la presión hidrostática del hormigón de
llenado y sirvan para evitar el deslizamiento del
encofrado sobre el hormigón fraguado. Asimismo, en
caso de impacto darán rigidez al conjunto y evitarán
que salga desprendido algún trozo de hormigón.
El aspecto general de la obra debe ser esmerado y
continuo. Las caras vistas deben ser lisas, las aristas
no deberán presentar rebabas, y el color deberá ser
uniforme. La base de asiento de la barrera no
presentará ondulaciones de amplitud superior a 5
milímetros, medidas con una regla de 3 metros.
El hormigón de llenado tendrá una resistencia
característica mínima de 20 N/mm2 y consistencia
plástica.
8.3. Modulares
Para este tipo de fabricación deberá comprobarse el
control estadístico en el que se verificarán las
dimensiones proyectadas, tanto en sección como en
longitud, no debiendo presentar desviaciones
superiores a 5 milímetros; esta comprobación se
realizará a nivel de módulo o encofrado perdido.
Si consideramos el control de calidad del hormigón se
llevará a cabo de acuerdo con lo explicado en el
apartado anterior de barreras in situ.
9. Aplicaciones
8. Control de calidad
Como se ha ido explicando las barreras de seguridad
fueron concebidas con la intención de reducir los
daños ocasionados por la salida de los vehículos de la
calzada. Con los años, y una vez ya se han visto
cumplidos los objetivos de seguridad, se han buscado
otras utilidades a estas barreras. A continuación se
describen una serie de ejemplos de aplicaciones que
aprovechan la colocación de las barreras.
En primer lugar, y como aplicación más común está
la utilización de las barreras como soporte para
barandilla en puentes.
Todos los materiales utilizados están sujetos a las
normativas de calidad vigentes en nuestro país. La
fabricación de las barreras de seguridad está sujeta a
la normativa UNE 135.111 de sistemas viales de
contención de vehículos: barreras de hormigón,
definiciones, clasificación, dimensiones y tolerancias.
Las normas que hacen referencia a los materiales y a
las condiciones de calidad que deben cumplir son la
UNE 36.068 de barras corrugadas de acero soldable
para armaduras de hormigón; la UNE 36.088/1 de
barras corrugadas de acero para hormigón armado,
barras sin exigencias especiales de soldabilidad; la
UNE 80.301 de cementos: definiciones, clasificación
y especificaciones; la UNE 82.301 de rugosidad
superficial: parámetros, valores y reglas generales
para la determinación de las especificaciones; la UNE
83.200 de aditivos para el hormigón, morteros y
pastas: clasificación y definiciones.
8.1. In situ
Para control de calidad del hormigón se realizará,
como mínimo, una medida de la consistencia para
cada cuba de hormigón.
El control de la superficie se efectuará con una regla
de 3 metros, sobre la totalidad de la obra.
Fig. 11: Fotografía de barandilla cuyo soporte son las
barreras de seguridad
8.2. Prefabricadas
Otra aplicación que se ha llevado a la práctica es la de
utilización de las barreras dobles como jardineras.
Para cada lote de 400 elementos o cantidades
inferiores se tomarán 5 elementos cualesquiera sobre
72
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
de diámetro, los cuales se protegieron durante el
hormigonado de la barrera.
Fig. 12: Fotografía de las barreras utilizadas como
jardineras
Esta aplicación está claramente recomendada en
ciudades de alta densidad de tráfico que requieren de
estas barreras para regular su circulación o para zonas
que va alejándose de los centros como elemento de
transición entre lo urbano y lo rural.
El esquema de su sección tipo no se ve modificado
excesivamente.
Fig.14: Armadura de la cimentación de las luminarias.
Como última aplicación a las barreras de seguridad
encontramos la utilización de éstas como soporte de
elementos refractantes a lo largo de la vía que ayudan
a la señalización de los límites. Ejemplo de ello
podemos comprobarlo en la ronda de dalt de la
ciudad de Barcelona.
10. Las barreras New Jersey de
polietileno
En este último apartado describiremos las barreras de
seguridad que coinciden en diseño con las barreras de
hormigón vistas hasta ahora pero que están fabricadas
con otro material; son las barreras de polietileno.
El uso de estas barreras está más restringido al de
señalización temporal en obras o de cambios de
circulación en carreteras por otros motivos
inesperados, por esta razón se designan bajo el
nombre de barreras móviles.
Se comercializan de dos tamaños distintos, el de 60 x
40 de 150 kilogramos de peso y las de 80 x 50 de 300
kilogramos de peso.
Sus ventajas principales son su fácil transporte hasta
el lugar de ubicación y una vez instaladas se procede
al relleno con agua o arena para darles estabilidad. El
elemento estabilizador se introduce por la parte
superior y se vacía, cuando quiera trasladarse por la
parte inferior.
Estas barreras se unen mediante un eslabón inferior
que facilita el ensamblaje entre los distintos módulos.
Fig. 13: Esquema de las dimensiones de las barreras
utilizadas como jardineras
Ya para acabar con los distintos usos que se les ha
dado a las barreras de seguridad encontramos el
ejemplo de barreras utilizadas como base para el
alumbrado. Este empleo lo encontramos, por ejemplo,
en la autopista A10 de Bruselas a Ostende donde se
colocaron los soportes de la luminaria en huecos
serrados en el hormigón pocas horas después de la
construcción de la barrera. Esta operación debe
realizarse cuidadosamente para no dañar a la
armadura longitudinal. Estos soportes tienen una
altura de 20 metros y están separados 90 metros entre
sí. Durante la primera fase de las obras se
construyeron las cimentaciones de los soportes,
consistentes en zapatas de hormigón armado de una
altura de 2 metros y unas dimensiones de 1,8 x 1,8
metros en planta. Los anclajes de los soportes en las
mismas se dispusieron en 4 orificios de 12 milímetros
73
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Por el contrario, este método tiene un precio más
elevado por metro lineal y requiere juntas de unión
que debilitan la estructura frente un choque lateral.
En último lugar, las barreras fabricadas con moldes
en obra, permiten al igual que las prefabricadas una
mayor adaptabilidad a las exigencias topográficas del
terreno pero presentan mayor rentabilidad en obras
pequeñas.
Por estas razones la utilización de barreras New
Jersey es el método más empleado actualmente como
sistema de seguridad en regulación de tráfico. Su
simplicidad constructiva permite mantener su eficacia
adaptándose a los cambios que las prestaciones del
tráfico rodado experimenta a lo largo del tiempo,
asegurando así su continuidad en el futuro.
Fig.15: Imagen de barreras de polietileno
11. Conclusiones
Agradecimientos
Las barreras de seguridad New Jersey ya desde su
creación han tenido como objetivo el evitar los daños
más graves cuando un vehículo sale de su trayectoria
inicialmente marcada. Prueba de ello han sido los
cambios que se han producido para adaptarse a los
nuevos vehículos y a sus dimensiones.
Los modos de fabricación son muy diversos y cada
uno cuenta con sus ventajas e inconvenientes. Las
barreras fabricadas “in-situ” con molde deslizante son
más económicas para obras de gran magnitud y su
puesta en obra reduce los puntos débiles como las
juntas. Las barreras fabricadas en planta
(prefabricadas) cuentan con ventajas asociadas a su
construcción como mayor calidad de acabados o
mayor control de fabricación y materiales. Además,
su ejecución permite más adaptabilidad al terreno y
salva los obstáculos existentes en su ubicación, como
pilas de puentes.
Los autores del trabajo agradecen su colaboración al
Sr. Rubio, comercial de la empresa Suberolita SA.
Referencias
[1] Scott M.Kozel. “New Jersey Median Barrier History”.
Roads to the Future. Virginia, USA
1997.
[2] Orden circular 321/95 T y P “Recomendaciones sobre
sistemas de contención de vehículos”. Ministerio de
Fomento, España 1995.
[3] “Instrucción de hormigón estructural”. Ministerio de
Fomento, España 1999.
[4] “Señales
flexibles
y
neo-protect”.
Portal
Miliarium.com Ingeniería Civil Construcción y Medio
Ambiente.
74
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
LES BARRERES DE SEGURETAT TIPUS NEW JERSEY (II)
(CONTINUES I DISCONTINUES)
Aspectos de projecte, materials i construcció
Cristian Gil Saguer / Marta Jordà Regàs
Escola tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports
Universitat Politècnica de Catalunya
C\ Jordi Girona, s/n
Resum: La finalitat d’aquests document és definir els tipus
de barreres New Jersey existents. Classificar-les i conèixer
les seves característiques, així tenir eines per poder decidir
en cada cas el model que més s’adapta a les necessitats.
a la resta d’usuaris de la via i altres persones o
objectes situats a les proximitats.
Les recomanacions existents són per a donar una
ajuda per a escollir i dissenyar aquests elements.
Paraules clau: Contenció de vehicles, barrera de seguretat,
ampit, New Jersey, continues i discontinues.
2.2. Classificació
La classificació d’aquests sistemes de contenció
es fa segons la seva ubicació i funció; així trobem els
quatre tipus següents:
• Barreres de seguretat: utilitzades en marges, i
en mitjanes de carreteres.
• Ampit: són gairebé iguals que els anteriors,
però estan especialment dissenyats per als
límits de les obres de pas, coronacions de
murs i obres similars.
• Esmorteïdors d’impacte: són elements
dissenyats per a un impacte frontal
• Llits de frenada: situats als marges de la
carretera, sobre tot en pendents prolongades, i
reblerts de un material específic.
Pel que fa a les barreres de seguretat i ampits, es
poden classificar en diferents tipus atenent a diferents
aspectes: rígides o deformables; definitives o
provisionals; simples o dobles; metàl·liques, de
formigó, mixtes o altres materials.
Així mateix els esmorteïdors d’impacte es poden
dividir en: sense capacitat de redireccionament, amb
capacitat de redireccionament, sistemes mòbils o
esmorteïdors finals per a barreres de seguretat.
I els llits de frenada: adjacents a la plataforma o
separats d’ella; amb capacitat per a un vehicle sencer
o per a mig vehicle.
Així doncs els sistemes de contenció de vehicles
inclosos en aquestes recomanacions són molts i
variats; tot i així es permet l’utilització d’altres
sistemes no inclosos en el catàleg, que hagin estat
assajats d’acord amb la normativa del Comitè
Europeu de la Normalització i disposin de provada
experiència en vies de característiques semblants.
1. Introducció
El present document té com a objectiu donar a
conèixer les característiques generals de les barreres
de seguretat tipus New Jersey.
Per a això el document es dividirà en dues parts
ben diferenciades; una referida a les recomanacions
existents per a aquestes barreres i una altra més
dirigida a veure’n l’aplicació real a l’obra.
La primera part tindrà coma objectiu definir i
diferenciar i classificar el sistemes de contenció de
vehicles. Així podrem arribar a diferenciar el tipus
que ens interessa respecte els altres. I acabarem amb
taules explicatives on es detallen les característiques
de cada tipus de New Jersey que trobem en el catàleg
de les recomanacions. Aquestes taules seran les que
ens permetran escollir el tipus de barrera que s’adapti
més a les necessitats en cada cas.
La segona part pretén donar una visió dels
mètodes més utilitzats per a la col·locació o
fabricació d’aquestes barreres, tant contínues com
discontínues. Alhora explicar els problemes més
freqüents i els avantatges i inconvenients.
2. Recomanacions sobre sistemes de
contenció de vehicles
2.1. Definició de sistemes de contenció de vehicles
S’entén per sistema de contenció de vehicles; a un
dispositiu instal·lat a una carretera amb la finalitat de
proporcionar un cert nivell de contenció d’un vehicle
fora de control, de manera que així es limitin els
danys produïts i lesions tant per als ocupants com per
75
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
2.3. Nomenclatura
Ampits de formigó:
PH ampit de formigó
E formigonada in situ
P prefabricada
J per a New Jersey
F per a perfil F
Tres xifres separades per una barra les dues primeres
i per un guió la última; la primera és la longitud de
l’element en m, la segona serà 1 si està anclat i o0 si
no ho està, i la tercera indica l’altura útil en dm
Una lletra minúscula que indica l’ordre de inscripció
en el catàleg
Ampits mixtes:
PX ampit mixte
Tres xifres separades per una barra les dues primeres
i per un guió la última; la primera és la longitud de
l’element en m, la segona serà 1 si està anclat i o0 si
no ho està, i la tercera indica l’altura útil en dm
Una lletra minúscula que indica l’ordre de inscripció
en el catàleg
Esmorteïdors d’impacte:
AR amb capacitat de redireccionament
AB sense capacitat de redireccionament
AM per a sistemes mòbils
AT
per a terminals de barreres de seguretat o
ampits
Una lletra minúscula que indica l’ordre de inscripció
en el catàleg
Llits de frenada:
F llit de frenada
Dos xifres separades per una barra; la primera serà 1
si el llit de frenada és adjacent a la carretera, 2 si està
separat; la segona serà 1 si l’amplada és completa i 2
si és reduïda
La nomenclatura recomanada consta de diferents
lletres i números per tal de definir clarament les
característiques del sistema utilitzat. En la taula 1
trobem desglossat el “nom” de cada sistema.
Comencem pel tipus d’element, barrera de formigó
metàl·lica...i entrem a la seva part de la taula. Una
vegada aquí començarem escollint la lletra o lletres
del primer apartat que defineixi el nostre element,
llavors darrera d’aquestes hi anirà una de les lletres o
nombre de l’apartat de sota i així progressivament,
fins a acabar.
Barreres metàl·liques:
BMS Barrera metàl·lica simple
BMD Barrera metàl·lica doble
N amb separadors
R sense separadors
D si és desmuntable
A Una sola cara
B Una doble
C Dos cares superposades
D Dos dobles superposades
Dos xifres separades per una barra; la primera és la
separació entre suports en m i la segona la màxima
dimensió transversal en mm
Una lletra minúscula que indica l’ordre de inscripció
en el catàleg
Barreres de formigó:
BHS Barrera de formigó simple
BHD Barrera de formigó doble
E formigonada in situ amb encofrat
P prefabricada
X formigonada amb motlle
J per a New Jersey
F per a perfil F
T per perfil Tric-Bloc
Dos xifres separades per una barra; la primera és la
longitud de l’element en m (serà 0 per elements
formigonats in situ amb més de 9m) i la segona serà
0 per a barreres no anclades i 1 per a anclada.
Una lletra minúscula que indica l’ordre de inscripció
en el catàleg
Ampits metàl·lics:
PM ampit metàl·lic
A Una sola cara
B Una doble
C Dos cares superposades
D Dos dobles superposades
Dos xifres separades per una barra; la primera és la
separació entre suports en m i la segona a l’altura
útil en dm
Una lletra minúscula que indica l’ordre de inscripció
en el catàleg
Taula 1 : Nomenclatura
Per exemple: BHDEJ0/0a; serà una barrera de
formigó doble formigonada in situ amb encofrat,
barrera de tipus New Jersey, els elements que la
conformen seran de més de 9m, no anclats i és el
primer element del catàleg amb totes aquestes
característiques.
Observant les nomenclatures, veiem que les
barreres New Jersey, contenen en el seu “nom” una J.
Així també veiem que n’hi ha de formigó dobles, de
simples i ampits.
2.4. Les fitxes de New Jersey incloses en el
catàleg de les recomanacions
Les fitxes del catàleg inclòs a les recomanacions,
donen les característiques de cada element: mides, on
s’utilitzen, el nivell de contenció, el comportament
esperat, el materials... Les fitxes estan separades en 5
grups: A (Barreres de seguretat en les marges de la
carretera), B (Barreres de seguretat a les mitjanes), C
76
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
(Ampits), E (Esmorteïdors d’impacte) i O (Peces i
elements generals).
Només els 3 primers contenen barreres New
Jersey.
* Barreres de seguretat als marges de la
carretera (grup A) :
o estudiar posar BHD perquè son més estables
o aconsellables en vies suburbanes de IMD alta
Classe M
Comportament
Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa escassa --energia
Possibilitat
de bona
bona
--redireccionament
Possibilitat
de nul·la
escassa --ser traspassat
Deformabilitat
nul·la
escassa --Conservació
bona
bona
--fck > 25 N/mm² i
armadures AEH400
BHDEJ0/0a
Fitxa 2 : BHSEJ0/0a
BHSPJ3/1a
o s’utilitza als marges de la carretera
o distància mínima a l’obstacle 5-10cm
o distància mínima la calçada 0.50m
o distància màxima la calçada taula 2
o és més estable que les BHS.
Classe M
Comportament
Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa escassa --energia
Possibilitat
de bona
bona
--redireccionament
Possibilitat
de nul·la
escassa --ser traspassat
Deformabilitat
nul·la
escassa --Conservació
bona
bona
--fck > 25 N/mm² i armadures AEH400
o s’utilitza al marges de la carretera
o distància mínima a l’obstacle 5-10cm
o distància mínima la calçada 0.50m
o distància màxima la calçada taula 2
o estudiar posar BHD perquè son més estable
o aconsellables en vies suburbanes de IMD alta
o els detalls es faran in situ.
Classe M
Comportament
Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa escassa --energia
Possibilitat
de bona
bona
--redireccionament
Possibilitat
de nul·la
escassa --ser traspassat
Deformabilitat
nul·la
escassa --Conservació
bona
bona
--fck > 25 N/mm²
i armadures AEH400
Fitxa 1 : BHDEJ0/0a
BHSEJ0/0a
Fitxa 3 : BHSPJ3/1a
o
o
o
o
s’utilitza al marges de la carretera
distància mínima a l’obstacle 5-10cm
distància mínima la calçada 0.50m
distància màxim ala calçada taula 2
77
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Comportament
Vehicle
esperat
lleuger
Dissipació
escassa
energia
Possibilitat
de bona
redireccionament
Possibilitat
de nul·la
ser traspassat
Deformabilitat
escassa
Conservació
mitja
Mòdul de resina de poliester
vidre, fck ≥ 17.5 N/mm²
i
BHDPJB6/0a
autobús
---
Vehicle
pesat
---
---
---
---
---
--------reforçat amb fibra de
acer A42b
Fitxa 5 : BHDXJ2/0a
o s’utilitza al marges de la carretera
o distància mínima a l’obstacle 5-10cm
o distància mínima la calçada 0.50m
o distància màxima la calçada taula 2
o els detalls es faran in situ.
Classe M
Comportam Vehicle autobús
Vehicle
ent esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa
apreciable apreciable
energia
Possibilitat
bona
bona
bona
de redireccionament
Possibilitat
nul·la
escassa
mitja
de
ser
traspassat
Deformabimínima apreciable apreciable
litat
Conservació bona
bona
fck >35 N/mm² , armadures AEH400 i acer A42B
BHDXJ6/0a
o s’utilitza al marges de la carretera
o distància mínima a l’obstacle 25cm
o distància mínima la calçada 0.50m
o distància màxima la calçada taula 2
o els detalls es faran in situ.
Classe L1
Comportament
Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa escassa --energia
Possibilitat
de bona
bona
--redireccionament
Possibilitat
de nul·la
escassa --ser traspassat
Deformabilitat
nul·la
escassa --Conservació
bona
bona
--Mòdul de resina de poliester reforçat amb fibra de
vidre, fck ≥ 17.525 N/mm² i acer AEH500 A42b
Fitxa 4 : BHDPJB6/0a
BHDXJ2/0a
Fitxa 6 : BHDXJ6/0a
o s’utilitza al marges de la carretera
o distància mínima a l’obstacle 25cm
o distància mínima la calçada 0.50m
o distància màxima la calçada taula 2
o carreteres amb velocitat màxima de 90Km/h
o els detalls es faran in situ.
Classe L1
78
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
* Barreres de seguretat a les mitjanes (grup B) :
Classe M
Comportament
esperat
Dissipació
energia
Possibilitat
de
redireccionament
Possibilitat
de
ser traspassat
Deformabilitat
Conservació
fck > 25 N/mm² i
BHDEJ0/0a
Vehicle
lleuger
escassa
autobús
escassa
Vehicle
pesat
---
bona
bona
---
nul·la
escassa
---
nul·la
Nul·la
--optima bona
--armadures AEH400
Fitxa 8: 2xBHSEJ0/0a
BHDPJ6/0a
s’utilitza a mitjanes estretes (<3m)
distància mínima a l’obstacle 5-10cm
distància mínima la calçada 0.50m
distància màxima a la calçada taula 2
aconsellable en carreteres suburbanes IMD
elevada
Classe M
Comportament
Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa escassa --energia
Possibilitat
de bona
bona
--redireccionament
Possibilitat
de nul·la
escassa --ser traspassat
Deformabilitat
nul·la
escassa --Conservació
bona
bona
--fck > 25 N/mm² i acer AEH400
o
o
o
o
o
mitjanes estretes <3m
distància mínima a l’obstacle 5-10cm
distància mínima la calçada 0.50m
distància màxima la calçada taula 2
no utilitzar en vies urbanes amb trànsit intens
( per difícil reposició)
o els detalls es faran in situ.
Classe P
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa aprecia apreciable
energia
ble
Possibilitat de optima bona
bona
redireccionam
ent
Possibilitat de nul·la
escassa mitja
ser traspassat
Deformabilitat mínima aprecia apreciable
ble
Conservació
bona
bona
bona
fck > 35 N/mm² , armadures AEH400 i acer A42B
o
o
o
o
o
Fitxa 7: BHDEJ0/0a
2xBHSEJ0/0a
o
o
o
o
o
o
mitjanes amb una distància entre 1.5m i 6m
distància mínima a l’obstacle 5-10cm
distància mínima la calçada 0.50m
distància màxima la calçada taula 2
han de cuidar-se els problemes de drenatge i
la conservació de la vegetació
si la mitjana té una pendent <10:1 cada fila
serà independent
Fitxa 9: BHDPJ6/0a
79
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Possibilitat de
ser traspassat
Deformabilitat
Conservació
2xBHDEJ0/0a
nul·la
escassa
---
nul·la
optima
nul·la
bona
-----
fck > 25 N/mm² , armadures AEH400
Fitxa 11: 2xBHSPJ3/1a
* Ampits (grup C) :
Equivalents a 2 BHS
Mitjanes amb una distància entre 3m i 6m
distància màxima la calçada taula 2
han de cuidar-se els problemes de drenatge i
la conservació de la vegetació
o si la mitjana té una pendent <10:1 ca da fila
serà independent
Classe M
Comportament
Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa escassa --energia
Possibilitat
de bona
bona
--redireccionament
Possibilitat
de nul·la
escassa --ser traspassat
Deformabilitat
nul·la
Nul·la
--Conservació
optima bona
--fck > 25 N/mm² i
armadures AEH400
o
o
o
o
PHPJ6/1-10a
per marges d’obres de pas existents o noves
en els accessos de les obres de pas
zona central de les obres de pas paral·leles
situades a <3m
Classe P
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
bona
bona
bona
energia
Possibilitat de bona
bona
bona
redireccionam
ent
Possibilitat de nul·la
escassa mitja
ser traspassat
Deformabilitat nul·la
escassa escassa
Conservació
optima optima bona
fck > 45 N/mm² , armadures AEH400 i acer A42B
o
o
o
Fitxa 10: 2xBHDEJ0/0a
2xBHSPJ3/1a
Fitxa 12: PHPJ6/1-10a
equivalent a 2 BHD
mitjanes amb una distància entre 1.5m i 6m
distància màxima a la calçada taula 2
han de cuidar-se els problemes de drenatge i
la conservació de la vegetació
o si la mitjana té una pendent <10:1 cada fila
serà independent
Classe M
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
escassa escassa --energia
Possibilitat de bona
bona
--o
o
o
o
80
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Possibilitat de
ser traspassat
Deformabilitat
Conservació
fck > 45 N/mm² ,
PHPJ6/1-17a
nul·la
escassa
mitja
nul·la
nul·la
nul·la
optima optima bona
armadures AEH500 i acer A42B
Fitxa 14: PHEJ0/1-8a
PXPJ6/1-14b
per marges d’obres de pas on la protecció a
tercers impliqui màxima infranquejabilitat
Classe P
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
mitja
--optima
energia
Possibilitat de bona
--optima
redireccionam
ent
Possibilitat de nul·la
--nul·la
ser traspassat
Deformabilitat nul·la
--escassa
Conservació
optima --optima
fck > 35 N/mm² , armadures AEH400 i acer A42B
o
per marges d’obres de pas existents o noves
per accessos a les obres de pas
zona central entre dues obres de pas
paral·leles situades a una distància <3m
o l’ús de la barana garantitza un millor
comportament davant el xoc d’un vehicle
pesat
Classe P
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
bona
bona
bona
energia
Possibilitat de bona
bona
bona
redireccionam
ent
Possibilitat de nul·la
escassa mitja
ser traspassat
Deformabilitat nul·la
escassa escassa
Conservació
optima optima bona
fck > 45 N/mm² , armadures AEH400 i acer A42B
o
o
o
Fitxa 13: PHPJ6/1-17a
PHEJ0/1-8a
Fitxa 15: PXPJ6/1-14a
per marges d’obres de pas existents o noves
amb radi en planta <150m
o per accessos a les obres de pas amb radis en
planta <150m
Classe P
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
bona
bona
bona
energia
Possibilitat de bona
mitja
mitja
redireccionam
ent
o
81
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Dissipació
energia
Possibilitat de
redireccionam
ent
Possibilitat de
ser traspassat
Deformabilitat
Conservació
fck > 45 N/mm²
A42B
PXPJ6/1-14c
bona
bona
bona
bona
mitja
mitja
nul·la
escassa
mitja
nul·la
nul·la
nul·la
optima optima bona
, armadures AEH500N i acer
Fitxa 17: PXEJ0/1-14a
per marges d’obres de pas existents o noves
per accessos a les obres de pas
zona central entre dues obres de pas
paral·leles situades a una distància <3m
o l’ús de la barana garantitza un millor
comportament davant el xoc d’un vehicle
pesat
Classe P
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
bona
bona
bona
energia
Possibilitat de bona
bona
bona
redireccionam
ent
Possibilitat de nul·la
escassa mitja
ser traspassat
Deformabilitat nul·la
escassa escassa
Conservació
optima optima bona
fck > 45 N/mm² , armadures AEH400 i acer A42B
o
o
o
PXEJ0/1-14b
per marges d’obres de pas existents o noves
amb un radi en planta <150m i >75m
o per accessos a les obres de pas amb un radi
en planta <150m i >75m
Classe P
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
Dissipació
bona
bona
bona
energia
Possibilitat de bona
mitja
mitja
redireccionam
ent
Possibilitat de nul·la
escassa mitja
ser traspassat
Deformabilitat nul·la
nul·la
nul·la
Conservació
optima optima bona
fck > 45 N/mm² , armadures AEH500N i acer
A42B
o
Fitxa 16: PXPJ6/1-14c
PXEJ0/1-14a
Fitxa 18: PXEJ0/1-14b
Nombre de
carrils
per marges d’obres de pas existents o noves
amb un radi en planta <150m i >75m
o per accessos a les obres de pas amb un radi
en planta <150m i >75m
Classe P
Comportament Vehicle autobús Vehicle
esperat
lleuger
pesat
o
1
2
3
4
50
1,5
0,5
0,5
0,5
Velocitat de projecte Vp(Km/h)
60 70 90 100 120 140
2,8 4,5 7,5 11,0 16,8 23,3
0,5 1,0 4,0 7,5 13,3 19,8
0,5 0,5 0,5 4,0 9,8 16,3
0,5 0,5 0,5 0,5 6,3 12,8
Taula 2 : distància màxima al ala calçada
82
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
3.4. Arriostraments en barreres rígides.
3. Aplicació en obra
Si els elements que constitueixen una barrera
rígida no s’arriostren o s’anclen degudament, la
barrera no treballarà com un conjunt i tindrem una
barrera ineficaç i potser fins i tot perillosa per ella
mateixa.
Per aquest motiu la barrera rígida i els seus
elements hauran de complir les Recomanacions sobre
Sistemes de Contenció de Vehicles (ordre circular
321/95 T i P).
A continuació presentem casos d’execució
incorrecta i correcta.
Podem diferenciar 2 tipus de barreres. Les
barreres definitives o les barreres temporals.
3.1. Instal·lació de barreres definitives
Són fàcils d’instal·lar. L’anclatge o empotrament
pot ser sobre paviment, col·locades sobre una capa de
25mm de formigó, o col·locades amb una combinació
d’ambdós mètodes. La profunditat de les fondacions
varia entre 150 i 300mm depenent de les condicions
del terreny.
Les unitats van trabades entre sí mitjançant un
sistema tipus metàl·lic mascle-femella. En aquest cas,
degut a la forma de les peces, permet una fàcil
col·locació i desmuntatge individual.
3.2. Instal·lació de barreres temporals
Les unitats van directament disposades sobre la
superfície pavimentada, sense elements d’anclatge, la
qual cosa facilita el seu desplaçament temporal o
definitiu. El sistema d’unió és el mateix que per les
barreres definitives.
3.3. Baixes despeses de manteniment i reparació
Foto 2 : Execució incorrecta
Aquest tipus de barreres, per ser de formigó,
representen un cost mínim de manteniment. Segons
estudis realitzats sobre les despeses de reparació de
diferents barreres utilitzades als estat de Califòrnia i
Arizona, s’aprecia una relació 1 a 8 entre les barreres
de formigó i les metàl·liques en una estat i una raó 1 a
13 en l’altre, favorable sempre a la barrera de
formigó.
Foto 3 : Execució correcta
Foto 3 : Execució correcta 2
Foto 1 : New Jersey prefabricada
83
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
3.5. Barreres terminals
Just al principi i al final d’obra, les barreres
new jersey adopten una forma diferent. Van perdent
alçada fins arribar a cota de paviment. S’anomenen
barreres terminals. L’explicació és ben senzilla.
L’objectiu és evitar grans danys en cas que hi hagi
alguna topada d’algun vehicle. Aquest no es trobarà
amb una barrera frontal, sinó amb una augment
progressiu de barrera.
Foto 5 : PC 5700 súper B
Les cubes de formigó van proveint la maquina a
mesura que aquesta avança., deixant un perfil de
formigó al seu pas
De fet, en qüestions econòmiques hi ha diferencia
entre les barreres discontínues i les contínues. S’ha de
tenir en compte el cost de la màquina, del formigó,
etc. Però per temes més que res estètics i encara més
quan son barreres definitives, s’utilitza el perfil
continu.
Foto 4 : barrera terminal
4. Barreres New Jersey en continu
4.1. Barreres de formigó amb motlle continu.
Les barreres de seguretat en formigó amb motlle
continu milloren les condicions de seguretat vial en
les carreteres, autovies, autopistes, evitant en cas
d’accident, que els vehicles pesats creuin la mitjana.
En els marges impedeixen als vehicles caure pel
terraplè o des d’un viaducte, tanmateix protegeixen a
les obres de fàbrica i a les instal·lacions en general,
dels impactes provocats per les sortides del vial.
4.2. Maquinària específica
Evidentment, si parlem de formigó en continu, ja
no disposarem de la maniobrabilitat que teníem en
peces aïllades. Tractarem la barrera com una unitat
continua.
La forma d’aplicació més utilitzada és la màquina
estenedora de formigó d’encofrat lliscant.
Es pot fer servir en molts aspectes; tant en
voreres, aceres, treballs de rehabilitació i pel cas que
ens interessa, per a l’execució de barreres de
seguretat.
Com a exemple pràctic de maquinària parlarem
d’una de les maquines més utilitzades a Espanya, que
és la PC 5700 súper B, capaç d’executar barreres
rígides estándar, tipus New Jersey, fins a 132 cm
d’alçada.
Foto 6 : PC 5700 súper B més aprop
4.3. Aspectes a considerar
En aquest tipus de barreres, hem d’utilitzar un
formigó dur. Ens interessa que agafi resistència
ràpidament per tal de poder agilitzar l’execució i la
seva funcionalitat.
84
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
En el cas que haguem de deixar algun espai en la
barrera, sigui per posar alguna senyal, farola,
arquetes, etc. el que es fa es tallar el formigó en fresc.
És a dir, la màquina segueix el seu curs, però tot just
després, encara sense resistència, es talla el formigó.
Després el tapem amb xapes i així podem deixar
l’espai desitjat
De vegades, també per motius estètics, s’executen
el que s’anomenen jardineres.
5. Conclusions
A dia d’avui, un cop aprofundit en el tema de les
barreres de seguretat, ens n’adonem que és molt més
extens del que ens pensem. En els darrers anys, la
normativa vigent en cada etapa en quan a seguretat
es tracta és cada cop més exigent. És per això que
trobem un ampli ventall de possibilitats que ens
permet amollar-nos a les condicions que més ens
convinguin.
Sobretot en aspectes tècnics, sigui en el tipus de
barrera (simple, doble, temporal, permanent) com en
el tipus de formigó, com en el tipus d’armat...tec
Qualsevol recomanació és poca quan de seguretat
és tracta.
Referències
[1]
Orden circular 321/95 T y P. “Recomendaciones
sobre sistemas de contención de vehículos”.
Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio
Ambiente. Dirección General de Carreteras. 1996.
[2] www.temac.es
[3] www.vialidad.cl
[4] www.grupisa.es
[5] www.miliarium.com
[6] www.grau.cl
[7] www.givasa.es
[8] www.panasfalto.es
[9] www.vanguard.es
[10] www.cop.gva.es
Foto 7 : Jardineres
No es tracta de res més que posar terres i aspectes
vegetals entre dues barreres tal com mostra la figura.
No obstant per això, en aquest cas hem de tenir en
compte l’evacuació de les aigües. Per això el que es
fa és, previ al formigonat, col·locar tubs de drenatge.
Foto 8 : Fabricació jardinera
85
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
86
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
UNDERWATTER CONCRET
Steffen Mohr
Universitat Politèchnica de Catalunya
ETSECCPB / Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
[email protected]
Summary: In the article will be explained the principle
problem to create concrete elements inside the water. After
a small introduction to the subject, the special constitution
and necessary behavior of underwater concrete is described.
Finally, different methods to create underwater concrete
elements are presented.
concreting of foundation pile in the groundwater
range, stabilizations of the shore from canals and
rivers (protection against erosion).
Also underwater concrete is used in construction
of excavations e.g. for slotted wall and for the bottom
plate, if the dewatering of excavations for technical
and/or economic reasons is disadvantageous, that
particularly applies to deep excavations in the
groundwater. An other example is the manufacturing
of piers for a bridge in the water.
Key words: principle problem, constitution, Contractor
process, Tubs-process, Hydro valve process, Pump process,
Hydrocrete-process
1. Introduction
What is underwater concrete? Definition
Concrete, that is used to create concrete elements
or structures inside calmly standing water. The fresh
concrete must be inserted under the water in a way
that the cement paste can not be washed out of the
concrete before the strengthening process has started.
While during usual processing of concrete all
conditions for reaching a good quality are given, it is
also possible to control and if it is necessary to
correct directly the structure. In principle it is more
difficult to build elements with underwater concrete,
because the control and the building process is
technically more challenging. Nevertheless the
underwater concrete gained more significance in the
last decades, and the installation methods were
constantly refined.
Fig. 2 A final situation in a excavation with a underwater
concrete slab after dewatering
Before modern installations techniques of the
underwater concrete were developed, a dry concrete
mixture was sunk in permeable bags. In this way a
punctual good concrete was obtained, but in general
the characteristics of this concrete elements was not
in the desired quality. In the beginning of the 20th
century, installation methods were developed, which
permit to mount a fresh concrete under water without
separation of the cement paste and the grain
microstructure. Already in the 30s some established
procedures existed, which are also used today. These
can be arranged in two groups:
•
•
Fig. 1 Construction process of underwater concrete slab
The area of applications are e.g. the production of
base plates for tunnel and docks in a harbor,
Tip out underwater concrete (installation of
finished mixed concrete under the water)
Drain (inject) concrete (under water
developing (be formed) concrete [ drain of a
rock/sand matrix with cement mortar])
Principle problem
87
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
elements with a large thickness and large demission a
cement with a low heat of hydration will be used.
A new kind of tip out concrete is concrete which
is nearly erosion resistant. In this case, it is not
necessary to protect the concrete, while it falls
through the water.
With all procedures it is important to avoid a
separation of the concrete paste or mortar, when it is
brought into the final position under the water. This
means, that concrete or mortar in general only come
in contact with the water, when they reach the final
position.
2.2 Drain (inject) concrete
2. Constitution of an underwater
concrete
In this case the concrete is produced in two steps.
In the first step, the grain structure (with different
screening portion) is installed. The second phase is to
inject the sand matrix with the cement paste. To be
sure that all points of the elements receive the cement
paste, the paste must be capable of flowing and also it
must be a well connected mass. In this situation exists
the danger that the value of the water / cement goes
up (watering down of the cement paste). This is the
reason why in the injection concrete the value of
water / cement must be lower that for the tip out
concrete. To build waterproof elements with this kind
of concrete the value of the water / cements is
between 0.45 and 0.55. The composition of the
mortar (cement paste) depends of the construction
process which will be used.
2.1. Tip out concrete
A concrete which will be tipped out under the
water must be a well connected mass, so that it forms
a closed structure without pores. To mix a concrete
for this case, the following parameters must be
keeped:
•
•
•
•
•
Water-cement-value ≤ 0.60 [The water
cement value must be smaller, if other
demands require it (e.g. exposition class
XA2).]
By a maximum size of stones (pebble) in the
sand of 32 mm must be the value of the
cement ≥ 350 kg/m³
The value for very small pebble must be
more or less 400kg/m³
steady screening portion
flow consistency 45 to 50 cm or flowing
concrete (advisable ≤ 55 cm)
Prepakt process
This process was developed by the American
Wertz in the year 1947. In Germany it was used to
build piers for a bridge or the bottom slab of locks.
The inject suspension consists of cement, sand water
and a liquefying additive. The maximum size of the
sand grain is 2 mm in this process.
With these parameters, from the concrete
technology, an underwater concrete is mixed. It has a
good behavior to create underwater concrete
elements.
• a good connected mass
• able to flow
• it is possible to pump this kind of concrete
• it is difficult to separate the cements and the
sand
• and when the concrete is solid it is
waterproof
Concrete and tectocrete process
In the year 1930 this process was developed by
the engineers Morgan, Pickersgill and Gammon in
cooperation with the physical research institute
Teddington in Great Britain. The colcrete / tectocrete
mortar is produced in two phases. In the first phase,
the cement paste is mixed only with cement and
water in a special high turning cement mixer. In the
second phase, the sand is added to the cement paste.
The maximum grain size in this process is 4 mm.
Hereby, a stabile mortar with good flow behavior is
gained.
In both construction processes it is important to
create a good grain structure to be sure that the mortar
can reach all points. The max grain of the cement
suspension must be smaller than 1/10 of the smallest
grain of the grain structure before created. The
dimension of the stone structure must be selected as
large as possible.
By a purposeful selection of sand, crushed stone
and larger stones, the cavity in the concrete matrix
can be kept relatively small. Generally, it amounts to
In general all types of the concrete technology can
be used for underwater concrete i.e. to put fibre in the
concrete, but it is not allowed to compact the
concrete, because on the top edge of the concrete
elements the value of water / cement will be higher
and the resistance goes down. Normally, for this kind
of concrete a cement with a resistant smaller then
42.5 R N/mm² is used. The special mixture of the
concrete depends of the kind of element which is to
be created, and the exposition and static function of
the part of the construction. For example, for
88
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
By carefully lifting the pipe, the concrete can
escape on the lower end of the pipe. In the concrete –
process the pipe must be (if possible) one meter
inside the run out concrete to make sure that there is
no separation. This is the reason that this procedure
can only be used for concreting thick construction
units. For example the Contractor process would be
used for drilling pile or slotted walls.
The production of approximately even horizontal
level is difficult and complex by using several
pouring mechanisms. To create layers with
homogeneous structure and equal lasting quality is
only possible with a thickness about 1.0 to 1.5 meters.
This kind of process is too expensive, for example, to
build underwater slabs in an excavation.
approximately 40 % of volume. For both procedures
a mixing proportion for the weight from cement to
sand of 1:1 to 1:2 applies. This means - with
consideration of the cavity in the concrete matrix –
the finished underwater concrete contains between
280 and 350 kg/m³ cement.
3. Processes to create
underwater concrete
3.1 Contractor process
This process was applied the first time in 1911 by
the Swedish building company Contractor. The
procedures is tipped out the concrete in vertical tubes.
The lower tube end must always be sufficient deep in
the already around run out concrete to avoid rinsing
out and separation. The installation pipes usually
have a circular cross section with a diameter from
200 to 300 mm. Generally the pouring pipes are
attached to a delivery construction with a funnel.
3.2 Tubs-process
The procedure is a method propagated in the
Netherlands to install fresh concrete under water. It
conditional the use a special tubs, in which the fresh
concrete without contact to the water is transported to
the installation place. The discharge is opened only
there, so that the concrete runs out always directly on
the excavation sole or on the already existing
concrete. Opening and closing of the tubs should be
hydraulically controllable. Concreting with this
method can be started, stopped or continued at every
time, but a continuous concreting is not possible. A
disadvantage of this procedure is that it is difficult to
control the emptying of the tubs and it is impossible
exclude the free fall of concrete in the water. A
reinforced slab cannot be created with this method,
since the reinforcement prevents the placing of the
concrete.
3.3 Hydro valve process
Fig. 3 pattern of Contractor process
There are three tubing systems. The simplest form
is the rigid pipe, which exceeds after lifting over the
delivery construction. Another system is a structured
pipe, which is shortened in each case when the level
of the concrete is high enough and the pipe is pulled
up. The technical most complex system is the
telescope pipe.
Fig. 3 shows the principle function of the
Contractor - process. To make sure that the concrete
doesn’t come in contact with water in the pipe, a
rubber ball is used in the beginning of the concreting.
The first step in concreting is to put the ball on the
ground of the funnel. Then the funnel is filled with
concrete. If the concrete in the funnel is sufficient to
fill the whole pipe, the rubber ball is loosened. With
the pressure from the dead weight of the concrete, the
ball goes down and displaces the water in the pipe.
On the lower end of the pipe the ball comes out. By
reason of the buoyancy of the ball, it swims up to the
top edge of the water level.
The hydro valve procedure is a Dutch
development for the production of underwater
concrete. The equipment consists of a funnel and a
compressible tube (Fig. 4).
The tube ends in a steel cylinder, which is the
height remaining adjustable attached with chains to
the funnel. This escape cylinder is used lead and load
the tube.
To control the movements and the length of the
compressible tube, the tube is connected with steel
rings at some point. These rings are attached to the
chain. With this system, it is possible to coordinate
the tube movements and the length can be controlled
like a piano accordion.
If a sufficient quantity of concrete is filled into the
funnel, the concrete slips down (glide) in form as a
ball slowly in tube, which is pressed together by the
water pressure. In this case the concrete is loaded by
it’s dead weight, the pressure of the water and the
friction effect between concrete and tube wall. In the
89
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
concreting progress, the escape cylinder is pulled up
with the chains step by step, until the desired target
height is reached.
Fig. 5 The concreting of a bottom plate with the Pump
process
As with the described Contractor – process, the
end of the pipe must be immersed in the concrete
about one meter if possible, but at least more than 20
cm. To control this situation it is necessary to know
the level of the water. With this information, the
immerse depth of the pouring pipe and a bar to take
soundings of the level of the concrete in the
excavation can be controlled the process. If
necessary, movement of the pouring pipe can be
accomplished with the arm of the concrete pump.
This procedure can be used for all kinds of
construction units.
It makes a constant concrete production possible.
Because concrete always is pressed into the close
built layer and the concrete almost never comes in
contact with the water, the result is practically no
quality loss arises by separations. The large
advantage is the fact that once filled, the pipe system
does not have to be emptied to move the pouring pipe
into the new position. The reason is that the pipe
system is completely closed and it is not possible that
the concrete comes in contact with the water. The
only point, where the concrete has contact with the
water is the lower end of the pouring pipe. With this
process it is possible to start the concreting after
moving without problem; and re-use the rubber ball
again. This make the pump process very efficient.
Fig. 4 pattern of Hydro valve process
The procedure avoids the free fall of the concrete
through the water with high security measures. With
this kind of concreting method it is possible to control
the quantity of the concrete by concreting
continuously. For the production of base plates
several devices are used, arranged next to each other
and is shifted (moved) in horizontal direction when
the target height is reached.
3.4 Pump process
“The pump process” is a variation of the
Contractor – process. Since the development of
efficient powerful concrete pumps, it is possible to
extract concrete in pipes with a small diameter of
example 100 mm. The conditions for a simple and
safe production of underwater concrete are given with
current pump technology. In this case a concrete
pump with a boom is used. On the end of the
distribution tube a pouring pipe is connected. The
length of the pouring pipe must be longer than the
depth of the water.
Since it is not possible to manufacture a very even
surface with this installation method, if this is
necessary a balance concrete layer must be created in
the dry excavation after the dewatering.
90
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
flow down uncontrolled, in the second case the
cohesive soil would penetrate or crush the gravel
stone matrix, which is applied in the desired pouring
level on the excavation sole. After the installation of
the rock gravel matrix the injection pipes are molded
in regular interval (distance). The diameter of the
injection pipes amounts to up to 40 mm, the distance
between the pipes depends on the rock gravel matrix,
usually 1.5 to 3 m (Fig. 7). The pipes are connected
with a tube system over the water level and can be
filled with injection mortar, over valves individually
or in groups. With the rising of the mortar level in the
rock gravel matrix, the injection pipes will be lifted.
In this case it is important, that the pipes are always
30 cm inside the escaped mortar.
3.5 Hydrocrete-process
Hydrocrete is the name for an installation method
of waterproof underwater concrete with tubes or
pumps. The concrete in the fresh condition is resistant
to erosion. With special kind of underwater concrete
it is possible that it falls several meters freely through
the water without washing out of cement and
separation under water. That means preventive
measures for the installation of the concrete are not
necessary. With the Hydrocrete-process it is possible
to concrete plates from 10 cm thickness under water.
It does not need to be compacted and by flowing of
the fresh concrete plates with surface parallelism of
approximately 3 cm can be built. With this described
procedure can be manufactured concrete with or
without reinforced. An example for this is the
clasping or capping of pouring stone bank
stabilizations (Fig. 6).
Fig. 7 pattern of the underwater injection of the sand
matrix
The rise of the mortar level and therefore also the
immerse depth of the injection pipes are examined by
observation tubes (diameter 50 mm), which are
installed like the injection pipes in regular intervals.
Normally one observation tube for three to six
injection pipes is used. Slots along the wall let the
mortar penetrate at each height level into the
observation tubes. The reached level of the mortar is
determined with flotation chambers or electrically
working measuring method. The injection pipes are
fed in such a way that one receives mortar level rising
as evenly as possible in the whole excavation, or that
only on one side the full height of mortar is reached
and the rest of excavation uses the natural slope to
drive the mortar to each point in the excavation on the
final height. The selection which method is used
depends on the dimensions of the excavation and the
efficiency of the mixing and pumping machine. If the
concrete sole has a clear dived top edge or the rising
water can not escape, then on the highest level a tube
system is placed in which the surplus water and
mortar can be escape over the top edge level.
The strength and the waterproof from this kind of
concrete are often not so good then with the other
kind of concreting methods. One reason is, that the
mortar didn’t arrived on all points in element and the
Fig. 6 Hydrocrete-process to stabilize pouring stone
The fresh concrete, which is to be inserted, is spread
on swimming pallet consisting of lamellas over water
level. The distribution of the quantity of the concrete
is made over water. By dumps of the revolving stored
lamellas the concrete glides up and falls freely
through the water and penetrates into cavities
between rocks. A necessary condition to reach a good
quality is that the pouring stones are clean.
3.6 Prepakt / Colcrete and Tectocrete process
The concreting process of the Prepakt and the
Colcrete process are very similar. Therefore both
processes can be described together.
The grouting methods for the production of
underwater concrete require an excavation sole free
of mud and sludge. The sole must be relatively leakproof, that means no rough gravel with only one
screening portion. On the other hand it is not possible
that the sole consist of cohesive soil (clay/ tone/
loam). In the first case, the grouting mortar would
91
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
also the sand grain (stones) have a film of water. That
make the connection of the sand matrix and the
cement paste not so powerful. But one large
advantage of this method is that the larges part of the
concrete (the sand matrix) can be produce without
protection things.
because for each problem the best method must be
defined.
References
[1]
[2]
4. Conclusion
[3]
In general the underwater concrete is a special
kind of concrete with necessary behavior which
depends on the construction process and the static
function of the elements. To create underwater
concrete it is necessary to avoid the separation of the
sand matrix and the cement paste. To reach this goal,
a lot of different productions methods were
developed. All of these methods require a little bit
different concrete. What kind of method is applied
depends on the element which is to be created,
[4]
[5]
[6]
92
Tegelaar, R. “Unterwasserbeton – Einbauverfahren
und Anwendung” Beton Informationen 25 (1985)
H4, pp. 34-43
Zwissler, U. Falkowski, E. “Betonieren unter Wasser”
Beton 40 (1990) H.7 pp. 279-284
Tegelaar, R. Pickhardt, R “Unterwasserbeton”
Zementmerkblatt B12 Bundesverband der Deutschen
Zementindustrie e.V.(2005) pp 1-8
Kühling, G. Petscharing,F. “Zusatzmittel für
Unterwasserbeton” Beton 41 (1991) H. 8 pp.371-373
Petscharing, F “Erosionsfester Unterwasserbeton vom
Transportbetonwerk” Zement und Beton (1991) H.2
pp.12-14
Verein Deutscher Zementindustrie (VDZ) “Besondere
Betone” Zementtaschenbuch (2002) pp478 – 489
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
RESISTENCIA Y EFECTOS DEL FUEGO
EN LAS ESTRUCTURAS DE HORMIGON ARMADO
Sebastià Villena Nicolau / Esteve Riba Genescà
ETSECCPB
Universitat Politècnica de Catalunya
Resumen: El fuego, como situación accidental, exige de las
estructuras una capacidad de resistencia que permita
desalojar del objeto incendiado a las personas que lo estén
utilizando, de manera que no se produzcan víctimas ni entre
los usuarios ni entre el cuerpo de bomberos que actúa para
controlar y extinguir el incendio. El hormigón estructural,
además de las prestaciones de carácter resistente, presenta
otras complementarias. Algunas se refieren a su utilización
y forman parte de la funcionalidad de la obra en su
conjunto. Otras, tales como la resistencia al fuego, y la
durabilidad, tienen que ver con la Vida de Servicio de la
estructura. Por eso, las posibles consecuencias derivadas de
un incendio deben ser analizadas y consideradas en el
diseño en proyecto de la estructura.
2. Comportamiento estructural ante el
fuego de las estructuras de hormigón
La respuesta de una estructura de hormigón frente
al fuego es compleja puesto que se trata de un
material compuesto (hormigón y acero) y dónde cada
uno de los materiales a partir de los 200ºC se
comporta de forma diferente al analizarlos por
separado o de forma conjunta.
2.1. El Hormigón
La conductividad térmica del hormigón es baja y,
por tanto, la incidencia de la temperatura hacia el
interior del elemento se puede considerar lenta. Aun
así, según la geometría de la pieza y de las
características del hormigón (procedencia del árido,
tipo de cemento, porosidad, etc.), la velocidad de
propagación puede variar. No es igual un elemento de
sección cuadrada que uno de circular, ni un árido
silícico que uno de procedencia calcárea con un
coeficiente de conductividad térmica más bajo. A
modo de ejemplo, las esquinas de un pilar de sección
cuadrada son las zonas más débiles ante un incendio,
ya que el calor incide en ellas por dos lados y,
además, suele ser en estas zonas donde el hormigón
tiene menor compacidad.
Palabras clave: fuego, incendio, estructura, hormigón,
acero, recubrimiento.
1. Introducción
Los incendios recientemente ocurridos en
edificios singulares como en el atentado contra las
Torres Gemelas de Nueva York o el de la Torre
Windsor de Madrid han vuelto a poner de actualidad
el debate sobre qué tipo de estructuras tienen un
mejor comportamiento ante el fuego y sobre cuáles
deben ser las medidas de protección contra incendios
que se deben adoptar para evitar o, en todo caso,
reducir en lo posible el número de víctimas mortales.
La conclusión a la que llegan la mayoría de
expertos es que no hay un material ni mejor ni peor
por sí solo, sino que depende de la respuesta global
del edificio en su conjunto, y que hay tres puntos en
los que se debe guardar especial atención: la
detección rápida y efectiva del incendio, la
evacuación rápida y lo más ordenada posible del
personal y la reducción del impacto del fuego en la
estructura del edificio. A los efectos de evaluar estos
puntos se han desarrollado complicados modelos de
cálculo bajo las siglas ISAI (Ingeniería de Seguridad
Ante un Incendio).
Una vez se ha declarado el incendio, su gravedad
recae en dos aspectos: por un lado los gases tóxicos
que se generan y que afectan a las personas y, por
otro lado, las elevadas temperaturas alcanzadas y los
cambios que se producen en el hormigón armado.
Coeficiente kc(T)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
100
400
600
800
1000
Temperatura [ºC]
Fig. 1: Coeficiente kc(T) de disminución de la resistencia
característica a compresión (fck) del hormigón de áridos
silíceos a altas temperaturas.
93
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
La pérdida de resistencia del hormigón con el
aumento de la temperatura se muestra de forma
gráfica en la figura 1, extraída del Eurocódigo 2, parte
1-2, en la que se observa que para temperaturas
inferiores a 100ºC no hay apenas pérdida de
resistencia significativa. En cambio para el rango de
temperaturas comprendidas entre los 100ºC y los
400ºC la resistencia a comprensión disminuye de
forma progresiva hasta llegar al 80% de la resistencia
inicial. Al llegar a los 600ºC, la resistencia ha
disminuido hasta un 50% y a los 900ºC se produce la
degradación total del hormigón.
Esta disminución en la resistencia debido al
aumento de temperatura va acompañada de una
transformación del aspecto externo del hormigón que
se puede apreciar con una inspección ocular. Ensayos
de reacción del hormigón con el aumento de
temperatura nos delatan los cambios en la apariencia
externa del hormigón:
• 0-100ºC. Prácticamente no hay pérdida de
resistencia a compresión y la superficie del
elemento
presenta
un
color
negro
(enmascarado).
• 100-300ºC. Las primeras fisuras empiezan a
hacerse visibles, principalmente en la zona de
estribos; el hormigón adquiere un color gris
claro debido a que el agua de composición sale
fuera arrastrando la portlandita y creando una
capa externa de cal. La resistencia a
compresión disminuye aproximadamente un
15%.
• 300-600ºC. El hormigón adquiere un tono
rosáceo por la alteración de los compuestos de
hierro. Las pérdidas de resistencia a
compresión oscilan alrededor del 50%.
• 600-900ºC. La superficie del hormigón
adquiere una segunda tonalidad de color gris
claro con partículas rojas que indican una alta
succión de agua. A partir de los 600ºC la
resistencia del hormigón es prácticamente
despreciable.
• >900ºC. A esta temperatura el hormigón
adquiere un color blanco/amarillo, se produce
la destrucción total del conglomerante y el
hormigón se vuelve blando.
Coeficiente kc(T)
1
0,8
0,6
1
0,4
2
0,2
0
100
300
500
700
900
1100
Temperatura [ºC]
Fig. 2: Coeficiente kc(T) de disminución de la resistencia
característica a compresión (fyk) del acero de armar a altas
temperaturas.
Curva 1: kc(T) aplicable a deformaciones εs≥ 2,0%
Curva 2: kc(T) aplicable a deformaciones εs< 2,0%
Coeficiente kc(T)
1
0,8
0,6
2
0,4
1
0,2
0
100
300
500
700
900
1100
Temperatura [ºC]
Fig. 3: Coeficiente kc(T) de disminución de la resistencia
característica a compresión (fyk) del acero de pretensar a
altas temperaturas.
Curva 1: barras
Curva 2: alambres y cordones
A modo de ejemplo se puede decir que a una
pérdida de resistencia del 50% en el acero para armar
se llega con temperaturas próximas a los 500-600ºC,
mientras que en el acero pretensado se llega con
temperaturas inferiores de aproximadamente 400ºC.
Este hecho es especialmente importante si
tenemos en cuenta que la mayoría del acero
pretensado utilizado en edificación se localiza en
viguetas de forjado, elementos especialmente
sensibles al efecto de las altas temperaturas por el
poco recubrimento que suelen tener.
Al enfriarse, el acero recupera parte de su
capacidad inicial. Se considera que para temperaturas
inferiores a 500ºC prácticamente puede recuperar el
100% de su capacidad, excepto los aceros
deformados en frío (utilizados entre los años 1960 y
1975) y los aceros de pretensar que tienen
comportamientos diferentes.
2.2. El acero
El comportamiento del acero sometido a elevadas
temperaturas es diferente si se trata de armadura
activa (pretensado) o pasiva (barras de armar). Tal y
como se puede observar en las figuras 2 y 3 del
Eurocódigo 2, parte 1-2, la pérdida de resistencia del
acero es mucho mayor en acero de pretensar que en
acero de armar.
94
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
capas de recubrimiento del hormigón y disminución
de la protección que éste confiere a las armaduras. La
velocidad de avance de la calcinación y el proceso de
las capas sucesivas calcinándose dependen de varios
factores pero en líneas generales puede decirse que
está en el orden de entre 3 y 5 cm de avance en la
primera hora del incendio.
2.3. El hormigón armado
El principal problema que afecta a una estructura
de hormigón armado expuesta a temperaturas
elevadas es la pérdida de adherencia que se produce
entre el acero y el hormigón que lo envuelve. A pesar
de tener un coeficiente de dilatación parecido, el
acero es mucho mejor conductor y puede alcanzar
elevadas temperaturas en zonas donde incluso el
hormigón se encuentra relativamente frío. Al coger
más temperatura, se dilata y se producen unas
tensiones importantes en el perímetro de la barra
(zona de unión del hormigón-acero) con la
consiguiente fisuración del hormigón y la pérdida de
adherencia entre ambos materiales. Esta pérdida es
mayor después del incendio, cuando se enfría el
material y se originan nuevos movimientos que
llegan, en muchos casos, al desprendimiento del
hormigón de recubrimiento.
Otra consecuencia importante es la pérdida de
durabilidad del elemento, ya que se aumenta la
fisuración, se reducen los recubrimientos al
evaporarse de forma brusca el agua contenida en los
poros, lo que provoca unas tensiones importantes que
originan el desprendimiento explosivo del hormigón
(efecto spalling) y, además, el hormigón sufre un
proceso de carbonatación que provoca un aumento de
la profundidad del frente de carbonatación.
2.5. Recubrimientos en elementos de hormigón.
Una vez analizado el mecanismo de protección
que ofrece el hormigón a las armaduras, cabe
mencionar que en determinados países, muchos de
estos temas se regulan por los seguros quienes emiten
recomendaciones para los distintos tipos de
protección contra el fuego a partir de datos empíricos
obtenidos de ensayos de resistencia al fuego.
Estas recomendaciones conducen a determinar
cuantas horas resisten ciertos elementos de hormigón
armado al fuego. Sin embargo, desde el punto de
vista práctico, no son de fácil aplicación en el diseño
diario rutinario de una estructura de hormigón
armado.
En la siguiente figura 4 se muestra una sección de
una viga de 30 cm de ancho y 40 cm de canto y las
curvas isotermas en la sección de hormigón normal a
las dos horas de haberse iniciado el fuego. La línea de
500ºC está aproximadamente a 3,5 cm desde el fondo
y el lateral de la viga, lo que nos indica que si la
armadura se coloca con ese recubrimiento comenzará
a fallar por recalentamiento a la temperatura crítica
alcanzada a 500ºC a las dos horas del fuego.
2.4. Inercia a la transmisión de calor
La transmisión térmica, cuando la temperatura del
fuego es superior a 100ºC, es afectada por un
fenómeno muy particular que poseen los materiales
derivados del cemento, como son el cemento, el yeso
y la cal. Estos materiales compuestos obtienen su
consistencia, resistencia y rigidez por el fraguado con
agua que viene a integrarse dentro de la configuración
cristalográfica y molecular del compuesto. Cuando
estos materiales son sometidos a altas temperaturas,
muy por encima de los 100ºC, se inicia en su interior
un proceso opuesto al fraguado con la evaporación
del agua contenida en los huecos y luego el agua
molecular. Este proceso se denomina calcinación y
donde al final el hormigón deja de tener consistencia
y toma un tono rojizo.
Este proceso es relativamente lento y el material
trata de resistir el proceso de evaporación pero con la
virtud que, mientras dura el proceso, no se sobrepasa
la temperatura de ebullición del agua. Así, la
calcinación viene a ser un proceso relativamente lento
por capas donde cada una de estas capas estará a
100ºC mientras se evapora el agua de la misma y
luego aumentará su temperatura hasta llegar a las
armaduras que comienzan a sobrecalentarse.
En el proceso de calentamiento del hormigón se
produce vapor de agua que, al estar confinado, genera
presiones y con ello grietas y desprendimientos de
150ºC
40
260ºC
370ºC
480ºC
595ºC
705ºC
815ºC
925ºC
30
Fig. 4: Curvas isotermas de distribución de temperatura en
una sección rectangular de hormigón normal de áridos
silíceos a las 2 horas de exposición al fuego.
La figura anterior muestra claramente cómo
resulta necesario disponer los recubrimientos
mínimos indicados en la vigente normativa de
hormigón armado si se pretende asegurar
mínimamente que el acero de las armaduras no se
ablande y colapsen las vigas.
95
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El acero, como material con alta ductilidad
térmica, se calienta de modo inmediato, de modo que
expuesto directamente al incremento de temperaturas
producido por el fuego, adquiere inmediatamente la
temperatura que se alcanza en el incendio. No se
comporta de la misma manera el hormigón que se
calienta mucho más lentamente alcanzando
temperaturas inferiores a las que para cada instante se
alcanzan en el incendio.
La tabla II indica la temperatura que se alcanza en
un incendio, de acuerdo con la curva normalizada y
en función del tiempo que dura el incendio, la
temperatura que alcanzaría un acero estructural y la
que alcanzaría una losa de hormigón de 10 cm de
espesor a diversas profundidades, medidas desde la
cara exterior próxima al incendio. Esta profundidad
se denomina recubrimiento de la armadura.
2.5. Resistencia al fuego del hormigón armado.
La resistencia al fuego es suministrada para los
distintos elementos que se emplean en la construcción
de hormigón armado, en los prefabricados e incluso
en los pretensados, informando simplemente de las
condiciones, dimensiones mínimas y recubrimientos
mínimos para las resistencias al fuego (RF) definidas
por el tiempo de protección a 30, 60, 90, 120 y 180
minutos. En la tabla I se muestran las dimensiones
mínimas del ancho de la pieza (b) y de sus
recubrimientos inferior (rinf) y lateral (rlat) de una
sección de una viga isostática realizada con hormigón
normal para asegurar la resistencia al fuego antes de
que las armaduras empiecen a reblandecerse, según se
especifica en la norma DIN 4021.
Dimensión
b (500 ºC)
b (350 ºC)
rinf
rlat
N (barras)
Dimensiones mínimas (mm)
RF30 RF60 RF90 RF120 RF180
80
120
150
200
240
120
160
190
240
350
25
40
55
65
80
35
50
65
75
90
2
2
2
2
2
Tiempo
(min)
30
60
90
120
180
Tabla I: Dimensiones mínimas del ancho de la pieza (b) a
diferentes temperaturas y de sus recubrimientos inferior
(rinf) y lateral (rlat), según DIN 4021.
Temperatura alcanzada (ºC)
En el
En la armadura con
En el
acero sin recubrimiento r (cm)
incendio
protección
r=3
r = 4,5
815
815
205
140
925
925
370
270
990
990
490
350
1.030
1.030
570
425
1.100
1.100
660
510
Tabla II: Temperaturas alcanzadas en el acero sin
protección y con recubrimiento, según la duración del
incendio.
Esta norma admite considerar el espesor de los
revestimientos de la pieza como parte del espesor de
recubrimiento. Pero por otro lado, si los
recubrimientos requeridos por fuego fueran mayores
de 4 cm, sería necesario colocar mallas de acero de
15x15 cm, de por lo menos 2,5 mm de diámetro y
unidas a la armadura principal a no más de 50 cm
entre puntos de unión, para asegurar que los
recubrimientos no se separen del cuerpo de la viga.
Otro punto a considerar en los elementos
prefabricados con hormigones pretensados es que
para los aceros especiales usados en esas obras es
necesario reducir las temperaturas críticas de ese
acero. En el caso de aceros especiales tratados en frío,
esa temperatura baja a 350 ºC, con lo cual los
recubrimientos a centro de las barras aumentan
considerablemente. En estos hormigones con aceros
pretensados, los recubrimientos indicados en la tabla I
deben incrementarse en 15 mm.
El efecto del aumento de la temperatura sobre la
estructura es doble: por una parte afecta a las
características resistentes de los materiales (hormigón
y acero en armaduras) y por otra genera deformación
(dilatación) impuesta que al no ser, en general, libre
origina los esfuerzos correspondientes. Esta acción
sobre el elemento se resume en una pérdida de
capacidad resistente y en una disminución del módulo
de elasticidad. La tabla III recoge la disminución, en
tanto por ciento, de la resistencia a tracción del acero
de la armadura (fyk), de la resistencia a compresión del
hormigón con árido silícico (fck) y del módulo de
elasticidad del acero y del hormigón, en función de la
temperatura alcanzada por el material.
Temp.
(ºC)
20
400
500
600
700
3. Principios de dimensionado de las
estructuras de hormigón frente al fuego
El hormigón estructural, armado y pretensado,
combina el material acero de las armaduras y el
material hormigón que conforma el elemento
estructural que, mediante el espesor del recubrimiento, separa y protege al acero del exterior.
Disminución de
Disminución módulo
resistencia (%)
de elasticidad (%)
Acero
Hormigón Acero
Hormigón
0
0
0
0
15
15
30
75
30
30
40
83
60
40
70
90
85
60
87
90
Tabla III: Disminución de resistencia a tracción del acero y
a compresión del hormigón y de los módulos de elasticidad.
96
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Con los recubrimientos usualmente utilizados de
entre 3 y 5 cm al centro de gravedad de la armadura
pasiva, las secciones habituales de hormigón armado
resultan suficientes para dar una buena respuesta ante
el fuego y asegurar la resistencia al fuego requerida.
Por todo ello el comportamiento de las estructuras
de hormigón sometidas a la acción del fuego es
correcto, cumpliendo con las condiciones de
estabilidad requeridas en situación accidental, lo que
permite desarrollar los trabajos de extinción del fuego
y, en su caso, de auxilio de forma eficaz.
De las anteriores tablas se deduce que la
resistencia de los materiales cuando alcanzan una
temperatura crítica de 500 ºC se reduce al 70% de la
que presentan a temperatura ambiente y que, para
dicha temperatura la deformación del acero resulta ser
1,70 veces superior a la correspondiente a 20 ºC y en
el hormigón 6 veces superior.
La fuerte disminución de los módulos de
elasticidad hace que la estructura bajo la acción del
fuego sea mucho menos rígida, por lo cual su
deformabilidad aumenta y puede aceptar elevadas
deformaciones impuestas por el incremento de
temperatura sin que aparezcan esfuerzos de
importancia.
Por otra parte la combinación de cargas con que
se comprueba la resistencia al fuego de una estructura
es, en general, la correspondiente a la situación
accidental, con todos los coeficientes de mayoración
iguales a la unidad y, además, con el valor de la
sobrecarga frecuente (caso de la sobrecarga
determinante) y el valor cuasi permanente de las
demás sobrecargas concomitantes con la determinante. Se trata, en consecuencia, de un estado de
cargas inferior a aquel que se ha utilizado para el
dimensionado de la estructura en los diferentes
Estados Límite Últimos. Es habitual considerar que la
totalidad de las cargas (valores ponderados),
representa el 70% del valor mayorado utilizado para
asegurar la resistencia de la estructura en los Estados
Límite Últimos.
Las razones anteriormente expuestas son la base
del dimensionado de las estructuras frente a la acción
del fuego. De acuerdo con la Instrucción EHE y con
el Eurocódigo 2, parte 1-2, se utiliza un
procedimiento simplificado de dimensionado
consistente en disponer secciones de hormigón con
dimensiones adecuadas a la resistencia al fuego
requerida, que se indican en unas tablas de uso
directo. Las mismas tablas indican el recubrimiento
de cálculo que debe tener la armadura dispuesta así
como las precauciones a considerar según el fuego
alcance al elemento de hormigón en una, dos, tres o
las cuatro caras.
El método directo de utilización de las
mencionadas tablas puede afinarse considerando las
líneas isotermas de distribución de la temperatura en
la sección del elemento estructural considerado,
establecer la capacidad resistente del hormigón y de
las armaduras de acero sometidas a las temperaturas
correspondientes a la resistencia al fuego requerida y,
por último, comprobar que, en estas condiciones, la
resistencia de cada sección es superior a los esfuerzos
que en ella provocan las cargas totales en situación
accidental.
Estos métodos de cálculo sencillos evidencian la
conveniencia de disponer forjados y vigas continuas
ya que en ellos el fuego suele afectar a la cara
inferior, pero no a la superior.
4. Bases de cálculo y método basado en
tablas para soluciones específicas
Los modelos utilizados tanto para la resistencia
como para la rigidez de los materiales a temperaturas
elevadas son válidos para incrementos de temperatura
situados entre 2 y 50 ºC/min. Según la temperatura
alcanzada, los valores de cálculo deben tener en
cuenta un factor de reducción de la resistencia o de la
deformación y un coeficiente parcial de seguridad
para la situación de incendio, normalmente igual a
1,0, tanto para el hormigón como para el acero.
Respecto a las propiedades del hormigón, hay que
distinguir entre situaciones de compresión y de
tracción. En el caso de los hormigones comprimidos a
temperaturas elevadas se adopta un modelo
matemático para la relación tensión-deformación en
función de la temperatura, donde se distinguen los
siguientes parámetros: la resistencia a compresión
(fc,θ), la deformación correspondiente a la máxima
tensión de compresión (εc1,θ) y una deformación
última (εcu,θ), recomendadas en las tablas A.1 y A.2
del Eurocódigo 2, parte 1-2. Si el hormigón se
encuentra traccionado, su resistencia se puede
considerar nula a altas temperaturas, con lo cual
queda del lado de la seguridad.
El modelo utilizado para las armaduras activas es
el mismo que para las armaduras pasivas y se
considera que los siguientes parámetros varían con
las temperaturas: la pendiente de la curva tensióndeformación en el tramo elástico (εs,θ), la tensión
límite proporcional (fsp,θ) y el nivel máximo de
tensión (fsmáx,θ).. Estos valores para aceros laminados
en caliente o en frío se pueden encontrar en las tablas
A.3, A.4, A.5 y A.6 del Eurocódigo 2, parte 1-2.
Por lo que respecta al análisis de los elementos
estructurales se considera que, para las reacciones en
los soportes, las fuerzas internas y los momentos en el
instante t0 hay que aplicar un coeficiente de
minoración de las cargas de proyecto en la situación
de incendio que el Eurocódigo 2, parte 1-2
recomienda que sea 0,7, como simplificación. Se
considera asimismo que las condiciones de traba en
los soportes para el tiempo t0 no cambian durante el
tiempo de exposición al incendio.
97
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El método aquí expuesto para el dimensionado de
las tipologías estructurales específicas está basado en
las tablas incluidas en el Eurocódigo 2, parte 1-2 y
que proporcionan las dimensiones mínimas de los
elementos para que resistan al fuego, considerando
que se cumplen los detalles de armado indicados en el
Eurocódigo. Al usar estas tablas no es necesario hacer
comprobaciones adicionales relativas a cortante,
torsión, anclaje o spalling, y los valores son
aplicables a hormigones de árido silíceo para tiempo
de exposición al fuego normalizado de hasta 240
minutos. Para hormigones fabricados con áridos
calcáreos, las dimensiones mínimas se deben reducir
un 10%. Para hormigones ligeros con densidades
inferiores a 1,2 T/m3 se pueden reducir hasta un 20%.
Los valores que se recogen en las tablas
consideran una temperatura crítica en la armadura
pasiva de 500 ºC, de 400 ºC para barras de pretensado
y de 350 ºC para cables y tendones y es necesario
realizar los ajustes pertinentes en las dimensiones de
la sección trasversal. En el caso de elementos
sometidos a tracción o vigas en que la temperatura
crítica del acero no se prevé que vaya a superar los
400 ºC, hay que incrementar las dimensiones de la
sección o incrementar el recubrimiento mecánico de
las armaduras.
4.2. Dimensionado de muros
El grosor mínimo de muros no portantes
(particiones) se tiene que fijar en función de la
resistencia al fuego requerida e indicada en la tabla V.
La relación entre la altura libre del muro y su grosor
no debe ser superior a 40. En el caso de que se
utilicen áridos calcáreos u hormigones ligeros se
admite una reducción del 10% en el grosor del muro.
Resistencia al fuego normalizado
RF30
RF60
RF90
RF120
RF180
RF240
Tabla V: Grosor mínimo en muros no portantes.
En el caso de los muros de carga, los grosores
necesarios para cubrir los requisitos de resistencia al
fuego se indican en la tabla VI. Si además fuera
necesario satisfacer el criterio de impacto, los
grosores mínimos del muro serían 200 mm para
muros no armados, 140 mm para muros de carga
armados y 120 mm para muros armados no portantes.
4.1. Dimensionado de pilares
Resistencia
μfi = 0,35
μfi = 0,70
al fuego Expuesto Expuesto Expuesto Expuesto
normalizado una cara dos caras una cara dos caras
RF30
100/10
120/10
120/10
120/10
RF60
110/10
120/10
130/10
140/10
RF90
120/20
140/10
140/25
170/25
RF120
150/25
160/25
160/35
220/35
RF180
180/45
200/45
210/55
300/55
RF240
230/60
250/60
270/70
360/70
El método es aplicable a pilares de hormigón
armado o pretensado sometidos a compresión. La
tabla IV muestra la dimensión menor del pilar bmin y
del recubrimiento mecánico a para cumplir los
diferentes criterios de resistencia al fuego.
Se debe introducir un factor de reducción para los
esfuerzos de proyecto o comprobación, tanto para las
combinaciones de cargas como para los axiles o
momentos de cálculo y efectos de segundo orden.
μfi = NEd,fi / NRd
Grosor mínimo
[mm]
60
80
100
120
150
175
Tabla VI: Dimensiones y recubrimientos mecánicos para
muros portantes de hormigón armado, en mm.
(1)
Donde:
NEd,fi es el axil en situación de fuego,
NRd es el axil último en condiciones normales
4.3. Dimensionado de vigas
Las dimensiones de las siguientes tablas VII y
VIII garantizan la resistencia al fuego de vigas
simplemente apoyadas y continuas armadas y
pretensadas, simplemente apoyadas, con hasta 3 caras
de exposición al fuego. Estas tablas son válidas para
secciones rectangulares, trapezoidales y doble T. En
el caso de que la anchura real de la cabeza sea
superior a 1,4·bw (anchura del alma) se debe
incrementar el recubrimiento mecánico de la
armadura. Además, como en las esquinas inferiores
se produce una mayor concentración de calor, la
distancia desde el eje de las armaduras hasta cerca de
la viga –en barras de esquina, tendones y alambres en
el fondo de vigas con sólo una capa de armadura– se
debe incrementar en 10 mm.
Resistencia
Nivel de exposición al fuego del pilar
al fuego
Más de una cara
Una cara
normalizado μfi = 0,2 μfi = 0,5 μfi = 0,7 μfi = 0,7
RF30
200/25
200/25
200/32
155/25
RF60
200/25
200/36
250/46
155/25
RF90
200/31
300/45
350/53
155/25
RF120
250/40
350/45
350/57
175/35
RF180
350/45
350/63
450/70
230/55
RF240
350/61
450/75
-295/70
Tabla IV: Dimensión menor y recubrimientos mecánicos
para pilares, bmin/a en mm.
98
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Resistencia
al fuego
RF30
RF60
RF90
RF120
RF180
RF240
Relación bmin/a [mm]
80/25
120/40
150/55
200/65
240/80
280/90
120/10
160/35
200/45
240/60
300/70
350/80
160/15
200/30
250/40
300/50
400/65
500/75
200/15
300/25
400/35
500/50
600/60
700/70
Para mayores porcentajes de redistribución, es
necesario abordar el problema como losa
simplemente apoyada.
En el caso de losas planas con redistribución de
momentos de hasta un 15%, las dimensiones mínimas
se indican en la tabla X. Para resistencias al fuego
RF90 o superiores, al menos el 20% de la armadura
superior se debe prolongar en cada dirección sobre
los soportes intermedios en toda la obertura.
Ancho
alma bw
80
100
110
130
150
170
Tabla VII: Dimensiones mínimas y recubrimientos para
vigas armadas y pretensadas simplemente apoyadas.
Resistencia
al fuego
RF30
RF60
RF90
RF120
RF180
RF240
En el caso de las cabezas 3,5 veces mayores que
la anchura del alma es necesario aplicar las reglas
correspondientes a las vigas expuestas al fuego por
todos los lados.
Resistencia
al fuego
RF30
RF60
RF90
RF120
RF180
RF240
Ancho
alma bw
-80
-100
-110
500/30
130
600/40
150
700/50
170
Relación bmin/a [mm]
80/15
120/25
150/35
220/45
240/60
280/75
160/12
200/12
250/25
300/35
400/50
500/60
---350/35
550/50
650/60
Espesor losa, hs
150
200
200
200
200
200
Recubrimiento
mecánico, a
10
15
25
35
45
50
Tabla X: Dimensiones mínimas y recubrimientos para losas
planas macizas, armadas y pretensadas, en mm.
Para losas nervadas unidireccionales, es necesario
seguir para los nervios los criterios indicados para el
caso de vigas, y para la cabeza, los indicados para las
losas.
En el caso de losas nervadas bidireccinoales, su
resistencia al fuego queda garantizada si se cumplen
los valores que recogen las tablas XI i XII. Además
de esos valores, debemos incrementar en 10 mm el
recubrimiento mecánico de la armadura en la cara
lateral expuesta al fuego.
Tabla VIII: Dimensiones mínimas y recubrimientos para
vigas continuas armadas y pretensazas, en mm.
La altura de las vigas expuestas por todas las caras
no debe ser inferior a la anchura mínima exigida.
Además, la sección transversal no debe ser inferior a
2·bmin y para resistencias al fuego normalizado de
120, 180 y 240 se deben aumentar las dimensiones de
la viga en el primer soporte intermedio hasta 220, 380
y 480 mm, respectivamente.
Resistencia
al fuego
RF30
RF60
RF90
RF120
RF180
RF240
4.4. Dimensionado de losas
Las dimensiones mínimas de losas macizas y
forjados unidireccionales y bidireccionales simplemente apoyados para garantizar la resistencia al
fuego, con exposición por 3 caras y redistribución de
momentos inferior al 15%, se muestran en la tabla IX.
≤80/15
100/35
120/45
160/60
220/90
280/90
bmin/a
[mm]
-120/25
160/40
190/55
260/70
--
-200/15
250/30
300/40
410/60
500/70
hs/a
[mm]
80/10
90/10
100/15
120/20
150/30
175/40
Tabla XI: Dimensiones mínimas del nervio, espesor y
recubrimiento mecánico para losas nervadas bidirecionales,
armadas o pretensadas, simplemente apoyadas.
Resistencia Espesor Recubrimientos mecánicos, a
al fuego de losa, hs UnidirecBidireccional
normalizado [mm]
cional ly/lx≤1,5 ly/lx≤1,2
RF30
60
10
10
10
RF60
80
20
10
15
RF90
100
30
15
20
RF120
120
40
20
25
RF180
150
55
30
40
RF240
175
65
40
50
Resistencia
al fuego
RF30
RF60
RF90
RF120
RF180
RF240
Tabla IX: Dimensiones mínimas y recubrimientos
mecánicos de losas macizas armadas y pretensadas,
unidireccionales y bidireccionales, simplemente apoyadas.
lx, ly : luces de la losa, donde lx<ly.
80/10
100/25
120/35
160/45
310/60
450/70
bmin/a
[mm]
-120/15
160/25
190/40
600/50
700/60
-200/10
250/15
300/30
---
hs/a
[mm]
80/10
90/10
100/15
120/20
150/30
175/40
Tabla XII: Dimensiones mínimas del nervio, espesor y
recubrimiento mecánico para losas nervadas bidirecionales,
armadas o pretensadas, con al menos un borde empotrado.
99
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Si se utiliza el procedimiento de valores
tabulados, los recubrimientos mecánicos mínimos de
las armaduras se deben incrementar en un 35% en
relación con los valores indicados para hormigones
convencionales.
La capacidad de momento en vigas y losas se
puede calcular de acuerdo con la sección transversal
efectiva utilizando los métodos aplicables al
dimensionado normal, pero aplicando el factor
adicional de reducción que se indica en la tabla XIII,
según el elemento a analizar.
En el caso de redistribuciones de momentos
superiores al 15%, los recubrimientos mecánicos son
los indicados para las losas unidireccionales, y el
grosor mínimo debe ser el correspondiente a una losa
plana maciza. Para resistencias RF90 o superiores, al
menos un 20% de la armadura superior sobre cada
soporte se debe prolongar en cada dirección a lo largo
de toda la obertura. En el caso de losas nervadas
continuas, la armadura superior se debe situar en la
mitad superior de la cabeza.
4.5. Hormigón de alta resistencia
Factor de
reducción
Viga
0,95
Losa expuesta al fuego en zona de compresión
0,95
Losa expuesta al fuego en zona de tracción
0,95
Elemento
El Eurocódigo 2, parte 1-2 cubre los hormigones
de alta resistencia comprendidos entre las clases
C55/67 y C90/105, y quedan fuera los hormigones
ligeros de altas resistencias y los fuegos ocasionados
por hidrocarburos.
El comportamiento del hormigón a compresión a
temperaturas elevadas se puede asimilar al de un
hormigón normal con árido silíceo para las clases
resistentes comprendidas entre la C55/67 y la C80/95.
Para las clases C80/95 y C90/105 es necesario aplicar
un factor de reducción que depende de la temperatura
en que se encuentre el material.
Por lo que respecta al fenómeno del spalling, los
hormigones desde C55/67 hasta C80/95 se pueden
considerar hormigones convencionales, siempre que
el contenido máximo de humo de sílice no supere el
6% sobre el peso de cemento. En el caso de
hormigones de las clases C80/95 y C90/105 es
necesario disponer una malla de reparto 50x50 mm y
de al menos 2 mm de diámetro con un recubrimiento
nominal de 15 mm y añadir más de 2 kg/m3 de fibras
de propileno de monofilamento en el hormigón.
Tanto la conductividad térmica como el calor
específico del hormigón de alta resistencia en estado
seco y húmedo dependen de la temperatura del
material. Las diferencias en el campo de temperaturas
entre hormigones de alta resistencia y convencionales
se puede considerar despreciable.
En soportes y muros de hormigones de alta
resistencia la comprobación de la capacidad de carga
se puede hacer, con una sección reducida, utilizando
métodos aplicables al proyecto normal. La sección
transversal reducida se debe obtener sobre la base de
métodos simplificados a los cuales se incorpora una
reducción correspondiente al hormigón dañado por el
fuego y la influencia de fenómenos de inestabilidad.
A este efecto, reducción de la sección transversal
correspondiente a la isoterma de 500 ºC se debe
aumentar en un 35%, lo cual la transforma,
aproximadamente, en la isoterma de 400 ºC. El
método de la zona se puede utilizar para calcular la
capacidad de momento para las secciones
transversales sometidas a la combinación de
momentos y axiles.
Tabla XIII: Factor de reducción para capacidad de
momento para vigas y losas.
Como se utiliza el método de valores tabulados en
vigas y losas, el valor mínimo del recubrimiento
mecánico de la armadura se debe incrementar en un
10% en relación con los valores indicados para
hormigones convencionales.
5. Sistemas de evaluación de una
estructura afectada por el fuego
Para una correcta evaluación de una estructura
afectada por el fuego hay que combinar la
información que se puede obtener con ensayos de
laboratorio con una precisa inspección visual.
La evaluación se inicia con una inspección ocular
para realizar una primera clasificación de los
elementos según su grado de afectación basándose en
el aspecto que presentan los distintos elementos, el
estado en que se encuentran los materiales
confrontantes y la información que puedan facilitar
los agentes implicados (propietarios, bomberos,
vecinos…) de las características del incendio (origen,
evolución, distribución de las cargas de fuego, etc.).
El siguiente paso es determinar para cada grado
de afectación la capacidad residual del hormigón que,
comparándola con la de un elemento del mismo
edificio que no haya sido afectado, nos permitirá
hacernos una idea aproximada de las temperaturas
que se han alcanzado en la zona.
También resulta útil la observación de los demás
materiales próximos al elemento de hormigón
armado, ya que su estado (fundido, deformado o no
afectado) ayudará a conocer las temperaturas
alcanzadas. Como ejemplo de diferentes materiales,
podemos observar las temperaturas de fusión de
distintos materiales en la siguiente tabla XIV.
100
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El estudio por ultrasonidos se completa con la
extracción de probetas testimonio en puntos donde se
hayan obtenido valores de propagación característicos
para determinar la resistencia real del hormigón en
este punto. El testimonio que se extrae también
permite determinar fácilmente el frente de
carbonatación aplicando en él una disolución de
fenolftaleína al 1%.
Si después de este primer estudio se considera la
viabilidad del elemento hay que realizar un ensayo
complementario para garantizar el correcto
comportamiento del elemento en su conjunto. Los
ensayos que se realizan con más frecuencia son las
pruebas de carga o la ruptura de un elemento en
laboratorio.
Puntos de fusión de distintos materiales
Material
ºC
Acero estructural
1.900
Níquel
1.453
Acero inoxidable
1.450
Cobre
1.083
Latón
904/990
Aluminio
660
Zinc
417
Plomo
327
Vidrio
1.500
Plásticos (punto de reblandecimiento
80/295
Tabla XIV: Temperatura de fusión de distintos materiales
La determinación de la capacidad residual del
hormigón se puede realizar mediante un estudio por
ultrasonidos. Esta técnica se considera la más fiable
para este tipo de estudio por dos motivos principales:
• Al ser un ensayo no destructivo se puede
realizar en todos los elementos afectados y en
diversos puntos de cada elemento en función
de la distribución del fuego.
• Hay una coincidencia entre la temperatura a la
que se produce la pérdida de adherencia entre
hormigón y acero y la caída residual de la
velocidad de propagación de las ondas.
5.1. Inspección de pilares
• El calor tiene tendencia a subir. Por tanto, la
parte más afectada suele ser la parte superior
del pilar, donde las temperaturas que se
alcanzan son mayores.
• Los pilares centrales suelen quedar más
afectados, ya que no disponen de cierres en
alguno de sus laterales que los pueden
proteger.
• Cuanto mayor sea la cuantía de acero del pilar,
más sensible será al efecto del fuego.
• Especial consideración merecen los pilares
sometidos a excentricidades, ya que el
deterioro más acusado de las esquinas puede
provocar que la pérdida de la capacidad a
flexión sea superior que a compresión. Se
puede dar el caso de que pilares sometidos a
compresión centrada quedarían por el lado de
la seguridad, sometidos a pequeñas excentricidades queden por el de la inseguridad.
5.2. Inspección de vigas, losas y forjados
• Las vigas de canto quedan más afectadas que
las jácenas planas, ya que tienen más
superficie expuesta.
• Las viguetas son el elemento que queda más
afectado debido al pequeño diámetro de las
barras y/o alambres y a los recubrimientos
menores.
• En viguetas armadas, la ruptura se produce tras
el incendio, al enfriarse la armadura y perder la
adherencia con el hormigón.
• En viguetas pretensazas, al calentarse se
dilatan y pierden el pretensado colapsando
durante el incendio.
• Hay que inspeccionar siempre la cara superior
de un forjado que ha sufrido un incendio en el
piso inferior, aunque pueda parecer que no se
encuentra afectado. Al calentarse más la parte
Fig. 5: Aspecto de una estructura de hormigón después de
un incendio. Se observa la estabilidad casi intacta de la
estructura en comparación con el desprendimiento que han
sufrido los muros cortina de cerramiento.
101
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Determinadas circunstancias desgraciadas y
lamentables en las que el fuego devora nuestras
construcciones, permiten constatar fehacientemente la
resistencia al fuego de las estructuras de hormigón
adecuadamente dimensionadas y ejecutadas a tal fin.
inferior, los materiales dilatan más en esa zona,
aumentando la apariencia de flecha, estos
cambios provocan un aumento de momentos
negativos, haciendo que el punto de cortante
máximo se desplace hacia el centro del
elemento, generándose unas tensiones en la
cara superior donde la armadura puede ser
insuficiente para absorberlas.
Referencias
[1]
6. Conclusiones
[2]
El hormigón, debido a su baja conductividad
térmica y al espesor de las secciones resistentes de las
estructuras de hormigón estructural, evita que la
temperatura interior de la estructura sea la que se
alcanza en el incendio, dando tiempo a que el fuego
controle eficazmente, y se extinga, sin que dicha
temperatura interna llegue a alcanzar los valores para
los que se produciría el agotamiento de la estructura.
Este hecho unido a la posible redistribución de
esfuerzos que una estructura de hormigón bien
dimensionada frente al incendio puede admitir,
permite ofrecer como prestación del hormigón una
buena resistencia al fuego, lo que se traduce en que
una estructura de hormigón proporciona la resistencia
al fuego requerida sin más que dimensionar
adecuadamente el recubrimiento de las armaduras y,
por tanto, de modo eficaz, seguro y muy competitivo.
[3]
[4]
[5]
102
Gemma Soler Pujol. “Los efectos de fuego sobre el
hormigón armado”, nivell. CECAM, nº 6, Abril 2006,
pp. 6-10.
Manuel Burón Maestro. “Resistencia al fuego de las
estructuras de hormigón”, Cemento Hormigón.
Ediciones Cemento, SL, nº 873, Marzo 2005, pp. 5457.
Sergio Carrascón Ortiz y Juan Carlos López Agüí.
“Métodos de proyecto o evaluación de la resistencia
al fuego de estructuras de hormigón armado”,
Cemento Hormigón. Ediciones Cemento, SL, nº 864,
Julio 2004, pp. 34-52.
Comité europeo de normalización. “Eurocódigo 2:
Proyecto de estructuras de hormigón. Parte 1-2:
Reglas generales. Proyecto de estructuras frente al
fuego. Norma ENV 1992-1-2”. AENOR, 1996.
Roberto Dannemann. “Hormigón armado. Resistencia
al fuego bajo sospecha”, revista BIT, Julio 2003, pp.
36-38
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 3. CURSO 2003-2004
103
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
RECOMENDACIONES DE PRODUCCIÓN Y UTILIZACIÓN
DE HORMIGÓN RECICLADO
Alberte, Elaine Varela Pinto
UPC / Doctoranda en Ingería Ambiental
[email protected]
Louzada, Desilvia Machado
UPC / Doctoranda en Ingeniería de la Construcción
[email protected]
Departamento de Construcción / Materiales de Construcción
C/ Jordi Girona 1-3 Ed.B1 109 Barcelona 08034 / 934017263 / 934017262
Resumen: Este trabajo se constituye de un resume de
recomendaciones de producción y utilización de
hormigones estructurales con substituciones de árido grueso
reciclado. Ha sido desarrollado de manera práctica tal que
sus usuarios puedan hacer una consulta rápida cuando les
necesite. De esta manera este documento abarca de modo
general aspectos envueltos desde el diseño y selección de
materiales hasta la ejecución, control y propiedades del
hormigón producido con árido reciclado.
El objetivo de este documento es contribuir para el uso
de áridos reciclados en hormigones, y así promover el
fortalecimiento de una práctica más sostenible de la
industria de la construcción civil.
estructural (Instrucción EHE), no que se refiere a
recomendaciones específicas sobre la utilización del
árido reciclado en esta aplicación.
Este
trabajo
presenta
un
resume
de
recomendaciones de producción y utilización de
hormigón reciclado. Así, esta documentación tiene un
carácter de orientación, con el objetivo de ser una
referencia de consulta para los usuarios del hormigón
reciclado. Para obtención de más detalles deberá
consultarse la bibliografía indicada.
Palabras clave: árido reciclado, hormigón, reciclaje,
residuos de construcción.
2. Bases de proyecto
1. Introducción
La utilización de materiales secundarios (áridos
reciclados provenientes de residuos) en la producción
de materiales de construcción es una actividad cada
día más estimulada por los países de la CE
(Comunidad Europea). Las experiencias europea,
japonesa y americana demuestran que el
conocimiento existente presenta base tecnológica
suficiente para el desarrollo de este tipo de reciclaje,
de forma continua, en las áreas urbanizadas donde
existan generación de residuo y demanda por
materiales de construcción. En los EUA, Japón,
España, Francia, Italia, Inglaterra y Alemania y otros
países, la reciclaje de residuos ya es una actividad
consolidada y los gobiernos locales, cada vez más,
disponen de leyes exigiendo el uso de materiales
reciclados en la construcción y en servicios públicos.
Una de las aplicaciones más comentadas,
estudiadas y valoradas es el uso de árido reciclado
procedente del machaqueo de residuos de hormigón
para la producción de hormigón nuevo, denominado
en este trabajo hormigón reciclado.
Este material es basado en las recomendaciones
de utilización de hormigón estructural, hechas en
Noviembre de 2002 por el Grupo de Trabajo 2/5
“Hormigón Reciclado” de acuerdo con la Comisión
Permanente del Hormigón. El referido documento
complementa la reglamentación actual de hormigón
De acuerdo con la Comisión Permanente del
Hormigón, se predice que:
* La aplicación de árido reciclado está restricta a
los casos de hormigón en masa y armado,
excluyendo su uso en hormigón pretensazo;
* Sólo se debe utilizar áridos procedentes del
reciclado de hormigón convencional, con
evidenciada calidad del hormigón de origen, de
modo a garantizar la obtención final de un árido
de propiedades adecuadas y con una uniformidad
suficiente. Excluyese hormigones especiales tales
como hormigones ligeros, hormigones con fibras
o aquellos fabricados con cemento aluminoso, etc;
* Utilizar sólo exclusivamente la fracción gruesa
del árido reciclado (tamaño mínimo superior a 4
mm), sustituyendo a una cantidad limitada de
20% en peso del árido natural. Con esta
limitación, las propiedades finales del hormigón
reciclado apenas se ven afectadas en relación a las
que presenta un hormigón convencional. Para
porcentajes superiores, es necesaria la realización
de estudios específicos y experimentación
complementaria referente a cada aplicación
deseada. Resaltase que la densidad resultante del
hormigón reciclado es inferior a la de un
hormigón convencional por la menor densidad
que presenta el árido reciclado (el mortero
permanece adherido al árido natural, lo mismo no
ocurriendo con el árido reciclado). Así, cuanto
mayor es el porcentaje de árido reciclado utilizado
103
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
menor será la densidad del hormigón (ver Tabla
I);
* En caso de producción de hormigón para
ambientes agresivos, la utilización del árido
reciclado estará condicionada por la ejecución de
algunos procedimientos especiales como, por
ejemplo, utilizar una única fuente de árido
reciclado
controlada,
realizar
ensayos
complementarios, incrementar el contenido de
cemento o disminuir la relación agua/cemento en
la dosificación, etc.
Se quedan fuera de los objetivos de este
documento:
* El uso de árido fino reciclado para la fabricación
de hormigones.
* El uso de áridos reciclados de naturaleza distinta
del hormigón (áridos mayoritariamente cerámicos,
asfálticos, etc), procedentes de estructuras de
hormigón con patologías que afectan a la calidad
del hormigón (tales como álcaliárido, ataque por
sulfatos, fuego, etc.) o procedentes de hormigones
especiales tales como aluminoso, con fibras, con
polímeros, etc.
% de árido grueso
reciclado
0 - 20%
Superior al 20%
Valores característicos
de densidad
Hormigón en masa
2.300 kg/m3
Hormigón armado
2.500 kg/m3
Densidad resultante
inferior 1
áridos naturales para que la mezcla de ambos esté de
acuerdo con las normativas vigentes.
Referente a los métodos de ensayo utilizados para
los áridos reciclados, en general, se emplea los
mismos utilizados para áridos convencionales,
incluidos en la Instrucción EHE [3]. Sin embargo, en
algunos casos pueden ser necesarias modificaciones,
tal como se indica en los puntos oportunos de este
documento.
Tipo de
hormigón
Hormigón
en masa
Hormigón
armado
Tipo de cemento
Cementos
comunes
Cementos
especiales
Cementos
comunes
UNE 80301:96
Tabla II: Cementos aplicables a la fabricación del hormigón
reciclado
3.2.1. Características físicas
La fracción gruesa producida por las plantas
productoras de árido reciclado presenta generalmente
un coeficiente de forma, índice de lajas y una
granulometría adecuadas dentro de los usos
recomendables para el empleo del material en
hormigón estructural. En la tabla III se presenta las
características físicas de los áridos naturales y
reciclados para producción de hormigón reciclado
estructural.
Tabla I: Valores característicos de densidad del hormigón
por porcentual de árido reciclado [4]
Característica
Áridos
Naturales
≥ 4 mm
Áridos
Reciclados
Originados
de
hormigones
estructurales sanos, o
bien de hormigones
de
resistencia
elevada,
con
comprobado
cumplimiento de las
especificaciones
exigidas
en
los
siguientes apartados
≥ 4 mm
< 10%
≤ 10%
< 5%
< 5%.
3. Selección de los materiales
3.1. Cementos
Procedencia
En la fabricación de hormigones con áridos
reciclados son utilizados los mismos tipos de cemento
empleados en un hormigón convencional para las
mismas aplicaciones. (ver tabla II).
Estos materiales deben estar de acuerdo con las
Normas Españolas (Instrucción de Recepción de
Cementos RC-03) con una clase de la fuerza igual o
superior a 32,5 [5].
Tamaño
Desclasificados
inferiores
Partículas
menores de 4
mm
3.2. Áridos
En este punto se indican los requisitos que deben
cumplir tanto los áridos gruesos reciclados, como los
Norma
aplicada
UNE 80301:96
UNE 80307:96
Rodados o
procedentes
de
rocas
machacadas
Tabla III: Características de áridos gruesos para producción
de hormigón reciclado estructural [4]
3.2.2. Condiciones físico-químicas
1
Para sustituciones de 100% del árido grueso, las
declinaciones de densidad de un hormigón convencional se
sitúan entre el 5-15%.
En la tabla IV se presenta las condiciones físicoquímicas de los áridos naturales y reciclados para
104
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
producción de hormigón reciclado
referente a las substancias perjudiciales.
estructural
Sustancia
Terrones de
arcilla
Partículas
blandas
Sulfatos
solubles en
ácidos
Compuestos
totales
de
azufre
3.2.2.1. Reactividad potencial
Para los áridos reciclados procedentes de un único
hormigón de origen controlado, entendiendo como
tales hormigones de composición y características
conocidas, se deberán realizar las comprobaciones
indicadas en el articulado de la Instrucción EHE
(articulo 28.3.1).
Para los áridos reciclados procedentes de distintos
hormigones de origen, éstos deben considerarse
potencialmente reactivos.
Los áridos reciclados pueden presentar un
contenido de cloruros respetable, a depender de la
procedencia del hormigón usado como materia prima
(hormigones procedentes de obras marítimas, puentes
o pavimentos expuestos a las sales para el deshielo, o
mismo hormigones con aditivos acelerantes). Por lo
tanto se recomienda determinar el contenido de
cloruros totales, aplicando el límite que establece la
Instrucción EHE. La Norma UNE 80-217:91
“Método de ensayo de cementos. Determinación del
contenido de cloruros, dióxido de carbono y alcalinos
en los cementos” es la indicada para la determinación
de los cloruros totales en el árido reciclado.
Las normas indicadas son validas tanto para
áridos reciclados como convencionales. No obstante
deben ser realizados ciertos cuidados a respecto del
contenido de partículas blandas, resistencia a hielo,
terrones de arcilla y partículas de bajo peso específico
(ver tabla IV).
3.2.2.2. Contenido de partículas ligeras
Para la determinación del contenido de partículas
ligeras, la norma UNE-EN 1744-1 “Ensayos para
determinar las propiedades químicas de los áridos.
Parte 1: Análisis químico” presenta diversos
problemas cuando se la aplica en áridos reciclados, al
enturbiarse la solución con partículas de tierra y
variar su densidad. Así recomendase la ejecución del
ensayo solamente después de la ejecución de un
lavado previo de la muestra y posterior desecado.
3.2.2.3. Contenido de partículas
Para la determinación del contenido de partículas
blandas, la norma UNE 7134:58 “Determinación de
partículas blandas en áridos gruesos para
hormigones” deberá ser adaptada. El método de
ensayo debe ser hecho únicamente sobre la parte de
árido natural de las partículas y no sobre el mortero
adherido de las mismas. El límite para el contenido de
partículas blandas para los áridos reciclados será el
mismo que establece la Instrucción EHE para áridos
convencionales.
Cloruros
Partículas de
bajo
peso
específico
Impurezas
Árido
Natural
Árido
Reciclado
< 0,15%.
< 0,6%
< 5%.
< 5%.
< 0,8%.
< 0,8%.
Norma
Aplicada
UNE
7133:58
UNE
7133:58
UNE EN
1744-1:99
<1%
<1%
UNE EN
1744-1:99
< 0,05%
< 0,05%
<1%
<1%
-
Material
cerámico
< 5%
Partículas
ligeras
< 1%
Asfalto
< 1%
Otros
materiales
(vidrio,
plásticos,
metales,
etc) < 1%
UNE EN
1744-1:99
UNE EN
1744-1:99
prEN 93311
Tabla IV: Limitaciones a las substancias perjudiciales en
los áridos gruesos [4]
3.2.2.4 Impureza y contaminantes
Se debe tener cuidados con las impurezas y
contaminantes pasibles de existencia en los áridos
reciclados (plástico, madera, yeso, ladrillo, vidrio,
materia orgánica, aluminio, asfalto, etc.), ya que estas
impurezas producen en todos los casos un descenso
de resistencia en el hormigón. Además, dependiendo
del tipo de impureza, se pueden presentar otras
complicaciones como reacciones álcali-árido (vidrio),
ataque por sulfatos (yeso), desconchados superficiales
(madera o papel), elevada retracción (tierras
arcillosas) o mal comportamiento hielo-deshielo
(algunos cerámicos).
La norma prEN 933-11 “Test for geometrical
properties of aggregates. Part 11: Classification test
form the constituents of coarse recycled aggregates”
es la indicada para la determinación del contenido de
impurezas de áridos reciclados.
3.2.2.5. Terrones de arcilla
En hormigón reciclado producido con más de
20% de áridos reciclados es necesario aumentar las
precauciones durante su producción, para eliminar al
máximo las impurezas de tierras que lleve la materia
prima, de modo a contribuir para el cumplimiento de
105
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
la Instrucción EHE. En la situación extrema de
utilizar 100% de árido grueso reciclado, la
especificación máxima admitida es de 0,25% de
terrones de arcilla.
3.2.3. Condiciones físico-mecánicas
La Tabla V presenta las condiciones físicomecánicas de los áridos naturales y reciclados para
producción de hormigón reciclado estructural.
Característica
Absorción
Pérdida de
peso con
sulfato de
magnesio
Resistencia
al desgaste
de la grava
Áridos
Naturales
Áridos
Reciclados
≤ 4,5%
≤ 7%.
<18%
<18%
≤ 40%
≤ 40%
Norma
aplicada
UNE
83133:90
UNE
83134:90
UNE EN
1367-2:99
UNE EN
1097-2:99
Tabla V: Limitaciones físico-mecánicas de los áridos [4]
Como control rápido en la planta de producción,
se permite estimar la absorción del árido reciclado a
través de un ensayo de absorción a los 10 minutos.
Los límites estipulados son de menos de 5,5% para
aplicaciones de árido reciclado no superiores al 20%.
Cuando el hormigón está sometido a ambientes de
helada, se debe realizar la determinación de la
pérdida de peso máxima experimentada por los áridos
reciclados al ser sometidos a ciclos de tratamiento
con soluciones de sulfato magnésico, antecedida por
una preparación previa de la muestra.
Así, el procedimiento de ensayo indicado (norma
UNE-EN 1367-2:99 “Ensayos para determinar las
propiedades térmicas y de alteración de los áridos.
Parte 2: Ensayo de sulfato de magnesio”) deberá ser
antecedido por un lavado y tamizado enérgico por el
tamiz de abertura 10 mm de la muestra, con el
objetivo de eliminar todas las partículas friables. Los
límites de resultado del ensayo establecidos por la
Instrucción EHE para los áridos naturales será
también de aplicación para los áridos gruesos
reciclados.
3.4. Suministro y almacenamiento
Los cuidados necesarios para suministro y
almacenamiento de los áridos en obra consisten en:
* Adoptar un procedimiento de caracterización de
los escombros de origen que envuelva la
identificación de naturaleza del material
(hormigón en masa, armado, mezcla de hormigón,
etc), de la planta productora del árido y empresa
transportista del escombro, de la presencia de
impurezas (cerámico, madera, asfalto), de detalles
sobre su procedencia (origen o el tipo de
estructura de la que procede), además de cualquier
otra información que resulte de interés (causa de
la demolición, contaminación de cloruros,
hormigón afectado por reacciones álcali-árido,
etc);
* Establecer depósitos separados e debidamente
identificados para los áridos reciclados y los
áridos naturales. Para esta exigencia aconsejase
almacenar separadamente los áridos reciclados
procedentes de hormigones de muy distintas
calidades, ya que la calidad del hormigón de
origen influye en la calidad del árido reciclado.
* Almacenar en depósitos separados los
escombros procedentes de hormigón estructural o
de elevada resistencia y los procedentes de
hormigones no estructurales, generando así una
mayor uniformidad en las propiedades de los
áridos producidos.
Para los otros materiales son válidas las
prescripciones para hormigón convencional indicadas
en la instrucción EHE.
3.5. Otros componentes del hormigón
Se debe adoptar los mismos términos utilizados
para hormigones convencionales, de acuerdo con las
indicaciones de la instrucción EHE (articulo 29).
Como regla general, se recomienda el uso de
aditivos en la producción de hormigón reciclado con
el objetivo de obtener una trabajabilidad adecuada,
principalmente cuando se utiliza el árido en estado
seco.
El uso de adiciones, como las cenizas volantes y
los humos de silicona, tienen las mismas
recomendaciones
indicadas
para
áridos
convencionales (para cenizas máximo de 35% en
relación al peso del cemento y para silicona máximo
de 10%). Los usos de adiciones son limitados
únicamente en el caso del cemento tipo CEM I.
4. Cálculo de secciones y
elementos estructurales
En el diseño, la tipificación de los hormigones
reciclados consistirá de la sigla T indicativa del tipo
de hormigón donde HRM será para Hormigones
Reciclado en Masa y HRA para Hormigones
Reciclados Armados.
Para la resistencia característica, se recomienda
utilizar la serie incluida en la Instrucción EHE
(articulo 39.2) con el límite de 40 N/mm2.
Para sustituciones de árido grueso reciclado no
superiores al 20%, para el cálculo de secciones y
elementos estructurales, se debe adoptar la fórmula y
las tablas del articulado EHE, así como sus
106
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
comentarios. Adoptarse, todavía, las siguientes
recomendaciones
* Para el estado límite de figuración, se mantiene
la redacción del articulado de la Instrucción EHE
a excepción de la separación máxima entre
estribos recogida en la tabla 49.3 de la referida
Instrucción. Para hormigón reciclado se debe
utilizar un valor máximo de 200mm, con el
objetivo de mejorar la respuesta frente a
figuración bajo esfuerzo cortante
* Para el estado límite de vibraciones, son válidas
las prescripciones del articulado EHE.
Para porcentajes de sustitución mayores del 20%
se recomienda la realización de ensayos en cada caso
y las siguientes recomendaciones:
* Para el cálculo de la resistencia a tracción, se
recomienda realizar ensayos en cada caso no
obstante el hecho de que esta propiedad se ve
poco afectada por el porcentual de áridos
reciclados utilizados;
* Para el diagrama tensión-deformación de
cálculo del hormigón se debe considerar que el
aumento del porcentual de reciclados produce un
aumento de la deformación en pico εc1, debido a la
mayor deformabilidad de estos, y puede acusar
mayores pérdidas de resistencia en ensayos bajo
cargas sostenidas. Por lo tanto, en estos casos se
recomienda la realización de estudios específicos
para fijar el diagrama de cálculo que se debe
utilizar.
* Para el módulo de deformación longitudinal del
hormigón, hay una disminución progresiva (para
un 100% de árido grueso reciclado, el módulo del
hormigón será 0,8 veces el del hormigón
convencional). Así, debido a la variación de la
calidad de los áridos reciclados, que puede
provocar una gran dispersión en el valor del
módulo y presentar valores incluso inferiores al
apuntado, se aconseja ejecutar ensayos en cada
caso.
* Para estimar la retracción del hormigón, se debe
considerar
que
la
retracción
aumenta
progresivamente al aumentar el porcentaje de
árido reciclado. (para un 100% de árido grueso
reciclado, la retracción será 1,5 veces la de un
hormigón convencional) Así, debido a la
variación de la calidad de los áridos reciclados,
que puede provocar una gran dispersión en el
valor de la retracción y presentar valores
superiores al indicado, se aconseja ejecutar
ensayos en cada caso.
* No que se refiere a la fluencia del hormigón, se
debe considerar que la fluencia aumenta
progresivamente al aumentar el porcentaje de
árido reciclado (para un 100% de árido grueso
reciclado, la fluencia será 1,25 veces la de un
hormigón convencional). Así, debido a la
variación de la calidad de los áridos reciclados,
que puede provocar una gran dispersión en el
valor de la fluencia y presentar valores superiores
al indicado, se aconseja ejecutar ensayos en cada
caso.
* Para la capacidad resistente de bielas, tirantes y
nudos, también se recomienda realizar ensayos
específicos (artículo 39.5) ya que las
disminuciones de resistencia bajo carga sostenida
pueden ser relevantes.
* Para los cálculos relativos a los estados límite
últimos, se recomienda realizar estudios
específicos, de acuerdo a las especificaciones en
los artículos 39 y 40.
* Para el estado límite de figuración, debe
realizarse estudios específicos o desarrollar una
campaña experimental.
* Para el estado límite de deformación, debe
realizarse estudios específicos o desarrollar una
campaña experimental en ensayos previos.
5. Ejecución del hormigón reciclado
Debido a la grande variedad de los áridos
reciclados se recomienda producir hormigones con
árido reciclado solo en Central de Mezcla.
5.1. Dosificación
Para ajustar la dosificación es necesario realizar
los mismos ensayos previos del Hormigón
Convencional, de acuerdo con la Instrucción EHE.
No que se refiere a las sustituciones de áridos
superiores al 20%, se recomienda:
1) aumentar el contenido de cemento o utilizar
menor relación agua / cemento, para mantener la
resistencia.
2) añadir
más agua o utilizar aditivos
plastificantes o superfluidificantes o presaturar el
árido reciclado, para conseguir la consistencia
deseada.
5.2. Controle de la humedad
Para garantizar la humedad de los áridos
reciclados en condicción de superficie saturada, la
Central de Mezcla debe mantener sistemas tales como
aspersores de agua. Debido al hecho de que la
absorción de agua del árido grueso reciclado es
elevada, recomendase utilizar los áridos en
condiciones de saturación para hormigones con más
del 20% de árido reciclado.
5.3. Tiempo y velocidad del amasado
El tiempo y velocidad del amasado del hormigón
con árido puede ser más grande que el convencional.
No obstante, tampoco debe ser excesivamente
prolongado para evitar la generación de finos, debido
al atrito durante el proceso de mezcla, provenientes
107
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
de los morteros adheridos a la superficie de los áridos
reciclados.
Se recomienda realizar los mismos ensayos
característicos del hormigón convencional para
garantizar las condiciones adecuadas del referido
proceso.
estos materiales, especialmente aquellas que son más
desfavorables en este tipo de áridos (absorción,
contenido de finos, contenido de desclasificados
inferiores y contenido de impurezas).
Por lo tanto se recomienda adoptar el criterio más
conservador de los recogidos en la tabla siguiente [2]:
5.4. Transporte
PROPIEDAD
Granulometría.
Desclasificados
inferiores
En la operación de transporte se debe tener en
cuenta que el volumen de transporte siempre debe se
menor que 2/3 del tambor del elemento de transporte.
Para los hormigones con más de 20% de árido
reciclado
recomendase
realizar
ensayos
característicos con el objetivo de evaluar la variación
de la consistencia durante el transporte, y compensar
dicha variación con la incorporación de aditivo
plastificante o superplastificante en obra. Se debe
seguir las indicaciones del fabricante del aditivo.
Coeficiente de
forma
Contenido de
finos
Coeficiente de los
Ángeles
5.5. Puesta en obra
Absorción
Se debe tener los mismos cuidados de colocación
y compactación necesarios al hormigón convencional,
estipulados por el artículo 70 de la Instrucción EHE.
Resaltase la posibilidad de alteración de la
homogeneidad de las características del hormigón
reciclado si aplicado a través del bombeo (debido a la
presión y su influencia sobre la absorción del agua
por parte del árido reciclado).
Por lo tanto, para la aplicación de hormigón
bombeado, se deberá ajustar la dosificación del
hormigón basado en ensayos característicos y
muestras a la salida de la tubería.
Estabilidad frente
a soluciones de
MgSO4 (*)
Partículas blandas
Torrones de arcilla
Partículas ligeras
5.6. Armadura
Para los hormigones con hasta 20% de árido
reciclado deben ser consideradas las prescripciones
recogidas en el capitulo 5 de la Instrucción EHE.
Para los hormigones con más de 20% de árido
reciclado todavía no existen valores característicos.
No obstante, se permite adoptar la siguiente expresión
para las longitudes básicas de anclaje de las
armaduras pasivas:
* Para barras en posición l: lbl = 1,1 m ф 2 ≥ (fyk /
20) ф.
* Para barras en posición ll: lbll = 1,55 m ф 2 ≥ (fyk
/ 14) ф.
6. Control de los materiales
6.1 Control de los Áridos
Debido a mayor heterogeneidad que suelen
presentar los áridos reciclados, aconsejase la
aplicación de un mayor control de las propiedades de
NORMA
UNE-EN933-1:98
FRECUENCIA
1/semana
Cada
2.000t
UNE-EN933-4:00
1/mes
Cada
10.000t
UNE-EN933-2:96
1/semana
Cada
2.000t
UNE-EN1097-2:99
1/mes
Cada
2.000t
UNE-EN1097-6:01
1/semana
Cada
2.000t
UNE-EN1367-2:99
1/6 mes
Cada
10.000t
UNE
4134:58
1/mes
Cada
10.000t
UNE
7133:58
1/semana
Cada
2.000t
1/mes
Cada
10.000t
UNE 7244
Determinación de
compuestos de
azufre (SO3)
UNE-EN1744-1
1/3 mes
Cada
10.000t
Determinación de
sulfatos solubles
en ácido
UNE-EN1744-1
1/3 mes
Cada
10.000t
Determinación de
clóralos totales
UNE-EN1744-1
1/3 mes
Cada
10.000t
Impurezas
prEN 93311
1/semana
Cada
2.000t
Tabla VI Frecuencia de los ensayos de control de
producción
6.2. Ensayos característicos
Recomendase hacer los ensayos característicos de
consistencia y resistencia con el objetivo de
comprobar las posibles variaciones en los resultados
de consistencia y resistencia del hormigón reciclado.
Además, estos ensayos permitirán:
108
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
* ajustar el tiempo de amasado;
* comprobar el efecto del tiempo de transporte
sobre la consistencia;
* evaluar la necesidad de corregir la consistencia
en obra a través del uso aditivos plastificantes o
superplastificantes (de acuerdo con las
indicaciones del fabricante).
De acuerdo con la Instrucción EHE (articulo 87),
recomendase los siguientes ensayos: UNE-83300:84,
UNE-83301:91, UNE-83303:84 y UNE-83304:84.
hormigones con más de 20% de árido reciclado, se
puede adoptar lotes de acuerdo con los recogidos en
la tabla VII:
Limite
superior
Tipo de elementos estructurales
Elementos
comprimidos
Elementos
en flexión
simples
Macizos
Volumen de
hormigón
50m3
50m3
100m3
Número de
amasadas
25
25
50
2
semanas
2
semanas
1
semana
Superficie
construida
500m3
500m3
Numero de
plantas
1
1
6.2.1. Control de la consistencia
El control de la consistencia se debe hacer por
medio de ensayos previos que cuantifiquen la
cuantidad de agua adicional que se debe añadir al
hormigón durante el amasado (UNE 83313:90).
Como los áridos reciclados deben atender la
condición de humedad saturada con superficie seca,
se recomienda realizar los ensayos previos para se
ajustar el grado de saturación a alcanzar y para
reducir la variación de la consistencia entre amasadas.
Los aditivos tales como los plastificantes o
superfluidificante también pueden ser utilizados para
obtener la consistencia deseada.
Tiempo de
hormigonado
Tabla VII. Lotes de control de producción
6.2.2. Control de la resistencia
De acuerdo con la Instrucción EHE (articulo 86),
recomendase los siguientes ensayos de control de
resistencia a compresión del hormigón: UNE83300:84, UNE-83301:91, UNE-83303:84 y UNE83304:84.
Para asegurar que la resistencia característica de
obra será satisfactoria, en el caso de hormigones
reciclados, observase que la resistencia que debe
alcanzarse con estos ensayos puede ser algo superior
a la esperada con un hormigón convencional,
teniendo en cuenta el aumento en la dispersión de
resultados derivada de la falta de uniformidad del
árido reciclado empleado.
Así, aconsejase que:
* En los ensayos de resistencia se debe utilizar
áridos reciclados de diferentes calidades dentro
dos límites admisibles.
* Se debe incluir en el conjunto de los ensayos
aquellos que determinen propiedades tales como
el módulo de elasticidad, la retracción o la
fluencia del hormigón, en elementos sensibles a la
deformación o hormigones con más de 20% de
árido reciclado.
6.3. Ensayos de controle
Para hormigones reciclados con hasta 20%
áridos reciclado son válidas las prescripciones
control del articulado EHE (articulo 88).
Juan[2] recomienda que en los elementos
especial responsabilidad, o para el caso
de
de
de
de
7. Propiedades del hormigón reciclado
En general, la incorporación de árido reciclado en
el hormigón influye de forma negativa en todas sus
propiedades. A seguir son presentadas algunas
propiedades del hormigón que son afectadas con la
adición de áridos reciclados.
7.1. Densidad
La densidad del hormigón reciclado es inferior
debido al mortero que permanece adherido al árido
natural. Cuanto mayor es el porcentaje de árido
reciclado utilizado menor será la densidad del
hormigón. En las sustituciones del árido grueso, la
densidad se encuentra entre el 5-15% de la densidad
de un hormigón convencional.
La absorción de agua del árido grueso reciclado es
elevada. Por lo tanto, los áridos deben ser utilizados
en condiciones de saturación.
7.2. Consistencia
En general, cuando se mantiene la misma relación
agua / cemento, los hormigones con áridos reciclados
presentan aumento de consistencia.
Para mantener la consistencia se puede adicionar
más agua, aditivos superfluidificantes o presaturar los
áridos.
109
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
7.3. Contenido de aire
Se recomienda realizar pruebas previas para
especificar la cuantidad de sustitución.
El contenido de aire ocluido en el hormigón
reciclado suele ser que en el convencional. Con la
saturación del árido, se obtiene valores similares de
contenido de aire de un hormigón convencional.
Perdida de
resistencia
20 a 30%
< 5%0
sustitución
100%
<20%
7.4. Tiempo de Mezcla
Debido a partículas más finas adheridas al árido
reciclado el tiempo de mezcla excesivo cambia la
granulometría del árido, reflejando, por lo tanto, en
las características resistentes del hormigón.
7.5. Dosificación
Los estudios de dosificación tienen el objetivo de
determinar la proporción de materiales que garantizan
tanto las cualidades requeridas durante el amasado, su
transporte y aplicación, bien como las cualidades
finales del hormigón de acuerdo con su aplicación.
En cada una de esas etapas son requeridas
propiedades diferentes que deben ser previamente
estudiadas. Así, durante los estudios de dosificación
es necesario:
* aumentar el contenido de agua de amasado o
utilizar árido saturado o añadir aditivos como los
plastificantes o superfluidificante, para evitar la
perdida de fluidez;
* hacer una dosificación con un contenido de
cemento más grande (hasta 17% más en
hormigones con 100% de árido grueso reciclado y
hasta 5% en hormigones hasta 50% de árido
grueso reciclado). Resaltase que el incremento de
cemento se acentúa para hormigones de categoría
resistente elevada;
* aumentar el contenido de agua en la dosificación
entre el 5-10% adicional (próximo a 10 l/m3), para
conseguir la misma consistencia en el hormigón
reciclado (ni siempre necesario);
* realizar un seguimiento de la densidad,
absorción y humedad del árido reciclado tanto
durante la producción del hormigón como durante
su acopio;
* realizar ensayos previos para determinar el
contenido de agua libre necesario para conseguir
una determinada consistencia;
* determinar la relación agua libre / cemento para
una determinada resistencia y la relación árido
fino/ árido grueso para conseguir una consistencia
óptima.
7.6. Resistencia a compresión
Aumento de
la resistencia
7 a 17%
pequeñas
diferencias
Tabla VIII: Cambios de resistencia
7.7. Resistencia a tracción
La resistencia a tracción en los hormigones con
áridos reciclado también es más baja. La
recomendación en este caso es utilizar áridos
sometidos a varios procesos de trituración y disminuir
la relación agua/cemento.
Cuando no se dispone de resultados la Instrucción
EHE permite adoptar la relación de la formula 1.
fct , m =
0,33 f 2ck
0,9
(1)
7.8. Resistencia a flexotracción
Los cambios que se producen en la resistencia a
flexotracción del hormigón reciclado son muy
similares a los que se producen en la resistencia a
tracción.
En sustituciones del 100%, la resistencia a
flexotracción del hormigón reciclado oscila entre un
+20% del valor correspondiente al hormigón del
control.
En sustituciones comprendidas entre 20-30% la
resistencia a flexotracción del hormigón reciclado
oscila entre -6% y +2% del valor correspondiente al
hormigón del control.
7.9. Modulo de elasticidad
Para los hormigones producidos con cantidades de
áridos reciclados superiores al 20% es necesario
establecer un coeficiente de corrección para estimar
el modulo estático de elasticidad del hormigón.
Ec = r ⋅ ∝ ⋅8500 ⋅ 3 fcm (N / mm 2 )
(2)
Donde:
r : es el coeficiente de corrección del porcentaje
de áridos reciclados utilizado.
∝ : es el coeficiente de corrección de la
naturaleza del árido.
En general, el hormigón reciclado presenta
resistencia inferior. El grado de sustitución de árido
natural por árido reciclado es determinante, como
indicado en la tabla VIII.
110
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
7.10. Retracción
La retracción del hormigón reciclado puede ser
influenciada por diversos factores. El incremento del
tamaño máximo del árido, generalmente produce un
descenso en la retracción del hormigón. En los áridos
reciclados las fracciones mayores incorporan un
menor contenido de mortero adherido por lo que la
retracción del hormigón disminuye respecto a las
fracciones más finas.
La retracción puede mejorar considerablemente
cuando el árido reciclado está sometido a varios
procesos de trituración.
7.11. Fluencia
El hormigón reciclado presenta mayor fluencia
que el hormigón fabricado con árido natural, debido
principalmente al menor módulo de elasticidad del
mortero que incorpora el árido reciclado.
Cuanto mayor es el contenido de árido reciclado
utilizado, mayor es la deformación por fluencia.
7.12. Porosidad y distribución del tamaño de los
poros
Los hormigones reciclados presentan una
porosidad mas elevada que la de los hormigones
fabricados con áridos naturales debido a la mayor
porosidad de los áridos reciclados provocada por la
presencia de la pasta de cemento adherida.
La mayor porosidad del árido reciclado
repercutirá en la porosidad del hormigón reciclado
fabricado con él, produciendo un mayor porcentaje de
poros, con una distribución a distintas edades. En los
hormigones reciclados aumenta sobre todo el
contenido de poros de tamaños inferior a 60-70mm.
El contenido de poros capilares (inferiores a 0,1
μm) disminuye después del machaqueo y aumenta el
porcentaje de poros de diámetro superior
comprendidos entre 0,5 a 10μm, debido a la aparición
de micro fisuras producidas durante la trituración.
7.13. Permeabilidad
La permeabilidad del hormigón reciclado puede
variar de acuerdo con el nivel de sustitución del árido
reciclado (ver tabla IX).
% sustitución
> 50%
100% del árido
grueso
permeabilidad
2x mayor que del hormigón
producido con árido natural
2-7 x mayor que del hormigón
producido con árido natural
Igual que en el hormigón con áridos naturales, al
aumentar las resistencia del hormigón aumenta la
resistencia a la carbonatación (ver tabla X).
% sustitución
< 50%
100% del árido
grueso
carbonatación
Influye en la profundidad de
carbonatación del hormigón
Se puede obtener ligeros aumentos
del orden del 10%
Tabla X: Variación de la carbonatación
La sustitución total o parcial de áridos reciclados
afecta todas las propiedades del hormigón. Juan [4]
recomienda los factores de corrección apuntados en
las tablas XI y XII.
8. Durabilidad del hormigón reciclado
La durabilidad del hormigón reciclado con un
contenido de árido reciclado hasta 20% es similar a la
de un hormigón convencional, por lo que son de
aplicación las prescripciones recogidas en el capítulo
VII de la Instrucción EHE.
Sin embargo, debido a la porosidad del hormigón
reciclado es recomendable precauciones especiales
para mantener la durabilidad. En este punto se
indican las recomendaciones necesarias para
garantizar la durabilidad del hormigón reciclado.
8.1. Recubrimientos
Para hormigones con un contenido de árido
reciclado no superior al 20% se debe respectar los
recubrimientos mínimos de hormigón en función de
la resistencia del mismo y de la clase de exposición,
indicados en la Instrucción EHE.
Para sustituciones superiores al 20% se podrán
mantener los recubrimientos de la Instrucción EHE si
las dosificaciones adoptadas de hormigón garantizan,
para ambientes agresivos y mediante los estudios
pertinentes, una durabilidad similar a la que la
Instrucción pide al hormigón convencional en cada
ambiente ( artículo 37.3).
Sino, recomendase:
* el incremento en el contenido de cemento o;
* una disminución de la relación agua / cemento
o;
* el aumento del recubrimiento de las armaduras
en determinados ambientes agresivos.
Tabla IX: Variación de la permeabilidad
7.14. Carbonatación
111
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Propiedad
Resistencia a
compresión
Módulo
de
elasticidad
estático
Resistencia a
tracción
Resistencia a
flexotracción
Retracción
Fluencia
Coeficiente de corrección
Fcm = 25N/mm2 – 110 N/mm2
100%
20% árido 50% árido
árido
reciclado
reciclado
reciclado
0,96
0,97 -0,88
0,86
0,99
0,90
0,80
0,97
0,92
0,99
0,89
1,16 -1,22
1,00
1,25
1,45
1,62
1,45
Tabla XII: Coeficientes de corrección para el hormigón
reciclado con misma dosificación
Propiedad
Coeficiente de corrección
Fcm = 25N/mm2 – 70 N/mm2
20% árido 50% árido 100%
reciclado
reciclado
árido
reciclado
Módulo
de
elasticidad
estático
Resistencia a
tracción
Resistencia a
flexotracción
Retracción
Fluencia
8.4. Ataque por sulfatos
Los hormigones reciclados expuestos al ataque
por sulfatos deben ser producidos con áridos de
hormigones fabricados con cementos resistentes a los
sulfatos.
8.5. Ataque del agua de mar
0,93
0,80
Cuando se utiliza hormigones reciclados en
ambientes sujetos al ataque del agua del mar, se debe
utilizar áridos originados de hormigones de origen
fabricados con cementos resistentes al agua de mar.
1,0
1,0
8.6. Resistencia a la erosión
1,0
1,0
La Instrucción EHE prescribe un coeficiente Los
Ángeles del árido reciclado inferior al 30%.
La resistencia a la erosión de los áridos reciclados,
en general es baja debido al mortero adherido, y, por
lo tanto, la limitación establecida es difícil de
cumplir.
1,2
1,00
* el árido reciclado deberá cumplir la
especificación relativa a la estabilidad de los
áridos frente a soluciones de sulfato sódico o
magnésico (UNE EN 1367-2:99) de 18% para
áridos gruesos;
* se deberá introducir un contenido mínimo de
aire ocluido del 4,5% (UNE 83315:96).
En el caso de hormigones con más de un 20% de
árido reciclado, se deberán realizar ensayos
específicos con la dosificación del hormigón
reciclado adoptada. Se puede mejorar la resistencia
al hielo y deshielo con la reducción de la relación
agua/cemento o uso de incorporadores del aire.
1,25
1,45
1,62
1,45
Tabla XI: Coeficientes de corrección para el hormigón
reciclado con misma dosificación
8.2. Contenidos de agua / cemento
8.7. Reactividad álcali – árido
En hormigón reciclado con más de un 20% de
árido reciclado, los valores de la relación
agua/cemento indicados en la tabla 37.3.2 de la
Instrucción EHE pueden ser insuficientes.
Recomendase ajustar la dosificación de forma que se
cumplan los requisitos referentes al resultado del
ensayo de penetración de agua bajo presión, según se
recoge en el artículo, para todas las clases de
exposición excepto la I y IIb.
Los resultados de pruebas de penetración de
presión de agua deben atender: Pmax<50mm,
Pav<30mm. (UNE 83309:90).
En ambientes de exposición húmedos, (aquellos
distintos a las clases I y IIb), la reactividad álcaliárido debe ser investigada por medio de ensayos
previos. Como precauciones se recomienda utilizar
áridos reciclados procedentes de un único hormigón
de origen controlado.
Sin embargo, en el caso de utilizar áridos
reciclados de distintas procedencias, se debe, como
precaución, utilizar cementos con bajo contenido de
álcalis, cementos con adiciones, excepto filler
calcáreo.
8.8. Corrosión
8.3. Ambientes de helada
Cuando el hormigón reciclado esté sometido a una
clase de exposición H ó F, es decir, esta expuesto a
ambientes de helada relevantes:
Solamente para hormigones con porcentajes de
árido reciclado superiores al 20%, la protección frente
a la corrosión es inferior que la que ofrece un
112
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
hormigón convencional (manteniéndose la misma
dosificación).
Así, es conveniente la realización de ensayos
específicos en cada caso. La recomendación para
garantizar la protección de la armadura a la corrosión
es reducir la relación agua/cemento.
9. Ejemplos de uso de hormigón reciclado
En esto punto son presentadas algunas obrasejemplos en el ámbito europeo del uso de árido
reciclado para producción de hormigón estructural.
9.1. Puente de Marina Seca del FORUM 2004
España (2004)
Esta obra fue hecha bajo el control y supervisión
del Departamento de Materiales de la ETS de la
Universidad Politécnica de Cataluña, y comprendió
en la aplicación de hormigón reciclado en el Puente
de Marina Seca del Forum 2004 de Barcelona.
Los áridos reciclados utilizados tenían las
siguientes características: un solo origen, 4/25 mm,
absorción media del 6,7%, exento de cloruros,
sulfatos y de cualquier patología, y compuesto en más
del 95% de hormigón.
La cantidad de finos inferiores a 0,063 mm fue del
1% y el aporte de finos menores de 4 mm fue del
10%, lo que obligó a una ligera corrección en la
cantidad de arena que no se ha reflejado en los
resultados obtenidos.
Así, fueran utilizados 20% en volumen del árido
reciclado, sustituyendo el mismo porcentaje sobre el
total de árido del hormigón convencional.
La cantidad de cemento empleada fue la misma
que en el hormigón convencional, 340 kg/m3 (el
hecho de aumentar la cantidad de cemento no
aportaba mucha resistencia adicional a la obtenida en
el hormigón experimental, respecto del convencional
de referencia (47,8 frente a 51,6 Mpa), resultados
ambos a 28 días. Tampoco se presentaros grandes
diferencias a los 7 días (41 frente a 43,3 Mpa).
El árido reciclado fue humectado previamente a la
mezcla, estimándose un grado de saturación entre el
80% y el 90%. La relación agua/cemento eficaz se
mantuvo constante y asimismo el cono obtenido
apenas varió de 7,5.
También cabe resaltar que el color del hormigón
no registró cambio alguno, ni tampoco los resultados
de penetración del agua y que la puesta en obra no
presentó ninguna dificultad.
Figura 1 Puente de Marina Seca – FORUM 2004
Para más informaciones, contactar Enric Vazquez
(UPC - Depart. de Ingenieria de la Construcción):
[email protected]
9.2. Rijkswaterstaat Demonstration
Países Bajos (1988-1992)
Projects
Rijkswaterstaat
(delegación
ejecutiva
del
Ministerio de Transportes, Obras Publicas y gestión
de Agua de los Países Bajos) desarrolló varios
proyectos utilizando hormigón con 20% de árido
reciclado en el periodo de 1988 a 1992. Como
ejemplos de uso de árido reciclado de hormigón en
hormigón estructural, hay:
* el dique De Haandrik cerca Almelo (1988): que
utilizó cerca de 2000 m3 de árido reciclado de
hormigón en la losa de hormigón sumergida;
* la presa Nieuw Statenzijl (1989), que utilizó
cerca de 2000 m3 de árido reciclado de hormigón
en la losa de hormigón sumergida.
Figura 2 Presa Nieuw Statenzijl
Para
más
informaciones,
contactar
W.
Colenbrander
(Bounwdienst
Rijkswaterstaat):
[email protected].
113
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
9.3. The Environmental Building de la BRE Reino Unido (1995 – 1996)
Esta obra se refiere a la primera edificación del
Reino Unido que utilizó hormigón con árido
reciclado para fundación, losas, columnas
estructurales y pisos. El árido reciclado fue originado
de la demolición de la casa Suffolk, un edificio de
oficinas de 12 plantas ubicado en el centro de
Londres. Fueran utilizados áridos reciclados en cerca
de 1500 m3 de hormigón, donde:
* para las fundaciones, fue prescrito una mezcla
de 25 Mpa y un asentamiento de 75 mm. Debido a
las condiciones de sulfato Classe 2 del terreno,
fueran requeridos un contenido de cemento
Pórtland ordinario de 330 kg/m3 y un contenido
de 70% de escorias de alto horno granuladas. El
contenido máximo de la relación agua/cemento
fue de 0,50.
* para los pisos y demás estructuras fue prescrito
una mezcla de 35 Mpa y un asentamiento de 75
mm. El cemento contuve solamente 50% de
escorias de alto horno granuladas para la
protección contra carbonatación.
Todas las mezclas contenían 985 kg/m3 de árido
grueso reciclado de hormigón con excepción de las
mezclas de bombeo que presentaron una redución de
50 kg/m3 de árido reciclado y un aumento 10 kg/m3
del contenido de cemento.
La puesta en obra no presentó ninguno problema.
del árido grueso convencional por árido reciclado
mezclado (50% de árido de hormigón y 50% de árido
de bloques de baja calidad).
La concepción de ejecución de esta estructura fue
similar a la utilizada en la primera losa hecha en el
edificio: fue adoptada una fuerza de 60 Nm-2 en 91
días.
Como en la obra del Environmental Building de la
BRE, el uso del árido reciclado no afectó el bombeo y
compactación del hormigón, ni mismo la
programación de producción.
Figura 4 BRE Cardington Laboratory
Para más informaciones, contactar R. Collins
(BRE): [email protected]
Referencias
Figura 3. Environmental Building de la BRE
Para más informaciones, contactar R. Collins
(BRE): [email protected]
9.4. BRE Cardington Laboratory Reino Unido
(1996)
[1] M. Barra. “Estudio de la Durabilidad del Hormigón
de Árido Reciclado en su Aplicación como Hormigón
Estructural”. Tesis doctoral. Universidad Politécnica
de Cataluña. Barcelona, 1996.
[2] M. S. de Juan. "Estudio sobre la utilización de árido
reciclado para la fabricación de hormigón
estructural". Tesis doctoral. Universidad Politécnica
de Madrid. Madrid, 2004.
[3] Ministerio de Fomento. Instrucción de Hormigón
Estructural. EHE / Comisión Permanente del
Hormigón. Madrid: Ministerio de Fomento. 1999.
[4] Ministerio de Fomento. Utilización de Árido Reciclado
para la Fabricación de Hormigón Estructural. Grupo
Hormigón Reciclado / Comisión Permanente del
Hormigón. Madrid: Ministerio de Fomento. 2004.
[5] RILEM (International Union of Testing and Research
Laboratories for Materials and Structures): “Draft of
Spanish Regulations for the Use of Recycled
Aggregate in the Production of Structural Concrete:
Task Force of the Standing Committee of Concrete”,
Proceedings PRO 40. p.p. 511-525, España, 2004.
Esta obra comprendió en la ejecución de una
segunda losa hecha con hormigón de árido reciclado
del edifico de la BRE Cardington Laboratory.
Esta estructura comprendió en la ejecución de 500
m3 de hormigón con una substitución de 20% en peso
114
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
MATERIALES PARA ESTRUCTURAS DE ÁMBITO MARINO
Mónica Martínez Escamilla / Albert de la Fuente Antequera
UPC / Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
Departamento de Ingeniería de la Construcción / ETSECCPB / Tecnología y Construcción de Estructuras
Resumen: Se resumen los principales factores que afectan
a los aspectos de durabilidad, funcionalidad y estética de las
estructuras marítimas. Del mismo modo se describen cuatro
materiales (hormigón, aceros inoxidables de alta aleación,
titanio y polímeros) como las alternativas más competitivas
para hacer frente a las duras condiciones ambientales que el
medio marino impone a las estructuras y conducciones que
se ubican en él. De estos cuatro materiales el hormigón es
el más utilizado para la construcción y el que posee un
estado del arte mucho más desarrollado, por lo que se
profundizará más en los factores que el medio marino
induce sobre él y son causa de su mal funcionamiento en
servicio.
También se dará una pequeña pincelada de sus
posibles aplicaciones en ingeniería naval.
Así, para cada material se expone, si procede, la
idoneidad de su uso para cada tipo de circunstancia y
factor ambiental a resistir. Del mismo modo se dan
ejemplos de tipologías estructurales o de otro tipo y
ejemplos concretos en los que se utiliza.
Palabras clave: ambiente marino, hormigón, acero
inoxidable, titanio, polímeros.
El medio marino como tal, induce una serie de
condiciones de contorno que afectan a cualquier
estructura ubicada en él. Cada tipología estructural
(diques, plataformas, barcos…) se verá afectada en
distinta medida según el factor ambiental y los
materiales de los que esté compuesta.
De este modo puede realizarse la siguiente
clasificación de factores ambientales genuinos del
ámbito marino:
• Gradientes térmicos.
• Salinidad.
• Acción del oleaje.
• Factores biológicos.
• Factores locales: zonas de exposición.
2. El Medio Marino y sus Factores
Ambientales
1. Introducción
El medio marino introduce unos factores
ambientales de valores elevados (agresividad física y
química y mecánicos) que repercuten de forma
importante sobre la durabilidad de las estructuras. Por
ello se dedica el segundo apartado a explicar y
desarrollar los factores más importantes. De este
modo se introduce la problemática que induce el
ambiente marino y se justifica la existencia de los
apartados 3, 4, 5 y 6 en los que se presentan las cuatro
alternativas a materiales de construcción (tanto de
estructuras como de maquinaria) más frecuentes en
este ambiente tan específico.
Se hace un especial hincapié en el hormigón, para
el que se reserva el tercer apartado, ya que es el
material por excelencia para el caso de elementos
estructurales y del que mejor se conoce su
comportamiento en estas circunstancias.
Los otros tres materiales a exponer son el acero
inoxidable de alta aleación, el titanio, y los materiales
compuestos por matriz polimérica, cuarto, quinto y
sexto apartado respectivamente. Estos materiales son
mucho más modernos y consecuentemente menos
estudiados, tal es así que las actuales normativas y
códigos de cálculo han empezado, estos últimos cinco
años, a incorporar, por ejemplo, el acero inoxidable
como material de construcción con carácter
estructural. En cambio, para los dos restantes, no hay
una normativa clara en cuanto a su posible uso como
elementos estructurales y los pocos casos en los que
se han utilizado son en obras de conducciones
sumergidas o estaciones de bombeo.
2.1. Gradientes Térmicos
Dentro del ambiente marino los gradientes de
temperatura son menos acusados que los que se
pueden producir en la atmósfera. En latitudes medias,
las variaciones de temperatura que se dan en las
proximidades del océano no son un factor importante
a lo que se refiere a la respuesta estructural, no
obstante, si lo son hacia zonas interiores y de
montaña donde en algunas épocas del año estas
variaciones pueden ser lo suficiente importantes para
tenerlas en cuenta en el diseño estructural. Sin
embargo, existen climas extremos en zonas marítimas
en los cuales la acción térmica adquiere una mayor
importancia, es el caso del clima ártico en los que
puede darse un gradiente de temperaturas de hasta
50ºC entre zonas sumergidas y exteriores de
estructuras marítimas. El caso contrario se daría en
climas tropicales donde esta variación alcanza los
35ºC por lo que no debe despreciarse, en ninguno de
los dos casos, la influencia de la acción térmica en el
cálculo y diseño de la estructura.
115
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
En cambio en aquellas estructuras próximas al
mar el factor distribución de temperaturas no tiene
una repercusión específica, las condiciones térmicas
serán las que produce la misma atmósfera.
agua marina, más incluso que la temperatura o la
presión.
En zonas costeras los cambios de salinidad
pueden llegar a ser importantes, no sucede lo mismo
en mar abierto. Estas variaciones en la salinidad del
agua pueden ser consecuencia del deshielo y el
consiguiente aporte de agua dulce, o en temporadas
de fuertes precipitaciones. Los efectos más
inmediatos de estos cambios afectan a los empujes
hidrostáticos que sufren las estructuras y por
consiguiente a la línea de flotación de las estructuras.
Como ejemplo ilustrativo se puede citar que
variaciones de la salinidad de 0.2% supone
variaciones de 1 metro en la línea de flotación de una
estructura marina de 250.000 toneladas.
2.3. Acción del oleaje
Fig.1: Perfiles de temperatura para distintos climas
(Myers,1969)
De todas las componentes del impacto ambiental
el oleaje es la más significativa, fundamentalmente en
forma directa sobre las grandes instalaciones marinas.
La complejidad estriba en acotar la altura de ola de
diseño con la que se proyecta la estructura de modo
que se cumplan los requisitos necesarios de seguridad
y funcionalidad evitando sobredimensionar la obra.
Esta es una tarea ardua a la que se le confiere un gran
carácter matemático y estadístico en la que se centra
su atención a través de distintas líneas abiertas de
investigación en ingeniería hidráulica y marítima. De
este modo se han confeccionado tablas como la que
se muestra a continuación y que se muestra la altura
de ola de diseño y las condiciones ambientales de
diseño y diversos mares y países europeos.
2.2. Salinidad
Aunque los contenidos de sal depende del carácter
abierto o cerrado de la cuenca marina y de la latitud
en que se sitúa se puede aceptar un contenido típico
de sales en las aguas oceánicas del 3.3-3.5 %. Los
principales elementos que contribuyen a esta
salinidad son el cloro y el sodio.
2.4. Factores biológicos
El océano es el hábitat de un gran número de
especies acuáticas y de flora que se instalan en
cualquier tipo de superficie sumergida y semisumergida de estructuras marinas. La incidencia de
este hecho puede repercutir de forma directa e
indirecta.
Una acción indirecta podría ilustrarse con una
colonia de mejillones instalada en un talud de la
estructura y que ejerce un peso considerable sobre la
misma dándole una superficie mayor de exposición
frente al oleaje. La misma comunidad de mejillones
ejerce una acción directa cuando los mismos se
instalan en las fisuras y coqueras del hormigón
haciéndolas más grandes y vulnerables frente la
acción de agentes agresivos para el hormigón y los
aceros, si procede. En ambos casos se debe actuar en
distintas etapas de diseño, construcción y
mantenimiento con la finalidad de reducir estas
acciones negativas sobre la instalación.
Fig.2: Variaciones globales de la salinidad (‰) en las
distintas cuencas oceánicas (datos Agosto)
Los efectos agresivos de la salinidad del agua
marina sobre las construcciones de hormigón se
hacen más patentes en las estructuras de hormigón
armado, en las que las partes metálicas son los
elementos más susceptibles de ataque químico
(corrosión) por parte de las sales disueltas en el agua.
Los efectos de la corrosión sobre la durabilidad de
este tipo de estructuras se describen más adelante y se
propondrán métodos constructivos y materiales para
disminuir los efectos perniciosos de la salinidad en
las estructuras marinas. Además, la salinidad es el
factor más importante que condiciona la densidad del
116
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
las armaduras, se pueden dar heladas y erosionar la
superficie de contacto.
c) Zona sumergida: Es la que está en contacto
permanente con el agua. Las alteraciones de los
materiales son debidos a ataques químicos y
biológicos.
2.5. Factores locales: Zonas de exposición
Por lo que se refiere a las principales causas que
alteran las propiedades del hormigón y del acero
embebido en éste se pueden definir tres zonas de
exposición de una estructura en ambiente marino en
las que se desarrollan mecanismos de degradación de
distinta índole e importancia.
En lo referente a ambientes marinos, los más
agresivos son:
• Heladas fuertes en periodos intermareales de
6 horas.
• Inundaciones de zonas pantanosas de áreas
tropicales.
• Lagunas saladas en zonas áridas y desiertos.
Las distintas zonas de exposición y principales
causas de alteración del hormigón de una estructura
en un ambiente marino se pueden clasificar en:
3. Hormigón
3.1. Durabilidad
Se puede definir como capacidad para resistir los
cambios impuestos por los agentes agresivos que se
presentan en condiciones de servicio. De este modo
un mismo material puede tener distintos criterios de
durabilidad según el tipo de obra y aplicación para la
que esté concebido. En la siguiente tabla se
identifican los principales procesos que afectan ala
durabilidad de los materiales que conforman el
hormigón empleados para las distintas estructuras.
FÍSICOS
Formación de hielo
Evaporación de agua
Cristalización de sal en poros
Infiltración de agua y gases
Abrasión
QUÍMICOS
Hidrólisis y lixiviación
Penetración de sulfatos
Difusión de CO2
Corrosión por cloruros
Reacción Álcali-Sílice
Tabla I: Principales procesos de ataque del hormigón en
ambiente marino
3.2. Envejecimiento
Se entiende como aquel deterioro que aparece de
forma gradual de la estructura y propiedades
mecánicas, incluso en ausencia de agentes agresivos
reconocibles. Este fenómeno debilita el hormigón si
éste está húmedo, y lo hace frágil si está seco, de
modo que los áridos quedan sueltos en la matriz o
fácilmente disgregados por el desgaste natural a que
se somete el material. Son muchos los procesos
físicos y químicos que pueden acelerar el
envejecimiento del hormigón, los principales se
recogen en la tabla anterior, cuyos síntomas más
significativos pueden ser:
• Aumento de la porosidad.
• Microfisuración y fisuración de distintos
tipos.
• Decoloración, descamación y abrasión.
• Descomposición y desintegración.
• Precipitación de calcita y/o sulfoaluminatos
de calcio.
El aumento de porosidad puede responder a
diversas causas de tipo físico (p.ej: evaporación del
agua) o químico (p.ej: disolución de la pasta de
cemento). Asimismo la fisuración responde a un
abanico amplio de causas físicas (p.ej: de origen
térmico), causas químicas (por ejemplo, la fisuración
Fig.3: Zonas de exposición de estructuras en ambientes
marino [2]
a) Zona atmosférica: Parte de la estructura que no
recibe una acción directa del agua marina. Los tipos
de alteración que sufre son la corrosión de armaduras,
heladas y erosión.
b) Zona de transición: Parte de la estructura
sometida a la acción del agua marina de forma
esporádica. Dentro de esta zona se distinguen:
- Zona de mareas: Aquella localizada entre las
cotas mínima y máxima alcanzadas por el agua en los
períodos de marea baja y alta, respectivamente. En
esta zona se desarrollan alteraciones debidas a
ataques químicos y biológicos además de la corrosión
de armaduras.
- Zona de salpicaduras: Es aquella localizada entre
la altura máxima alcanzada por las olas y la cota más
elevada del área intermareal. En esta zona se corroen
117
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
expansivos como la etringita Ca6Al2O6(SO4)3.32H2O.
Sin embargo, el hormigón en zonas sumergidas no
exhibe fenómenos expansivos, probablemente porque
el hidróxido y sulfato de calcio, Ca(OH)2 y CaSO4
respectivamente, son considerablemente más solubles
en agua salada que agua dulce, y son eliminados
(lixiviados) de la matriz de hormigón. El sulfato de
magnesio tiene un efecto más perjudicial que el resto
de sulfatos ya que, reacciona con los silicatos
hidratados del calcio y aluminatos propios del
cemento, formando sulfoaluminatos altamente
inestables.
b) El ataque químico indirecto se da a
consecuencia de los cambios en la composición
química del agua que comporta la actividad
metabólica y/o descomposición de microorganismos.
Así, en mar abierto, el agua está generalmente bien
aireada; sin embargo, en zonas marinas restringidas
como las del Mar Báltico o Mar Negro, el oxígeno se
consume en la degradación biológica del plankton
antes de que la cuenca pueda ser realimentada por la
circulación o aporte de agua dulce.
Consecuentemente, el oxígeno disuelto es
reemplazado por ácido sulfhídrico (H2S), lo que
confiere al agua una ligera acidez. A medida que
aumenta el contenido de ácido sulfhídrico gracias a la
descomposición de la materia orgánica, este se va
transformando en sulfatos a través de la acción
oxidante de algunas tiobacterias (bacterias que
utilizan el azufre en su metabolismo), creando así
unas zonas de mayor agresividad hacia el hormigón.
Además de la producción de ácido sulfhídrico, la
putrefacción de la biomasa genera concentraciones de
dióxido de carbono que, eventualmente, pueden
favorecer la formación de bicarbonato de calcio en el
hormigón endurecido. Dado que el bicarbonato es
soluble en el agua, este proceso comporta una pérdida
de masa y consecuentemente la debilitación de la
pasta de cemento, pudiéndose llegar a la total
descomposición de sus productos de hidratación
como resultado de la carbonatación.
No obstante, no todos los cambios químicos y/o
microestructurales que el hormigón experimenta en
ambientes marinos son perjudiciales. Por ejemplo, la
disponibilidad local de concentraciones relativamente
altas de dióxido de carbono CO2 facilita la
carbonatación de las capas exteriores. Tal
carbonatación comporta una disminución de la
porosidad (poros rellenados por carbonatos de nueva
formación), lo que dificulta el paso de los agentes
agresivos a la matriz de hormigón.
en mapa se atribuye, generalmente, a reacciones del
tipo álcali-árido), causas biológicas (p.ej: abertura de
fisuras por penetración de raíces) y causas mecánicas
(p.ej: debidas a determinados tipos de impactos).
La formación de ácido sulfhídrico (H2O) como
consecuencia de la descomposición vegetal puede ser
también un factor de ataque muy importante, que
provoca la disolución progresiva de los componentes
cementicios.
La fisuración en mapa se atribuye generalmente a
reacciones álcali-árido y, por lo tanto, se achaca a una
falta de criterio adecuado a la hora de elegir los
materiales adecuados para el servicio que se le quiere
conferir a la estructura. El deterioro del hormigón con
áridos poco o nada reactivos se atribuye a ciclos de
hielo-deshielo en las zonas donde el clima sea
propicio a ello. La descomposición y desintegración
de los materiales del hormigón está comúnmente
ligada a la influencia química de las sales marinas
(bien disueltas en forma de aerosol), que causan la
evaporación del agua de la pasta de cemento y la
carbonatación del gel que le otorga las propiedades
cementicias originales.
3.3. Ataque químico
El agua marina contiene la mayor parte de los
elementos químicos, aunque la mayor parte de estos
se hallan en concentraciones casi imperceptibles. La
mayor parte de sales disueltas se hallan en forma de
cloruro sódico (NaCl). Las concentraciones de las
formas de sales más frecuentes en el agua de mar
pueden resumirse en la siguiente tabla.
Especie química
Cloruros (Cl-)
Sodio (Na+)
Sulfatos (SO42-)
Magnesio (Mg2+)
Calcio (Ca2+)
Potasio (K+)
Bicarbonatos (HCO3-)
Concentración (g/Kg)
19.4
10.8
2.7
1.3
0.4
0.4
0.1
Tabla II: Concentraciones de los elementos salinos
principales en el agua marina.
Se acepta que los ataques químicos pueden darse
de forma directa e indirecta en el hormigón si se
deben a ataques de sales, principalmente de
magnesio, o debido a cambios en la composición
química del agua respectivamente:
a) El ataque químicos directo proviene de las
sales de magnesio disueltas en el agua. Las
concentraciones del catión Mg2+ son pequeñas y
suelen encontrarse en forma de sal como (cloruro de
magnesio MgCl2 ~ 0.3% y sulfato de magnesio
MgSO4 ~ 0.2%) pero estas concentraciones son
suficientes para formar compuestos solubles (como el
cloruro de calcio CaCl2 y el sulfato de calcio
dihidratado, el yeso, CaSO4.2H2O), o compuestos
3.4. Fatiga
Puede definirse como la alteración mecánica de
los materiales bajo el efecto de las solicitaciones
repetidas. Esta alteración puede ser favorable
(consolidación) o desfavorable (daño). En este último
caso, puede producirse la ruina de las estructuras del
118
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
material después de un número más o menos grande
de solicitaciones repetidas menores a las
correspondientes a las resistencias estática del mismo.
En las estructuras marinas el número de ciclos
producidos por las olas puede ser muy elevado,
situándose entre 5x107 y 5x108, por lo que debe
plantearse el diseño teniendo en cuenta el estado
límite último de fatiga.
En el hormigón, no está claramente definida la
existencia de un límite de fatiga, si bien en los
planteamientos normativos es frecuente encontrar
limitaciones acotadas a un valor.
Hay que llamar la atención de que las condiciones
de cada uno de los mares condicionan el tipo y la
amplitud de los ciclos que se pueden producir, lo que
puede conducir a unos daños diferentes en función de
la historia de solicitaciones. A la hora de abordar
numéricamente este tema se suelen hacer
simplificaciones.
Finalmente, y de forma cualitativa, cabe destacar
que los procesos de microfisuración producida por
procesos de fatiga conlleva un incremento de
permeabilidad del material afectado, con la
consecuente disminución de sus características de
durabilidad. Este deterioro induce a su vez una menor
resistencia a procesos de fatiga, y así sucesivamente.
Todo ello se traduce en un ciclo acelerado de
degradación de la estructura, por lo que la
minimización de los procesos de fatiga en ambientes
agresivos (como el marino) es un concepto de
extremada importancia en el diseño de tales
estructuras.
Fig. 4: Variación del coeficiente de expansión térmica del
cemento en función de la saturación
No obstante, a pesar de la significación del
contenido en humedad, el factor más importante que
afecta a las propiedades térmicas del hormigón es el
tipo de áridos utilizados. En la siguiente tabla se
ofrece una lista de las propiedades térmicas más
relevantes de algunos tipos de rocas y minerales
comúnmente utilizados como áridos en el hormigón.
Granito
Andesita
Basalto
Arenisca
Cuarcita
Caliza
Mármol
Pizarra
Cuarzo
Dolomita
Feldespato
3.5. Comportamiento térmico
El hormigón marino, como se ha comentado en el
apartado de gradientes térmicos, puede estar expuesto
a una gran variedad de ambientes naturales, desde
tropicales hasta árticos.
Además, los usos y aplicaciones particulares para
los
que
esté
diseñado
pueden
variar
considerablemente, desde el almacenamiento de
combustibles gaseosos a bajas temperaturas, hasta
paneles de protección contra incendios.
Por lo tanto, esta variedad de condiciones de
servicio impuestas por el régimen térmico puede
afectar a los requerimientos de los hormigones en
ambientes marinos.
En tales ambientes, la humedad es también un
factor importante a considerar. Por si sola no tiene
una influencia directa en la mayoría de las
propiedades térmicas, pero sí en los efectos de tales
propiedades. Por ejemplo, la expansión térmica de la
pasta de cemento se ve afectada de forma
considerable por su contenido en agua, alcanzando
mínimos en condiciones secas o saturadas, y
máximos en humedades intermedias (60-70%), tal
como se ilustra en la Fig.4:
Coeficiente
medio de
dilatación
lineal
(x10-6/ºC)
8±3
7±2
5.4±1
10±2
11
8±4
7±2
9±1
-
Calor
específico
(KJ/KgºC)
Conductividad
térmica
(KJm/m2hºC)
0.716
0.766
0.846
0.875
0.733
0.804
0.812
10.47
6.15
11.64
8.83
18.63
15.49
8.37
Tabla III: Propiedades térmicas de algunas rocas y
minerales utilizados como áridos en el hormigón.
De los datos expresados en la tabla anterior, se
puede resumir que los coeficientes de expansión de
los áridos silíceos (arenisca, cuarcita) son elevados,
los de los carbonatos (calizas, mármol) son bajos, y
los de las rocas ígneas (granito, andesita, basalto) son
intermedios.
Aunque la sílice (cuarzo) tiene una conductividad
térmica elevada, los silicatos (p.ej: feldespatos)
muestran una gran variabilidad en el valor de esta
propiedad.
Por lo tanto, los estudios mineralógicos y
petrográficos son de esencial importancia en la
evaluación de la potencialidad térmica expansiva de
los áridos. La anisotropía de algunas rocas (por
ejemplo pizarras laminadas) también debe tenerse en
cuenta pues su expansión cúbica (isótropa) no tiene
119
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
químico a reforzar la barrera de protección de la
armadura frente a la despasivación por el ataque del
CO2 y, desde un punto de vista físico, contribuye al
contenido mínimo de finos que facilite la puesta en
obra y que al mismo tiempo mejoren la compacidad
del hormigón endurecido. Para alguna de estas
aplicaciones se pueden utilizar otro tipo de
conglomerantes como adición, tal como es el caso de
ciertos tipos de cenizas volantes y de la microsílice.
porque estar relacionada con su expansión lineal y,
por lo tanto, los valores experimentales de la tabla
anterior pueden inducir a confusión.
3.6. Elección de los componentes del hormigón
El diseño de la mezcla de hormigón (dosificación)
debe estar planteado para conseguir una alta
compacidad (y consecuentemente, resistencia), con
una elevada trabajabilidad, manteniendo una baja
relación agua/cemento y un contenido mínimo de
cemento. Ello implica la búsqueda de una máxima
compacidad del esqueleto rígido (formado por los
áridos) y el empleo de aditivos que reduzcan agua y
faciliten la trabajabilidad en estado fresco. La posible
solución de aumentar de forma sistemática por estas
razones puede ser poco interesante si se superan
ciertos límites, tanto por razones económicas como
por razones técnicas (aumento de la temperatura
durante las primeras horas de la hidratación).
Por lo tanto, después de estas consideraciones,
debe plantearse una dosificación acorde de los
materiales que componen el hormigón de modo que
el resultado final sea un producto capaz de resistir
adecuadamente las acciones de servicio y ofrezca una
funcionalidad y durabilidad acorde con las
necesidades requeridas, de este modo se puede actuar
en la elección de los distintos componentes del
hormigón del siguiente modo:
a) Áridos: Se deben prohibir aquellos que puedan
dar origen a reacciones de tipo expansivo, con la
consecuente fisuración que afecte a la durabilidad.
Si las condiciones de resistencia a hielo-deshielo
son muy exigentes puede conducir a situaciones muy
restrictivas de la selección de los áridos, lo cual
implique importantes distancias de transporte de los
mismos con el consiguiente encarecimiento.
Además, el árido no debe tener coeficiente de
forma bajo que dificulten la trabajabilidad y
compactación, dando lugar a un incremento de la
porosidad perjudicial para la durabilidad.
Asimismo, es recomendable que el coeficiente de
absorción sea bajo con el fin de evitar posibles
riesgos de expansiones posteriores.
b) Agua: La que se utiliza para el amasado debe
estar contrastada con las normativas, resaltando el
énfasis que debe ponerse en la limitación del aporte
de cloruros, dadas las condiciones de agresividad
ambiental posterior.
c) Cemento: Debe responder, en primer lugar, a
las condiciones ambientales existentes.
La categoría del mismo corresponderá a las
necesidades mecánicas establecidas para el elemento
estructural.
Por otro lado, si el elemento es muy masivo,
deberá tenerse en cuenta las condiciones de bajo calor
de hidratación.
El requisito de un contenido mínimo de cemento
responde, principalmente, desde un punto de vista
4. Aceros inoxidables de alta aleación
El acero inoxidable es un material relativamente
nuevo cuyas aplicaciones más usuales no se
encontraban en el ámbito de la construcción, ni
mucho menos en el marino.
Estos aceros daban buenos resultados contra la
corrosión en atmósferas desfavorables al aire libre,
pero su uso en contacto directo con el agua de mar
parecía un poco más arriesgado debido a la creencia
de que acero y agua salada eran elementos totalmente
incompatibles, que de ninguna manera podían estar
en contacto a no ser que hubiera algún elemento de
protección entre ellos.
Sin embargo, durante los últimos años, la
preocupación creciente por encontrar nuevos
materiales con elevada resistencia al deterioro en este
tipo de ambientes con el afán de mejorar o
complementar los ya existentes, ha provocado que la
investigación en el campo de los aceros altamente
inoxidables (alta aleación) haya avanzado a pasos
agigantados.
Así cada vez son más las aplicaciones de este tipo
de materiales, sobretodo en ingeniería naval y
marítima, aunque el elevado precio y la falta de
normativa específica frene un poco su uso como
material de construcción para estructuras sumergidas.
4.1. Descripción
El cromo es el elemento clave ante la resistencia a
la corrosión del acero.
El acero ordinario, cuando queda expuesto a la
intemperie, se oxida y forma óxido de hierro en su
superficie. Si no se combate, la oxidación sigue hasta
que la pieza pierde toda capacidad resistente.
Los aceros inoxidables, también se oxidan, pero
en vez de óxido de hierro, forman óxido de cromo,
que constituye una película protectora sobre la pieza.
Normalmente, si dicha película se destruye, el acero
aleado contiene el cromo suficiente como para que,
en contacto con el oxígeno de la atmósfera, la capa de
óxido se vuelva a formar. En ambiente marino,
mucho más agresivo, esta capa pasiva de óxido de
cromo puede sufrir una rotura local y no volver a
aparecer. Así se crean en el interior del material unas
condiciones químicas locales muy diferentes del
120
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
25% y el 30% para nuestro caso. Incrementando su
proporción en la aleación buscando, como en todos
los casos, mejorar la resistencia a la corrosión,
también formamos más fase ferrita, cuyo principal
elemento constitutivo es el cromo. De esta forma,
también logramos incrementar la resistencia a altas
temperaturas y la capacidad de formar carburos,
confiriendo así una gran resistencia frente al desgaste
a este tipo de aceros. En las dos últimas décadas se ha
dado un interés creciente por los aceros inoxidables
superferríticos debido a su buena resistencia a
corrosión electroquímica y a oxidación a altas
temperaturas.
c) Aceros superdúplex: tienen una estructura
mixta formada por ferrita y austenita. Poseen buenas
propiedades mecánicas, soldabilidad, resistencia a
corrosión bajo tensión y en algunos ambientes,
resistencia a la picadura mayor que los aceros de alto
contenido en níquel.
En las siguientes tablas se detalla la composición
química en frío y la denominación para cada uno de
los aceros pertenecientes a cada grupo:
resto, acelerándose la velocidad del ataque y
produciendo una corrosión localizada.
Para evitar este fenómeno los aceros inoxidables
destinados a estar en contacto con agua salada
contienen una cantidad mucho mayor de cromo que
los inoxidables convencionales. La mínima cantidad
de este material para este tipo de aceros ronda el 11%,
mientras que para nuestras condiciones ambientales la
composición variará entre el 20% y el 25%.
A parte del cromo, también se combina el acero
con cantidades de entre el 5% y el 6% de molibdeno,
que actúa desplazando el potencial de picadura hasta
valores más positivos reforzando así la capa de
pasivación y minimizando la corrosión localizada
comentada anteriormente.
El níquel es otro elemento destacado. Es el
principal componente de la fase austenítica del acero,
responsable de la tenacidad y resistencia al impacto
de éste. A parte también posee propiedades
anticorrosivas. Para reforzar esta fase, los aceros de
alta aleación para ambientes marinos incorporan una
componente de nitrógeno de entre el 0,2% y el 0,5%.
Finalmente el manganeso, presente en casi todos
los aceros, aunque no sean inoxidables. Éste se utiliza
para desoxidar, aumentar la capacidad de
endurecimiento y facilitar la laminación.
Pero la corrosión localizada por deterioro de la
capa de protección no es la única que se puede
producir en ambiente marino. Hay que tener en
cuenta el deterioro provocado por un cambio en las
condiciones ambientales del mismo material, el
ataque
de
microorganismos
(bacterias
sulforeductoras) y los posibles cambios de
composición química del agua.
Designación
UNS
S 31254
N 08926
N 08367
S 34565
Cr
Ni
Mo
C
N
Otros
20
21
20
24
18
25
25
17
6.1
6.5
6.5
4.5
0.02
0.02
0.02
0.02
0.2
0.2
0.2
0.45
654SMO
24
22
7.3
0.02
0.50
N 08904
N 08366
21
20.5
25
24
4.0
6.4
0.02
0.50
0.05
Cu 0.7
Cu 0.1
3 Mn,
0.5 Cu
1 Cu
-
Tabla IV: Composición de aceros superausteníticos [1]
4.2. Tipología
Designación
UNS
S
44375
44660
44635
SFerrit
44800
Los aceros existentes para ámbito marino se
clasifican principalmente en tres grupos de aceros
súper-inoxidables,
que
están
especialmente
formulados para otorgar una gran resistencia a la
corrosión localizada y que están a medio camino
entre los aceros convencionales y las superaleaciones
a base de níquel [4]:
a) Aceros superausteníticos: La principal
diferencia entre los aceros austeníticos y los
superausteníticos es la cantidad de níquel por el cual
están formados. Mientras que los primeros contienen
sobre un 9%, los segundos rondan entre en 25% y el
17%. Este incremento de la cantidad de níquel aleado
se realiza con la intención de mejorar la resistencia a
la corrosión, pero de paso también provocamos un
aumento de la fase austenita (formada, como se ha
comentado, de níquel principalmente) y de aquí el
nombre del grupo. Este tipo de aceros han
experimentado un desarrollo espectacular en los
últimos años.
b) Aceros superferríticos: contienen más cromo
que los ferríticos habituales. Este valor ronda entre el
Cr
Ni
Mo
C
N
Otros
29.0
0.3
4.0
0.02
-
Ti
27.5
25.5
28.0
29.0
1.2
3.5
2.1
3.5
4.0
2.5
4.0
0.02
0.025
0.025
0.01
0.025
0.02
Nb+Ti
-
Tabla V: Composición de los aceros superferríticos [1]
Designación
UNS
Cr
Ni
Mo
C
N
S 39276
25
7
3.5
0.03
0.25
S 39275
25
7
4.0
0.02
0.28
S 39274
25
7
3.0
0.02
0.28
S 32550
S 31803
3 Rego
26
22
18
5.5
5.2
4.5
3.0
3.0
2.5
0.04
0.03
0.02
0.17
0.14
0.14
Otros
Cu 0.7
W 0.7
Cu 0.5
W2
Cu 2
-
Tabla VI: Composición de los aceros superdúplex [1]
121
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
a) Recubrimiento con zinc: se le conoce como
proceso de galvanizado y es la forma más normal de
proteger pequeños objetos como amarres, cadenas,
grilletes y conductos de agua submarinos.
b) Recubrimiento con plásticos especiales: son
plásticos resistentes al desgaste, pero su elevado
precio hace que tampoco sean muy usados.
c) Recubrimiento con pinturas: las pinturas
especiales son el método más común de proteger
estructuras de acero. Las superficies a pintar se
limpian con un cepillo de acero y se da una primera
capa a base de zinc. La segunda y tercera capa son de
una pintura epoxi a base de brea. Al pintar el acero,
se deberán tener en cuenta los siguientes puntos:
- Las pinturas caseras normales no son adecuadas
para el entorno marino debido a envejecen con mucha
rapidez cuando están en contacto con los rayos del
sol.
- El diesel, queroseno y la gasolina, no son
compatibles con las pinturas marinas.
- Hay que utilizar guantes para manipular este tipo
de pinturas epoxi.
d) Recubrimiento con ánodos de zinc: Lo más
utilizado es construcción submarina para proteger el
acero, ya que prolonga su vida útil. Se pueden
presentar en pilones de acero, pontones y flotadores
metálicos.
4.3. Aplicaciones
Los aceros altamente inoxidables tienen diversas
aplicaciones en elementos en contacto con el agua de
mar. En este apartado se analizarán estos usos, según
las tipologías, tanto en el ámbito de la ingeniería
naval y marítima como en el de la construcción.
a) Aceros superausteníticos: se emplean en
procesos químicos donde hay presencia de medios
muy agresivos (elevadas concentraciones de cloruros
y altas temperaturas. En cuanto al ámbito de la
construcción, sus aplicaciones más destacadas son en
los sistemas de conducción de agua de mar y en
elementos estructurales de plataformas off-shore.
b) Aceros superferríticos: se utilizan básicamente
en condensadores de agua marina, aunque hay que
tener cuidado porque este tipo de aceros acoplados a
los AISI 316 pueden sufrir corrosión en resquicios al
producir la despasivación de los productos de
corrosión formados, de pH muy bajo.
c) Aceros superdúplex: esta tipología presenta la
ventaja de poseer una alta resistencia mecánica,
alcanzando valores de límite elástico de hasta
900MPa, lo que puede significar, en muchos casos,
un ahorro significativo de los costes en material. Son
muy utilizados en las plataformas petrolíferas como
elemento estructural, y en el caso de la ingeniería
naval, se utilizan para la elaboración de elementos
que van a estar en contacto directo con el agua salada
tales como remaches, válvulas, ejes y bombas.
Para algunas aplicaciones relacionadas con
ambientes marinos, quedan excluidos los aceros con
contenido inferior al 25% de cromo, al presentar una
elevada susceptibilidad a la corrosión a temperatura
ambiente.
A la vez hay que vigilar la formación de pares
galvánicos, sobretodo en embarcaciones, que pueden
dar lugar a picaduras que cambian las condiciones
químicas locales, disminuyendo los valores del pH y
aumentando así la concentración de cloruros en la
picadura.
Por otro lado, estos aceros podrían ser sensibles a
una fragilización debida a reacciones con el
hidrógeno del ambiente, pero esto se puede evitar si
son sometidos a una adecuada selección de
tratamientos térmicos.
Finalmente, no hay que perder de vista, que el
acero tradicional, pese a no tratarse de un material
novedoso, también puede ser utilizado en ambientes
con alta concentración en sales y húmedos. El coste
del acero inoxidable es bastante elevado, lo que hace
que éste no sea un material de uso cotidiano y sólo se
utilice para casos muy puntuales o elementos de
ajuste.
Para poder utilizar los aceros tradicionales
sumergidos en agua de mar, en ambientes de mareas
o cercanos a la costa, es necesario protegerlos con
algún material. De entre estos materiales los más
destacados son:
5. El titanio y sus aleaciones
El titanio y sus aleaciones tienen una gran
resistencia en agua de mar y en atmósferas
desfavorables, por lo que no necesitan ninguna
protección.
Fig. 5: Titanio puro
Su resistencia a la corrosión se debe a que en la
reacción éste y el oxígeno se forma una capa de óxido
superficial que es impermeable y lo protege. Hay que
tener en cuanta que un titanio puro puede estar
sumergido en agua de mar durante un par de décadas
sin experimentar ningún proceso de corrosión.
122
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Incluso resulta eficaz en zona de salpicadura, donde
estos procesos son más agresivos.
El titanio también presenta resistencia a la
corrosión debida a los microorganismos, lo que lo
hace un material muy apto para sustituir a otros que
puedan presentar problemas ante este ataque.
Por estos motivos el titanio es utilizado para
numerosas aplicaciones marinas.
6. Materiales Compuestos de Matriz
Polimérica
La principal diferencia entre los materiales
compuestos de matriz polimérica (PMC) y los
elementos metálicos que antes hemos descrito es que
mientras estos últimos presentan reacciones de tipo
electroquímico a temperatura ambiente, los PMC
presentan interacciones de tipo físico-químico con el
medio, existiendo una cantidad de casos muy elevada
dependiendo de los diversos tipos de ambientes
marinos y de la clase de cadena polimérica que tenga
el material.
En general, los buenos resultados de los valores
de resistencia específica y de resistencia a ambientes
agresivos hacen de los PMC unos materiales que son
usados en gran cantidad de aplicaciones marinas.
5.1. Tipología
Las aleaciones de titanio de alta resistencia se
obtienen gracias a una adecuada selección de la
composición química y de los tratamientos térmicos.
En la siguiente tabla se exponen las aleaciones de
titanio más utilizadas y
las cuales han dado
resultados excelentes en ámbito marino:
Designación
UNS
R 50400
R 50250
R 56400
Nombre
común
Ti Grado 2
Ti Grado 1
Ti 6-4
R56210
Ti-6-2-1-8
Composición
100% Ti
100% Ti
Ti-6% Al-4% V
Ti-6% Al2% Nb-1%Ta
-0.8% Mo
Tipo de
aleación
α
α
α-β
6.1. Tipología
Los materiales compuestos aplicados en el ámbito
marino son, fundamentalmente dos tipos:
• Resina epoxi
Cerca
de β
Tabla VII: Aleaciones del titanio para ambientes marinos
[1]
5.2. Aplicaciones
Aunque el precio del titanio es todavía muy
elevado, el empleo del mismo en ambiente marino,
está justificado en aplicaciones de elevada
responsabilidad o cuando no existe material
alternativo. Por este mismo motivo su uso como
material de construcción también está muy limitado
para estas aplicaciones aunque dado su bajo peso y su
alta resistencia podría aplicarse. El ejemplo más
característico es la fachada del museo Guggenheim de
Bilbao, cuyas placas son de titanio y donde podemos
ver que su uso ha sido excepcional al tratarse de un
edificio singular de nueva construcción. Sin embargo
en elementos de construcción sumergidos no
encontramos ejemplos destacables dado que el metal
estrella continua siendo, hoy en día, el acero.
El titanio se usa básicamente en:
- Hélices y ejes de timón, cascos de cámara de
presión submarina y plataformas petrolíferas.
- Más en el ámbito de construcciones submarinas,
puede aplicarse en tuberías que transporten agua de
mar, o en centrales donde se utilice ésta como
refrigerante.
Fig. 6: Resina epoxi
•
Resina poliéster
Fig. 7: Detalle de dos conos hechos con resina poliéster
123
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Tanto la resina epoxi como la resina poliéster
suelen reforzarse con [3]:
• Fibra de vidrio de calidades E y S
• Fibra de grafito
• Fibra Kevlar 49 (muy puntualmente)
Es posible que en contacto con agua de mar, estos
materiales presenten procesos de degradación
dependientes del tiempo ocasionados por el contacto
de sus moléculas con las partículas de agua salada. A
consecuencia de este proceso, el material puede llegar
a plastificar, produciéndose así una pérdida bastante
importante de su resistencia. Las moléculas de agua
penetran en el PCM y acceden hasta el interior
gracias a los defectos como grietas o poros que éste
puede poseer. El agua se establece en la interfase que
forman la matriz de la resina y el refuerzo, generando
así un nuevo tipo de moléculas expansivas que
acaban disolviéndose una vez se ha roto el enlace
químico. Este proceso provoca grandes daños y
muchas veces las reparaciones que se requieren
suelen ser bastante costosas.
para ciertas aplicaciones en las que actualmente se
utilizan. Tampoco se sabe como se comportarán en al
cabo de varios años, puesto que las experiencias que
se han tenido son relativamente recientes y no se sabe
muy bien cual será el comportamiento a largo plazo.
Finalmente resaltar que la investigación está
encaminada a la búsqueda de ajustes en la
composición y la adecuada selección de los
tratamientos térmicos con el fin de minimizar e
incluso suprimir la corrosión localizada que suele
darse en los elementos metálicos estudiados. En
relación a los PMC la investigación se centra en
encontrar mecanismo que frenen el proceso
expansivo que se da en la interfase y encontrar
tratamientos superficiales que favorezcan su
durabilidad.
Como conclusión resaltar la importancia de
buscar materiales que sustituyan al hormigón en
alguno de sus ámbitos, y, en este caso, en ambientes
marinos.
Agradecimientos
6.2. Aplicaciones
Expresamos nuestro agradecimiento a Patricia
Niño, licenciada en Ciencias Químicas por la
Universidad de Barcelona, la cual nos prestó diversa
información sobre líneas de investigación en
materiales avanzados.
Aunque las aplicaciones estructurales han sido el
inicio de la implantación en este sector, últimamente
se están utilizando para la fabricación de:
• Conducciones submarinas
• Canalizaciones
• Sistemas de bombeo
• Vehículos sumergibles
Referencias
[1]
7. Conclusiones
Se han presentado los factores ambientales que
induce el medio marino sobre las estructuras ubicadas
en zonas que se considera que durante la vida útil de
las mismas van a estar condicionadas por los mismos.
Del mismo, modo se ha puesto hincapié en cuatro
tipos de materiales candidatos a ser utilizados en
construcción bajo estas condiciones ambientales, el
primero de los cuales, el hormigón, tiene su
aplicación y eficacia probadas por la experiencia,
siempre que los criterios de dosificación, elección de
los áridos, puesta en obra y mantenimiento sean los
correctos.
Igualmente, en los últimos años, se está poniendo
una atención especial en la selección de nuevos
materiales para distintas aplicaciones en ámbito
marino, resaltando por su aplicación en diversos
campos de la industria los aceros inoxidables de alta
aleación,
denominados
superausteníticos,
superferríticos y superdúplex, así como el titanio y
sus aleaciones y los materiales compuestos con
matriz polimérica.
Sin embargo, no hay una normativa específica ni
ensayos de caracterización que aseguren que la
elección de estos materiales novedosos sea adecuada
[2]
[3]
[4]
124
M.V. Biezma Moraleda y E. Cueto Puente.
“Selección de materiales avanzados para el ámbito
marino”, I Congreso Nacional de Investigación y de
Innovaciones Tecnológicas en el ámbito marítimo,
pp. 701-709.
Comisión permanente del hormigón. EHE Instrucción
del Hormigón Estructural. Ministerio de Fomento
2002.
T.J. Glober. Corrosion Resistant Materials for Sea
Water Systems, in Corrosion and Marine Growth of
Offshore Structures. Ellis Horwood Publications,
England, 1984.
A.J. Sedricks. “Advanced Materials in Marine
Enviroments”. MP, pg 56
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 3. CURSO 2003-2004
125
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
COMPORTAMENT DELS MATERIALS COMPOSTOS DE FIBRA DE
VIDRE I LES SEVES APLICACIONS EN L’ENGINYERIA
Evangelina Blanco Obiol
ETSECCPB- Enginyeria de Camins Canals i Ports
e-mail: [email protected]
Josep Casas Pérez
ETSECCPB- Enginyeria de Camins Canals i Ports
e-mail: [email protected]
Elsa Pastó Carmona
ETSECCPB- Enginyeria de Camins Canals i Ports
e-mail: [email protected]
Resum: Els materials compostos de fibra de vidre són
materials bifàssics compostos d’un material fibrós i una
matriu, generalment resines. És un material molt flexible,
però a la vegada molt resistent. En quant a les seves
propietat químiques, té molt bon comportament respecte
les agressions ambientals. El bon comportament d’aquest
material possibilita el seu ús en multitud d’aplicacions de
diferents àmbits relacionats amb l’enginyeria i la
construcció. Per altra banda el seu cost és encara un factor
que, en alguns casos, descarta la seva aplicació.
compostos en el camp de l’enginyeria el podem
atribuir, en part, al desenvolupament de processos de
fabricació com ara la pultrusió. Gràcies a aquest
procés, ha augmentat molt l’oferta de perfils
disponibles, el que permet dissenyar un nombre
major de estructures.
Al llarg de la història, la innovació en nous
materials de construcció ha estat relacionada amb
geometries similars a les que s’utilitzaven amb els
materials existents. És evident que així no
s’optimitzen les propietats dels nous materials;
caldrà doncs una tasca d’investigació en aquest
sentit, i és exactament en el punt on ens trobem
actualment en el cas dels materials compostos.
Paraules clau: materials compostos, fibra de vidre,
aplicacions.
1. Introducció
Aquest treball pretén analitzar un material nou en
l’àmbit de l’enginyeria civil: la fibra de vidre.
La seva finalitat consisteix en donar a conèixer
les propietats més rellevants d’aquest material, així
com mostrar algunes de les seves aplicacions.
És molt interessant conèixer un material que
encara està poc desenvolupat, però que ofereix
moltes possibilitats de cara al futur.
La seva lleugeresa i fàcil muntatge, amb l’alta
resistència a corrosió i baix manteniment, juntament
amb la manca d’interacció electromagnètica, li
proporcionen aquestes interessants perspectives de
futur.
3. Descripció dels materials compostos
El terme material compost s’utilitza per
anomenar els materials bifàsics (fibra + matriu)
fabricats per tal de millorar les propietats que
cadascun dels elements constituents té per separat.
Si bé és cert que la varietat de materials
compostos és molt àmplia, entre ells es compleix el
denominador comú de l’existència d’un element
fibrós, que aporta rigidesa i resistència, i una matriu
(generalment resina), que aporta cohesió al material.
Normalment la matriu és flexible i poc resistent,
amb l’objectiu clar de transmetre els esforços de
unes fibres a les altres, i alhora a la superfície. A
més, també serveix per a protegir les fibres de
possibles danys mecànics i agressions ambientals.
Les fibres més utilitzades per a la fabricació de
materials compostos solen estar formades per
carboni, vidre, bor, aramida, metall, ceràmica, etc.
La naturalesa de la matriu pot ser també molt
variada: orgànica, mineral, metàl·lica, ceràmica, etc.
En referència al camp de l’enginyeria civil, els
materials compostos estan formats generalment per
matrius orgàniques i fibres de carboni, vidre i
aramida.
En el cas dels perfils compostos de fibra de vidre
més utilitzats, estan formats per fibra de vidre tipus
E, que es un vidre borosilísic amb baix contingut
2. Antecedents
La primera aplicació dels materials compostos es
va dur a terme en les indústries aeronàutica,
aerospacial i de l’automòbil. Des de fa més de 50
anys aquests materials s’han utilitzat en aquest tipus
d’indústries degut a les bones propietats que
presenten.
En el camp de l’enginyeria civil, els materials
fibroplàstics han tingut una incorporació molt lenta
però progressiva en l’última dècada, i s’han
construït, per exemple, alguns ponts a Europa i a
Xina. Aquest increment en l’ús de materials
125
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
d’àlcalis (menor al 1%) i per resines a base de
polièsters.
polimeritzat i amb les dimensions de secció
demanades, surt del motlle de pultrusió. El
mecanisme de tir pot ser un remolc d’eruga o dos
carros alternats per a garantir el moviment continu.
L’última etapa del procés comprèn el tall del
perfil en longituds adequades per al seu transport,
emmagatzematge i manipulació, així com succeeix
amb perfils d’altres materials. El tall es realitza a la
mateixa línia de producció mitjançant sistemes de
tall automàtic.
A través d’aquest procés es poden obtenir perfils
de formes molt variades, tot i que generalment són
de secció transversal constant (figura 2).
4. Fabricació de perfils
Un dels processos més utilitzats per a la
fabricació de perfils de materials compostos és el
procés de pultrusió.
La pultrusió és un procés de producció
automatitzat per a la fabricació, de manera contínua,
de perfils de secció constant de material compost de
resines termoestables i fibres de materials
mecànicament més resistents. L’avantatge del procés
de pultrusió és que es poden aconseguir infinites
formes de perfils, cosa que permet l’adaptació a
necessitats ambientals i estructurals específiques per
a cada projecte.
Fig. 2: Perfils de fibra de vidre de secció constant
5. Tipologia dels elements
Tal i com ja s’ha comentat, les formes adoptades
pels perfils compostos coincideixen amb les
utilitzades en altres materials, sobretot, i tot i les
diferències de comportament existents, en l’acer.
El mateix procés d’execució dels perfils, la
tècnica de pultrusionat, confereix un comportament
anisòtrop al material, mentre que l’acer presenta
propietats isòtropes.
Tot i això, i tot i aquesta tendència, els perfils
poden adoptar una àmplia gamma de formes: buits o
massissos, rectilinis o corbats. De tota manera,
solen ser de secció transversal constant, i el més
habitual és fabricar-los de secció rectangular, en
doble T o amb forma de pannell.
Fig. 1: Esquemes del procés de pultrusió
Aquest procés (fig. 1) consisteix en estirar dels
reforços continus (fibres) impregnats de resina
juntament amb les malles dels teixits a través d’un
motlle (extrusió) on, mitjançant una font de calor
externa, es produeix la polimerització de la resina,
obtenint així la geometria definitiva del perfil i
donant lloc a la producció de perfils de manera
contínua. El fet d’introduir malles de teixits ve
motivat pel fet que aquestes augmenten
la
resistència a tallant i la resistència transversal del
perfil.
El procés productiu preveu que les fibres de
reforç s’incorporin i es dirigeixin directament des de
les prestatgeries d’emmagatzematge de les bobines
de fibra de vidre cap a la zona d’impregnació, tot
travessant una estació de preformació on es
moldegen degudament per a les fases successives.
La impregnació de totes les fibres té lloc mentre es
travessa el bany de resina. A continuació, el material
compost de fibra i resina entra a la zona de motlles
de trefilat calent i s’estira a través d’ell. El calor
subministrat dóna lloc a una reacció exotèrmica que
posa en marxa el procés de polimerització o
enduriment de la matriu. Finalment, un perfil de
poliester reforçat amb fibra de vidre (GPRF),
Fig. 3: Diferents seccions realitzades amb aquest material
126
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
6. Propietats dels MC de fibra de vidre
Propietat
Resistència a tracció (MPa)
Resistència a flexió (MPa)
Mòdul a flexió (MPa)
Deformació de ruptura (%)
Les propietats dels perfils de fibra de vidre
depenen, principalment, de la composició del
material (proporció de fibra, resina i càrrega), de la
seva disposició en el perfil i del tipus de material
empleat.
Les propietats mecàniques depenen, en qualsevol
direcció, de l’orientació de les fibres, de les seves
propietats mecàniques i de la longitud, forma i
composició d’aquestes. Per altra banda, també
influeixen les propietats de la resina i l’adherència
entre les fibres i la resina. Cal mencionar que les
propietats depenen, en gran mesura, de la direcció en
la qual es mesuren en relació a la direcció en la que
estan orientades les fibres.
Les propietats de la matriu influeixen en la
resistència a tallant i en les propietats químiques,
elèctriques i tèrmiques del material compost, a més
de dotar de suport lateral en front al vinclament de
les fibres sotmeses a sol·licitacions de compressió.
Les resines són sòlides en una primera etapa, i
per a donar-lis les seves propietats de polimerització
s’han de dissoldre. Les resines passen de l’estat
líquid al sòlid per copolimerització del polièster,
amb un catalitzador en combinació amb un
accelerador o mitjançant l’aportació de calor.
Els materials compostos amb fibra de vidre són
un material molt flexible, però a la vegada molt
resistent. Sota esforços de tracció segueixen la llei
de Hooke, amb la particularitat de que la ruptura es
produeix sense presentar fluència prèviament. El seu
pes específic es de 2,8 kg/dm3, molt menor que el
dels elements tradicionals, per tant els perfils
compostos tenen una alta resistència.
En quant al comportament químic dels materials
de fibra de vidre, el més rellevant és que són inerts
en front a nombrosos compostos. Aquest
comportament està influenciat per la temperatura, el
tipus de resina utilitzada i la concentració del
producte agressiu. L’elecció de la resina a utilitzar
serà, per tant, un factor important en el que s’hauran
de tenir en compte les condicions a les que estarà
sotmès el perfil.
A les taules I i II es mostren les propietats més
significatives de les fibres i resines utilitzades en la
fabricació de un perfil format a partir de fibra de
vidre i de resines termoestables de vinilèster.
Propietat
Densitat (Kg/dm3)
Resistència a tracció (MPa)
Mòdul de deformació (MPa)
Deformació de ruptura (%)
Resina vinilèster
81.4
137.9
3 700
5
Taula II: Propietats mecàniques de la resina
Propietat
Resistència a tracció (MPa)
Resistència a compressió (MPa)
Mòdul de deformació (GPa)
Mòdul de tallant (GPa)
Coeficient de Poisson
Densitat (Kg/dm3)
Coeficient de dilatació
Tèrmica (10-6 K-1)
MC
257.8
257.8
19.2
2.9
0.35
1.66-1.93
8
Taula III: Propietats mecàniques del material compost (en
la direcció de las fibres)
Com es pot observar a la taula III, el material
compost resultant té molt bona resistència, tant a
tracció com a compressió, a més d’una baixa
densitat, que proporciona una gran lleugeresa a les
estructures formades a partir d’aquests perfils.
Material
Aigua
Aigua oxigenada
Acetona
Olis
Alcohol
Clor líquid
Àcid acètic
Àcid benzoic
Àcid borhídric
Àcid butíric
Àcid carbònic
Àcid cítric
Àcid clorhídric
Àcid cròmic
Àcid fluorhídric
Àcid fòrmic
Àcid fosfòric
Àcid hipoclorós
Àcid nítric
Àcid oleic
Àcid oxàlic
Àcid perclòric
Àcid sulfhídric
Àcid sulfúric
Àcid sulfurós
Àcid tartàric
Amoníac
Bicarbonats
Carbonats
Clorurs
Hidròxid d’alumini
Hidròxid de Na o K
Nitrats
Sulfats
Fibra de
vidre (E)
2.6
3 400
72 400
4.8
Taula I: Propietats mecàniques de les fibres
127
Resina vinilèster
Exposició Contínua
Exposició Infreqüent
Exposició Infreqüent
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Infreqüent
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Infreqüent
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Infreqüent
Exposició Infreqüent
Exposició Freqüent
Exposició Contínua
Exposició Infreqüent
Exposició Infreqüent
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Infreqüent
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Infreqüent
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Contínua
Exposició Freqüent
Exposició Contínua
Exposició Contínua
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Sulfurs i sulfits
Benzè
Ciclohexà
Monoclorbenzè
Nafta
Toluè
Xilè
comparació amb el materials compostos de fibra de
vidre.
Exposició Freqüent
No es recomana
Exposició Freqüent
No es recomana
Exposició contínua
Exposició Freqüent
Exposició Freqüent
Propietat
Resistència a tracció (MPa)
Resistència a compressió (MPa)
Mòdul de deformació (GPa)
Mòdul de tallant (GPa)
Coeficient de Poisson
Densitat (Kg/dm3)
Coeficient de dilatació
Tèrmica (10-6 K-1)
Taula IV: Propietats químiques del compost
A més de totes les propietats ja citades, és
interessant que els perfils construïts amb fibra de
vidre presentin també les següents propietats:
Valor
420-530
210
81
0.30
7.85
12
Taula VI: Propietats mecàniques de l’acer (A42b)
Propietat
Resist. a tracció
(Kg/cm2)
Mòdul tracció
(Kg/cm2)
Resist. flexió
(Kg/cm2)
Mòdul flexió
(Kg/cm2)
Resist. compres.
(Kg/cm2)
Impacte Izod
(Kgm/m)
Tall horitzontal
aparent (Kg/cm2)
Duresa Barcol
Absorció d’aigua (%
màx.)
Densitat (gr/cm3)
Gravetat específica
Coef. d’ expansió
tèrmica (cm/cm/ªC)
Contingut de vidre
en pes
Mètode
assaig
D638
D638
D790
D790
D695
D256
Mínim
Propietat
Resistència a tracció (MPa)
Resistència a compressió (MPa)
Mòdul de deformació (GPa)
Mòdul de tallant(GPa)
Coeficient de Poisson
Densitat (Kg/dm3)
Coeficient de dilatació
Tèrmica (10-6 K-1)
2 511 llarg
544 través
192 510 llarg
66 960 través
2 511 llarg
837 través
125 550 llarg
58 590 través
2 511 llarg
837 través
4.25 llarg
0.85 través
D2344
250
D2583
50
D2583
0.7
D792
D792
1.6-1.9
1.6-1.0
D696
5.2·10-6
D2584
50+-5
Valor
2-5
20-50
Aprox. 25
10.5
0.2
2,5
10
Taula VII: Propietats mecàniques del formigó
Al comparar els valors de les propietats
mecàniques del formigó i del material compost,
podem observar com la resistència dels materials
compostos, tant a compressió com sobretot a tracció,
és molt superior a la del formigó. Si ho comparem
amb l’acer, veiem que, a tracció, l’acer té un valor
màxim superior, però el seu límit elàstic és molt
semblant al que tenen materials compostos.
En quant al mòdul de deformació, podem
observar com el de l’acer és més gran que el dels
materials compostos, per tant aquests seran més
deformables. Si bé l’acer és menys deformable que
els materials compostos, aquests presenten sobre
l’acer un avantatge important: la seva densitat és
molt menor, per tant es podran realitzar
construccions de pes força més reduït.
Els coeficients de dilatació tèrmica permeten
conèixer l’allargament degut als canvis de
temperatura i, com podem observar, el coeficient de
dilatació tèrmica és menor en els materials
compostos que en el formigó, i aquest és a la vegada
menor que en l’acer. Per tant, tant l’acer com el
formigó, sota un mateix increment de temperatura,
patiran deformacions majors que el material
compost.
Si bé els costos d’aquests materials són més
grans que els d’altres, la resistència als agents
atmosfèrics dels materials compostos de fibra de
vidre minimitza considerablement els costos de
manteniment. A més, la seva lleugeresa permet
aconseguir importants estalvis en els costos de
instal·lació i transport.
Taula V: Propietats mecàniques recomanades per als
perfils estructurals. Extret de Composites for
infraestructure, a guide for civil Engineers.
Val a dir que aquestes especificacions són
recomanades només com a guia pel PIC (Pultrusion
Industry Control) del Composites Institute de la SPI
(Society of the Plastics Industry, Inc.).
7. Comparació entre MC de fibra de
vidre i acer i formigó
Per a tenir una visió global del comportament
d’aquests materials, a continuació es realitza una
comparació amb dos dels materials més utilitzats en
l’actualitat en l’enginyeria civil: l’acer i el formigó.
Les propietats d’aquests materials han estat
àmpliament estudiades, en les taules VI i VII es
resumeixen les característiques més importants de
cadascun d’ells per tal de poder realitzar la
128
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
8. Aplicacions dels MC de fibra de vidre
8.1. Passarel·les i viaductes
8.1.1. Passarel·la de fibra de vidre a Lleida
L’aplicació més habitual dels materials
compostos dins el camp de l’enginyeria civil són els
reforços a flexió i tallant, però progressivament
s’han anat incorporant en la construcció
d’estructures. Un exemple d’aquesta aplicació n’és
la passarel·la de fibra de vidre construïda a Lleida.
Fig. 5: Model tridimensional de la passarel·la
Els pannells del taulell són planxes nervades de
4cm de cantell, 0.50 m d’ample i 2.50 m de longitud.
Tots els elements descrits estan realitzats amb fibra
de vidre i fabricats a pultrusió. Com que estan
fabricats a Dinamarca, la longitud màxima dels
elements es va limitar a 9 m per qüestions de
transport.
Les unions entre les peces que formen l’arc, el
tirant i els diferents elements que formen
l’estructura, es realitzaren mitjançant cargols
inoxidables.
8.1.2. Pont prop de l’Aeroport d’Astúries
L’estructura d’aquest pont la formen tres bigues
contínues en secció calaix sobre les que descansa la
llosa de formigó. Aquestes bigues estan realitzades
amb material compost de fibra de vidre, i el seu
interior està ple de poliuretà.
Fig. 4: Passarel·la de fibra de vidre a Lleida
Aquesta passarel·la està conformada per un
conjunt de perfils pultrusionats de fibra de vidre,
amb un pes total de 19 tones, incloent tots els
elements estructurals com són el taulell, la tanca
antivandàlica i els elements auxiliars de connexió.
Els principals factors que foren decisius en
l’elecció d’aquest material van ser:
- Absència d’interacció magnètica, per
trobar-se la passarel·la ubicada sobre la
línia de tren d’alta velocitat.
- Minimització dels costos de manteniment.
- Facilitat d’execució. Només es van
necessitar tres hores per tallar la circulació
inferior, gràcies a la lleugeresa aconseguida
amb l’ús d’aquest material.
L’estructura està formada per dos arcs riostrats
mitjançant perfils tubulars. Tant els arcs com els
tirants tenen una secció rectangular buida
conformada per dos perfils en U de 300x90x15 mm,
units mitjançant platabandes encolades. Els
montants que uneixen l’arc i els tirants verticals
estan constituïts per perfils de secció doble T de
160x80x8 mm.
El forjat inferior està constituït per bigues
transversals de secció doble T (200x100x10 mm)
disposades cada 60 cm, sobre les que es recolzen els
pannells que formen la superfície de pas.
Fig. 6.a. i 6.b.: Construcció del pont d’Astúries utilitzant
pannells de fibra de vidre.
129
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Va entrar en servei l’any 2004, i suposa un gran
avanç en la tecnologia utilitzada, ja que introdueix la
secció en forma d’artesa.
Les bigues han estat reforçades en les zones dels
recolzaments dels pilars mitjançant diafragmes
formats per una estructura tipus sandwich dels dos
materials anomenats.
Una altra innovació que incorpora el pont de
l’autovia del Cantàbric és la utilització de connectors
fabricats amb fibra de vidre AR, Arcotex, que dóna
lleugeresa, majors prestacions mecàniques i és un
material resistent davant els alcalins del formigó.
Aquesta fibra, de molt recent aparició en el mercat,
té en aquest pont una de les seves primeres
aplicacions estructurals
8.1.4. Lewis and Clark Bascule Bridge
Aquest pont llevadís és un exemple de
l’avantatge que suposa la lleugeresa d’aquest
material.
Amb 39 m de llum i 6.5 m d’ample es beneficia
de la utilització de pannells de fibra de vidre en el
taulell per tal de reduir al màxim el pes a elevar.
8.1.3 Smith Road Bridge
Aquest viaducte a l’estat d’Ohio, als Estats
Units, va ser el primer en aquest estat federal
construït íntegrament amb materials compostos,
l’estiu de l’any 1997.
Com s’aprecia en la fig. 7 (a i b) el transport i la
col·locació són simples gràcies a la lleugeresa del
material. L’estalvi en logística és determinant en el
pressupost final de l’obra.
Fig. 8: Pont Lewis and Clark, a l’estat nord-americà
d’Oregon, construït l’any 2001.
Als pannells de materials compostos se’ls
dóna continuïtat, tant amb el formigó com amb
l’acer estructural, a partir d’uns perns. En les figures
9.a. i 9.b. es mostra com és aquesta unió.
Fig 7.a. i 7.b.: sobre el transport i manipulació de les
bigues del pont
Fig. 9.a. i 9.b.: Unió pannell-biga
130
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
els materials de preparació superficial i els materials
de protecció.
L’adhesiu materialitza la unió del material
compost amb el substrat de formigó. Per altra banda,
serà necessari preparar una superfície llisa. Aquesta
missió la realitzarà el segon dels materials
anomenats anteriorment, mentre que posteriorment
s’aplicarà la protecció.
8.2. Sistemes de reforç amb polímers armats amb
fibra de vidre (GFRP)
Aquest sistema ha aparegut com a alternativa a
les tècniques tradicionals de reforç d’estructures de
formigó, utilitzant materials compostos com
armadura suplementària encolada externament al
parament de l’element estructural a reforçar.
El disseny d’un reforç a flexió mitjançant GFRP
encolat externament és conceptualment molt
semblant al de l’armadura passiva d’una secció de
formigó armat.
8.3. Reforç de ponts de fusta
Actualment la fibra de vidre no s’utilitza
únicament en la construcció de ponts nous, sinó que
també constitueix un material adequat per al reforç
de ponts existents, especialment de fusta.
En aquest sentit, a Canadà s’ha utilitzat la fibra
de vidre per a prolongar la vida útil d’una sèrie de
viaductes que necessitaven ser adaptats per tal de
poder resistir l’augment de trànsit previst.
El sistema de reforç consisteix en col·locar
longitudinalment a les bigues barres de fibra de
vidre reforçades amb polímer. L’adherència a les
ranures de las bigues de fusta s’aconsegueix
mitjançant l’aplicació de resina.
Els estudis realitzats fins ara asseguren que
aquest procediment permet millorar en gran mesura
la ductilitat del conjunt, així com augmentar la
resistència a flexió entre un 20 i un 50%.
D’aquesta manera, la fibra de vidre constitueix
una solució alternativa viable i simple en
comparació
amb
els
materials
utilitzats
habitualment: formigó i acer.
Els principals avantatges són la seva lleugeresa,
que permet no afegir un pes important al pont
existent, i la seva resistència a la corrosió,
principalment de sals (fet a tenir en compte quan
s’han de descongelar carreteres).
D’altra banda, als ponts reforçats d’aquesta
manera al Canadà, s’ha aconseguit reduir el cost de
reparació fins un 15% en relació al previst
inicialment amb materials diferents.
Finalment, i tenint en compte aspectes purament
constructius, la utilització de fibres de vidre és
també aconsellable pel seu fàcil ús.
Degut a la lleugeresa del material, l’equip
d’instal·lació no és pesat, fet pel que la seva
col·locació no presenta excessiva dificultat, a més de
minimitzar l’afecció al medi i, per tant, les molèsties
als usuaris.
Fig. 10: Exemple de pont amb el formigó en mal estat.
Fig. 11: Solució amb fibra de vidre (GFRP)
Constitueixen un bon sistema per incrementar la
capacitat portant a flexió d’estructures de formigó
existents. No només aporten un increment del
moment últim, sinó que també milloren les
condicions de servei de l’estructura, controlant-ne la
fisuració, la deformabilitat i el nivell de tensions en
les armadures.
En canvi, la ductilitat d’una secció reforçada és
inferior a la de la secció de formigó estructural
prèvia al reforç, com a conseqüència del caràcter
fràgil dels modes de ruptura associats al GFRP, que
solen controlar l’esgotament de la secció. Aquest
aspecte ha de ser controlat mitjançant un bon
dimensionament.
Els materials constituents del sistema de reforç
final són, a part de les fibres i la matriu, l’adhesiu,
8.4. Formigons reforçats amb fibra de vidre
Entre els diferents tipus de materials compostos
que existeixen, entenent com a materials compost un
material multifase que conserva una proporció
significativa de les propietats de les fases
constituents de manera que presenti la millor
combinació possible, hi ha els materials compostos
131
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
estructurals dels qual s’ha parlat extensament en els
capítols anteriors i els materials compostos reforçats.
En aquest context trobem els formigons reforçats
amb fibra de vidre.
La addició de fibres com a reforç per a
formigons, morters o pasta de ciment, pot comportar
la millora de moltes de les propietats d’aquests
materials. Cal destacar entre elles: resistència a
tracció, tenacitat, fatiga, resistència a l’impacte,
permeabilitat i resistència a la abrasió.
L’ús de fibres de vidre com a part integrant del
formigó produeix canvis favorables en el seu
comportament, tot i que aquests canvis estan
relacionats amb diferents factors, com ara el tipus de
fibra, la quantitat de fibres i l’orientació de les
mateixes.
Tots els canvis, però, no són favorables. Per
exemple, si tenim en compte el formigó fresc, la
incorporació de les fibres comporta una disminució
de la treballabilitat entre un 20 i un 1%, depenent de
la quantitat de fibres, a major quantitat menor és la
treballabilitat del formigó. Per contra, en el formigó
endurit la incorporació de les fibres comporta un
augment de la resistència a flexotracció, que
augmenta directament amb la quantitat de fibres
aportada. Cal mencionar, també, que la incorporació
de fibres no afecta en gran mesura a la resistència a
compressió del formigó.
Donat el canvi de comportament experimentat
pel formigó, les principals aplicacions d’aquests
materials són:
- Lloses
- Paviments industrials
- Paviments per a contenidors
- Formigó projectat
- Revestiment de túnels
- Prefabricats
Donada la gran quantitat de fibres que es poden
utilitzar per a reforçar el formigó a banda de les
fibres de vidre, i la influència que la seva dosi
exerceix en el formigó, resulta interessant realitzar
una petita comparativa entre el formigó utilitzat
habitualment i el reforçat amb diferents tipus de
fibres.
3
Dosi de fibra (kg/m )
Assentament (mm)
Formació d’esquerdes
a l’assaig d’anell
Promig profunditat de
desgast (mm)
Promig profunditat
indentació (mm)
Promig resistència a
flexió (MPa)
Promitjos índexs de
tenacitat
I5
I10
I20
Taula VIII: Propietats d’un formigó simple (relació
aigua/ciment=0.56)
Dosi de fibra (kg/m3)
Assentament (mm)
Formació d’esquerdes
a l’assaig d’anell
Promig profunditat de
desgast (mm)
Promig profunditat
indentació (mm)
Promig resistència a
flexió (MPa)
Promitjos índexs de
tenacitat
I5
I10
I20
1
40
5
40
10
5
20
0
No
No
No
No
0.53
0.40
0.34
0.57
0.80
0.50
0.30
0.20
4.66
4.46
4.95
5.59
1.67
2.05
2.43
1.98
2.60
2.93
3.98
5.81
6.67
3.33
4.12
4.68
Taula IX: Propietats d’un formigó reforçat amb fibres
de vidre
Dosi de fibra (kg/m3)
Assentament (mm)
Formació d’esquerdes
a l’assaig d’anell
Promig profunditat de
desgast (mm)
Promig profunditat
indentació (mm)
Promig resistència a
flexió (MPa)
Promitjos índexs de
tenacitat
I5
I10
I20
1
25
5
15
10
0
20
0
No
No
No
No
0.52
0.49
0.33
3.37
0.90
0.50
0.30
2.00
5.45
5.24
3.88
2.63
1.76
2.33
2.97
2.03
3.18
5.30
3.09
4.98
8.53
4.87
9.27
18.3
Taula IX: Propietats d’un formigó reforçat amb fibres
de polipropilè
Dosi de fibra (kg/m3)
Assentament (mm)
Formació d’esquerdes
a l’assaig d’anell
Promig profunditat de
desgast (mm)
Promig profunditat
indentació (mm)
Promig resistència a
flexió (MPa)
Promitjos índexs de
tenacitat
I5
I10
I20
50
Sí
0.79
1.30
4.55
1
30
5
25
10
20
20
0
No
No
No
No
0.56
0.58
0.29
0.50
0.80
0.40
0.20
0.10
5.08
5.23
4.94
4.67
1.55
2.05
2.54
2.13
3.05
4.42
2.51
3.60
5.27
2.98
4.69
7.76
Taula X: Propietats d’un formigó reforçat amb fibres
d’acer
1.00
1.00
1.00
132
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Uns d’aquests bulons són els WIBOLT Star GFK
(Fig. 12), de l’empresa MINOVA, utilitzats
principalment en excavacions i túnels.
Els components d’aquest tipus d’ancoratge són
materials compostos de fibra de vidre, que es
caracteritzen per la seva alta resistència mecànica i
un excel·lent comportament a llarg termini.
Aquests bulons estan formats per dos elements:
el capçal d’ancoratge i la barra d’ancoratge.
El capçal està fet de resina de polièster i fibra de
vidre bobinada, i es fixa a la barra amb unes falques
especials integrades en ell mateix.
Per la seva part, les barres, gràcies a la forma
d’estrella de la secció, augmenten notablement la
seva superfície en comparació amb els perfils
circulars, aconseguint millor interacció amb la resina
o l’adhesiu, tot millorant l’efectivitat de l’ancoratge
en el terreny. Arriben a transmetre forces de 110 kN
al seu cap i de 300 kN a la barra per una secció de
355 mm2.
De les taules anteriors es poden treure una sèrie
de conclusions força interessants en relació a les
fibres de vidre:
- La treballabilitat del formigó es veu molt
poc afectada utilitzant fibres de vidre (fins
5 kg/m3), mentre que les fibres de
polipropilè l’afecten força.
- Les tres fibres responen igual al potencial
d’esquerdament per contracció del formigó.
- Totes les fibres augmenten la resistència a
l’abrasió del formigó en dosis de fins a 10
kg/m3. Només les fibres de vidre i d’acer
milloren aquesta resistència en dosis de 20
kg/m3.
- L’increment de resistència a l’abrasió del
formigó amb fibres de vidre és més
consistent que amb els altres dos tipus de
fibres.
- Totes les fibres augmenten la resistència del
formigó a l’impacte en dosis de fins a 10
kg/m3. Només les fibres de vidre i d’acer
milloren aquesta resistència en dosis de 20
kg/m3.
- La resistència a flexió augmenta amb
l’addició de fibres de vidre, el que no
succeeix amb les altres fibres, degut a la
reduïda treballabilitat i dificultats en la
compactació.
- En dosis baixes (1 a 5 kg/m3), les fibres de
vidre són menys efectives per tal d’assolir
la tenacitat que les altres fibres.
- En dosis de 10 kg/m3 i superiors, les fibres
de vidre són les millors en termes de
tenacitat absoluta, resistència a flexió,
resistència a la primera esquerda i tenacitat
a la primera esquerda.
Fig. 12: Buló tipus WIBOLT Star GFK
8.6. Altres aplicacions en la construcció
8.5. Bulons de fibra de vidre
A part dels perfils i dels reforços comentats
anteriorment, els materials compostos de fibra de
vidre poden tenir aplicacions molt diverses en
l’àmbit de la construcció, com per exemple la
fabricació de pannells decoratius, cobertures,
pannells de façana, dipòsits, components per a cases
prefabricades, escales i fins i tot terres de seguretat.
Les barres amb fibra de vidre són usades des de
fa més de vint anys per a fabricar bulons utilitzats
per a subjectar excavacions que posteriorment
s’hauran de demolir.
Bàsicament les barres de fibra de vidre tenen les
mateixes característiques que les altres aplicacions ja
esmentades, però el seu principal avantatge en
aquesta tipologia és la seva resistència al tall, tres
vegades menor que la de les barres corregudes. Això
fa que puguin ser fàcilment tallades per les piques de
les màquines i no perjudiquin el procés d’excavació
dels terrenys subjectats per aquest bulons.
Pel que respecta al seu preu, aquest és entre un
40 i un 100% més car que els d’acer, depenent del
tipus d’acabat i del consum.
Un altre inconvenient és que generalment es
fabriquen sota comanda, fet pel qual el
subministrament del producte tarda molt més,
arribant al període d’un mes.
Fig 13: Terres de seguretat PRFV
De totes aquestes aplicacions la més usual és la
fabricació de pannells amb fibra de vidre, aquests
133
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
pannells són seccions pultrusionades amb estructura
de mats i varetes de fibra de vidre, així, grans
envergadures poden ser cobertes econòmicament. La
superfície dels pannells té contorn ranurat, i si fos
necessari es podria acabar amb superfície arenosa.
El principal problema és el seu elevat cost, sens
dubte molt relacionat amb la ineficàcia de les
geometries existents, que no optimitzen
les
propietats dels materials compostos.
Tot i això, malgrat aquests inconvenients, els
avantatges que s’obtenen no són en cap cas
despreciables. La major resistència que les fibres de
vidre proporcionen, tant a les estructures noves com
a les ja existents, és només un dels factors que les
fan aconsellables.
En segon lloc, el seu pes reduït i
considerablement inferior al de materials més
convencionals repercuteix en un millor maneig de
les peces, ja que es poden utilitzar sistemes de
transport més senzills, menys personal, etc., fet que
permet reduir els costos de construcció.
Un altre aspecte destacable és el menor temps de
fabricació, que fins i tot pot reduir-se de mesos a
setmanes, essent un factor a tenir en compte en
situacions en que l’afectació al medi i, sobretot, als
usuaris (talls de circulació) és important. Per tant
aquest tipus de materials permet un llibertat de
disseny sense les limitacions pràctiques que vénen
imposades pels processos de fabricació en la
tecnologia dels metalls.
Finalment, el temps de corrosió és menor que el
del formigó armat i, òbviament, de l’acer. Les
tasques de manteniment seran més duradores, ja que,
en el cas de les fibres de vidre, l’aigua i la sal
acceleren la seva corrosió.
Tenint en compte tot l’exposat anteriorment, pot
afirmar-se que la utilització de materials compostos,
especialment la fibra de vidre, en la construcció i
reforç d’estructures en enginyeria civil, és una
alternativa l’ús de la qual es troba poc estès
actualment, però que constitueix una solució viable i
competent de cara a un futur pròxim.
Fig. 14: Pannells PRFV
9. Futur
Tot i la utilització de materials compostos en
l’àmbit de la enginyeria civil exposats en el present
article, el seu ús es troba encara en fase poc
avançada, però les facilitats que aquest material
presenta fan pensar que a mig termini serà una de les
alternatives a considerar seriosament.
Si bé és cert que un dels principals entrebancs
amb que es troba el seu desenvolupament és l’elevat
preu dels materials, la seva resistència a diversos
agents ambientals redueix considerablement els seus
costos de manteniment, valor afegit que es té cada
cop més present a l’hora d’avaluar el cost de les
estructures.
L’estalvi econòmic es veu també afavorit per la
lleugeresa d’aquests materials, el que permet reduir
notablement els costos de transport i instal·lació.
No obstant, no s’ha d’oblidar que, de la mateixa
forma que passa amb qualsevol innovació, la
generalització del seu ús serà conseqüència, en gran
mesura, del nivell d’investigació que acompanya al
desenvolupament del material.
En aquest sentit són necessaris encara una sèrie
de desenvolupaments que el facin més competitiu.
En primer lloc resulta important trencar la
tendència actual a construir formes estructurals
pensades per a optimitzar altres materials, i que faci
que els materials compostos treballin ineficaçment,
el que impedeix aprofitar completament les seves
propietats, donant un ús anti-econòmic a aquests
materials.
Finalment, el perfeccionament de les tècniques
de fabricació i de connexió d’elements tindrà un pes
decisiu en l’elecció d’aquests materials per a la
construcció de gran part de les estructures futures.
Referències
[1] J.A.Sobrino, M. Dolores, G. Pulido. “Pasarela de
material compuesto de fibra de vidrio sobre el acceso a
Lleida de la línea del AVE”, Quaderns d’Estructures nº
13, edita Associació de Consultors d’Estructures.
[2] B. Reyes, J. Humberto. “Los Plásticos reforzados en
fibra de vidrio, sus aplicaciones y desarrollo en la
industria nacional”, Lima 2002.
[3] J. Pascual, J.R. Casas. “Disseny del reforç a flexió de
ponts de formigó amb materials compostos: proposta i
verificació d’una metodologia simplificada”
d’Especialitat. ETSECCPB 2004.
[4]José Patricio Bravo Celis. “Comportamiento mecánico
del hormigón reforzado con fibras de vidrio: influencia
del porcentaje de fibra adicionado”, Chile 2003.
[5] Revista BIT, Gener 2004
[6] www.staplas.com
[7] www.fibrolux.com
[8] www.martinmarietta.com
[9] www.strongwell.com
[10] www.cmeargentina.com
10. Conclusions
La utilització de la fibra de vidre presenta, com
qualsevol altre material, una sèrie d’inconvenients.
134
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
HORMIGÓN AUTOCOMPACTABLE
Miquel Arévalo Rodríguez
UPC / Ingeniería Industrial
Departamento de Ingeniería de la construcción / ETSECCPB
Mossèn Jaume Sala 18, Mataró / Telf.: 657836017/ Fax: 972468054
Resumen: El hormigón autocompactable (H.A.C.) es aquel
hormigón que , sin necesidad de vibración ( ni otro tipo de
compactación), es capaz de rellenar todos los rincones del
encofrado a través de la armadura y consolidarse
únicamente bajo la acción de su propio peso, sin que se
produzca segregación del árido grueso. Es esta
característica principalmente la que proporciona mejoras
cualitativas en ciertos aspectos que inciden directamente y
de manera importante en el resultado final de una obra entre
los que destacan, la disminución de la dependencia entre la
durabilidad del hormigón y la cualificación de los operarios
de la obra, además de poder aumentar la complejidad en el
diseño de los proyectos.
Otro aspecto a tener en cuenta es el económico, ya que
debido a la eliminación de una compactación externa, se
reducen el tiempo, el personal y el equipo necesario para la
colocación del hormigón. También cabe destacar la mejora
en el aspecto medioambiental durante el ciclo de
producción de los elementos de obra.
Para obtener estos resultados mediante la utilización del
H.A.C. debe establecerse un equilibrio estable y óptimo
entre alta fluidez y elevada resistencia a la segregación.
El problema reside en que, mientras el diseño de
la mezcla es un parámetro controlable, el factor
puesta en obra es aleatorio y dependerá de la mano de
obra de que se disponga. Este planteamiento nos
conduce a pretender un hormigón cuyas propiedades
queden garantizadas en el momento de su diseño,
independientemente de la ejecución. La vanguardia
en el mundo del hormigón se centra en la elaboración
de hormigones autocompactables, que permiten ser
colocados en obra sin precisar medios de
compactación, mejorando significativamente la
calidad, la durabilidad y la vida útil de las estructuras.
Los objetivos que han promovido el desarrollo del
hormigón autocompactable han sido el obtener una
mayor productividad, un mejor entorno de trabajo y
la capacidad de colocar hormigón en condiciones
difíciles.
Para mejorar la economía de la construcción en
hormigón resulta esencial aumentar la productividad.
La eliminación de los trabajos de compactación
aumenta la velocidad de puesta en obra, reduciendo
sus costes. Además, las propiedades de H.A.C.
permiten el desarrollo de nuevos procedimientos de
bombeo y llenado de encofrados.
En lo referente al entorno de trabajo se elimina el
ruido provocado en el proceso de vibración, bien de
los vibradores de mano, de superficie o de encofrado,
mejorando tanto el entorno de la obra como las
molestias a edificaciones vecinas. Además, el empleo
de vibrador supone una carga física molesta y puede
provocar trastornos en la circulación de la sangre del
personal que lo manipula.
Para condiciones difíciles de colocación H.A.C. es
capaz de dar una respuesta eficaz a nuevos retos
estructurales, como las estructuras fuertemente
armadas, donde las dificultades para compactar
pueden originar serios problemas de calidad del
hormigón.A pesar de todas estas ventajas, la
utilización del H.A.C. es aún muy limitada, esto ha
obligado a investigadores y técnicos a desarrollar
ensayos de caracterización específicos o modificar
ensayos convencionales motivados principalmente
por las características del H.A.C., capacidad de
relleno, habilidad de paso y estabilidad frente a la
segregación.
Palabras clave: hormigón autocompactable, mejoras
cualitativas, alta fluidez, elevada resistencia a la
segregación.
1. Introducción
El uso del hormigón autocompactable, bastante
extendido en otros países, es una realidad en las obras
realizadas en varias comunidades autónomas. Los
resultados obtenidos alientan a la utilización del
H.A.C. en la construcción actual, tanto por la rápida,
cómoda y segura aplicación como por la calidad final
que proporciona.
La durabilidad del hormigón, aparte del diseño de
la mezcla y de los factores ambientales, depende
directamente de la puesta en obra que se realice.
Desde el punto de vista del diseño de la mezcla, la
instrucción EHE controla y regula los parámetros de
máxima relación a/c y la mínima cantidad de cemento
a emplear, en función de la agresividad del ambiente
al que va a quedar sometido el hormigón para
garantizar cierta durabilidad. Sin embargo una puesta
en obra inadecuada (desde la adición de agua en el
camión hasta un defectuoso, o incluso excesivo,
vibrado) puede provocar que el hormigón pierda
todas sus propiedades, siendo cuestionable la
durabilidad.
135
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
entre estos dos parámetros durante todo el tiempo que
implique el transporte y su colocación en obra. La
fluidez deseada se consigue utilizando aditivos
superfluidificantes de última generación, mientras
que la viscosidad se controla mediante el empleo de
altos contenidos de polvo y/o aditivos modificadores
de la viscosidad.
2. Conceptos básicos
El hormigón autocompactable se puede definir
como aquel capaz de llenar perfectamente el
encofrado, embebiendo las armaduras, sin presentar
segregación o bloqueo, por la acción de su propio
peso y sin precisar medios de compactación.
3. Criterios de diseño
La mayoría de los componenetes del hormigón
autocompactable son los que se utilizan para la
fabricación de hormigones convencionales. Sin
embargo, los métodos de dosificación de mezclas de
H.A.C. difieren de los métodos tradicionales
empleados en el hormigón, ya que las proporciones
de los componentes están condicionadas por las
propiedades en estado fresco, fluidez y viscosidad.
Los requisitos básicos a cumplir en cuanto a la
formulación son:
Fig. 1: Construcción de un encofrado estanco (Autovía
del Mediterráneo).
* Alto volumen de pasta de cemento (35%-40%
del total)
* Contenido de finos (< 0.1 mm) entre 450-600
Kg/m3.
* Relación agua/finos en volumen (a/f) entre
0.9-1.05.
* Relación de grava no superior al 50% del árido
total.
* Tamaño máximo de árido recomendado de 10
a 20 mm.
* Curvas de áridos continuas y con adecuado
coeficiente de forma.
* Aditivos superplastificantes de última
generación.
* Aditivos moduladores de viscosidad (sólo en
caso necesario).
Para que esto sea posible es necesario un
comportamiento
adecuado
del
hormigón
autocompactable en estado fresco.
3.1. Cemento
No existen requerimientos especiales en cuanto al
tipo de cemento, todos son utilizables aunque se
recomienda un contenido de C3A no superior al 10%.
Su elección se debe principalmente a factores ajenos
a la autocompacidad, como los requerimientos de
resistencia, de durabilidad, según normativa EHE o el
volumen de hormigonado. En general se precisa un
mínimo de 350 Kg/m3, variable según los requisitos
de aplicación, sin sobrepasar los 450 Kg/m3, salvo en
casos especiales.
Fig. 2: Elemento resultante una vez desencofrado.
Esta alta autocompactabilidad exige una alta
fluidez de sus mezclas, con suficiente viscosidad y
cohesión entre los componentes, a fin de garantizar
un flujo continuo e uniforme en toda la masa, sin
exhibir segregación y sin que se produzca bloqueo del
hormigón entre las barras de la armadura, o en las
zonas estrechas del encofrado.
Estas propiedades esenciales del H.A.C. presentan
cierto antagonismo, ya que todo aumento de la
fluidez conlleva una pérdida de viscosidad de la
pasta, lo que puede producir tendencia a la
segregación. El diseño de estos hormigones está
condicionado a obtener un equilibrio estable y óptimo
3.2. Adiciones
Un H.A.C. requiere un mínimo contenido de finos
(< 0.1 mm) entre 500-550 Kg/m3 que debe corregirse
con adición, de este manera se reduce el contenido de
cemento empleado. El contenido de adición debe
136
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
corregir el contenido de finos hasta conseguir una
relación agua/finos (A/F) en volumen 0.9 – 1.05.
sin embargo, un problema en la calidad de los
acabados
si
se
emplean
relaciones
a/c
extremadamente bajas y no se toman precauciones
adicionales.
3.3. Áridos
No existen limitaciones en cuanto a naturaleza
del árido, únicamente deben excluirse los áridos
lajosos. El contenido de árido grueso es inferior que
en un hormigón convencional y se está sujeto a
mayores exigencias. Se pueden recomendar tamaños
máximos de árido entre 12 y 16 mm., ya que tamaños
superiores implican mayor riesgo de bloqueo y
segregación. El coeficiente de forma debe ser lo más
bajo posible, siendo mejores las gravas rodadas.
En cuanto a la arena, generalmente puede
representar el 50-60% de la cantidad total de árido. Se
debe emplear arenas continuas, sin cortes en la
granulometría, y preferiblemente naturales. Un cierto
aporte de finos por parte de la arena reducirá la
demanda de adición y cemento.
4. Diseño de la mezcla
Las mezclas de H.A.C. se caracterizan por su
alta fluidez, falta de segregación y bajo riesgo de
bloqueo. Tales características dependen de los
componentes de la mezcla, sin embargo la diversidad
de materiales existentes en el mercado dificulta la
determinación de una dosificación única para los
H.A.C.. Los factores esenciales para el diseño de la
mezcla son los siguientes:
* Contenido en finos < 0.1 mm: 500 –550
Kg/m3
* Relación agua/finos en volumen: 0.90-1.05
* Tamaño máximo del árido: 20 – 16 mm
* Volumen de árido grueso: 28-35%
3.4. Aditivos
El empleo de un aditivo superplastificante de
última generación es imprescindible para la
confección de un hormigón autocompactable. Se
emplean los basados en éter policarboxílico
modificado, capaces de reducir agua en valores
superiores al 35%. Aparte del poder reductor de agua,
el aditivo debe ajustarse a las características de cada
aplicación (en función de si se demanda elevada
resistencia inicial, prolongado mantenimiento de la
consistencia, etc.) y en correspondencia al tipo de
cemento, adición y áridos empleados.
Sin embargo, el aditivo modulador de viscosidad
no resulta imprescindible y se emplean en el caso de
que el aporte de finos sea insuficiente o el contenido
de humedad del árido sea variable, para garantizar la
cohesión y uniformidad de las amasadas. Confiere
cohesión interna a la masa sin apenas pérdidas de
fluidez.
El aditivo superfluidificante es un componente
imprescindible para el H.A.C.
Sin embargo no es fácil obtener una dosificación
tipo, debido principalmente a la diversidad de
materiales existentes en el mercado, y a los diferentes
usos que se plantean darle al H.A.C. en función del
objeto del proyecto. En la tabla siguiente podemos
observar como varían las porciones
de los
del
hormigón
componentes
(en
Kg/m3)
autocompactable
según
las
dosificaciones
establecidas por diferentes autores.
Cemento
Cenizas volantes
Escorias
Filler Calizo
Arena
Árido máx.
10mm
Árido máx.
16mm
Árido máx.
20mm
Superplastificant
Ag.de viscosidad
Relación a/c
Relación a/f
Resistencia a 28
días (MPa)
3.5. Agua de amasado
La cantidad de agua total empleada debe guardar
con el volumen de finos una relación 0.9-1.05.
Relaciones agua/finos (a/f) inferiores a 0.9 generan
hormigones demasiado cohesivos que necesitan
mucho volumen para autocompactarse.
Contrariamente, relaciones a/f superiores a 1.05
implican un elevado riesgo de exudación. El cálculo
de la relación a/c debe considerar la cantidad y el tipo
de adición. La relación resultante no siempre es baja,
ya que el contenido de finos es alto.
La relación a/c es fundamental para la durabilidad
y resistencia mecánica del hormigón. Puede existir,
Bartos y
Grauers
(1999)
280
240
865
Ambroise
y Péra
(2001)
380
20
900
-
-
-
-
800
-
750
-
718
4,2
0,71
0,36
4,0
2,0
0,53
0,50
8,2
0,57
0,40
47
48
41
Su et al.
(2001)
300
148
63
928
Tabla I: Mezclas típicas de hormigón autocompactable
En general se observar que las cantidades de finos
y superplastificante son altas, comparadas con las
utilizadas en hormigones convencionales. Asimismo
137
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
la dosificación del árido grueso es menor que la
habitual, siendo inferior en peso, o del mismo orden
que la de la arena.
H.A.C.
Hormigón
convencional
Cemento
+ adición
18,1%
Cemento
9,4%
Arena
Árido
Agua
33,8%
Arena
32,8%
28,6%
Árido
37,0%
20%
Agua
20%
Fig. 1: Ensayo de extensión de flujo.
Tabla II: Proporción de los materiales en H.A.C. y
hormigón convencional
5.2. Caja en L
El ensayo consiste en llenar el depósito y dejar
fluir el hormigón hacia el canal a través de las
armaduras. Se determina el tiempo que tarda el
hormigón en llegar a una distancia de 200 mm (T20)
y de 400mm (T40), y las alturas H1 y H2 que se
alcanzan en ambos extremos de la parte horizontal,
con la mezcla ya en reposo. La razón H1/H2 se define
como el coeficiente de bloqueo (CB).
La prueba permite determinar valores que
cuantifican el bloqueo y estimar la fluidez del
hormigón tras pasar por los obstáculos. También
permite cualificar la resistencia a la segregación
visualmente.
5. Caracterización y ensayos
Tal como se ha expuesto anteriormente, las tres
propiedades características de H.A.C. en estado
fresco son la capacidad para fluir dentro del
encofrado y rellenarlo bajo su propio peso, la
capacidad de pasar a través del espacio entre la
armadura, y la estabilidad frente a la segregación de
sus componentes.
Todos estos parámetros son ajenos a la
caracterización convencional de la trabajabilidad del
hormigón fresco, basada fundamentalmente en la
medida del asiento del cono de Abrams. Por este
motivo y con el fin de evaluar la autocompacidad, los
investigadores han desarrollado ensayos específicos
que actualmente carecen de normalización, aunque se
esta trabajando en esta dirección.
PROPIEDAD
Fluidez o capacidad de
relleno
Capacidad de paso
Estabilidad o resistencia a
la segregación
ENSAYOS DE
CATARACTERIZACIÓN
Extensión de flujo
Embudo-V
Orimet
Caja en L
Caja en U
Anillo de barras
Caja de relleno
Ensayos GTM
Tubo-U
Fig. 2: Caja en L
5.3. Tubo-U
El ensayo del Tubo-U ha sido desarrollado en el
Laboratori de Tecnología de Estructures de la
Universitat Politècnica de Catalunya (Gomes et al.,
2001, 2002), para evaluar cuantitativamente la
estabilidad o resistencia a la segregación.
Se diseñó como una extensión del ensayo U de
Sakata et al. (1997) y el ensayo de columna de Rols et
al. (1999). En este ensayo se utiliza un tubo en forma
de U de 160 mm de diámetro. Se rellena el tubo con
hormigón por uno de sus bocas hasta que quede
enrasada su otra boca sin compactación. Se deja
fraguar el hormigón durante unas horas
(normalmente, entre 3 y 6). Se abre el tubo, se cortan
discos de 10 cm de espesor en distintas secciones del
tubo y se determina el contenido de árido grueso
Tabla III: Ensayos característicos del H.A.C.
5.1. Extensión de flujo
Evalúa la capacidad de fluir del hormigón fresco.
Se rellena el cono de Abrans de una sola vez y sin
compactar, se levanta y se deja fluir al hormigón
libremente. Se mide el diámetro alcanzado al llegar al
estado de reposo. Si además se registra el tiempo que
tarda la masa en alcanzar un diámetro de 50 cm. se
obtiene información sobre la viscosidad de la mezcla
(T50). Mediante inspección visual de la torta
extendida se puede observar la distribución del árido
grueso y la tendencia a la exudación en el borde.
138
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
presente en cada sección por lavado, tamizado del
mortero (hasta las fracciones de 5 mm) y secado.
La relación de segregación (denominada por RS),
definida por el cociente entre el contenido de árido
grueso evaluado en el hormigón y el contenido
teórico según la dosificación, debe ser igual o
superior a 0,90 para un HAC que presente buena
estabilidad.
condiciones de la obra. En realidad se podrían definir
distintos subtipos de H.A.C. en función del tipo de
aplicación. Cada uno de estos subtipos estaría
asociado con diferentes propiedades en el estado
fresco (viscosidad y fluidez) y las condiciones de
puesta en obra.
La tabla V define nueve subtipos de H.A.C. en
función de la aplicación del hormigón y de dos
propiedades en estado fresco; los valores obtenidos
en el Ensayo de Extensión de flujo y del Embudo en
V.
5.4 Embudo-V
El objetivo del ensayo es evaluar la capacidad de
fluir del hormigón en áreas restringidas en dirección
vertical y bajo su propio peso, cualificando la
tendencia a la segregación y al bloqueo, mediante
observación de la variación de la velocidad de flujo.
El embudo-V, normalmente de acero, tiene forma
de V con una apertura en el fondo, donde se coloca
una compuerta que ha de ser estanca mientras esté
cerrada y de rápida apertura, para interferir lo menos
posible en el momento de la descarga. La geometría
de la sección transversal puede ser de forma circular o
rectangular, siendo la segunda la más utilizada.
El ensayo consiste en llenar el embudo con la
muestra representativa de HAC de forma continua y
sin compactación alguna. Seguidamente, se abre la
compuerta y en ese instante se comienza a medir el
tiempo que tarda el volumen total de hormigón en
fluir a través de la apertura.
En algunos casos se ha propuesto medir también el
tiempo de flujo dejando reposar la muestra en el
embudo durante 5 minutos para valorar la tendencia a
la segregación.
9-25
Tiempo
embudoV
(s)
Margen Valores
mm
600-800
segundos
segundos
H1/H2 (mm)
mm
Hint-Hext (mm)
%
%
RS
6-12
0-5
0,8-1
0-30
≤10
90-100
0-30
≥0,90
Pavimentos
470-570
540-660
630-800
Extensión de flujo (mm)
Tabla V: Áreas de aplicación en función de las
propiedades del H.A.C.
Esta tabla es útil para diseñar un H.A.C. con las
propiedades adecuadas a la aplicación a la que se
destina. Por ejemplo, si el hormigón se va a aplicar en
la rampa del garaje, las propiedades que lo definirán
serán un Escurrimiento de 500 mm. y un Tiempo en
el Embudo V de 15-25 segundos.
Como valores orientativos a la hora de interpretar
los resultados obtenidos en los ensayos realizados al
H.A.C. se pueden tomar los recogidos en la tabla IV.
Estos valores se basan en el conocimiento y práctica
actuales.
Magnitud
Pilares
Muros
5-9
3-5
5.4. Criterios de aceptación
Ensayo
Extensión de
flujo
Embudo-V
Orimet
Caja en L
Caja en U
Anillo de barras
Caja de relleno
Ensayo GTM
Tubo-U
Rampas
6. Fabricación y puesta en obra
Se puede fabricar hormigón autocompactable con
cualquiera de los métodos habituales, tanto
amasadoras como plantas dosificadoras con amasado
en camión. Es conveniente aumentar el tiempo de
amasado habitual (2-3 minutos) para asegurar la
homogeneidad y estabilidad de la mezcla. Se debe
cuidar la secuencia de amasado para una buena
dispersión de las partículas, añadiendo el aditivo en
último lugar.
La mezcla de H.A.C. es muy sensible a pequeñas
variaciones en el contenido total de agua, por lo que
el control estricto de la humedad de los áridos es
imprescindible.
Aunque la mezcla se haya logrado con éxito a
nivel laboratorio, deben realizarse los ensayos
pertinentes al llegar a la obra. Para cada ensayo, y
Tabla IV: Valores de aceptación del H.A.C.
Estos criterios de aceptación son generales.
Valores fuera de los márgenes indicados en la tabla
IV pueden ser aceptables en función de las
139
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El proceso es rápido, seguro y con un mejor
empleo de la mano de obra. El hormigón
autocompactable garantiza el perfecto llenado del
encofrado y las superficies obtenidas tienen menor
porosidad y son incluso más homogéneas de color.
según el tipo de estructura a realizar, se debe
establecer un rango de aceptación y rechazo.
Dadas las características del hormigón
autocompactable, el bombeo es el medio óptimo para
su puesta en obra.
6. Propiedades y ventajas
El hormigón autocompactable presenta amplias
ventajas desde el punto de vista de la ejecución
(estado fresco), sin perder ninguna de sus propiedades
resistentes o de durabilidad (estado endurecido).
En estado fresco se mejora la homogeneidad y
compactación de la masa, dada la fuerte oposición a
la segregación y a la exudación. Aumenta la
velocidad de colocación, ya que el hormigón fluye
libremente por el encofrado, sin precisar medios de
compactación. Se obtienen mejores acabados,
reduciéndose los defectos de llenado en estructuras
complejas o densamente armadas, y las
heterogeneidades del hormigón entre los distintos
sectores de la estructura. Y además, al eliminar las
operaciones de vibrado, se mejora el ambiente y las
condiciones laborales.
En estado endurecido se obtienen valores de
resistencia mayores a los que correspondería a
hormigones convencionales con igual relación a/c o
contenido unitario de cemento. También se mejoran
los parámetros vinculados directamente con la
durabilidad; se reduce la porosidad y las
heterogeneidades entre masa y superficie.
Y por último, desde el punto de vista estético se
mejora la apariencia y acabado superficial, al
obtenerse una coloración más uniforme y una
disminución de los poros.
Fig. 3: Vista desde la parte superior del encofrado, se
observa la alta densidad de armadura.
El hormigón puede distribuirse mediante
conductos y mangueras, dividiendo se en bocas de
hormigonado en función de la forma del encofrado.
Con H.A.C. es posible el hormigonado en espacios
cerrados y se han utilizado sistemas de sensores que
informan continuamente del avance del frente de
hormigón.
En elementos verticales se emplea un sistema de
bombeo de hormigón desde la base de los encofrados,
dotados de orificios especiales para enchufar la
bomba.
7. Aplicaciones prácticas
En la actualidad, la consolidación del hormigón
autocompactable en nuestro mercado avanza sin
detenerse. Debemos destacar dos importantes casos
donde el H.A.C. esta experimento un crecimiento más
rápido. El primero de ellos es el sector del hormigón
prefabricado, fundamentalmente porqué la evaluación
de costes de producción de hormigón y de ejecución
es más sencilla y permite apreciar rápidamente las
ventajas económicas del hormigón autocompactable.
Se obtienen beneficios tanto a nivel de resistencias
iniciales y acabados, como en aspectos de
producción.
También por supuesto por lo que representa para
el ambiente de trabajo, eliminando por completo el
constante ruido de los vibradores y reduciendo los
riesgos laborales a largo plazo, y para la calidad del
Fig. 3: Dispositivo para hormigonar desde la parte inferior
del elemento.
La calidad y estanqueidad del encofrado juega un
papel fundamental en el resultado final. Deben resistir
la presión del hormigón durante la puesta en obra, por
lo que se recomienda el cálculo de los encofrados
considerando la presión hidrostática.
140
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
producto, especialmente por los mejores acabados
que se obtienen.
El segundo caso es el empleo del H.A.C. como
solución a ejecuciones de hormigón complejas,
fundamentalmente debido a una alta densidad de
armado o debido a complicados accesos al punto de
hormigonado, mostrándose como garantía para la
calidad y durabilidad de la estructura. Sin embargo, el
punto de inflexión para la consolidación completa del
H.A.C. en nuestro mercado del hormigón llegará
cuando se utilice en aplicaciones convencionales.
Hoy en día, ya se está aplicando con éxito para la
elaboración de soleras y pavimentos, así como
forjados y losas. En estos casos la rápida y cómoda
aplicación es la principal ventaja.
Un campo en el que el H.A.C. está resultando
especialmente ventajoso es el de la reparación, bajo
condiciones de contorno determinadas por zonas
densamente armadas y dificultad de acceso a las
mismas.
En la construcción en general el uso del H.A.C.
elimina los costes de compactación, y asegura que
ésta sea adecuada.
Sin embargo, el coste total de construcción no
siempre puede ser reducido, salvo en aplicaciones a
gran escala. Esto es debido a que los sistemas
convencionales de construcción están generalmente
diseñados considerando que la vibración del
hormigón es imprescindible. Pero una vez salvado
este obstáculo la construcción puede ser racionalizada
y nuevos sistemas de construcción pueden
desarrollarse, incluyendo el encofrado, la armadura y
el diseño estructural.
obtienen piezas esbeltas, fuertemente armada y
de excelentes acabados.
* Ausencia de vibradores acoplados a los
moldes, lo que conlleva ausencia de ruidos por
vibración.
* Colocación del hormigón mediante cuba
giratoria que se desplaza sobre rail por encima
de la línea de producción. De esta manera, el
hormigón se amasa de forma continua antes de
su colocación. El sistema de vertido empleado
permite el ajuste de la fluidez mediante
readitivación en caso de parada accidental y
momentánea, de la producción.
Estas características permiten obtener el máximo
rendimiento de las propiedades del H.A.C.,
minimizando los tiempos de fabricación y
optimizando el capital humano
7.1. Hormigón autocompactable en elementos
prefabricados
Fig. 4: Línea de producción de elementos prefabricados con
H.A.C.
Actualmente es el sector del hormigón
prefabricado el que esta desarrollando y
aprovechando en mayor medida las ventajas que
proporciona el hormigón autocompactable. Existen
diversas empresas del sector en Cataluña que han
modificado parcialmente sus líneas de producción
para adaptarlas a esta solución.
El tratamiento industrializado que tiene el
hormigón en una planta de prefabricado, permite
controlar en mucho mayor grado los sensibles
parámetros de diseño del H.A.C. al tiempo que la
enumeración de las ventajas en su utilización crece.
Las características básicas de la instalación para
hormigonado de elementos con H.A.C. son las
siguientes:
Para la obtención de la mezcla, debe realizarse un
exhaustivo análisis de los materiales locales, que
habitualmente abastecen la instalación. En el criterio
de selección de los materiales, únicamente se
excluyen los áridos lajosos, y se limita el tamaño
máximo del árido a 12 mm para evitar problemas de
colapso entre las armaduras de las piezas más
esbeltas, además se opta por arenas con importantes
aportación de finos, procedentes del machaqueo del
material, y nunca de una mala limpieza o
contaminación del mismo.
Una vez analizadas las curvas granulométricas, se
procede al diseño preliminar de una mezcla óptima
para cada tipo de dosificación en función de la
resistencia solicitada. Con las dosificaciones teóricas
se procede a realizar los ensayos industriales en la
línea de producción donde se ajustan las mezclas
hasta obtener la solución requerida.
Las dosificaciones teóricas pueden elaborarse
mediante el cálculo de Bolomey. La curva en este
método se toma como tipo o modelo para componer
* Líneas de producción perfectamente ordenadas
optimizando el espacio de la instalación.
* Exigencia en el diseño de las piezas
prefabricadas. Con el empleo del H.A.C. se
141
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
los áridos, viniendo definida por porcentaje en
volumen elemental que pasa por cada tamiz, abertura
de cada uno de los tamices de la serie.
Este procedimiento ajusta la curva real a una
curva teórica continua. Dado que este método no
contempla
la
utilización
de
hormigón
autocompactable, deben ajustarse los parámetros de
fluidez a un valor de entre 16-18.
A continuación pueden comprobarse los
resultados obtenidos durante la elaboración de
ensayos industriales en una empresa de prefabricados,
llevados a cabo en su línea de producción. En este
caso las dosificaciones se diseñaron para obtener
resultados que iban desde los 30 hasta los 60 Mpa.
por encima de la oferta y provoca que las empresas
dediquen todos sus recursos a abastecer esta
demanda, no hace fácil la adecuación de las
instalaciones para el empleo del H.A.C..
Fig. 6: Curva granulométrica para un HP60.
Dosificación en Kg. (HP60)
Arena
1070
Gravilla
844
Grava
0
Cemento
440
Agua
136
Total
2491
Tabla VI: Dosificación en Kg.
Fig. 5: Curva granulométrica para un HP30.
Por otro lado cabe resaltar que las empresas del
sector se abastecen principalmente de los materiales
locales para reducir los costes del transporte. Esto
provoca que existan verdaderos problemas para
abastecerse de materiales idóneos para la fabricación
del H.A.C.
La curva granulométrica muestra la casi exacta
coincidencia entre la curva de Bolomey en azul y la
obtenida, en rojo, para llevar a cabo estos ensayos. La
mezcla que se obtuvo fue la siguiente:
Dosificación en Kg. (HP30)
Arena
1232
Gravilla
856
Grava
0
Cemento
300
Agua
120
Total
2509
7. Conclusiones
Este trabajo recoge los aspectos más importantes
desde el punto de vista del material y su elaboración,
sin incluir aspectos de análisis estructural, tan
importante y relevante como la propia elaboración del
producto, pero que no han sido el objeto de este
estudio. Del trabajo realizado se desprende que pese a
las dificultades, la tecnología del H.A.C. que esta
siendo adoptada en muchos países, se deberían
desarrollar métodos de diseño racionales, que
tuvieran en cuenta las propiedades del H.A.C., dando
lugar a nuevos sistemas de producción, con el fin de
generalizar y hacer rentable su uso.
Aunque se ha avanzado en el desarrollo de los
criterios de diseño y obtención del H.A.C., el hecho
de que no existan ensayos normalizados sugiere una
reflexión y un estudio por parte de los investigadores
y técnicos para la elaboración de unas normas que
regulen y homogenicen dicho ensayos.
Estos métodos deben proporcionar una rápida y
fiable valoración de las propiedades fundamentales
Tabla VI: Dosificación en Kg.
Los ensayos industriales realizados dieron como
resultado hormigones de perfecta autocompacidad
siendo las resistencias obtenidas superiores a las
estimadas en un principio.
Sin embargo a pesar de estos resultados y de la
indudable implantación del uso del H.A.C. en el
sector del hormigón prefabricado, existen importantes
inconvenientes para que esta implantación sea plena.
Aún hoy, importantes empresas del sector en
Catalunya, fabrican la mayoría de sus productos
mediante líneas de producción convencionales. La
mayoría han ido creciendo y aumentado sus líneas de
producción en la superficie con la que cuentan,
procurando optimizar el espacio. Esta situación, así
como el propio sistema de producción, junto con un
mercado muy tensionado en el cual la demanda esta
142
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
del H.A.C. en estado fresco, tanto en laboratorio
como en obra.
A pesar de estos inconvenientes, las ventajas que
ofrece el H.A.C. respecto al hormigón convencional
en determinados elementos y condiciones, ha
alentado a fabricantes, usuarios y administraciones a
favorecer el desarrollo de esta tecnología. Con este
propósito el Instituto de Ciencias de la Construcción
Eduardo Torroja esta impulsando su normalización
según UNE incluyendo ensayos reológicos como de
control. En paralelo la comisión encargada de revisar
la EHE, muy probablemente recogerá esta tecnología
y su reglamentación ya sea en el articulado o bien
como un anejo.
Referencias
*
*
*
*
*
143
P. Corraleras Mas, J. García San Martín.
“Hormigón autocompacto y aditivos. Un
compromiso perfecto”. Diseño de hormigones por
prestaciones, 5.4. CEMCO 2004, IETcc (CSIC)
L.Fernández, D. Revuelta Crespo. “Hormigón
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Hormigón y Acero, 2003.
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L. Fernández Luco, D. Revuelta Crespo. “Diseño de
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IETcc (CSIC).
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autocompactable", EFNARC 2002
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 3. CURSO 2003-2004
144
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
EL HORMIGÓN AUTOCOMPACTABLE
Y SU APLICACIÓN CON FIBRAS
Marc Busquets Zapata
Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports
Universitat Politècnica de Catalunya
C/ Santiago Rusinyol nº39 1º A, Tordera (BARCELONA)/ 669.942.210/ [email protected]
Javier Pausas Escolà
Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports
Universitat Politècnica de Catalunya
C/Encarnació 132 7º 1ª/ 616521243/ [email protected]
Resumen: El presente artículo nos introduce al mundo del
hormigón autocompactable (HAC), siendo un resumen de
algunas directrices y compendios que hay en la actualidad,
ya que no existe una norma sobre este. Debido a la
importancia que tiene identificar las propiedades del HAC
es estado fresco existe una gran variedad de ensayos para
caracterizarlo.
Su aplicación con fibras, experimental en la actualidad, nos
da una variabilidad con respecto a las propiedades del
hormigón autocompactable en estado fresco. Se ha
analizado detenidamente como varían los resultados en
ciertos ensayos y así obtener la diferencia de
comportamiento de ciertas propiedades.
Cabe destacar, además de las ventajas debidas a la fluidez,
otras ventajas que se consiguen, ya sea de reducción de
impacto ambiental como de mejora en las condiciones de
trabajo.
Por último se presentan algunos ejemplos de posibles
aplicaciones.
autocompactable, o HAC como llamaremos a partir
de ahora. Dichas propiedades son la de fluidez,
viscosidad y cohesión. Pero el HAC presenta una
serie de propiedades añadidas como son:
* una construcción más rápida
* reducción de la mano de obra necesaria para la
puesta en obra
* un mejor acabado superficial
* mayor facilidad de colocación
* mayor libertad y posibilidades en el diseño
* secciones más esbeltas
* reducción de los niveles de ruido debido a la
ausencia de vibraciones
* un entorno de trabajo más seguro
Aunque presente esta serie de propiedades, que a
priori, parecen muy favorables para sustituir el
hormigón convencional por el HAC, presenta la
contrapartida de tener un precio mayor y
principalmente se utiliza para los casos de querer un
rendimiento mayor de producción y una reducción
del plazo de ejecución. Asimismo presenta
propiedades óptimas para la utilización en
prefabricados y también para la reparación de
estructuras ya existentes por su habilidad para fluir en
espacios estrechos.
Por otro lado el uso de fibras puede extender los
posibles campos de aplicación del HAC. Se sabe que
afectan a la trabajabilidad y las características de
fluidez del hormigón. La forma de las fibras influye
en gran medida a las características del HAC en
estado fresco. El grado en que decrece la
trabajabilidad depende del tipo y contenido de fibras
usado, de la matriz donde están embebidas y de las
propiedades de los constituyentes de la matriz.
Otros aspectos a tener en cuenta del HAC son las
ventajas que puede presentar desde un punto de vista
ambiental y también como mejora de las condiciones
de trabajo desde la perspectiva del operario.
Palabras clave: hormigón autocompactable, HAC, fibras
metálicas, propiedades, sostenibilidad.
1. Introducción
Podemos definir el hormigón autocompactable,
como aquel hormigón que es capaz de fluir en el
interior del encofrado, rellenando de forma natural el
volumen del mismo pasando entre las barras de
armadura y consolidándose únicamente bajo la acción
de su propio peso sin compactación interna o externa
(Okamura, 1997).
El hormigón autocompactable, se creó en Japón
para satisfacer una demanda de mano de obra
especializada, que por razones políticas no permitía la
introducción de esta mano de obra, de fuera del país.
El desarrolló de este tipo de hormigón fue gracias a
los desarrollos previos que hubieron en
superplástificantes.
La propia definición lleva implícita las
propiedades que debe tener todo hormigón
145
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
las mismas propiedades y según el autor, se tiene
preferencia por un tipo u otro de ensayo.
Intentaremos en este apartado adentrarnos en la serie
de ensayos que hay para determinar las propiedades
anteriormente citadas.
2. Composición y ensayos
2.1. Composición
El HAC, no deja de ser un hormigón convencional
con una dosificación especial, al que se le han
añadido una serie de aditivos para darle las
propiedades óptimas de fluidez, viscosidad y
cohesión. Por lo tanto podremos decir que dicho
hormigón tiene su parte de cemento, agua y árido.
El porcentaje de pasta de cemento suele estar
entre un 35 y un 40% del volumen del hormigón, y
suele ser un CEM 42,5 I o un CEM 52,5 I. El árido
grueso suele ser un porcentaje bastante bajo y suele
limitarse a un tamaño máximo de 20 mm, aunque los
tamaños más usuales se encuentran alrededor de los
10 a 16 mm y comprenden un volumen total de la
muestra del 28 al 35 %. Será preciso controlar la
humedad de los áridos y su granulometría (cantidad
de finos) ya que el HAC es más susceptible a cambios
en su comportamiento debido a estos dos factores.
La cantidad de agua no suele superar los 200
litros/m3.
Los finos empleados deben tener un diámetro
menor a 150 µm y pueden ser de origen natural (filler
calizo) o artificiales formando parte del cemento
portland o adiciones (escorias, ceniza y humo de
sílice). Los finos se dosifican mediante la relación
que hay entre agua y finos que suele estar alrededor
de 0,8 a 1,1, o lo que es lo mismo entre 400 y 600 kg
por metro cúbico. Su función en la mezcla es hacer de
lubricante en el HAC, evitando la segregación de los
áridos y disminuyendo el rozamiento entre los áridos
gruesos.
El último componente en el HAC son los aditivos
químicos. Normalmente se usan superplastificantes y
agentes viscosos o cohesionantes. Estos modifican la
viscosidad y constituyen una herramienta útil para
compensar las fluctuaciones debidas a cualquier
variación en la granulometría de la arena y el
contenido de humedad de los áridos, factor
importante ya que nos puede modificar el contenido
de agua total de la muestra. Los superplastificantes
más usados son los naftalenos y melaminas
modificados y los agentes viscosos más utilizados son
los basados en polisacáridos y celulosa. El uso de
tales agentes viscosos aumenta la dosificación de
agua y de superplastificante en la mezcla para
alcanzar la fluidez deseada en el HAC.
2.2.1. Capacidad de relleno
Se entiende como capacidad de relleno, a la
habilidad para fluir y rellenar completamente todos
los espacios dentro del encofrado, por su propio peso.
Para poder conocer su capacidad de relleno se
pueden hacer cuatro tipo de ensayos, el Ensayo de
flujo de asentamiento con cono Abrams, el Flujo de
asentamiento T50 cm (que es parte del mismo ensayo y
lo llamaremos Slump flow), el Embudo V.
Slump flow.
Para este tipo de ensayo se necesita un tronco de
cono de altura 30 cm, base inferior de 20 cm de
diámetro y base superior de 10 cm de diámetro; una
placa de asiento cuadrada de un material rígido no
absorbente, de por lo menos 70x70 cm marcado con
un circulo que indica la ubicación central del cono de
asiento y otro circulo concéntrico de 50 cm de
diámetro; llana, paja, regla y cronometro.
Una vez tenemos todo el material se coloca el
cono en el centro de la placa previamente humedecida
y se rellena con el hormigón o pasta y se enrasa. No
se tiene que compactar. Se eleva el cono y se deja que
el hormigón fluya. Cuando el hormigón pasa por el
circulo concéntrico a 50 cm paramos el cronometro
(obtenemos así el T50 cm). Finalmente cuando el
hormigón para se mide el diámetro final en dos
direcciones perpendiculares.
Cuanto mayor sea el valor del flujo del
asentamiento (FA), mayor será su capacidad de llenar
el encofrado por su propio peso. Se determina que un
hormigón es autocompactable cuando se llega a un
valor de 650 mm.
Un periodo T50 pequeño, nos indica una mayor
fluidez. Según investigaciones de Brite EuRam, se
determinó que para aplicaciones en ingeniería civil,
un periodo entre 3 y 7 segundos era aceptable,
mientras que en edificación el periodo debía ser entre
2 y 5 segundos.
2.2. Caracterización del hormigón
El HAC puede caracterizarse por su capacidad de
relleno, su capacidad de paso y su resistencia a la
segregación. Todo hormigón que presente estas tres
propiedades se podrá definir como autocompactante.
Para determinar estas tres propiedades existe una
serie de ensayos. Hay diferentes ensayos que miden
fig. 1: slump-flow
Existe su versión más pequeña, llamada minislump. Sus relaciones óptimas són una extensión de
146
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
170 a 190 mm y un periodo T115 (equivalente al T50)
de 2 a 3,5 segundos.
Embudo V.
El ensayo se desarrolló en Japón y fue utilizado
por Ozawa et al. Para realizar el ensayo se necesita un
embudo con forma de V y las dimensiones que
muestra la figura ¿:
Fig. 3: foto y detalle del Anillo J
Al igual que en el slump flow, se llena de
hormigón el cono de Abrams y se levanta. Luego se
miden las alturas antes y después del anillo en cuatro
puntos y se hace la media. Obtenemos así un número
que suele estar comprendido entre 0 y 10 mm. Un
número menor nos indicará una mejor capacidad de
paso.
Fig. 2: esquema del embudo V
El procedimiento a seguir es llenar el embudo con
12 litros de hormigón dentro del embudo húmedo. No
se debe compactar el hormigón. Una vez lleno i
nivelado se abre la trampilla y se mide el tiempo
hasta que se vacía el embudo. Se considera que
finaliza el ensayo cuando se ve a través del embudo.
A este tiempo, se le llama tiempo de flujo y suele
estar entre 5 y 12 segundos.
Hay otro tipo de ensayos, como el orimet que se
han descartado por su elevado coste y complejidad ya
que se rigen por los mismos criterios de
funcionamiento.
Fig. 4: sección del Embudo V
Caja en L.
Este ensayo evalúa la capacidad de fluir del
hormigón y también la medida en la que sujeto a
bloqueos por parte del armado. El aparato consiste en
una caja de sección rectangular en forma de L, con
una sección vertical y otra horizontal, separadas por
una puerta móvil, delante de la cual se encajan barras
verticales de acero. La sección vertical se llena de
hormigón y acto seguido se eleva la puerta para
permitir que el hormigón fluya hacia la sección
horizontal. Cuando el flujo se ha detenido, la altura
del hormigón al extremo de la sección horizontal se
expresa como una proporción del restante en la
sección vertical. Además se pueden marcar la sección
a 40 y 20 cm y calcular el periodo para llegar a estas
longitudes.
2.2.2. Capacidad de paso
Se entiendo por capacidad de paso a la habilidad
del hormigón autocompactable para fluir a través de
las armaduras.
Para determinar la capacidad de paso tenemos
cuatro tipos de ensayos. El Anillo J, la Caja en L, la
Caja en U y la Caja de relleno.
Anillo J.
El material necesario para este ensayo es igual
que en el slump flow pero se le debe añadir un anillo
de acero abierto, perforado verticalmente con
agujeros. En dichos agujeros pueden atornillarse
secciones roscadas de barras de armadura.
La siguiente figura nos muestra un esquema del
Anillo J:
147
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Un esquema de este ensayo acotando las medidas
de la caja L podría ser el siguiente:
Fig. 6: sección de la caja en U.
Fig. 5: sección Caja L
Caja de relleno.
A la relación H2/H1 la llamaremos relación de
bloqueo y se mide cuando el hormigón deja de fluir.
El procedimiento que se debe seguir para realizar
este ensayo es humedecer la caja, eliminando luego el
agua sobrante, se llena con 14 litros de hormigón
comprobando previamente que la compuerta este bien
cerrada. Se deja reposar un minuto y luego se abre la
compuerta. Dejamos fluir el hormigón hasta que llega
al bloqueo.
Un valor de 1 en la relación de bloqueo nos
indicará un hormigón fluido como el agua. Por tanto,
mientras más cerca de 1, mejor será su capacidad de
paso. Se ha determinado que el hormigón
autocompactable debe tener un valor mínimo de 0,8.
Sobre los periodos T40 y T20 todavía no se ha llegado
a ningún acuerdo, pero puede ser indicativo de la
capacidad de fluir.
Este ensayo, también llamado “ensayo Kajima”,
se utiliza para medir la capacidad de relleno del HAC.
El aparato consiste de un recipiente transparente con
una superficie uniforme y lisa, en la que se disponen
35 obstáculos de PVC emulando barras de 20 mm
con una distancia entre ejes de 50 mm. La figura 7
Muestra la caja que se rellena luego con el hormigón.
El procedimiento que se sigue para ensayar es
similar a los otros ensayos comentados anteriormente.
Primero se humedecen las superficies, una vez
eliminada el agua sobrante, se va rellenando con una
cantidad de hormigón fijada, midiendo alturas en un
lado y otro de la prueba después de vaciarlo. De esta
forma obtenemos una serie de alturas en distintos
momentos del ensayo. De estos parámetros hacemos
una media y obtenemos el porcentaje de relleno como
la semisuma de las alturas entre la altura en la zona
de vertido.
Caja en U.
Este ensayo está formado por una caja en forma
de U como muestra la figura 6, con sus medidas
especificadas en la misma. Esta se llena con 20 litros
de hormigón y se abre la compuerta. Entonces se
mide la diferencia de alturas entre ambas partes de la
U y así obtenemos el factor llamado altura de llenado.
Mientras un hormigón sea más fluido, más
pequeña será la altura de llenado y mejor será la
capacidad de relleno y paso del hormigón.
Fig. 7: secciones de la caja de relleno.
Un porcentaje de relleno que tienda al 100% será
el resultado óptimo. El mínimo en un hormigón
autocompactable será del 90%.
148
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
elementos. Por una parte, la pasta esta formada por
cemento, filler, agua y superplastificante, y el
esqueleto granular esta formado por arena, grava y
fibras (en el caso ser autocompactable con fibras).
2.2.3. Resistencia a la segregación
Se entiende por resistencia a la segregación a la
capacidad del hormigón autocompactable para
mantener su composición durante el transporte y la
puesta en obra.
Para poder determinarla, existen dos tipos de
ensayos, el ensayo de estabilidad GTM y el ensayo de
embudo en V a periodo de 5 minutos.
2.3.1. Determinación de la composición de la pasta
La pasta se caracteriza por sus relaciones en peso
de agua-cemento, superplastificante sólido – cemento
y filler cemento. En el caso de llevar microsílice,
también se podría establecer una relación de
microsílice-cemento.
La dosificación de superplastificante se determina
mediante el ensayo del cono de Marsh (De Larrad,
1990) con apertura de salida de 8 mm según las
recomendaciones de la EN 445 (1996).
El procedimiento de este ensayo consiste en
introducir un litro de pasta en el cono y medir el
tiempo que tarda en fluir una cantidad de 500 ml. Con
estos datos se crea una gráfica semilogarítmica con el
periodo y la cantidad de superplastificante/cemento.
De la gráfica, obtenemos un punto de saturación a
partir del cual, no encontramos una mejora
significativa con la adición de mas cantidad de
aditivo. Podemos decir que este punto depende
también de la relación filler/cemento.
La dosificación óptima de filler se determina
mediante el ensayo mini-slump, ensayo equivalente al
que anteriormente hemos citado como slump-flow, lo
único que tiene unas dimensiones mas reducidas. El
procedimiento es equivalente al del slump-flow.
Se deberá ensayar con diferentes relaciones fillercemento con la dosificación de superplastificante
correspondiente al punto de saturación.
Estudios previos experimentales han demostrado
que la relación óptima de filler/cemento es aquella
que presenta una extensión final en el mini-slump de
180±10 mm y un tiempo T115 del orden de 2 a 3,5
segundos.
Método de ensayo de estabilidad de tamiz
GTM.
El ensayo consiste, en pasar por un tamiz de 5mm
y 350 mm de diámetro, una muestra de hormigón.
Parte del mortero del hormigón pasará por el tamiz, y
después de 2 minutos lo pesaremos.
El hormigón se vierte sobre el tamiz de forma
continuada desde una altura de 50 cm. Luego se
calcula la masa de hormigón vertido sobre el tamiz y
se deja en un periodo de 2 minutos para que el
mortero de la mezcla fluya hacia el fondo del tamiz.
Se pesa la masa que ha pasado por el tamiz y se hace
el porcentaje entre el peso que pasa y el que había
inicialmente vertido.
Un hormigón que no segregue nos debe dar una
relación de segregación de valor entre un 5 y un 15%.
Por encima de un 30% existe una fuerte probabilidad
de segregación.
Ensayo de embudo en V a T5 min.
Este ensayo sería la continuación del ensayo de
embudo V convencional. Después de realizarlo, sin
limpiar el embudo, se rellena de hormigón otra vez
sin compactarlo, solo nivelando el hormigón.
Después de 5 minutos, se abre la trampilla y se deja
fluir el hormigón. Como su predecesor, se mide el
tiempo que tarda en vaciarse.
Aquí se relaciona el tiempo obtenido del embudo
V anterior con el tiempo obtenido después de 5
minutos. Los valores de este ensayo se encuentran
entre 0 (cuando tarda lo mismo que el ensayo de
embudo V) a +3. Valores superiores serán indicativos
de una segregación del árido.
2.3.2. Determinación de la composición del
esqueleto granular
El estudio del esqueleto granular se compone de
un estudio de las fibras, un estudio de las arenas y
otro para las gravas. Debido a la complejidad que
presentan las fibras, se realizara en un apartado
independiente, mientras que aquí trataremos la
relación que debe haber entre la arena y el árido
grueso.
Para determinar la óptima composición de
arena/grava, se utiliza el criterio de máxima
compacidad en seco sin compactar. El ensayo
consiste en rellenar un recipiente de 5 litros con una
mezcla correspondiente a una determinada relación
arena/grava. A partir de las densidades y pesos de los
componentes se determina el peso unitario de la
mezcla y el contenido de vacíos. El ensayo se realiza
2.3. Procedimiento para el diseño de la mezcla
Los métodos de dosificación para mezclas de
HAC, han sido estudiados por diversos autores. Uno
de ellos, el estudiado por Okamura (1997) y Ouchi
(1997), es el que establece las especificaciones y
directrices para el hormigón autocompactable – HAC
del febrero del 2002.
El método propuesto determina que el HAC está
compuesto por pasta de hormigón y el esqueleto
granular. Se intentan estudiar por separado dichos
149
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Como se conoce que las fibras afectan la
trabajabilidad del hormigón, la pregunta surge si las
fibras son perjudiciales para la trabajabilidad del
HAC. Por esta razón, se realizó un estudio
experimental sobre los efectos de cuatro tipos de
fibras de acero en diferentes proporciones en la
trabajabilidad de dos HAC con diferentes
composiciones.
para distintas relaciones arena/grava obteniendo así la
relación que de máxima compacidad o el mínimo
volumen de huecos.
3. Influencia de las fibras metálicas en
HAC
3.1 Estudio de las fibras en HAC
Contenido de
fibras
SCC-serie 1
Dramix-RL
45/30
Arbed/Eurostel
50/50
Dramix-RL
65/40
Dramix-RL
80/60
El uso de fibras puede extender los posibles
campos de aplicación del HAC. Las fibras son
fabricadas en un amplio rango de materiales,
diferentes formas, con distintas propiedades. Hay
fibras frágiles, flexibles o rígidas, cilíndricas,
rectangulares o de formas irregulares. Se sabe que
afectan a la trabajabilidad y las características de
fluidez del hormigón. Las fibras tienen una forma
alargada y comparadas con el árido del mismo
volumen tienen una mayor superficie específica. El
grado en que decrece la trabajabilidad depende del
tipo y contenido de fibras usado, de la matriz donde
están embebidas y de las propiedades de los
constituyentes de la matriz. Un alto contenido de
fibras es difícil de distribuir uniformemente; una
buena distribución, sin embargo, es necesaria para
alcanzar el grado óptimo de beneficios de la fibra.
Edington estudió el efecto del coeficiente de
forma en los morteros reforzados con fibras. El
coeficiente de forma es la longitud de la fibra
dividida por su diámetro. Mientras más alto era el
coeficiente de forma, menos fibras podían ser
añadidas para sobrepasar el contenido de fibra crítico.
Para el mismo contenido de fibras, se conseguía
mejor trabajabilidad con coeficientes de forma bajas.
Mientras más alto era el coeficientes de forma y más
cantidad de fibra había, mejores propiedades se
consiguen
en
estado
endurecido.
Desafortunadamente, un aumento del parámetro
coeficiente de forma dificulta la mezcla del
hormigón. Por lo tanto, el índice de refuerzo fue
propuesto para caracterizar distintas mezclas
reforzadas con fibras metálicas. La cantidad de árido
influye en la trabajabilidad. Se pueden añadir más
fibras cuando el total de árido fino del conjunto es
aumentado. Rossi y Harrouche propusieron un
metodo de mezcla para hormigón reforzado con
fibras que estaba basado en el método de BaonLesage. Primero, supusieron que el hormigón más
trabajable se debería alcanzar si su esqueleto podía
ser optimizado. Encontraron que la proporción
óptima de áridos era independiente del volumen y
propiedades de la pasta. Después, variando el ratio de
arena y árido, mediante prueba y error, se encontró un
contenido de arena óptimo para obtener la mejor
trabajabilidad. Este ratio depende del tipo y cantidad
de fibras. Luego de debe realizar un ajuste del agua,
cemento y superplastificante
para obtener la
trabajabilidad deseada.
SCC-serie 2
Dramix-RL
45/30
Arbed/Eurostel
50/50
Dramix-RL
65/40
Dramix-RL
80/60
40
kg/m3
60
kg/m3
X
X
X
X
X
80
kg/m3
100
kg/m3
X
X
120
kg/m3
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Tabla I: Programa experimental
3.2 Resultados de las pruebas realizadas:
Resultados de las mezclas de referencia
Ambas
mezclas
de
referencia
fueron
autocompactables; con el ensayo de caja de relleno,
una caja transparente con una rejilla de barras
transversales, se alcanzó más de un 90% de llenado.
Flujo de asentamiento con slump-flow
Las fibras metálicas afectaron el asentamiento de
ambas mezclas de referencia. Cuantas más fibras
había, más bajaba la fluidez. La Fig.8 muestra la
relación entre el factor de fibras y el asentamiento de
cono para las series 1 y 2. La mezcla de referencia
tiene un factor de fibras cero. A pesar de la adición de
fibras, ambas mezclas pueden conseguir una alta
deformabilidad. La pendiente de la linea de regresión
indica la sensibilidad a la adición de fibras. La
capacidad de mantener la trabajabilidad en el tiempo
es otro criterio para HAC. Casi no se midieron
diferencia ente la medida justo después de mezclar y
una hora después de mezclar.
150
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Fig.10 Tiempo de flujo-factor de fibras
Fig. 8: relación flujo asentamiento-factor de fibras: (a) serie
1y2
Capacidad de paso
Sería una ventaja para el diseño de la mezcla
conocer el espacio de barra que conduce al no
bloqueo. La relación ente la distancia de barra y los
parámetros de mezcla fue investigado durante el
estudio. La capacidad de paso se ve afectada por la
proporción de partículas gruesas, por el tamaño
máximo de árido y por la resistencia a la segregación
de la mezcla.
Los resultados de los ensayos llevados a cabo se
resumen en la tabla II:
Fig. 9: Extensión de flujo (a) y (b )
Las dos observaciones indicaron que varias de las
mezclas no fluyeron homogéneamente. Primero se
observó que la extensión de flujo de varias mezclas
no era circular (Fig.9a). Esto indica que la fluidez fue
neutralizada en una o más direcciones. Además, en
algunas mezclas se observó que una parte de material
permaneció en el centro de la extensión de flujo
después del retiro del cono (Fig.9b). Las fibras más
largas tienden a agruparse después de sobrepasar un
contenido crítico.
Tiempo de flujo en ensayo de embudo V
El ensayo en V permite medir la velocidad de
deformación. La Fig.10 muestra el efecto de las
fibras en el tiempo de fluir. Cuanta más fibra se
añade, y cuanto mayor sea el coeficiente de forma,
mayor es tiempo de flujo se consigue.
El comportamiento a fluir del hormigón a través
del embudo depende no solo de la viscosidad, si no
también del ratio ente la partícula de mayor tamaño y
de las dimensiones de la apertura. Cuanto mayor sea
la dimensión máxima del sólido, relativamente larga
comparada con la apertura inferior del embudo, más
altos serán los contenidos de ellos que causaran
bloqueos. Por lo tanto, la medida del embudo no solo
da una indicación de la viscosidad, sino que también
de la deformabilidad restringida. Cuanto más alto es
el contenido de fibras largas, más decisivo es el
comportamiento de flujo que pasa. Todas las mezclas
se fueron volviendo rígidas al pasar el tiempo, lo cual
se media con un incremento del tiempo de flujo.
Tabla II: Resultados ensayo anillo J (separación de
barras en mm).
En conclusión, es necesario un mayor espacio
ente barras en las mezclas reforzadas con fibras,
comparado con el HAC, para evitar el riesgo de
bloqueos.
Máximo contenido de fibras
La Fig.11 presenta una clasificación para resumir
los resultados del estudio experimental referente al
máximo contenido de fibras para diferentes tipos de
mezcla y para distintos tipos de fibras
Ambos tipos de mezcla permanecieron
autocompactables hasta después de una adición de
151
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
considerable cantidad de fibras metálicas. A medida
que se baja el coeficiente de forma se pueden añadir
más fibras al HAC sin una bajada problemática de la
trabajabilidad. El contenido máximo de fibras no es
un valor fijo, depende también de la composición de
la mezcla.
autocompactable. La composición de la mezcla de
referencia influye en el contenido máximo posible de
fibra.
4. Características sostenibles de los
HAC.
La construcción sostenible es uno de los temas
claves en la industria de la construcción y muchas de
las inversiones realizadas en los últimos años se han
destinado al desarrollo de las instalaciones y
procesos, con el objeto de mejorar la calificación
medioambiental de los elementos y productos
fabricados. La industria de los elementos
prefabricados de hormigón y la industria del
hormigón preparado se están implicando activamente
con el compromiso del desarrollo sostenible. La
utilización de nuevas tecnologías como es la
fabricación y empleo del hormigón autocompactable,
ha significado un paso importante. La experiencia
europea ha permitido valorar económicamente las
ventajas que este hormigón presenta sobre la
utilización de un hormigón tradicional.
Fig.11: máximo contenido en fibras dependiendo del tipo
de fibra y tipo de mezcla
Industria de la construcción:
3.3. Análisis de resultados
La industria de la construcción es responsable de
aproximadamente
el
40%
del
impacto
medioambiental total. Puesto que el hormigón es uno
de los materiales de construcción utilizados en un
volumen
importante,
las
características
medioambientales del hormigón son de enorme
importancia.
El mercado ha percibido que el hormigón no es un
producto sostenible, debido principalmente a que la
fabricación del cemento requiere mucha energía y
contribuye al calentamiento global, la obtención de
materias primas provoca serios daños en el paisaje y
en el ecosistema.
Se analizaron los resultados del estudio
experimental para ver la influencia en los
mecanismos de fluidez del hormigó autocompactable
reforzado con fibras. Alta deformabilidad, resistencia
a la segregación y fluidez son características que
definen la calidad del HAC. Las fibras afectan a la
trabajabilidad del hormigón normal. El estudio fue
realizado para contestar a la pregunta de cómo
afectaban las fibras a las propiedades del HAC en
estado fresco. Las conclusiones principales del
estudio fueron:
Primero, fue propuesto un método para diseñar
HAC reforzado con fibras.
Segundo, se obtuvo que el comportamiento de la
fluidez de las mezclas reforzadas con fibras era
diferente que las de HAC solamente. Observaciones
cualitativas indicaron que si se conseguía una
distribución homogénea, cuando un contenido de
fibra era superado, se rigidificaba el esqueleto
granular y se hacía imposible la fluidez por su propio
peso.
El ensayo slump flow detecta acumulaciones de
árido grueso.
Además, para evitar el riesgo de bloqueos es
necesario un espacio de barras más grande,
comparado con el HAC simple, si se aplican fibras de
acero.
Finalmente se obtuvo que una cantidad
considerable de fibras permitía el comportamiento
Hormigón autocompactable
El hormigón autocompactable se ha introducido
en el sector de la industria de prefabricados de
hormigón principalmente debido a su mayor
productividad, mejor entorno de trabajo y la
capacidad de realizar la colocación e condiciones
difíciles. El HAC incorpora subproductos industriales
como cenizas volantes, escorias, finos,… por lo que
contribuyen positivamente al desarrollo sostenible del
hormigón, además de otros factores.
Tecnología sostenible:
Podríamos considerar una tecnología como
tecnología sostenible aquella que reduce el impacto
medioambiental, reduciendo la emisión de todo tipo
152
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
de contaminantes, tanto sólidos, como líquidos o
gaseosos; reduce el consumo de recursos naturales y
energía disponible, y; mejora el bienestar social
mejorando las condiciones de trabajo. Es por lo tanto
una tecnología más “limpia”, una tecnología
“renovable” y una tecnología “amigable
Economía:
Uno de los primeros razonamientos en contra del
HAC es el precio del material: la mayor cantidad de
aditivos, finos y cemento se traducen en un
incremento de €/m3. La inversión inicial en parte se
compensa al eliminar el vibrado ( no debe olvidarse
que los vibradores necesitan un mantenimiento y que
tienen una vida limitada), por lo que el coste de
equipamiento nuevo, mantenimiento y horas hombre
por año deben tenerse en cuenta. Además, debe
tenerse en cuenta que las mejoras madioambientales
y sociales no pueden ser trasladadas directamente a
términos económicos, pero si que deben ser tenidas
en cuenta.
Tecnología limpia:
Las tecnologías limpias son soluciones que
reducen el impacto medioambiental al reducir la
emisión de sustancias contaminantes. Desde otro
punto de vista el ruido se considera a su vez una
fuente de contaminación.
En el ejemplo del hormigón autocompactable esto
se consigue mediante una menor producción de
residuos en la fabricación ya que requiere una menor
limpieza.
5. Posibles aplicaciones del HAC con
fibras metálicas.
Tecnología renovable:
A modo de ejemplo presentaremos dos prototipos
de aplicaciones que se pueden llevar a cabo con este
material y que fueron estudiados conjuntamente entre
el departamento de estructuras de la UPC y el “
Concrete Technology Research Group of LEMITUNLP”
El primer ejemplo se basó en cementos con 20 y
40 kg/m3 de fibras fluyendo a través de un tubo
satisfactoriamente, sin bloqueos. Para evaluar la
estabilidad en términos de la uniformidad de los
componentes, se extrajeron muestras del inicio y el
final del tubo, y se midió el contenido de árido y fibra
después de ser lavado sobre un tamiz. La máxima
diferencia de contenido de árido y fibra fue del orden
de un 5% para un HAC reforzado con 40 kg/m3, lo
que se consideró aceptable. Esto demostró que se
puede usar sin utilizar el recurso de un bombeo
incluso cuando el hormigón tiene que fluir hacia
arriba sobre una distancia corta. Esta situación es
común en el caso de reparación/refuerzo de las caras
inferiores de vigas de puentes, o en el caso de
cimentaciones de edificios.
El segundo ejemplo consistió en la construcción
de paredes delgadas. Se construyeron 11 paredes de
24 m. de largo, 100 cm. de alto por 8 cm. de ancho,
con 5 tipos diferentes de hormigón, incluyendo HAC,
HAC reforzado con fibras metálicas y un hormigón
convencional vibrado. En el caso de HAC simple, las
paredes fueron reforzadas con barras de 6mm. En el
caso de HAC con fibras no se utilizaron barras de
refuerzo. Todas las paredes de HAC se rellenaron
mediante bombeo, utilizando embudos cada 5 metros
para llenar los encofrados, sin la necesidad de
equipos de vibración ni otros trabajos. El tiempo
empleado en la construcción de las paredes con HAC
fue aproximadamente una tercera parte del empleado
en las paredes realizadas con hormigón convencional
vibrado. Esto demuestra que el HAC es ideal para
aplicaciones en elementos con paredes delgadas,
Las tecnologías renovables son soluciones que
reducen el consumo de materias primas y el consumo
de energía favoreciendo el empleo de subproductos y
cerrando el ciclo de vida de los elementos fabricados.
La contribución del HAC de mayor impacto es la
reducción del consumo de materia prima al permitir y
favorecer la utilización de productos residuales, tales
como cenizas volantes, escorias, microsílice, finos,
etc.
Tecnología amigable:
Las tecnologías amigables son soluciones que
mejoran el bienestar de los trabajadores y facilitan su
utilización. La contribución del HAC de mayor
impacto es la mejora de las condiciones de trabajo y
se debe principalmente a la reducción del ruido, y a la
eliminación del impacto físico debido a las
vibraciones.
En una planta de prefabricados de hormigón se
realiza una actividad con un nivel de ruido de 93dB,
lo que requiere la utilizar protección externa. El
empleo de HAC reduce el nivel de ruido, siendo este
inferior a 80 dB y por lo tanto no se requiere ninguna
medida de protección.
Las vibraciones por encima de 0.25 m/seg2 causan
dolor, rigidez, fatiga, por lo que la eliminación del
vibrado reduce el impacto físico en el trabajador.
Al ser el HAC una tecnología limpia se reduce la
emisión de partículas en el aire debido a la fácil tarea
de limpieza de moldes.
La percepción general del trabajador es la de un
hormigonado más fácil al no existir hormigón
derramado, bien por el vertido o vibrado, por lo que
los moldes y entorno están limpios y el trabajo es más
ligero.
153
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
donde el tiempo de construcción es reducido
significativamente con la eliminación de la vibración.
Además, la eliminación de las barras al utilizar HAC
reforzado con fibras influye en una reducción en el
coste y los errores de disposición de barras en el caso
de utilizar barras.
mejor entorno de trabajo y la capacidad de realizar
cualquier aplicación.
Vistas las ventajas del HAC es de suponer que la
tendencia futura del mercado será hacia el empleo
cada vez más mayoritario de este tipo de hormigón,
como ya sucede en otros países europeos.
6. Conclusiones
Agradecimientos
El hecho de no tener una normativa española en
hormigón
autocompactable
y
solo
unas
recomendaciones, ha reducido su aplicación en la
construcción.
La
principal
ventaja
del
hormigón
autocompactable es la elevada trabajabilidad que nos
da. Esta trabajabilidad nos permite no tener que
vibrar el hormigón en su puesta. Esto conlleva una
reducción de tiempo y personal a la hora de
hormigonar, así como evitar posibles situaciones de
riesgo debido a enganches de la porra o situaciones
comprometidas. No deben olvidarse las mejoras que
supone en la calidad laboral, debido a la ausencia de
los vibradores y la disminución del ruido soportado
por el operario.
Uno de los inconvenientes del hormigón
autocompactable es la excesiva resistencia que da,
debido principalmente al alto contenido de cemento
que contiene la pasta. Actualmente se estan
estudiando hormigones autocompactables de baja
resistencia para así poder bajar su precio y aumentar
su campo de aplicación.
El contenido óptimo de fibras depende de la
composición de la mezcla y del tipo de fibras. Se
puede conseguir un hormigón autocompactable con
fibras, pero previamente se debe tener en cuenta que
afectarán a la trabajabilidad y por ello se deberá tener
en cuenta a la hora de hacer la dosificación del
esqueleto granular.
Con la combinación de HAC con fibras metálicas
para piezas esbeltas se puede conseguir un beneficio
doble, ya que por una parte se evita el vibrado del
hormigón y por otro el montaje de las armaduras;
reduciendo así mucho el plazo de ejecución y también
se reduce el posible fallo de montaje de las
armaduras.
En los últimos años la industria de la construcción
se ha concienciado de la necesidad de contribuir con
una construcción sostenible al equilibrio ambiental.
El HAC es un material que emplea en su
fabricación una tecnología sostenible al reducir el
impacto medioambiental, reduciendo la emisión de
contaminantes, reduciendo el consumo de recursos
naturales, y mejorando el bienestar del trabajador. En
los últimos años ha pasado de ser un producto en
estudio a un material introducido en el sector de los
prefabricados de hormigón en el mercado europeo
debido principalmente a una mayor productividad, un
Los autores expresan su agradecimiento a Camilo
Bernad y a Bryan Barragán por la colaboración
prestada para la realización de este trabajo.
Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
154
R.Gettu, P.C.C.Gomes, L.Agulló y C.Bernad.
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resistencia.Procedimiento para su dosificación y
metodos de caracterización”, Cemento hormigón, nº
832, Enero 2002, pp. 30-42.
S.Grünewald, J.C.Walraven. “Parameter-study on the
influence of steel fibers and coarse agrégate content
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highest standards. UK, Febrero 2002.
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sostenible en la industria de la construcción del siglo
XXI”.
Jornada
técnica:”HORMIGÓN
AUTOCOMPACTABLE, UN HORMIGÓN PARA EL
SIGLO XXI”.
R.Gettu, H.Collie, C.Bernad, T.Garcia, C.Robin.
“Use of high-strength self-compacting concrete in
prefabricated architectural elements”. Proceding of
the INCONTEST 2003. India, Setiembre 2003.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 3. CURSO 2003-2004
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ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
NECESIDAD DE FINOS EN LOS HORMIGONES
AUTOCOMPACTABLES
Mireia Hernández Asensi
Josep Vilanova Gabarró
Escuela Técnica Superior de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona
Universidad Politécnica de Catalunya
Departamento de Ingeniería de la Construcción
C/ Jordi Girona s/n
Resumen: El uso de los hormigones autocompactables
en la construcción civil pone de manifiesto una reducción
de tiempos de ejecución y mano de obra importantes para
la elaboración de estructuras de gran magnitud
densamente armadas con la desventaja de los altos costes
y por ende su bajo volumen de producción para
estructuras convencionales cuyos requerimientos de
resistencia no son altos. Nuevas dosificaciones en la
concepción del hormigón autocompactable van
encaminadas a la reducción de costes mediante la
sustitución del filler por arena fina. De esta forma
podemos obtener también reducciones en cuanto a
resistencia haciendo del hormigón autocompactable un
material de uso más común.
Palabras Clave:
resistencia media.
Autocompactable,
finos,
Figura 1. Motivación original para el hormigón
autocompactable (Okamura, 1997)
El hormigón autocompactable (HAC) se puede
definir como aquel hormigón que es capaz de fluir
en el interior del encofrado, rellenándolo de forma
natural, pasando entre las barras de armadura y
consolidándose únicamente bajo la acción de su
propio peso. Esto supone grandes ventajas frente al
hormigón convencional. Estas inciden, entre otros,
en aspectos cualitativos (al disminuir en la
dependencia de la formación y experiencia de los
operarios para obtener compactaciones correctas, y
al aumentar la posibilidad de proyectos más
complejos en lo que respecta al diseño), aspectos
económicos (ya que, a pesar de tener un coste de
material mayor que el hormigón convencional,
disminuye los costes de personal y equipos
asociados a la compactación, y reduce
considerablemente los plazos de ejecución),
aspectos medioambientales (al reducir los ruidos,
especialmente
importante
en
plantas
de
prefabricación y obras en entornos urbanos) y
aspectos relativos al ambiente de trabajo y la salud
laboral (mejorando las condiciones ambientales y
eliminando los riesgos laborales imputables a la
compactación).
arena,
1. Introducción
Prácticamente todo el hormigón utilizado
habitualmente en la construcción actual depende
directamente de una compactación forzada
eficiente, durante la colocación, para conseguir
compacidades compatibles con la resistencia y
durabilidad requeridas. El método de compactación
por excelencia es la vibración con aguja, tras el
vertido del hormigón en el interior del encofrado.
Sin embargo este método, cuya eficacia depende en
gran medida de la habilidad del operario que lo
ejecuta, puede dar lugar a falta de uniformidad o
buena compactación, en especial en estructuras
densamente armadas, o en zonas estrechas o poco
accesibles del encofrado. Para evitar estos
problemas, y promover la construcción más durable
y fiable de estructuras el Profesor Okamura de la
Universidad de Tokio (Japón) introdujo, en 1986, el
concepto
de
Hormigón
Autocompactable
(Okamura, 1997). Otros investigadores han seguido
esta iniciativa, llegando a desarrollar una clase de
hormigones capaces de ser colocados sin necesidad
de vibración interna u otro modo de compactación.
Si bien en la actualidad no se puede hablar de una
utilización
sistemática
del
hormigón
autocompactable en la construcción, sí existen
referencias de aplicaciones de los mismos en el
ámbito internacional, siendo pioneras las que se han
llevado a cabo en Japón.
155
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
2. Propiedades del HAC
3. Ventajas del HAC
Para obtener las ventajas que supone la utilización
del hormigón autocompactable, es necesario que
este tenga un comportamiento adecuado en estado
fresco. La autocompactabilidad que éste presenta,
exige una alta fluidez de sus mezclas, con suficiente
viscosidad y cohesión entre los componentes, a fin
de garantizar un flujo continuo y uniforme en toda
la masa, sin exhibir segregación y sin que se
produzca bloqueo del hormigón entre la barras de
armadura o en las zonas estrechas del encofrado.
Para conseguirlo, es necesario que el HAC en
estado fresco posea unos requeridos niveles de las
siguientes propiedades principales:
ƒ Alta fluidez o capacidad de relleno (flowability
o filling ability): habilidad del HAC para fluir
dentro del encofrado y rellenarlo bajo su propio
peso, garantizando una cobertura total de la
armadura.
ƒ Habilidad de paso (passing hability): facilidad
del HAC para fluir a través de obstáculos tales
como el espacio libre entre las barras de
armadura o zonas estrechas del encofrado, sin
bloquearse.
ƒ Estabilidad frente a la segregación (segregation
resistance o stability): el HAC debe conseguir
las dos características anteriores conservando
su composición uniforme durante el proceso de
transporte y colocación.
La utilización de del HAC comporta una serie de
ventajas económicas, medioambientales y en
relación al ambiente de trabajo y a la salud laboral,
como ya se ha indicado anteriormente. Dichas
ventajas, pueden resumirse de la siguiente forma:
a) En estado fresco
ƒ Mejora la homogeneidad y la compactación de
la masa; dada la fuerte oposición a la
segregación y a la exudación, gracias al empleo
de aditivos y adiciones específicas y a un
exhaustivo estudio reológico.
ƒ Aumento de la velocidad de colocación dada su
capacidad autocompactable, el hormigón fluye
libremente
sin
precisar
medios
de
compactación. Reducción de los plazos de
ejecución y reducción del trabajo in situ.
ƒ Mejora del ambiente de trabajo:
-Disminución en más del 90% el ruido
ambiental. Se eliminan las labores de
compactación y la contaminación acústica
producida
por
dichos
equipos.
-Carencia de problemas de circulación
sanguínea en los operarios, causados por la
vibración (síndrome white fingers), lo cual se
encuentra claramente en la línea de la Directiva
89/188/EEC.
ƒ Mejora de los acabados; se reducen los
defectos de llenado en estructuras complejas o
densamente armadas, y las heterogeneidades
del hormigón entre los distintos sectores de la
estructura. Utilización de ferralla muy densa o
de formas complejas.
Estas propiedades esenciales del HAC presentan
cierto antagonismo, ya que todo aumento de la
fluidez conlleva una pérdida de viscosidad de la
pasta, lo que puede producir tendencia a la
segregación. El diseño de estos hormigones está
condicionado a obtener un equilibrio estable y
óptimo entre estos dos parámetros durante todo el
tiempo que implique el transporte y su colocación
en obra. La fluidez deseada se consigue utilizando
aditivos superfluidificantes de última generación,
mientras que la viscosidad se controla mediante el
empleo de altos contenidos de polvo y/o aditivos
modificadores de la viscosidad.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Las tres propiedades que se han indicado del HAC
son parámetros ajenos a la caracterización del
hormigón fresco convencional y, actualmente, no
existen otros ensayos de caracterización de la
trabajabilidad en las normas europeas o de otras
nacionalidades que sean adecuadas para dar una
evaluación rápida de las mismas, y que, por tanto,
permitan determinar si un hormigón es o no
autocompactable. Es por ello que, en general, su
uso está por ahora limitado a casos especiales. En
estos casos, los investigadores y otros usuarios del
material, han tenido que desarrollar ensayos de
caracterización específicos no normalizados, o
modificar ensayos convencionales (Bartos, 2000).
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
156
b) En estado endurecido
Mayor resistencia que la correspondería a
hormigones convencionales con igual relación
a/c o contenido unitario de cemento.
Mejora de los parámetros vinculados
directamente con la durabilidad.
Reducción de la porosidad; baja la
permeabilidad.
Reducción de las heterogeneidades entre masa
y superficie.
Reducción de las fisuras de retracción;
volúmenes estables con mejores módulos de
elasticidad.
Aumento de la resistencia química y a la
carbonatación.
Mejora de los parámetros estéticos.
Reducción de los poros superficiales.
Colocación uniforme. Posibilidad de un
hormigonado correcto en zonas alejadas del
punto de vertido.
Ausencia de eflorescencias causadas por el
vibrado.
Mayor duración de moldes y encofrados.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Figura 3. Proporción en % de hormigón convencional y
hormigón autocompactable.
Figura 2. Proceso constructivo racional propuesto por
Ozawa (Okamura y Ouchi, 1999)
El hormigón fresco se puede describir como una
suspensión de partículas compleja, en la que el
equilibrio entre fluidez y segregación es vital. Para
modelar el comportamiento, se puede diferenciar la
fase pasta, la fase sólida y los aditivos, que resultan
imprescindibles.
4. Criterios de diseño
En los hormigones autocompactables, además de
los componentes convencionales -cemento, agua y
áridos-, la utilización de aditivos y adiciones es
obligada.
4.1. Fase pasta
Constituida por el agua, cemento y adiciones. La
viscosidad requerida para evitar la segregación se
consigue gracias a un alto contenido de finos. En
sus orígenes, los HAC contenían exclusivamente
cemento, lo que conducía a mezclas muy ricas,
inestables y caras. Por ello se recurre al empleo de
finos adicionales (partículas < 0,125 mm.) que
pueden ser de distinta naturaleza (fiIler calizo,
escorias, cenizas volantes...).
Los métodos de dosificación de mezclas de HAC
difieren de los métodos tradicionales empleados en
el hormigón, ya que las proporciones de los
componentes están condicionadas por las
propiedades en estado fresco, fluidez y viscosidad.
Los requisitos básicos a cumplir en cuanto a la
formulación son:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Alto volumen de pasta de cemento (entre el 35
y 40% del total).
Contenido de finos (< 0,1 mm) entre 450-600
kg/m3.
Relación agua/finos en volumen (a/f) entre
0,9-1,05.
Relación de grava no superior al 50% del árido
total.
Tamaño máximo de árido recomendado de 10 a
20 mm.
Curvas de áridos continuas y con adecuado
coeficiente de forma.
Aditivos
superplastificantes
de
última
generación.
Aditivos moduladores de viscosidad (sólo en
caso necesario).
Esta circunstancia hace que la finura del cemento
pase a ser propiedad de segundo orden de
importancia y que se puedan utilizar todos los
cementos estándar. La cantidad mínima de cemento
recomendada es 350 kg/m3, pero la dosificación
variará en función del tipo y cantidad de adición
empleada, así como con la demanda de agua.
La cantidad de agua total empleada debe guardar
con el volumen de finos una relación 0,9-1,05.
Relaciones agua/finos (a/f) inferiores a 0,9 generan
hormigones demasiado cohesivos que necesitan
mucho
volumen
para
autocompactarse.
Contrariamente, relaciones a/f superiores a 1,05
implican un elevado riesgo de exudación.
El cálculo de la relación a/c debe considerar la
cantidad y el tipo de adición. La relación resultante
no siempre es baja, ya que el contenido de finos es
alto. La relación a/c es fundamental para la
durabilidad y resistencia mecánica del hormigón.
Puede existir, sin embargo, un problema en la
calidad de los acabados si se emplean relaciones a/c
extremadamente bajas y no se toman precauciones
adicionales.
157
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El estudio de las propiedades reológicas de manera
directa es complicado; el empleo de reómetros,
además de costoso y engorroso, está restringido a
condiciones de laboratorio.
4.2. Fase sólida
Constituida por la arena y la grava. Generalmente,
la arena puede representar el 50-60% de la cantidad
total de árido. Se debe emplear arenas continuas,
sin cortes en la granulometría, y preferiblemente
naturales. Un cierto aporte de finos por parte de la
arena reducirá la demanda de adición y cemento.
Por ello, se han desarrollado nuevos métodos de
medida indirecta para caracterizar las tres
propiedades que caracterizan el estado fresco del
HAC:
El contenido de árido grueso es inferior que en un
hormigón convencional y se está sujeto a mayores
exigencias. Se pueden recomendar tamaños
máximos de árido entre 12 y 16 mm., ya que
tamaños superiores implican mayor riesgo de
bloqueo y segregación. El coeficiente de forma
debe ser lo más bajo posible, siendo mejores las
gravas rodadas.
ƒ
ƒ
ƒ
Capacidad de relleno (fluidez).
Capacidad de paso (sin bloqueos
armaduras).
Resistencia a la segregación (estabilidad).
en
No existe un método único para definir las tres
propiedades, por lo que cada diseño de mezcla
deberá contrastarse con más de un método de
ensayo, optimizando la formulación en función de
los resultados obtenidos y de los requerimientos
particulares. En la tabla I se recoge una lista de
métodos de ensayo para evaluar las propiedades de
trabajabilidad del HAC.
El empleo de un aditivo superplastificante de
última generación es imprescindible para la
confección de un hormigón autocompactable. Se
emplean los basados en éter policarboxílico
modificado, capaces de reducir agua en valores
superiores al 35%. Aparte del poder reductor de
agua, el aditivo debe ajustarse a las características
de cada aplicación (en función de si se demanda
elevada
resistencia
inicial,
prolongado
mantenimiento de la consistencia, etc.) y en
correspondencia al tipo de cemento, adición y
áridos empleados.
Ensayo
Propiedad
Escurrimiento
Embudo en V
Orimet
Fluidez o habilidad de
relleno
Velocidad de
escurrimiento T50
Sin embargo, el aditivo modulador de viscosidad no
resulta imprescindible y se emplean en el caso de
que el aporte de finos sea insuficiente o el
contenido de humedad del árido sea variable, para
garantizar la cohesión y uniformidad de las
amasadas. Confiere cohesión interna a la masa sin
apenas pérdidas de fluidez. Pero el uso de AMVs
permite que el hormigón sea menos sensible a
pequeños cambios del contenido de agua, del
módulo de finura de la arena y de la dosis de
superplastificante; luego, su empleo puede
contribuir a homogeneizar la calidad de estos
hormigones y facilitar su producción (Okamura et
al., 2000; Subramanian y Chattopadhyay, 2002).
Además se minimiza el riesgo de segregación al
aumentar accidentalmente el contenido de agua, la
altura de caída del hormigón o el nivel de vibración
durante el hormigonado (Sedran, 1995; Khayat y
Guizani, 1997; Hibino, 2000).
Anillo-J
Caja-L
Caja-U
Caja de relleno
Habilidad de paso
Tabla I. Métodos de ensayo para las propiedades de
trabajabilidad del HAC
Entre los métodos de ensayo y control más
utilizados se pueden destacar los siguientes:
Ensayo de escurrimiento
Evalúa la capacidad de fluir y la viscosidad plástica
del hormigón fresco. Se rellena el cono de Abrans
de una sola vez y sin compactar, se levanta y se
deja fluir al hormigón libremente. Se mide el
diámetro alcanzado al llegar al estado de reposo. Si
además se registra el tiempo que tarda la masa en
alcanzar un diámetro de 50 cm. se obtiene
información sobre la viscosidad de la mezcla (T50).
Mediante inspección visual de la torta extendida se
puede observar la distribución del árido grueso y la
tendencia a la exudación en el borde.
5. Caracterización y Ensayos
La
caracterización
de
un
hormigón
autocompactable se basa principalmente en
propiedades del hormigón en estado fresco (fluidez
y viscosidad), considerando además propiedades
tecnológicas (capacidad de relleno y paso).
158
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Ensayo de la caja en L
Ensayo
Unidad
Margen valores
Escurrimiento
mm
600-800
Velocidad de
s
3-6
escurrimiento T50
Anillo-J
mm
0-10
Embudo en V
s
6-12
Caja-L
H1/h2
0,8-1
Caja-U
mm
0-30
Caja de relleno
%
90-100
Orimet
s
0-5
Tabla II. Criterios de aceptación para HAC (TM<20
mm)
Evalúa la capacidad de fluir en presencia de
obstáculos, de autonivelación, así como la viscosa
de la masa fresca. Se deja fluir el hormigón a través
de un recipiente en forma de L, rebasando una serie
de barras verticales (armaduras). Se mide el tiempo
que tarda el hormigón en alcanzar una distancia
establecida, la diferencia de nivel existente entre los
extremos al llegar al estado de reposo (h2/h1), y se
observan si existen indicios de bloqueo en las
armaduras.
Tiempo Embudo-V(s)
Estos criterios de aceptación son generales. Valores
fuera de los márgenes indicados en la tabla II
pueden ser aceptables en función de las condiciones
de la obra. En realidad se podrían definir distintos
subtipos de HAC en función del tipo de aplicación.
Cada uno de estos subtipos estaría asociado con
diferentes propiedades en el estado fresco
(viscosidad y fluidez) y las condiciones de puesta
en obra. La Tabla III define nueve subtipos de HAC
en función de la aplicación del hormigón y de dos
propiedades en estado fresco; los valores obtenidos
en el Ensayo de Escurrimiento y del Embudo en V.
Figura 5. Comparativa del resultado del ensayo de la Caja
en L para un hormigón convencional y un HAC
Ensayo del anillo japonés
Evalúa la capacidad de fluir del hormigón fresco en
presencia de obstáculos y el riesgo de bloqueo.
Consiste en colocar un anillo con barras metálicas
en la parte inferior del cono de Abrans al realizar el
ensayo de escurrimiento.
9-25
RAMPAS
PILARES
5-9
MUROS
3-5
PAVIMENTOS
470-570
540-660
630-800
Escurrimiento (mm)
Tabla III. Áreas de aplicación en relación con las
propiedades del HAC.
Esta tabla es útil para diseñar un HAC con las
propiedades adecuadas a la aplicación a la que se
destina. Por ejemplo, si el hormigón se va a aplicar
en la rampa del garaje, las propiedades que lo
definirán serán un Escurrimiento de 500 mm. y un
Tiempo en el Embudo V de 15-25 segundos.
Ensayo del embudo en V
Evalúa la capacidad de fluir del hormigón fresco,
relacionada con la viscosidad de la masa. Se rellena
un molde de forma de embudo de una sola vez y sin
compactar. Se quita la trampilla inferior y se deja
caer al hormigón libremente, midiendo el tiempo de
descarga. Contra más viscosa sea la mezcla, el
tiempo de vaciado será mayor, ya que aumenta la
fricción entre partículas y las paredes.
6. Los finos como elemento diferencial
Los componentes más atípicos del HAC en relación
al hormigón convencional son los finos minerales
tipo filler y los agentes modificadores de viscosidad
(AMV), que se emplean para conseguir un nivel
adecuado de cohesión en la mezcla, evitando la
segregación y la exudación durante la colocación
del hormigón.
Como valores orientativos a la hora de interpretar
los resultados obtenidos en los ensayos realizados
al HAC se pueden tomar los recogidos en la Tabla
2. Estos valores se basan en el conocimiento y
práctica actuales.
La definición de los finos tipo filler varia entre
diferentes países con el tamaño máximo de las
partículas, siendo 80, 90 ó 125 micras (AFGC,
2000; Skarendahl y Petersson, 2000; EFNARC,
2002). Los filler más empleados son el polvo
159
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El procedimiento propuesto por Peterson et al.
(1996) y Billberg (1999), conocido como método
del CBI (Swedish Cement and Concrete Research
Institute) tiene como objetivo encontrar un cierto
esqueleto granular capaz de minimizar el volumen
de pasta necesario para producir suficiente distancia
entre los áridos sin que se produzca bloqueo. Para
ello se basa en el concepto de máxima distancia
entre partículas, junto a un ensayo de evaluación de
bloqueo. El contenido de finos (consideran como tal
las partículas menores de 250 μm), agua,
superplastificante y otros aditivos se ajusta para
obtener la resistencia pretendida en el hormigón
endurecido, además de suficiente viscosidad y una
baja tensión superficial. Para esta determinación se
utiliza un viscosímetro coaxial.
calizo, el polvo de cuarzo, el humo de sílice y las
cenizas volantes. Además de ayudar a conseguir la
cohesión necesaria, los finos tipo filler reducen el
contenido de cemento en la pasta, evitando los
problemas relacionados con el exceso de calor de
hidratación y retracción.
Los AMV son aditivos químicos que mejoran
sustancialmente la cohesión del hormigón y, por
tanto, limitan la pérdida de agua por exudación y
minimizan la tendencia a la segregación. Su empleo
junto con superplastificantes de última generación
permite obtener hormigones estables a pesar de
tener una gran fluidez. Sin embargo, su empleo no
siempre es imprescindible para obtener un
hormigón autocompactable, únicamente en el caso
en que los finos por si solos no sean capaces de
aportar suficiente cohesión a la mezcla (AFGC,
2000).
Sedran et al. (1996), en el Laboratoire Central des
Ponts et Chaussées (LCPC) de París, proponen un
método que consiste en utilizar un modelo
computacional para determinar un esqueleto
granular con el mínimo de vacíos, considerando el
efecto pared y la viscosidad de la mezcla. La
dosificación de finos se fija inicialmente, en
función de la resistencia y los materiales
disponibles. El contenido de superplastificante para
las posibles combinaciones de finos se define
mediante el ensayo del cono de Marsh. El ajuste
final de agua y superplastificante para obtener una
viscosidad aceptable se realiza con un reómetro y el
ensayo de extensión de flujo.
En general se puede observar que las cantidades de
finos y superplastificante son altas, comparadas con
las utilizadas en hormigones convencionales.
Asimismo, la dosificación del árido grueso es
menor que la habitual, siendo inferior en peso, o
por lo menos del mismo orden, que la de la arena.
En este caso, todos los hormigones llevan filler,
complementado a veces por un AMV.
7. Métodos de dosificación
Los métodos de dosificación de mezclas para HAC
difieren de los métodos tradicionales empleados en
el hormigón, estando fundamentados en una base
esencialmente empírica. En la bibliografía son
varios los procedimientos presentados para la
obtención de mezclas de HAC. A continuación se
exponen las directrices principales contempladas en
los métodos de dosificación más utilizados.
Investigadores de la Universitat Politècnica de
Catalunya han desarrollado recientemente una
metodología de dosificación para HAC de alta
resistencia basada en componentes localmente
disponibles y ensayos sencillos de realizar (Gomes
et al., 2001, 2002; Gettu et al., 2002). Comienza
utilizando el ensayo del cono de Marsh para
determinar
la
dosis de
saturación
del
superplastificante en el sistema de pasta constituido
por cemento, agua y finos filler, y con una relación
agua/cemento
baja
(p.e.,
0,33-0,40).
Posteriormente, mediante el ensayo del mini-slump,
se fija la relación filler/cemento considerando una
pasta de fluidez alta y cohesión moderada.
Separadamente, se obtiene la relación arena/grava
correspondiente a la combinación seca de estos
componentes que da lugar al mínimo contenido de
vacíos. Con esta relación arena/grava se fabrican
hormigones con distintos volúmenes de pasta (con
la dosis de saturación de superplastificante y
relación filler/cemento determinados inicialmente),
tomando como mezcla optimizada la que, con el
mínimo contenido de pasta, cumple los requisitos
de autocompactabilidad y resistencia determinados
por varios ensayos sobre el hormigón fresco.
El procedimiento general propuesto por Okamura
(1997) y Ouchi et al. (1997) considera que el
hormigón está constituido por dos fases: árido
grueso y mortero. El volumen de árido grueso se
fija en el 50% del volumen sólido del esqueleto
granular (constituido por el árido fino y el árido
grueso), mientras que el volumen correspondiente
al árido fino se fija en el 40% del volumen del
mortero (constituido por la pasta de cemento y los
áridos finos). La relación agua/finos y la
dosificación del superplastificante se obtienen
mediante ensayos de fluidez sobre morteros. A
partir de estas proporciones se realizan pruebas de
caracterización sobre el hormigón para determinar
la dosificación final. Esta metodología ha sido
modificada
posteriormente
por
varios
investigadores (Skarendahl y Petersson, 2000).
160
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El método de dosificación aplicado (Gomes et al.,
2001) utiliza materiales finos tipo filler para
conseguir la viscosidad y cohesión requeridas. Otra
posibilidad sería utilizar agentes modificadores de
la viscosidad, que podrían sustituir o reducir el
contenido de filler. Para ello, sería interesante
adaptar este método para incluir estos aditivos
químicos en la dosificación.
sp/c (%)
0,50
TIEMPO
(log)
0,71
EXTENSIÓN Df (mm)
210
Tabla IV. Resultado del ensayo de extensión de flujo
para el mortero
Las proporciones del mortero con CEM I 42,5 R en
peso fueron:
Igualmente, este método da lugar a HAC de alta
resistencia, utilizado en aplicaciones específicas
pero limitadas. Resultaría práctico poder obtener
HAC de resistencia más baja con un método
experimental similar.
Relación A/C
0,42
Relación arena 0-2/cemento
1,84
Relación sp/c (%)
0,50
Tabla V. Proporciones del mortero en peso
En este sentido, la Universitat Politècnica de
Catalunya, está llevando a cabo investigaciones con
el
objetivo
de
obtener
un
hormigón
autocompactable de resistencia media (HAC-RM).
Además, con la intención de reducir costes y
aprovechar al máximo los materiales áridos
disponibles, se han realizado ensayos donde se
reemplaza el filler, en este caso calizo, por arena 02 mm.
En lo que se refiere al esqueleto granular, se
determinó el punto de máxima compacidad de los
áridos 0-5 mm y 5-12 mm, verificando un 60 % de
arena 0-5 mm y un 40 % de grava 5-12 mm , para
un índice de vacíos de 0,34.
8. Ensayos de Hormigones HAC-RM
con sustitución de filler calizo por arena
0-2 mm
Para la dosificación final se encontró la relación
adecuada entre mortero y esqueleto granular, a
partir de distintos ensayos sobre varias mezclas de
Hormigón.
Arena 0-5
0,60
Grava 5-12
0,40
Tabla VI. Proporciones de los áridos
Para la fabricación de este tipo de hormigón, era
necesario sustituir la fase pasta, por una fase que se
ha denominado “Fase Mortero” (agua, cemento y
arena). Con el objeto de reducir al máximo los
costes y aprovechar las propiedades de los
materiales disponibles, se procedió inicialmente a la
optimización del contenido de aditivo sp en el
mortero, con CEM I 42,5 R, con arena 0-2 mm y
sin ningún tipo de adición mineral, para una
relación agua/cemento (A/C) de 0,42, que está en el
rango establecido de 0,40 y 0,45.
En HAC-RMCA-1 fue necesario adicionar 0,011 kg
de aditivo cohesionante (ch) para evitar la
segregación, y se hicieron otras dosificaciones
(HAC-RMCA-2 y 3), con el fin de comprobar las
propiedades de autocompactabilidad y resistencia
sin ch. Las dosificaciones para un metro cúbico de
hormigón y los resultados se presentan en la Tabla
VII.
HAC
8.1. Primer ensayo: CEM I 42,5 R
RMCA-1 RMCA- RMCAP.U=
2 P.U= 3 P.U=
2469
2469
2469
Kg/m3
Kg/m3 Kg/m3
34% y
% de pasta (en volumen) ch=0,011
Kg
En relación al mortero, se estudió el
comportamiento para varias relaciones de aditivo
sp/cemento (sp/c), y para una relación de arena (0-2
mm)/cemento de 1,84 (utilizando sólo 3 áridos). Se
utilizó una relación a/c de 0.42, observándose que
aunque la tendencia del mortero era similar a la de
las pastas, el punto de saturación era mayor.
31%
COMPOSICIÓN (Kg/m3)
Cemento
396
360
Agua
166
151
Pasta
Aditivo
10,3
9,36
sp
Esqueleto
Arena 0670
662
Granular
2
Arena 0375
383
5
Grava 5401
402
12
Mediante el ensayo con el cono de Marsh, se
obtuvo como relación sp/c óptima 0,5 (%). Así
quedó definido un adecuado contenido sp para el
mortero, dado que por encima de esta relación, el
tiempo disminuía y el mortero en la mesa de flujo
se escurría, impidiendo la medida del diámetro.
161
29%
340
143
8,84
627
418
696
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Grava
12-18
295
295
-
También se quiso variar la relación arena (02)/cemento a 1,7 (RMCA 5). El resultado en el
ensayo de extensión de flujo para el mortero fue el
siguiente:
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS
T50 (s)
2,4
2,7
1
Escurrimiento
Df (mm)
750
750
760
Embudo V T (s)
13
13
4
T (s)
9,3
8,7
2
Caja en L
CB
0,61
0,68
0,85
Eztensión con
CB
anillo
Resistencia a
compresión a los 28 días
en Mpa
0,63 con
Df (mm)
de 660
0,72
con Df
(mm)
de 680
0,80
con Df
(mm)
de 710
46
42
39
sp/c (%)
0,20
Las proporciones en porcentaje de los áridos en el
HAC-RMCA, es la que se presenta en la Tabla X.
Arena 0-2
38 %
Arena 0-5
22 %
Grava 5-12
40 %
Tabla X. Proporciones de los áridos
Como se puede observar, aunque la recomendación
de que el porcentaje óptimo de pasta estaría muy
próximo al porcentaje de vacíos existente más 10
puntos, se decidió trabajar con un 34 % de pasta en
volumen para lograr la resistencia media en el
RMCA-1, si bien se alteró dicho volumen de pasta
para obtener valores del 31 % y 29 % en los casos
restantes.
En este caso, la dosificación que se obtuvo fue la
recogida en la Tabla XI.
8.2. Segundo ensayo: CEM II 32,5 R
HAC
Para comprobar la metodología de procedimiento,
además de reducir costes y resistencias del HACRM, para una relación a/c entre 0,40 y 0,45, se
fabricaron unos HAC-RMs con CEM II 32,5 R.
RMCA- RMCA4 P.U= 5 P.U=
2469
2469
Kg/m3 Kg/m3
% de pasta (en volumen)
34%
34%
COMPOSICIÓN (Kg/m3)
Cemento
392
392
Agua
177
177
Pasta
Aditivo
4,1
4,1
sp
Arena 0-2
719
658
Esqueleto
Arena 0-5
327
387
Granular
Grava 5401
696
12
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS
T50 (s)
1
1
Escurrimiento
Df (mm)
670
670
Embudo V T (s)
4,4
5
T (s)
3
4
Caja en L
CB
0,8
0,8
Para definir el HAC-RM con adición de arena 0-2
en sustitución del material Filler calizo y con CEM
II 32,5 R se estableció una relación agua/cemento
(A/C) de 0,45, para una resistencia característica de
30 MPa, con áridos de tamaño máximo de 5 a 12
mm.
En relación al mortero, se estudió el
comportamiento para varias relaciones de aditivo
sp/cemento (sp/c), y para una relación de arena (0-2
mm)/cemento de 1,84.
Mediante el ensayo con el cono de Marsh, se
obtuvo como relación sp/c óptima 0,2 (%). Así
quedó definido un adecuado contenido sp para el
mortero.
0,20
220
La conclusión del esqueleto granular (arena (0-5
mm) 60 % y grava (5-12 mm) 40 %) es la misma
que la obtenida para el primer ensayo.
Tabla VII. Composición y características de los HACRMCA (sp/c (%) de 0,5)
TIEMPO
(log)
0,98
EXTENSIÓN Df (mm)
Tabla IX. Resultado del ensayo de extensión de flujo
para el mortero
Resultados de resistencia promedio de 3 cilindros
refrentados son azufre
sp/c (%)
TIEMPO
(log)
0,95
Eztensión con
CB
anillo
Resistencia a compresión
a los 28 días en Mpa
EXTENSIÓN Df (mm)
0,8 con 0,8 con
Df
Df
(mm)
(mm)
de 640 de 640
36
33
220
Tabla XI. Composición y características de
los HAC-RMCA con CEM II 32,5 R
Tabla VIII. Resultado del ensayo de extensión de flujo
para el mortero
162
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Aunque aún son pocas las obras que se han
realizado con dicho hormigón, las ventajas que
presenta el HAC hacen pensar en un futuro
competidor del hormigón convencional. En este
sentido, los avances que se están realizando en el
campo de investigación del mismo, ponen en
relieve la repercusión económica que puede
producir su introducción en el mercado de la
construcción.
Como era de esperar, la utilización de un cemento
de menos resistencia permitió obtener un hormigón
con resistencia media menor. Asimismo, puede
observarse que la reducción de la fracción de arena
0-2 mm, que supuso la variación de arena (02)/cemento a 1,7, da lugar a una resistencia
sensiblemente menor.
8.3. Conclusiones
Analizando los resultados obtenidos en ambos
ensayos se desprende:
ƒ
ƒ
Referencias
La modificación de la fase pasta por la fase
mortero, permite un mejor acercamiento a
HACs de resistencia media a baja, con
posibilidades de hacerlos más viables para
aplicaciones estructurales en obras civiles
convencionales.
El pensamiento común en relación a la
aplicación de los HACs, es que sea para
estructuras de alta resistencia y altos costes de
producción. Queda comprobado que las
propiedades de alta fluidez sin problemas de
segregación pueden ser alcanzadas con un
HAC-RM, eliminando la concepción inicial en
lo que respecta a este tipo de hormigones
haciéndolos más competitivos en la
construcción civil.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
9. Conclusiones
La utilización del hormigón autocompactable
supone, como se ha podido ver, un avance en el
modo constructivo. Su flexibilidad para adaptarse a
la construcción de obras con requerimientos
estructurales y procedimientos de construcción
complicados, abre una nueva puerta en el campo de
la construcción.
[8]
Además, queda constatada la posible utilización de
HAC para obras con resistencias medias, lo que
supone una ampliación del campo de aplicación de
dicho hormigón.
163
L. Fernández Luco, D. Revuelta Crespo.
"Hormigón autocompactable: visión general" n°
228-229, Hormigón y Acero, 2003.
L. Fernández Luco, D. Revuelta Crespo. "Diseño
de Hormigones por prestaciones". 5.4. CEMCO
2004, IETcc (CSIC).
P. Borralleras Más, J. García San Martín.
"Hormigón autocompacto y aditivos. Un
compromiso perfecto". Diseño de Hormigones por
prestaciones, 5.4. CEMCO 2004, IETcc (CSIC).
J. Walraven, "Strutural aspects of self compacting
concrete", III International Symposium on SelfCompacting Concrete, 2003, Reykjavik, Iceland.
"Especificaciones y directrices para el hormigón
autocompactable", EFNARC 2002.
“Hormigón autocompactable, un hormigón para el
siglo XXI”, Simposio internacional de de
pavimentos de hormigón, 29 de de abril de 2.003.
M. Bravo Sobrino, “Caracterización y utilización
del hormigón autocompactable”, Tesina de
investigación de la UPC. Tutor: Gettu, Ravindra.
C. Jenny de la Cruz, “Hormigón Autocompactable
de Resistencia Media”, Tesis doctoral de la UPC.
Tutor: Gettu, Ravindra.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
164
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
LA UTILIZACIÓN DE FIBRAS PLÁSTICAS EN EL HORMIGÓN
PROYECTADO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES
José Carlos Edo Monfort / Víctor Guasch Vela
Universidad Politécnica de Cataluña / Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
Departamento de Ingeniería de la Construcción / ETSECCPB
Jordi Girona 1-3 Edificio C-1 / Telf. 93 401 65 16 / Fax. 93 401 10 36
Resumen: La presente memoria tiene por objetivo el
análisis de las ventajas e inconvenientes que presenta la
utilización del hormigón proyectado con fibras plásticas en
la construcción de túneles.
Para ello se estudiará las mejoras que presenta el
hormigón con fibras respecto al hormigón en masa y las
diferencias entre fibras plásticas y metálicas.
Posteriormente, se presentarán las principales
características del hormigón proyectado para terminar el
estudio valorando conjuntamente todos los temas
presentados.
•
•
respecto al hormigón reforzado con fibras
metálicas.
Ventajas e inconvenientes que presenta el
hormigón proyectado en la construcción de
túneles.
Implementación de las fibras plásticas en el
hormigón proyectado y beneficios obtenidos.
2. Hormigón con Fibras
Palabras clave: hormigón proyectado, fibras plásticas,
fibras metálicas.
2.1. Definición e Histórico
El hormigón con fibras no es más que un
hormigón normal, es decir una mezcla homogénea de
agua, cemento y áridos (arena y grava) al que se le
han añadido fibras en el momento de la mezcla.
Históricamente las fibras han sido utilizadas para
mejorar y reforzar diferentes tipos de materiales de
construcción. Recordemos que la paja ya era utilizada
por los egipcios para reforzar los ladrillos, o que los
romanos usaban la crin de los caballos para hacer
enlucidos y morteros.
Podríamos decir que en un principio se comenzó
utilizando lo que se denomina actualmente como
fibras naturales. Éstas aún siguen utilizándose en los
países en vías de desarrollo debido a su bajo costo.
Sin embargo esta tecnología de materiales ha ido
evolucionando, y poco a poco se han ido
introduciendo en el mercado fibras de procedencia
muy diversa. Hablamos aquí de las fibras de vidrio,
de carbón, de nylon, de acero, de polipropileno...
Actualmente podría decirse que existen dos
grandes familias de fibras que han ganado
popularidad para remediar y mejorar problemas en el
hormigón:
• Fibras
metálicas: introducidas en los
materiales de construcción a partir de los años
50. En este trabajo trataremos principalmente
las fibras de acero (Cf. Fig. 1).
1. Introducción
Apropiadamente
aplicado,
el
hormigón
proyectado es un material estructuralmente resistente
y durable, con alta adherencia a roca, hormigón,
albañilerías, acero y otros materiales.
El proceso de aplicación consiste en disparar a
presión el hormigón o el mortero sobre una superficie
para producir una capa auto-compactante y con
capacidad de carga.
Estas características lo convierten en un material
propicio para ser usado como soporte de rocas en
minas y proyectos civiles. Ya que la estabilidad de las
obras subterráneas en general y de los túneles en
particular requiere, en la mayoría de los casos,
reforzar la roca o el terreno circundante de modo que
quede garantizada su estabilidad a corto y largo
plazo, así como su adecuada funcionalidad durante su
vida útil.
Sin embargo, en la construcción de túneles, la
demanda de más alta calidad y economía en el
hormigón proyectado se ha incrementado fuertemente
en los últimos años en todo el mundo. Para satisfacer
estas necesidades se implementaron las fibras
plásticas y de acero en el hormigón.
Los objetivos de este trabajo pueden resumirse en
cuatro puntos:
• Estudio comparativo del hormigón en masa y
el hormigón reforzado con fibras.
• Ventajas e inconvenientes que presenta el
hormigón reforzado con fibras plásticas
165
Fig. 1: Fibras metálicas
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
•
La mezcla de hormigón fue diseñada con una
resistencia característica de 5N/mm2, asentamiento de
50 mm, con las medidas siguientes:
• Cemento
340 kg/m3
• Árido de 20-10 mm
600 kg/m3
• Árido de 10-5 mm
400 kg/m3
• Árido fino
730 kg/m3
• Razón A/C
0,56
Para la investigación se usaron 8 mezclas
diferentes de hormigón y con cada una de ellas se
fabricaron:
• Una losa de 1.0 x 0.5 x 0.1 m
• Seis prismas 0.1 x 0.1 x 0.5 m
• Un anillo.
Todos los elementos fueron curados al aire a 20ºC
en laboratorio (excepto los anillos) y testados a 28
días. Los resultados obtenidos pueden apreciarse en la
Tabla I.
1. La trabajabilidad fue evaluada por el ensayo de
asentamiento. En la tabla se observa claramente una
disminución del asentamiento al añadir cualquiera de
las dos clases de fibras utilizadas, lo que conlleva
necesariamente una disminución de la trabajabilidad.
Respecto a esta propiedad cabe indicar aquí que
se han encontrado informaciones contradictorias en la
bibliografía consultada. Así en el catálogo de la
empresa de Sactema de fibras de polipropileno
(Fibermesh 6130) se afirma que éstas mejoran la
trabajabilidad del hormigón.
Estas contradicciones serán comentadas más
adelante en otro apartado.
2. Los anillos de hormigón se usaron para simular
agrietamiento restringido por contracción (retracción
hidráulica) durante los experimentos, que consistieron
en colocar círculos de hormigón de 38 mm de espesor
alrededor de un anillo rígido de 250 mm de diámetro
y 45 mm de alto y mantenerlos en una cámara
ambiental a 38ºC.
Después de 28 días, sólo el anillo de hormigón
simple se había agrietado. Se deduce que ambas
clases de fibras reducen este tipo de fisuras.
Fibras sintéticas: resultado de la investigación
tecnológica desarrollada por el sector
petroquímico y textil, fueron aplicadas por
primera vez al hormigón durante los años 70.
En este trabajo se tratarán fundamentalmente
las fibras de polipropileno (Cf. Fig. 2).
Fig 2: Fibras de polipropileno
2.2. Propiedades
Para resolver cómo influyen las fibras de acero y
de polipropileno en el hormigón utilizaremos la
investigación realizada en la Universidad de Aston
(Inglaterra) por Massud Sadegzadeh, Roger Kettle,
Vasoulla Vassou que fue publicada en español en
enero de 2004 en la Revista BIT.
En este estudio se hicieron ensayos con
dosificaciones diferentes (1, 5 y 10 kg de fibra de
polipropileno por m3 de hormigón y 1, 5, 10 y 20 kg
de fibra de acero por m3 de hormigón) y se analizaron
distintas propiedades:
1.
Trabajabilidad: ensayo de cono del estándar
británico BS EN 12350.
2.
Formación de grietas: examen visual.
3.
Resistencia al impacto: ensayo BS 8204:
Part 1: 1999.
4.
Resistencia a la flexión: ensayo ASTM
C78-94.
5.
Tenacidad a la flexión y resistencia de la
primera grieta: ensayo ASTM C1018-97.
Tipo de fibra
Dosis de fibra (kg/m3)
Asentamiento
Formación de grietas de
ensayo de anillo
Promedio profundidad de
indentación (mm)
Promedio resistencia a
flexión (MPa)
I5
Promedio
Índices de
I10
Tenacidad
I20
Hormigón Simple
50
1
25
Polipropileno
5
15
10
0
1
30
5
25
Acero
10
20
20
0
Sí
No
No
No
No
No
No
No
1.30
0.90
0.50
0.30
0.80
0.40
0.20
0.10
4.55
5.45
5.24
3.88
5.08
5.23
4.94
4.67
1.00
1.00
1.00
1.76
2.33
2.97
2.03
3.18
5.30
3.09
4.98
8.53
1.55
2.05
2.54
2.13
3.05
4.42
2.51
3.60
5.27
2.98
4.69
7.76
Tabla I: Resultados de los ensayos.
166
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
5. La tenacidad a flexión se define como el trabajo de
deformación para alcanzar la rotura y la capacidad de
mantener la carga incluso después de la formación de
fisuras.
Esta propiedad y la resistencia a la primera grieta
de prismas se ensayaron de acuerdo con ASTM
C1018-97.
La tenacidad se representa con el área
comprendida por la curva de carga-deformación (Cf.
Fig.3).
El método prevé la determinación de relaciones
numéricas, llamadas Índices de Tenacidad que
identifican el modelo de comportamiento del
compuesto fibro-reforzado. Estos índices se calculan
dividiendo el área comprendida por la curva de cargadeformación para un valor específico de deformación
(valores establecidos convencionalmente en 3δ, 5.5 δ
y 10.5δ) por el área comprendida por la curva de
carga-deformación para el valor de la primera
fisuración. Se obtienen así tres Índices de Tenacidad:
• Índice de tenacidad I5 es la energía absorbida
hasta 3 veces la deflexión a la primera rotura,
fluctuando los resultados de 1 (hormigón simple)
a 5 (perfecto comportamiento elástico/ plástico).
• Índice de tenacidad I10 es la energía absorbida
hasta 5,5 veces la deflexión a la primera rotura,
fluctuando los resultados de 1 (hormigón simple)
a 10 (perfecto comportamiento elástico/ plástico).
• Índice de tenacidad I20 es la energía absorbida
hasta 10,5 veces la deflexión a la primera rotura,
fluctuando los resultados de 1 (hormigón simple)
a 20 (perfecto comportamiento elástico/ plástico).
En la Fig. 3 se presenta la curva de carga
deformación en la que se evidencian el valor de
deformación a la primera fisuración y los valores de
deformación correspondientes a 3δ, 5.5 δ y 10.5 δ; así
como las áreas comprendidas por la curva cargadeformación para dichos valores.
El mecanismo por el que las fibras bloquean la
formación de las grietas de retracción durante las
primeras horas de curado del hormigón es muy
sencillo. Cuando después de una retracción se crea
una microfisura en el hormigón, ésta se transforma en
una grieta cada vez más amplia y larga. Si en cambio
encuentra la fibra, ésta interrumpirá la evolución. Por
tanto, al aumentar la dosis de fibras, disminuye la
retracción plástica hasta desaparecer.
3. La resistencia a impacto de las losas fue
evaluada de acuerdo con el BS 8204: Part 1: 1999. En
este ensayo las losas fueron sometidas a repetidos
golpes de impacto, dejando caer verticalmente un
peso bajo una guía sobre una pieza de herramienta de
acero endurecido en contacto con la superficie de
prueba. La profundidad de la hendidura (indentación)
fue medida después de 4 golpes.
Se observa que la resistencia al impacto aumenta
considerablemente respecto al hormigón en masa,
obteniéndose además resultados similares para igual
dosis de ambas fibras.
Esta mejora se debe a la gran cantidad de energía
absorbida en el proceso de desunión, estiramiento y
extracción que se produce después de haberse
agrietado la matriz del hormigón.
4. Los ensayos de resistencia a flexión en prismas,
fueron realizados de acuerdo con ASTM C78-94.
Este ensayo consiste en la aplicación de tres fuerzas
puntuales sobre el prisma biapoyado.
De los resultados se obtiene que una cantidad
reducida de fibras (entre 1 y 5 kg/m3 de fibras
plásticas y entre 1 y 10 kg/m3 de fibras de acero)
produce una mejora de la resistencia a flexión del
hormigón.
Esto se consigue porque la fibra distribuye más
homogéneamente los esfuerzos a través de todo el
hormigón; sin embargo esta mejora no es
sustancialmente importante.
Fig.3: Curva carga-deformación.
167
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Los resultados del test indican que tanto las fibras
de polipropileno como las metálicas incrementan la
ductilidad del hormigón. Siendo este aumento mayor
para dosis más importantes de fibra.
También cabe decir que, para dosis similares, las
fibras de polipropileno otorgan al hormigón una
mayor ductilidad que las fibras metálicas (Cf. Fig. 4).
•
•
•
•
•
•
•
El control de las grietas resultantes de las
tensiones externas (estructural).
Desarrollo de una resistencia estructural
mayor.
La eliminación o reducción del torcimiento y/o
el escurrimiento plástico.
La reducción del tamaño de columnas
portantes.
La reposición de cualquier momento o
refuerzo de acero estructural.
La eliminación ilimitada de juntas de control.
El adelgazamiento de secciones de capas
sobrepuestas unidas o sin unir.
2.4. Ventajas de las fibras plásticas respecto a las
metálicas
Las fibras sintéticas aparecieron posteriormente a
las metálicas con el fin de solucionar algunos
problemas que presentaban las últimas. En este
apartado trataremos de explicar las principales
ventajas que supone la incorporación, en la década de
los 70, de estas fibras sintéticas respecto al hormigón
con fibras metálicas.
Cabe destacar también en este apartado la
existencia de una gran variedad de tipos de fibras
sintéticas. Podemos citar aquí las fibras acrílicas,
aramídicas, de carbono, nylon, poliéster, polietileno...
Se aprecia sin embargo, que hasta el momento, al
hablar de fibras plásticas, se han tomado los
resultados obtenidos a partir de ensayos con fibras de
polipropileno. Esta decisión no ha sido trivial, ya que
todas las fibras citadas presentan propiedades
específicas, pero por límites de espacio no podrán ser
analizadas en este documento las ventajas e
inconvenientes que presenta cada una de ellas. Dado
que las fibras de polipropileno, quizás sean aquellas
cuyo uso se encuentra más extendido en el hormigón
proyectado, se ha decidido otorgarles en este
documento una cierta preeminencia. Por ello, cuando
aquí se hable de fibras plásticas se debe tener en
cuenta que nos referimos, en esencia, a las fibras de
polipropileno.
Para hablar de ventajas de las fibras plásticas, es
necesario conocer los inconvenientes que presentan
las metálicas. Uno de los más importantes es la fácil
corrosión ante una posible aparición de fisuras.
Una vez iniciada la corrosión, el fenómeno se auto
alimenta propagándose a todas las fibras del
conglomerado de cemento, que bajo la acción de los
productos de la corrosión se disgrega. Esto afecta en
gran medida a la durabilidad del hormigón. Las fibras
plásticas por su parte resultan inertes, por lo que este
fenómeno de corrosión no afecta a los hormigones
que las contienen.
Fig. 4: Comparativa polipropileno-acero
2.3. Interés del hormigón con fibras.
En general, las ventajas que presenta el hormigón
con fibras frente al hormigón convencional son:
• Reduce el costo de mano de obra.
• Elimina la posibilidad de una mala colocación.
• Elimina los accidentes relacionados con el
manejo.
• Aumento moderado de resistencia a la tensión.
• Reduce el asentamiento plástico.
• Inhibe las grietas por retracción.
• Retarda la evaporación (reduce la exudación)
• Aumenta la resistencia a temprana edad.
• Aumenta la durabilidad.
• Aumenta la ductilidad.
• Disminuye la permeabilidad.
• Aumenta la resistencia al impacto.
• Aumenta la resistencia a la abrasión.
Esto conduce a que sean especialmente
apropiadas para:
• El control del agrietamiento resultante de las
tensiones
intrínsecas
(retracción
por
evaporación o secado).
• Reducir la permeabilidad del hormigón.
• Ofrecer
una
mayor
resistencia
al
despedazamiento e impacto.
• El soporte y cohesión del hormigón en planos
inclinados y/o colocación de moldes
deslizantes.
• Un método más eficiente y económico que el
de malla de alambre para proveer estabilidad
dimensional para refuerzo secundario.
• Dar mayor resistencia a la fatiga.
• Mejorar la durabilidad.
No obstante, existen ciertas limitaciones por las
que se debe evitar el uso del hormigón con fibras
para:
168
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Debido a la baja permeabilidad del hormigón la
evacuación del agua es lenta, saturándose los poros
internos dónde la expansión de los gases, por efecto
de la temperatura, aumenta considerablemente la
presión.
Cuando se supera la resistencia a tracción del
hormigón, a medida que aumenta el espesor del
hormigón afectado por la alta temperatura, se produce
su rotura y el desprendimiento en forma de capas.
Este fenómeno se produce cuando la temperatura
alcanza los 200-250ºC (Cf. Fig. 6).
En el caso del hormigón armado, la eliminación
del hormigón superficial puede dejar la armadura
expuesta directamente a las llamas y a las altas
temperaturas, con las consecuencias que ello conlleva
en la capacidad resistente del acero y, por tanto, de la
estructura.
En cuanto a su manipulación las fibras sintéticas
pueden ser usadas en hormigones proyectados, ya que
no atascan orificios ni deterioran tubos de bombeo.
Las únicas condiciones que deben cumplir son que su
longitud no supere la mitad del diámetro de la
manguera ni, por motivos de anclaje, sea inferior a
tres veces el tamaño máximo de árido (Cf. Fig. 5).
Fig. 5: Límites geométricos de las fibras plásticas.
Pero sin duda, la gran ventaja que presentan las
fibras sintéticas respecto a las metálicas es su mayor
resistencia al fuego. Por ello dedicaremos un apartado
a esta propiedad.
2.5. Resistencia al fuego del hormigón con fibras
de polipropileno.
La exposición al fuego de una estructura de
hormigón produce, fundamentalmente, dos procesos
de deterioro:
• Pérdida de resistencia
• Degradación superficial o Spalling.
Fig. 6: Fenómeno de Spalling
2.5.3. Comportamiento del hormigón con fibras
plásticas.
2.5.1. Pérdida de resistencia.
Cuando el hormigón se encuentra sometido a
elevadas temperaturas durante un largo periodo de
tiempo, los diferentes componentes del mismo
experimentan una serie de cambios físico-químicos.
A nivel de la pasta, a medida que aumenta la
temperatura se produce la expulsión del agua libre
(100ºC), la deshidratación del CSH (180ºC), la
descomposición del Ca(OH)2 (500ºC) y la del CSH
(700ºC). Por el contrario la mayoría de los áridos son
estables por debajo de los 500 ºC.
Estas afecciones, unidas a los distintos
coeficientes de deformación de los constituyentes del
hormigón, producen un debilitamiento de la matriz y
microfisuración, traduciéndose en la correspondiente
pérdida de resistencia y aumento de la
deformabilidad.
En los diversos estudios evaluados existe
consenso a la hora de evaluar los beneficios en el
comportamiento frente al fuego de la incorporación
de fibras de polipropileno en el hormigón. Se
concluye que estas fibras producen una mejoría
contra fenómenos de spalling pero una nula
aportación frente a la pérdida de resistencia.
Estos resultados pueden explicarse fácilmente.
Durante un incendio, cuando se alcanza su
temperatura de fusión (alrededor de 160ºC), las fibras
se descomponen sin producir gases nocivos,
transformando
el
volumen
que
ocupaban
anteriormente en la mezcla de cemento en una serie
de canales conectados entre sí. Los canales actúan
como vías de fuga para el calor y el vapor que se crea
después de una repentina ebullición del agua
intersticial. Esta propiedad evita que el hormigón
fibro-reforzado explote violentamente, como sucede
en el caso del hormigón en masa o con fibras de
acero, evitando así el fenómeno de spalling.
2.5.2. Spalling.
Durante un incendio, cuando se produce un
calentamiento rápido del hormigón, el agua libre o
combinada se transforma en vapor desplazándose
hacia capas internas más frías.
169
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
La resistencia a compresión se sitúa generalmente
entre 20 y 45 MPa, aunque para aplicaciones
especiales se ha desarrollado la resistencia llegando a
valores de 70 MPa. La densidad varía entre 2200 y
2400 kg/m3.
El hormigón proyectado presenta además una
excelente impermeabilidad y baja absorción, esto se
debe a su estanqueidad elevada y a su adecuado
volumen de poros capilares. En consecuencia, tiene
una buena resistencia a congelación y deshielo, al
ataque químico, a la abrasión y al desgaste.
Pero indudablemente la propiedad más destacada
de los hormigones proyectados es su adherencia a la
superficie de soporte, siempre que ésta sea sólida, se
encuentre limpia y saturada con superficie seca, y
tanto mejor mientras sea más rugosa.
La retracción por secado del hormigón proyectado
varia con las proporciones de la mezcla, pero
generalmente es ligeramente superior a un hormigón
convencional de cono bajo. Esto es debido a las
mayores dosis de cemento utilizado. En consecuencia
tiene un mayor potencial para generar fisuración, lo
que exige una cuidadosa distribución de juntas y/o un
mayor empleo de refuerzo.
2.6. Interés del hormigón con fibras plásticas.
Las ventajas que presenta el hormigón con fibras
plásticas son aquellas que se encuentran en el
apartado 2.3, completado por las propiedades que
acabamos de analizar; es decir:
• Mayor resistencia ante el fuego
• Supresión del fenómeno de corrosión de las
fibras.
• Facilidad para ser usado como hormigón
proyectado.
3. Hormigón Proyectado
3.1. Definición.
El hormigón proyectado es una mezcla de
cementos, áridos y agua que se proyecta por medios
neumáticos a través de una boquilla para producir una
densa masa homogénea (Cf. Fig. 7).
Generalmente la estructura interna de este tipo de
hormigón consta de áridos más finos y un mayor
contenido de cemento que las mezclas tradicionales.
Además generalmente la relación agua/cemento es
más baja y su compacidad más alta, lo que incide en
la porosidad.
Los poros capilares se distribuyen uniformemente,
no presentan habitualmente cavidades y además la
proyección genera poros finos, aislados y esféricos
que funcionan como vasos de expansión mejorando la
resistencia a las heladas.
3.3. Métodos de proyección del hormigón.
Actualmente se usan tres procedimientos para
proyectar el hormigón:
3.3.1. Proceso seco:
Es una técnica en la que se mezclan el cemento y
los áridos y se introducen en un equipo específico
donde la masa se encuentra presurizada. Se dirige
ésta de forma dosificada a un chorro de aire
comprimido y se conduce a través de tubería o tubos
flexibles a una boquilla en la que se introduce agua en
spray para humedecer la masa. A continuación se
proyecta de forma continua sobre la superficie a la
que va destinada. La masa puede incorporar también
aditivos, fibras, o una combinación de estos
elementos.
3.3.2. Proceso húmedo:
Es una técnica en la que el cemento, los áridos y
el agua se mezclan antes de introducirlos en un
equipo específico. A continuación se transportan a
través de un tubo flexible a una boquilla desde la que
la masa se proyecta neumáticamente de forma
continua.
Fig. 7: Proyección del hormigón
3.2. Propiedades.
3.3.3. Proceso semi-húmedo:
El aspecto natural del hormigón proyectado es
áspero y rugoso, lo que depende directamente del
tamaño máximo del árido empleado y de la técnica de
proyección.
Este proceso consiste en la dosificación del agua
aproximadamente 5m antes de la boquilla. Es un
proceso que evita fundamentalmente que la mezcla
seca se disperse.
170
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
3.4. Rebote en la Proyección.
Uno de los principales problemas del hormigón
proyectado es el denominado rebote. Éste se
encuentra formado por los componentes que no se
adhieren a la capa de hormigón, y que salen rebotados
fuera del lugar adecuado. La proporción de rebote es
mayor inicialmente porque el chorro de mezcla rebota
directamente en el soporte, antes que se forme una
capa de hormigón amortiguadora. Por ello, los
espesores gruesos tienen una menor proporción de
rebote en contra de los espesores delgados.
El porcentaje de rebote en todos los casos
dependerá de la relación agua/cemento, del tipo de
granulometría de los áridos, de la cantidad de árido
grueso presente en la mezcla de hormigón, de la
presión de agua (vía seca), de la velocidad de
proyección (caudal de aire), del ángulo de
proyección, de la distancia de proyección, del diseño
del robot y, sobre todo, de la habilidad y experiencia
del pitonero.
Como experiencia, se pueden establecer los
siguientes parámetros comparativos de porcentajes de
rebote en los diferentes sistemas de proyección:
• Vía seca: 30 - 35%
• Vía húmeda: 8 - 12%
• Vía semihúmeda: 12 - 16%
La reducción del rebote es una consideración muy
importante a tener en cuenta en una obra, para lo cual
se debe hacer un estudio serio y exhaustivo de los
factores enumerados con anterioridad.
•
•
•
•
3.5. Aplicaciones.
Las primeras aplicaciones del mortero proyectado
fueron como recubrimiento (inicialmente como
estuco y posteriormente como protección de
estructuras de acero contra fuego y la corrosión).
En la actualidad, los morteros y hormigones
proyectados han alcanzado una gran difusión,
particularmente en obras que requieren rapidez en
colocación y puesta en servicio, en estructuras con
superficies extensas y/o de forma irregular, en
elementos de bajo espesor, y en situaciones en las que
la adherencia del hormigón con otros materiales sea
importante.
Por lo anterior, los morteros y hormigones
proyectados, han encontrado un amplio campo de
aplicación en estructuras y sistemas constructivos
altamente especializado, como los siguientes:
• Revestimiento de canaletas y depósitos
sometidos a abrasión por arrastre de
materiales.
• Revestimiento de estructuras antiguas de
hormigón, acero o madera expuestas a
ambiente agresivo.
• Hormigones refractarios para construcción,
mantenimiento y reparación de revestimientos
de
hornos,
calderas,
generadores,
incineradores y chimeneas industriales.
Nuevos procedimientos de aplicación en
caliente y proyección en bancadas, para capas
de mayor espesor, abren nuevos campos para
el uso de mezclas refractarias proyectadas.
Para consolidación de roca subterránea,
protección de pendiente y reparaciones.
Mezcla modificadas con polímeros, los que
presentan mayores resistencia a tracción y
flexión, mejoran la adherencia y reducen la
absorción. Se aplican para revestir depósitos y
estanques de almacenamiento o proceso de
materiales cáusticos o ácidos, canaletas y
canchas de vertido de productos químicos y,
en general, revestimiento, manutención y
reparación de hormigones en ambientes
altamente
agresivos.
Esto
las
hace
especialmente convenientes para estructuras
marinas y plantas industriales.
Una aplicación particular del mortero
proyectado, es las estructuras de ferrocemento,
sobre todo cuando se requiere una producción
masiva y rápida.
Otra posibilidad son las construcciones tipo
sándwich compuestas por una placa de
material sintético (por Ej.: espuma de
poliestireno o poliuretano). También se utiliza
madera aglomerada, corcho y fibra de vidrio
provista de mallas de acero por ambas caras,
empalmadas mediante amarras transversales
que sirven de superficie de aplicación,
aislamiento y armadura para la mezcla
proyectada. Una vez fijada en su lugar
definitivo, se reviste por ambas caras con
mortero
u
hormigón
proyectado,
constituyendo un panel de hormigón armado
con aislamiento interna.
4. Hormigón Proyectado con Fibras
4.1. Definición
El hormigón proyectado es, como acabamos de
ver, ampliamente usado como soporte de rocas en
minas y proyectos civiles.
Sin embargo, con el paso del tiempo, se ha
necesitado una mayor profundidad en los túneles
subterráneos lo cuál ha requerido una mayor demanda
de resistencia para contener el peso de las rocas. En
términos de tecnología se requiere mayor resistencia
y tenacidad del hormigón. Para conseguir este
objetivo se desarrolló el implemento de diversos tipos
de fibras en hormigones.
El avance que ha significado el refuerzo con
fibras del hormigón proyectado ha quedado
demostrado en un amplio número de proyectos y
aplicaciones alrededor del mundo.
171
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
No obstante también encontramos nuevas
ventajas, resultado de la sinergia de acoplar estos dos
avances tecnológicos.
Entre ellas la mejora de la productividad en las
superficies generadas por el sistema de perforación y
voladura en túneles.
Esto puede suponer un ahorro de hasta el 50% del
costo directo respecto a la malla si se tiene en cuenta
la mano de obra (Cf. Fig. 9).
En definitiva, este hormigón podría definirse
como la unión de dos avances tecnológicos ya
explicados en apartados anteriores: la incorporación
de las fibras (metálicas o plásticas) al hormigón y la
proyección neumática del mismo.
4.2. Propiedades
Las fibras otorgan al hormigón proyectado una
serie de características beneficiosas, propias del uso
de la fibra en su confección.
Puede decirse que el hormigón proyectado con
fibras aúna en un solo producto las propiedades del
hormigón proyectado y del hormigón con fibras;
obteniendo así un producto de iguales o mejores
propiedades que el clásico hormigón con refuerzo con
malla.
Algunas de estas características ya han sido
enunciadas y comentadas anteriormente, como son el
incremento de la resistencia al impacto, el mejor
comportamiento ante el fuego, la reducción de la
permeabilidad del hormigón... por lo que no volverán
a ser explicadas aquí.
Como excepción a esta afirmación cabe volver a
subrayar en este punto que el comportamiento del
hormigón proyectado frente a la absorción de
esfuerzos mejora notablemente gracias a la ductilidad
que le otorgan las fibras en dosis adecuadas, llegando
a aumentar el valor de energía de rotura del hormigón
hasta en 5 veces.
La figura 8 muestra que la absorción de energía de
rotura de las fibras es mayor que la de las mallas
electrosoldadas (Estudio realizado en Noruega por la
Asociación de Investigación Técnica de Noruega NTNF).
Fig. 9: Mejora de la productividad.
Además, el mallazo sólo evita el riesgo de
fisuración en la zona adyacente al mismo, mientras
las fibras se presentan en toda la sección del
hormigón proyectado.
Otra de las grandes ventajas es el ahorro de
material que supone (Cf. Fig 10). Esto se debe a que
el hormigón proyectado copia el perfil de la roca,
reduciendo así el espesor promedio. Esto supone un
ahorro en el hormigón utilizado, ya que se aplica el
espesor requerido en toda la superficie,
independientemente de las irregularidades del
sustrato.
Fig. 10: Ahorro de materiales.
Fig. 8: Energía absorbida antes de rotura
172
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Como se ha comentado anteriormente, el largo de
la fibra no deberá exceder el 50% del diámetro
interno de la manguera de proyección y deberá como
mínimo tener el triple del tamaño máximo de árido
por razones de anclaje (ver figura 4).
El contenido de fibra por metro cúbico de
hormigón y el espesor del mismo deberá ser
determinado en base a los ensayos de carga sobre
panel. El contenido teórico de fibra metálica varia
entre 35 y 50 kg/m3 y el de fibra de polipropileno
rígida es de 1 a 10 kg/m3.
No hay que dejar de mencionar que el efecto de
sombra que se produce detrás de la malla
electrosoldada puede dejar vacíos que inducen
corrosión en la misma y posterior fisuración del
hormigón.
Por último podemos indicar la mejora de la
seguridad para el personal de la obra, ya que el
hormigón con fibras puede ser proyectado y colocado
en el terreno vía control remoto mediante un solo
operario, a diferencia del sistema de la colocación del
mallazo, donde varios operarios deben trabajar en
zonas de terreno que no han sido todavía
consolidadas (Cf. Fig 11).
4.4. Ensayos de carga
Los ensayos para determinar la capacidad de
carga de los diferentes diseños de hormigón
proyectado se realizan mediante el método
“EFNARC Panel Test” utilizando paneles de 600 x
600 x 100 mm. El otro método normalizado es el
“Round Panel Test” de la ASTM (paneles de 800 mm
de diámetro y 75 mm de espesor).
Se determina la tenacidad del hormigón a partir de
ensayos de flexión, usando losas o paneles. El
desempeño post-elástico de paneles circulares sujetos
a una carga transversal puntual en el centro, es
representado por la energía absorbida hasta una
deflexión central especificada.
Esta energía representa la capacidad de
redistribución de esfuerzos que tiene el hormigón
fibro-reforzado después de fisurar.
El comportamiento post-elástico de elementos
estructurales de hormigón proyectado está bien
representado por el ensayo de paneles circulares
simplemente apoyados sobre cuatro puntos simétricos
sujetos a una carga central concentrada, aplicada a un
ritmo prescrito. Dicho panel experimenta flexión
biaxial y exhibe un modo de falla similar al
comportamiento in situ de las estructuras de
hormigón.
Fig. 11: Proyección de hormigón por control remoto.
4.3. Utilización
Para contar con todas las ventajas, este tipo de
hormigones debe ser proyectado mediante el proceso
de vía húmeda. La razón es muy simple, usando este
tipo de proceso se reduce considerablemente el rebote
de la gunita sobre el terreno a proyectar. Recordemos
que el rebote del hormigón proyectado por vía seca se
situaba alrededor del 35%. Este porcentaje aumenta
superando la barrera del 50% si al hormigón
proyectado se le añaden fibras. Es por ello necesario
utilizar el proceso de proyección por vía húmeda,
proceso en el que el rebote del hormigón con fibras
raras veces supera el 15%.
El hormigón proyectado y reforzado con fibras
requiere el uso de microsilice y aditivos para poder
contrarrestar los efectos negativos que tienen las
fibras sobre el bombeo y la proyección. Por otro lado
su uso mejora la adherencia entre la fibra y la matriz
de hormigón.
5. Hormigón Proyectado con Fibras
Plásticas
5.1. Introducción
En este apartado nos centraremos en el tema
principal de este informe. Para ello utilizaremos todo
lo expuesto en apartados anteriores referente a las
fibras plásticas y al hormigón proyectado.
5.2. Histórico
Comenzaremos este apartado con unas breves
reseñas de la evolución histórica de los principales
materiales utilizados en el refuerzo de estructuras
subterráneas.
173
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Podemos citar, entre otros, la aparición del
cemento Pórtland (1824), la primera utilización de
pernos o bulones de anclaje en el refuerzo de rocas
(cantera en N.Wales 1872) o la primera utilización de
la gunita proyectada (1911 en USA), como ejemplos
de la continua evolución que los elementos de
refuerzo de rocas han venido experimentando.
La utilización de bulones/pernos de anclaje se
incrementa notablemente en los años posteriores a la
2ª Guerra Mundial entre los años 1950 y 1955,
continuando su evolución y expansión, hasta el
momento presente, con nuevos tipos de bulones de
mayores prestaciones, con mayores longitudes, una
mayor capacidad de refuerzo y una mayor resistencia
a la corrosión.
Paralelamente, la maquinaria y los dispositivos
para realizar el bulonado han experimentado una gran
evolución, pudiendo ser este semi-automático o
automático con unos rendimientos de colocación muy
elevados.
A partir de 1950 y principalmente en los años 70,
el hormigón proyectado experimenta un notable
desarrollo y un incremento de utilización simultáneo.
El año 1980 marcó un hito importante con la
primera utilización del humo de sílice y la colocación
del hormigón proyectado por vía húmeda. Así mismo,
en los años 80, se desarrollaron los primeros robots
gunitadores, capaces de alcanzar
mayores
rendimientos con menores rebotes, con una mejor
calidad del hormigón y unas condiciones de trabajo
más higiénicas y seguras para los operarios.
Otro hito muy importante en la utilización del
hormigón proyectado en las obras subterráneas es la
aparición de las fibras metálicas como refuerzo de
éste, (años 70). A partir de 1983 se planteará
abiertamente como refuerzo sustitutivo del mallazo
electrosoldado, utilizando una adecuada densidad de
fibras.
En el último lugar podemos citar la aparición de
fibras plásticas como elemento sustitutivo de las
fibras metálicas al corregir ciertos problemas que
presentaban éstas.
•
•
•
•
•
•
•
Supresión del fenómeno de corrosión de las
fibras.
Disminución de la permeabilidad.
Reducción de la fisuración
Mejora de la seguridad
Ahorro de material
Incremento de la productividad
Aumento de la durabilidad.
5.4. Utilización
Respecto a dosificaciones, aditivos y otros
menesteres; se remite al lector al apartado 4.3.
5.5. El mercado de las fibras plásticas.
En este informe, al tratar las fibras plásticas, nos
hemos referido fundamentalmente a las fibras de
polipropileno por ser las más extendidas actualmente.
Cabe decir que éstas se encuentran en el mercado
desde hace algún tiempo, pero todavía son pocas las
compañías que las comercializan.
Entre las compañías que presentan este producto
en su catálogo, podemos citar a:
Degussa, con su gama Meyco Fix Fib
530/540/550 (20, 40 o 50 mm). Éstas son fibras de
polipropileno al uso. Poseen las diferentes
características estudiadas en la memoria. La empresa
presenta una gama de fibras de longitudes diferentes,
con características ligeramente diferentes en función
del uso de las mismas.
Sactema, con su gama Fibermesh. Fibras de
polipropileno, similares a las anteriores aunque con
una variedad de productos levemente inferior.
Pero la tecnología de materiales es una ciencia en
continua evolución y algunas compañías ya han
introducido en el mercado fibras sintéticas que
superan con creces, según catálogos de la propia
empresa, las características de las fibras de
polipropileno.
Éstas no han sido tratadas con detenimiento en
esta memoria (entre otros motivos, por falta de
información) pero merecen, sin duda, ser nombradas.
Citaremos aquí:
Ruredil, con su gama Xfiber54. Fibras sintéticas
estructurales. A las características de las fibras de
polipropileno añaden una gran resistencia a flexión,
convirtiéndose así en una opción al mallazo metálico
en cualquier situación.
Para más información sobre las mismas se
aconseja visitar las páginas web de las diferentes
compañías en las que se puede descargar el catálogo
de los diferentes productos.
5.3. Propiedades
En este apartado vamos a ofrecer un resumen de
las características más importantes que presenta el
hormigón proyectado y reforzado con fibras plásticas
con respecto al hormigón clásico para el
revestimiento de túneles.
Cabe decir que estas propiedades ya han sido
perfectamente estudiadas y analizadas en diferentes
apartados del proyecto. El temor a la redundancia nos
lleva a simplemente citar, a continuación, aquellas
consideradas como más significativas:
• Incremento de la tenacidad.
• Mayor resistencia ante el fuego
• Aumento de la resistencia al impacto.
174
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
El ejemplo más claro hace referencia al tema de la
trabajabilidad y la necesidad de añadir agua durante
el amasado. Mientras algunos autores defienden que
la trabajabilidad aumenta y no es necesario añadir
agua adicional, otros mantienen que la trabajabilidad
disminuye hasta el punto de poder ser necesario el
uso de más agua y/o de fluidificantes.
Estas incoherencias en la información pueden
convertirse en un freno para el desarrollo del
producto. Por ello sería necesario disponer de una
norma oficial para poder afianzar definitivamente el
producto en el mundo de la construcción.
6. Conclusiones
El objetivo de este documento es realizar una
puesta al día de los nuevos materiales que se utilizan
en el revestimiento de túneles, sus características y
las propiedades que proporcionan a estos
revestimientos.
Recordemos que hemos tratado tanto la técnica
del hormigón proyectado como los hormigones
reforzados con fibras metálicas y sintéticas. A través
del estudio de éstos, se ha alcanzado el tema central
del informe:
El hormigón proyectado con fibras plásticas para
la construcción de túneles.
Llegados a este punto podemos concluir que el
hormigón fibro-reforzado resulta interesante al
presentar mejoras sustanciales en un número
considerable de propiedades respecto al hormigón
convencional.
En el caso concreto de túneles, la posibilidad de
proyectar hormigón con fibras en sustitución del
tradicional mallazo ofrece también múltiples ventajas
que hacen que este último método quede anticuado y
casi obsoleto.
Dentro de los distintos tipos de fibras existentes
hoy en día, las fibras sintéticas aparecen como una
opción más sólida que las metálicas. A lo largo de
este informe se han ido enumerando las distintas
razones que respaldan esta afirmación.
Dado la gran variedad de fibras plásticas
existentes en la actualidad, se ha decidido estudiar las
fibras de polipropileno por ser éstas las más
extendidas actualmente.
Sin embargo, cabe destacar que en estos
momentos ya existen algunas fibras con
características mejores que las de polipropileno como
hemos visto en apartados anteriores (Cf. Apartado
5.5).
Cabe indicar que los estudios sobre este tema son
relativamente recientes y están en constante
evolución. Esto supone que aún es posible mejorar
propiedades, perfeccionar ensayos y sacar más
partido a esta tecnología de nuevos materiales.
Precisamente, consideramos que éste es uno de los
puntos fuertes de las fibras sintéticas: el gran
desarrollo que aún tienen por delante.
En cuanto a las fuentes consultadas, hay que tener
en cuenta dos puntos significativos:
La mayoría de información referente a este tema
procede de catálogos de empresas privadas que a la
postre pretenden vender un producto. Por lo tanto, la
información contenida no siempre ofrece las garantías
pertinentes.
Frecuentemente se encuentran contradicciones
entre estudios realizados por diferentes grupos de
trabajo.
Agradecimientos
Los autores expresan su agradecimiento a Lluis
Agulló, Dr. Ingeniero de Caminos y Catedrático de la
Escuela de Caminos de Barcelona, tanto por la
información facilitada como por su ayuda en la
confección del guión seguido en la elaboración del
presente documento.
Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
175
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Vidrio, Acero y Polipropileno: Hormigón con Fibras
es más Resistente” Revista BIT. Aston University,
Inglaterra. Enero 2004.
D. González y M. Rueda. “Hormigón reforzado con
fibras sintéticas estructurales: comportamiento a
flexión” 1as Jornadas de investigación en
construcción.
B. Witoszek y otros. “Hormigón con fibras de caucho
de recuperación de neumáticos usados y de
polipropileno” VI Congreso Nacional de firmes.
León. Mayo 2004.
M. Barreda, C. Iaiani y J.D. Sota. “Hormigón
reforzado con fibras de polipropileno: tramo
experimental de un pavimento de hormigón.”
Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano
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hormigón proyectado. 1996.
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compared to synthetic fibers”. Miami 2000.
“Incorporación de fibras estructurales al hormigón
proyectado como reemplazo de la malla
electrosoldada convencional.” Degussa Construction
Chemical España, S.A.
L. Cornejo. “Nuevas tendencies en los revestimiento
de túneles” Geoconsult S.A. Septiembre 2005.
B. de la Peña. “Consideraciones básicas del hormigón
proyectado en Túneles” Revista BIT. Septiembre
2005.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 3. CURSO 2003-2004
176
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Reinforced masonry applied to arches and walls
Pedro Miguel Almeida Silva
Universitat Politècnica de Catalunya
Enginyeria de la Construcció
Barcelona,Spain
Email:[email protected]
Abstract: This paper is an abstract of many experimental
works that have been developed in this subject, explaining
the causes and the needs of the reinforcement of masonry
has well has the types of instrumentation used for
diagnostic. This paper deals with masonry arches and
walls strengthened with polymers. Types of reinforcement,
fields of application and techniques of usage of the
polymers tested in many experimental works published in
other articles about this subject. Experiences made in this
field, results obtained and conclusions has well has
monotorization technique applied to different types of
experimental assays.
Traditional reinforcement techniques may
guarantee an adequate increment in strength,
stiffness, and ductility, but are often short-lived and
labour-intensive, and they usually violate aesthetic
requirements or conservation of restoration needs.
The advantages of the fibbers are not so related
to cracking control because cracks will appear in
reinforced masonry, however they cannot open
because reinforcement stitches the crack, the main
propose of fibbers application is due to the
improvement at structural safety and serviceability,
in the attempt of adapting old building to the new
needs and knowledge’s.
Another type of masonry structure are the vaults,
masonry vaults were built using different masonry
technologies in the past. Nowadays these type of
structures are not any more built with masonry but
with reinforced concrete. Nevertheless, masonry
vaults cover wide rooms in many historical
buildings. These structural elements were built using
a material which is considered, in many
bibliographies, as “no tension” material. These
structures need strengthening design due to loading
increment and material damage. Their stability is
evaluated considering collapse mechanism and few
data are available about their elastic behaviour under
dead and live loading. Their technology is known
even less, especially if the masonry has particular
pattern.
Database subject headings: monotorization techniques;
masonry reinforcement, types of reinforcement.
Introduction
All over the word exists a very large number of
buildings, bridges and shells constructed with unreinforced masonry, some of them historical
constructions that are still in service and are land
marks of culture and art. The masonry elements in
these constructions were designed to resist primarily
gravity and wind loads with little to no consideration
of the forces generated by a seismic event, however
modern-day loads are far higher than the ones
initially considered. An earthquake introduces
severe in-plane and out-of-plane forces to unreinforced wall, arches and shells. Typical damage
suffered by these buildings during an earthquake
ranges from minor cracking to catastrophic collapse.
This is the first motivation that leads to masonry
reinforcement however there are other items of
extreme importance especially in buildings, like
cracking control due to serviceability (water
infiltrations, acoustic and thermal isolation). The
cracks in masonry walls are caused by restrains to
thermal and/or hygral shrinkage however it doesn’t
endanger structural safety.
Strengthening masonry poses serious concerns
because the vast majority is of considerable
architectural and historical value.
Method of intervention
Before any attempt of intervention we have first
to own all dates about the historical construction in
study. There are many ways and forms of acquiring
all information however we should follow a
procedure. In many papers is possible to find
procedures, however, same of then are not totally
correct or can’t be applied to all cases. In all cases
we should adopt the better model, if there is not a
“perfect” one, and make adjustments that are able to
provide the best solution.
This is an example of procedure that in my
opinion can lead to correct diagnostic and
intervention.
177
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
obtain important values for numerical analysis and
resistance characterization. The most important
results are those that depend of the destructives
assays of samples that allow a good property
characterization of each and every kind of material
existing in the building. To acquire this type of
information the building should be studied in order
to now the origin, date of construction, type of
construction, use gave to the structure, intervention,
materials, problems summarising the all structure
should be studied to many different aspect that can
and will influence the results obtained.
Historic investigation
Laboratorial test
Date acquisition
Structural design study
Monitorization
Structural behavior
Structural behavior
Actions
Materials characterization
Un-destructive methods
Revision
Diagnostic and safety
Intervention measure
There are many mechanic techniques that can
and should be applied to a good characterization on
the structure in study:
Historic and quantitative analyses
Qualitative and experimental analyses
ƒ Detection of hidden structural
elements
ƒ Mechanic damage evaluation
ƒ Humidity factor evaluation
ƒ Superficial degradation evaluation
ƒ Physic properties evaluation
ƒ Holes and empty spaces evaluation
ƒ Material characterization
Masonry
Iron and steel
Wood
Armed concrete
Glass
This characterization can only be done with the
help of many types of assays and using many types
of machinery, the most important devices and
techniques are:
Before advancing each steep we should start the
procedure in order to verify the veracity off each
date and solution founded. In each intervention we
must try to permit that each and every type off
intervention can be removed without leaving mark’s
in the structure in case that better solutions are found
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Evaluation of masonry resistance
In order to achieve a good rehabilitation first we
need to now the conditions of the masonry at the
historic construction, know its problems to apply the
best technique in the reinforcement. Making a
correct structural diagnostic might require the use of
experimental tests on the structure at study that can
allow the quantification of physics characterization,
mechanic and structural behaviour.
The experimental techniques on structures are
qualified as destructives, non destructives and
slightly destructives. For obvious reasons of
patrimonial preservation the usage of destructive
experiences will not be allowed in valuable
constructions, however can be adopted in other
constructions of the same époque that don’t have
historical interest and are condemned to demolition.
Thermographie and infrareds
Sonic assays
Sonic tomography
Radar assays
Dynamic assays
Mechanic impulse
Eco-impact
Boroscopie
Topography and fotogrametrie
Slightly destructive methods
This type of assays allows the characterization of
the behaviour of some constitutive materials of the
structure, and support more quantitative aspects, that
introduce small perturbations on the structure.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Destructive methods
As said before these methods can be applied only
at invaluable constructions. In this case many
techniques can be applied to the structure in order to
178
Samples pull out
Dilatometer
Double flat jack
Flat-Jack
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Structural monotorization characteristics
techniques
The monotorization consist in the registry of
some parameters of the behaviour of the structure,
the most important are:
ƒ Deformation
ƒ Joints movement
and
crack
opening
ƒ Levelling
ƒ Verticality
ƒ Temperature variation
ƒ Tensions
ƒ Foundation nesting
ƒ Freatic level variation
Figure 1: impulse lines (a) (b) and collapse mechanism
(c) (d) en non reinforcement arches with load applied at ½
and ¼ of span [Modena & Valluzzi, 1999]
Failure by crashing is unlikely in masonry arch,
since the ultimate normal action provide any the
cross section can balance even every severe external
loads, i.e., the crushing load greatly exceeds the
hinge mode loads (mechanism loads). There are a
few exceptions, e.g,, an extremely flat arch with tierods at the springing, made of poor-quality masonry
and loaded symmetrically (in this case, geometrical
nonlinearities have to be taken into account too).
Failure by sliding between components could
only occur in unrealistic thick arches, but does not
happen in real life. In fact, sliding is caused by the
excessive inclination of the line of thrust with
respect to the cross section. In this case, however,
the line of thrust is unable to define within the
masonry’s thickness and each intersection of the line
of thrust with the boundary corresponds to a pin.
This means that the sliding load drastically exceeds
the hinged mode loads.
So the masonry arch can fail primarily due to a
mechanism, consisting of a set of portions of arch
joined by pins. Kinematically, a pin behaves like a
hinge. Two fundamental differences exist, however,
between a pin and a beam-hinge, such as the one
used in steel and concrete members, namely: (1)
position, and (2) rotation. The pin’s position on the
boundary of the structure, i.e., either at the extrads or
intrads of the arch, whereas the position of a beamhinge is along the axis of the member of a pin is
unilateral, i.e., only the relative opening of the two
pin section is possible, whereas both rotations are
possible in a beam-hinge.
Consequently, the
compatibility conditions depend on whether the
hinge is on the extrados or intrados. A further
difference exists between a pin and a plastic hinge,
that is, contrary to the latter; the former does not
display and plasticity.
To obtain this information its required to observe
the structure and use some of the following
techniques
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Plaster certification
Charge cellule
Mechanic along
Sonic and ultra-sonic extensometer
Vibrant rope fissurometer
Inclinometer
Vibration measuring
Automatic teodolito
Thermometer and termopar
Forced vibration
Deflect meter
Preliminary dynamic assay
Failure Modes of Masonry Arch
The classic collapse mechanism of an arch
require the formation of four plastic rotulas, of
different sign two by two, associated a different sign
moments.
179
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Test
elements
No. of
coupons
Mean
thickness (mm)
Mean
strength (MPa)
Maximum strain
(x10-6)
Mean Er
E xt
r
(kN/mm)
(MPA)
Glass sheet
2
1.805
106a
6.264a
17,770
32.1
Carbon strap
4
1.268
2,749
14,842
185,181
238.1
Carbon
sheet-one layer
4
0.729
581
13,020
47,475
34.5
Carbon
sheet-two layers
2
1.510
473
11,140
43,850
66.2
a
both coupons failed near grips. Manufacturer’s data
classify that the glass sheet has ultimate strength of 1,500
MPa and 2, 1% tensile strain
Table I Summary of tension Test Results on FRP
Coupons
Experiences made with masonry walls
There are many experiences made with masonry
walls, however in this paper only one experiences
will be mentioned.
The experimental work mentioned consists of an
experimental work of 10 masonry walls with
externally applied fiber-reinforcement polymers and
subjected to primarily monotonically increasing
lateral out-of-plane loads. The walls were
constructed in two series. All walls were 4m high
and 1.2m wide. The wall in the first series were
constructed using metric dimension masonry blocks
while the second series wall were constructed using
imperial dimensional block. All walls were tested in
an upright position; two out-of-plane concentrated
loads were applied at two lines, 1.2m from each
point of reaction. The parameters investigated were
the type (carbon strap, carbon sheet, and glass
sheet); amount; and layout of fiber reinforcement,
axial load effects, and cyclic behaviour.
A full ancillary test series was performed.
Masonry units from series 1 and 2 showed a mean
compressive strength of 19.9 and 15.9 MPa,
respectively, while the prism tests on specimens
from both series showed f’m values of 7.3 and 13.4
MPa, respectively. FRP coupon were prepared in
accordance with ASTM D 3039M (ASTM 1995).
The following table summarizes the FRP
reinforcement tension coupon tests. It is evident that
there is a wide variety of strength as well as stiffness
associated with the different fibers. The carbon strap
has the highest strength and stiffness results but is
also the most expensive.
Masonry Vaults
Vaults appear with the need to cover long open
spaces like roman courtyard and other structures, to
achieve these objectives vaults were created. There
are some materials used in the construction of vaults,
especially brick masonry, stone masonry and
herring-bone.
Herring-bone is a paving technique with long
narrow bricks laid herring-bone pattern and it was
often used for open spaces, terraces and courtyard.
With this technique were built barrel and cross
vaults. To build this kind of vault the room that has
this cover has to be divided in four along the
generator line, at keystone, and along the middle
profile line. The barrel vault is supported by lateral
walls (parallel to generator line) and on spandrel
wall (parallel to profile line, called tympanum). The
construction of the vault starts from the corners
simultaneously. Each brick layer lies on the previous
one through mortar joint. The arch ring is built by
brick layer overlapping. The brick layers are curved
and the first ones are based on sprandel wall and
lateral wall, whereas the last ones are based in
neighbouring brick layers of the other quadrant. The
herring-bone vaults should be self-bearing
structures, the direction increases continually from
the base to the dome’s closing stone ring. Each
successive ring of bricks tightens the structure,
keeping it continuously in equilibrium. These
structures often have cracks and structural problems
due to the loads nowadays and to the masonry
preservation, there are not enough studies to define a
proper solution however the solutions found for
masonry wall and arches could, in same cases, fit in
this type of construction.
180
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Specimen
Number
of strips
Width
of strips
Layout
pattern
MU1
N/A
N/A
N/A
MCS2-1
2
50
A
MCS3-2
2
50
A
MCST4
2
250
B
MGST5
2
250
B
MCS6
4
50
MCST74
2
ICST8
Notes
Midspan
deflection
(mm)
Failure
mode
0.7
Retest
of MU1
12
14
Retest
of MCS21
-
21.8
31
Mortar
slip
28.9
58
N/A
-
36
70
Flexureshear
Fifth
course
C
-
46.4
42
Flexureshear
Sixth
course
250
B
Cyclic
retest
32.7
78
Flexureshear
Sixth
course
2
250
B
50.2
63
Flexureshear
Seventh
course
ICST9
2
250
B
Two
layers of
strip
10 kN
axial load
33
71
N/A
N/A
ICST10
2
125
D
20.9
82
2
250
B
ICST12
10
125
E
ICST913
2
250
B
37º
angle
30 kN
axial load
Table II-wall specimen description, failure loads,
modes and maximum deflection.
41.7
91
22.7
62
37.7
88
Mortar
separation
N/A
Location
of failure
(from base
of wall)
13th
joint
N/A
1
ICST11
-
Maximum
load (kN)
Rupture
of fibers
Flexureshear
Rupture
of fibers
Flexureshear
First
joint
N/A
11th and
12 joints
Seventh
course
12th
joint
Sixth
course
th
allowed to cure for at least 28 days before fiber
reinforcement was applied.
FRP was then applied using standard
methodology similar to those employed for
application of FRP concrete structures and the epoxy
recommended by the suppliers of each type of
material. Because metric block were used in the
construction of the specimens in series 1 the
designation (M) is used to identify the test.
Similarly, (I), for imperial, is used to identify the
specimens in the series 2. each test is designated by
the series, (M) or (I), followed by the type of fiber
reinforcement used-(CS) for carbon strap, (CST) for
carbon sheet, and (GST) for glass sheet- followed by
the test number. An additional number preceded by
an hyphen indicates the specimen is being used
again for the current test. For example, MCST7-4
indicates series 1 (metric block), carbon sheet, test 7,
and it is using the same specimen from the test 4.
Table 2 shows the designation of 13 tests conducted.
The glass sheet has the lowest strength and
stiffness and is the cheapest. The carbon sheet
appeared to be moderately priced and also moderate
properties. Therefore, eight tests conducted on wall
in this experimental program employed carbon
sheets, one test employed glass sheet, and four tests
employed carbon straps (plate)after the reinforced
materials are described the experimental assays can
start, in this experience were tested the type of
reinforcement and the patterns and placement of
FRP on specimens. The nominal dimensions of each
specimen were 4m high X 1, 2 m wide X 0, 19 m
thick.
The walls were built on 1,200 X 200 X 50 mm
metal base plates. Each specimen was 20 courses
high with No.9 gauge joint reinforcement every
third course. Courses refer to the horizontal block
level from the base of the wall. The walls were laid
in running bond using factory mix Type S mortar.
None of the cores were grouted and the joints were
finished flush with the outside of the block. Series 1
consisted in four wall built with standard 200mm
block. Series 2 consisted of six walls built with
standard 203.2 mm block. This changed the actual
dimensions of the specimen in series 2 to 4.05 m
high X 1.205 m wide X0.193 m. All specimens were
Fiber reinforcement strategy-series 1 involved
seven tests on the four walls and focused on varying
the type of fiber reinforcement. One wall was first
tested without fiber reinforcement, MU1, then again
as a partially cracked wall reinforcement with
carbon straps, MCS2-1, and finally as a fully
cracked wall, MCS3-2. One was reinforced on one
side with carbon sheet and tested until fully cracked,
181
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
MCST4, then additional carbon sheet fiber
reinforcement was place on the opposite side and the
wall was tested again in a cyclic manner, MCST7-4.
one test in the series involved a wall reinforcement
with four carbon straps, MCS-6, and another was
reinforced with two glass sheets, MGST5. Series 2
involved six tests on the six walls and focused on
varying the layout and amount of carbon fiber sheet.
The fiber reinforcement was primarily oriented in
the vertical direction to optimize the strength of the
fiber. However, one specimen, ICST12, was tested
with the fiber reinforcement strips oriented
diagonally. The purpose of this test was to determine
the out-of-plane resistance of wall reinforcement
primarily for in-plane loads. Axial load effects were
also investigated in this series ICST9 and ICST13.
all the FRP reinforcement was terminated before the
reaction point, just overlapping the mortar joint. This
assay gives a good example from the values of the
reinforcement.
injection on small cracks, with low pressure (0, 15 to
0,20 Mpa). Beside of that they present a good
chemic resistance, in particular to alkalis, and little
shrinkage. Has disadvantages have a conditional
temperature hardening, a durability not enough
tested, has for a low resistance to fire. For
compatibility reasons with the original material is
used has to be limited to particular cases (raised
resistances and/or very tinny cracks). The Italian
regulation advise the use of resins, normally epoxy,
just if they are economic advantage , relatively to
other solutions, however there are no coments or
evaluation on the above problems. The adherence of
the polymers legation elements requires dry
supports. the frequent presence of humidity on
historic wall limits it usage.
Some of the grouting characteristic might be
improved with the use of special addictives. The
need to fulfil the bigger size holes might justify the
mixture with sand, using injection concrete and
mortar.
The use of plastic materials, or water containers,
has influence not only in the fluidity has with the
plaster, with secondary effects:
(i)
The use of expansive agents reduces
the retraction and those effects.
(ii) The tensioactives adjuvants improve
the fluidity of the moisture with
improvements in the penetration.
Reinforcement techniques and materials
Injection- injection is a passive and irreversible
solution. This technique as a great advantage
however, maintains the visual aspect of masonry
preserving the arquitectural value of the historic
construction. This technique is used especially in
stone masonry due to the empty spaces existents
between stones.
This technique consist in the emission of a fluid
grouting (organic/synthetic and inorganic) in the
holes existents or previously opened in order to fulfil
the cracks or empty spaces. The aggregates of the
grouting depends of the crack or empty spaces. En
general is used grouting with water legation and
without sand. The use of injection improves the
masonry behaviour, mechanical characteristics with
produces better structural-mechanic behaviour.
The cements have frequently used, in the past, in
the injection of wall, with prejudice results to the
conservation due to incompatibilities with the
existents mortar. According with the experience, the
use of cements should the limited to cases that
confirms, with base on chemist analysis, absence of
plaster and low portions of alkalis and/or wends its
pretended to obtain high resistances on a short
period of time. The use of pozalanic mortar, with
low or none percentage of Portland cement, is being
used, lately for presenting bigger compatibility with
the original material properties. In cement base
grouting, the influence of the relation water/linking
on the mechanic characteristics of the mixture, have
been the object of some investigation.
The raised rigidity and resistance of the organic
resins doesn’t justify the usage in mortars, it ties for
the unbalance that introduces in the structural
behaviour. They are, however, adequate for sealing
cracks on stone and concrete. The none granular
structure becomes extremely
fluid and with
reduced contact angle, with the advantage of
Principal requirements of grouting:
1. Reologic
ƒ Fluidity and penetration
capacity( characterised by a good
fluidity during time enough,
homogeneity ,
ƒ Segregation abstinence(to
avoid heterogeneity)
ƒ Minima exsudação, to
reduce the hole presence on the
endureced product
2. Chemic
ƒ Chemic
characteristic
stable in time (capacity to form
strong chemic connexions, by
means of irreversible reactions
with the existent material).
ƒ Sulphate resistance (to avoid
the formation of expansive
products).
ƒ Low alkalis composition (to
favour
the
alkalis-aggregates
reaction).
182
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
The injection by gravity is used in masonry
strongly degraded and its realised by grouting
emission by pipes of adduction, inserted in the
cracks or in wall cavities, using hypodermic needles
acting in predispose wall pipes.
The injection by vacuum is indicated to
intervention in small arquitectonic elements, or in
elements that can be removed, with requisites of
fluid grouting, for instance with organic resins. In
this process, the grouting is done by aspiration on
the superior pipes, meanwhile proceeds to the
grouting in the inferior pipes.
3. Physics
ƒ
Plaster
and
hardening
(warranty of execution of the
injection on the adequate time).
ƒ Hygroscopic properties (water
insolubility, volumetric stability in
the presence of humidity and
adequate
characteristic
conservation of the support).
ƒ Low shrinkage
4. Mechanic
Experimental results obtained from injection
testing
ƒ
Resistance characteristic and,
essentially, similar original mortar
rigidity
In comparation with other techniques, the
injection is the one that shows better efficiency in
the reinforcement of stone masonry, detaching the
main gains:
ƒ Better connection between walls:
the separation between walls gives on a
level of tension 4 to 10 times superior to
the not reinforced situation.
ƒ Compression resistance increase,
superior to 50% (with small differences in
the elasticity modulus, to service
conditions of the structure).
ƒ Better confinement: significative
reduction (about 30%) of the transversal
dilation under load.
In antique buildings, the no-cement inorganic
grouting, like hydraulic whitewash, should be
preferable due to compatibility with the existent
mortar. The adjuvant use, plasticizers and water
retainers, in grouting, with whitewash base,
influence the compression resistance, with increases
about 70%, however this increment is not visible in
the masonry reinforcement compression results.
However, some investigators conclude that the
injection with cement grouting traduces, to ceramic
masonry, in small increment in the cut resistance,
and with increases of 100 to 300% of that resistance
in stone masonry.
Relatively to the organic mortar use, some
investigators conclude that the cut resistance of the
test tubes injected with polyester/sand mortar is
identical to the mortar with epoxy/sand. They
recommend the use of polyester because those are
cheaper that the epoxy resins.
5. Thermal
ƒ
Low hidratation heating to
avoid the development of thermal
differences that might prejudice
the support adherence.
Before using injections as a type of
reinforcement first is required some experimental
recherché in order to verify the adquability of the
injection and therefore the type of injection to use.
Figure 2: example of injection
Techniques to apply injection
The injection under pressure is used in
masonry that is able to resist the pressure caused by
the technique. The grouting is injected true pipes of
adduction proceeding, by regulation, from the
bottom to the top and from the ends to the middle, to
avoid unbalance that may affect the structural
stability. The current parameters that the project
should establish are the number and the distribution
of the hole, and the composition of the grouting and
pression to adopt in the injection.
Carbon Fibber Reinforced Polymer (CFRP)-The
application of external reinforcement with carbon
fibber reinforced polymer (CFRP) to increase
structural resistance of masonry structures has been
researched in the past decades
183
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
Figure 4: FRP straps reinforcement putted vertically
Figure 3: application of laminated fiber carbon
reinforcement
How to apply this technique:
The normal process of application of the
reinforcement, with composite materials FRP,
comprehends the following steps:
ƒ Surface cleaning
ƒ Seal and fulfil of the porosity,
with concrete pasta or an epoxy resin
(primary), to assure that the surface keeps
regular and to promote adhesion.
ƒ After the primary is dry, its putted
all over the surface and epoxy glue and the
FRP fibbers are placed en contact.
In case of an “in situ” placement, to guarantee a
good impregnation of the reinforcement material,
one cover layer of epoxy glue is applied, now
applied to all surface.
The application of FRP reinforcement material to
cintagem on masonry elements requires the
following additional operations.
ƒ Mortar removal (in the case that de
masonry has grout).
ƒ Round off edges (radio of
curvature 3 cm approximately), to avoid
tension concentration and, therefore, a
premature crack of the manta!
ƒ Superficial cleaning of the
masonry using, for instance, a sand spurt.
ƒ Application of products of
adherence in conformity with the product
specifications.
ƒ Collocation and impregnation of
mantas or straps of FRP materials
Figure 5: FRP reinforcement straps putted diagonally
Figure 6: FRP reinforcement straps putted in cross
with two layers
Normally this solution should be complemented
with nailing or plaster, to conferee better adherence
between the materials that constituted the wall.
Experimental results obtained from Carbon
Fibber Reinforced Polymer testing
With the majority of the experimental results
referring to application on concrete structures, the
experience in masonry is limited, because its
impossible to validate a priori, the use of the same
techniques used in concrete to reinforce masonry.
Besides, another problem in the use of this technique
to stone masonry is the adherence has well has the
treatment to promote in the surfaces.
There is also little knowledge about the
behaviour of ductility and adherence of these
materials under cyclic actions.
With the use of FRP composite materials, en
reinforcement, the last resistance can be incremented
between 10 and 65%, depending of the type of
Another important fact in the application of FRP
reinforcement is the way in reinforcement in putted
in the masonry wall. There are many way of
application of the fibers, and many more if
combined techniques are used however the more
common are the following.
184
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
composite and of the application conditions,
registering that the friction, is from the fragile type
and controlled by the taking off of the FRP
composites in relation to the support. With this type
of friction there is no place to redistribution of
efforts and the collapse is instantaneous. For this
reason the collapse of the FRP reinforced masonries
depends of the local concentration of tensions and of
the adherence conditions to the support.
Preliminary laboratory testing concludes that the
application of reinforcements in the both sides of the
masonry leads to a best behaviour of the reinforced
masonry and that the anchorage quality is one key
aspect in the intervention success.
Experimental testing has demonstrated that the
use of FRP braces in pillars besides of the improving
the ductility, improves the compression resistance in
150%, in the case of the braces applied isolate, and
260% in the case of braces with transversal nailing.
the distribution gave to the anchorage. It’s a easy
and effective solution in the control of transversal
dilatation in wall and is frequently combined with
other intervention techniques.
However the application of this solution on
irregular stone masonry denotes some problems due
to the installation and anchorage of the bars, related
to the frequently lack of joints correspondence in the
other side of the wall. This type of confinement
seems like more efficient that the injections.
Seam nailing- this method is used to improve
the connection between orthogonal walls. Normally,
are constituted by short lifters, in resistant steel, with
anti-corrosion treatment.
The recent systems of short nailing are
constituted by inox steel lifters, inserted in cotton
weaves sleeves that contain mortar, facilitating the
holes irregularities adaptation and, avoiding,
especially in high thickness wall, grouting escapes
with it consequences.
Long nailing- used in the reinforcement of
parallel walls, reducing the possibility of horizontal
movement.
Nailing
This is another solution, frequently combined
with other techniques. By nailing we understand the
use of a mechanical solution to reinforce or to
promote the connection between elements that
pretend to be collaborating.
This technique
consisted in the collocation of metallic bars, with
anti-corrosion protection, in small diameter holes,
previously opened, that cross the elements to
reinforce. After the positioning of the reinforcement,
the holes were sealed with appropriated grouting.
The anchorage of the nailing can be made by chemic
way, by mechanic way or with a solution that
combines the two techniques.
There are some types of nailing, each one it one
proper use:
Generalized nailing- can allow wall to have
more less the same behaviour that concrete, able to
resist traction and cut efforts, and an increase of the
compression strength. This technique can only be
used in elements that the thickness is between 0,50
and 2,0 m. Wall with less than 0,50m are extremely
difficult to repair because of the damage caused by
perforation. Wall with more that 2,0 meters of
thickness, rarely, need this kind of intervention. In
weak masonry is convenient one anticipatedly
injection and joint treatment before starting the
perforation. It is advised some prudence in the use of
this technique, due to the cost of this technique
associated with FRP or grouting and because of the
damage caused in the structure, this solution is
irreversible.
Transversal nailing- is a solution only used to
the transversal confinement of wall with compost
section. To this effect are distributed and installed
steel bars, with anti-corrosion treatment, transversely
to the wall, with anchorage devices in the
extremities to facility the knotting. In case of
threaded bars its possible to give pré-strength. The
efficiency of the transversal confinement depends of
Braces
The
use
of
braces
is
one
rehabilitation/reinforcement, or complementary,
alternative to nailing, especially in the improvement
of the connexion pavement-wall. Its normal to use
braces of FRP materials or metallic bans in the
exterior of the building, however this solution has
many inconvenient due to the cross of pipes and
other structural systems.
Joint fulfil
It’s a technique turn to the reestablishment of the
integrity of cracks and/or to the improvement of it
protection. This technique produces results also in
the increment of mechanic resistance. This solution
praises the joint mortar substitution and partial
removal into a deep of 5 to 7 cm depending of the
existent mortar; joints wash, with water under low
pression, and finally, joints reposition. If the
intervention is programmed of both sides of the wall
the maximum deep of the mortar extraction cannot
exceed 1/3 of the total thickness. In this case, for
that the wall stability is not questionable, the mortar
removal in the other side can be made only after the
first side is finished.
Element substitution
The possibility for elements substitution, or part
of them, in old masonry, constitutes an advantage in
the main tenement. The substitution is made, with
carefully actions of dismount and reconstruction,
using the original materials, or new, and hardly any
retraction mortar, for example whitewash mortar and
185
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 5. CURSO 2005-2006
2.
João C. A. Roque and Paulo B.
Lourenço. “Técnicas de intervenção Estrutural
em paredes antigas de alvenaria”
3.
Jocelyn Paquette and Michel Bruneau.
“Pseudo-dynamic testing of unreinforced
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comparision with existing procedures”
4.
Paulo B. Lourenço and J.P.Poças
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5.
Paulo B. Lourenço. “Guidelines for the
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6.
J.Mendes da Silva. “Alvenarias não
estruturais patologias e estratégias de
reabilitação”
7.
H.Varum, Aníbal Costa and Artur
Pinto. “Uma metodologia simplificada para a
avaliaçao
de
edifícios
existentes
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8.
James S. Davidson, Jeff W. Fisher et
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Concrete- masonry wall subjected to blast”
9.
Daniel V. Oliveira and Paulo B.
Lourenço. “Repair of Stone Masonry arch
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10. Michael L. Albert, Alaa E. Elwi and
J.J.Roger Cheng. “Strengthening of unreinforced
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11. Tong Li, P. F., Nanni, A., and Myers,
J. J. (2001). “Retrofit of un-reinforced infill
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internacional Conference Porto (Portugal), J
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12. Hamid, A. A., Mahmoud, A. D. S., and
El Magd, S. A. (1994). “Strengthening and
repair of un-reinforced masonry structures: state
of art” Proc.10th International brick and block
masonry conference. Elsevier Applied Science,
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13. Modena, C. (1994) “Repair and
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14. C. Melbourne, J.Wang “The 3dimensional behaviour of masonry arches”
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15. João C. Almendra Roque and Paulo B.
Lourenço “Técnicas de intervenção Estrutural
em Paredes Antigas de Alvenaria”.
16. Gerardo
Araiza
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fábrica. Estudio Experimental de la respuesta
ante tensiones de Corte” tesis doctoral.
17. Meli, R., “Ingeniería Estructural de los
Edificios Históricos”. Fundación ICA, México,
1998.
sand. It’s a laborious work, however very effective
to correct mechanic capacity of masonry as well as
cracks, localized degradation or/and to improve
masonry constructive quality.
The dismount operation requires a previously
propping, that support, temporarily, the zone above
of the reconstructive element until the element is
able enter in strength. This work should be done in
small steps and leaving undeformed shape to permit
an easy connexion to the existing masonry.
Conclusions
The first steps for a good rehabilitation is a good
methodology.
A good methodology should allow some
flexibility between each field of the intervention. In
historical construction a multidisciplinary group
should be formed in order to get the perception of
each and every point of view of each person
belonging to that group. The advantage of a
multidisciplinary group is to obtain different
knowledge’s about the structure, historical,
arquitectural, etc.
After all dates are collected the intervention
should be well thought, starting for to define the
objectives in order to establish the route.
Overall results show that the strength and
ductility of masonry elements is increased
significantly when strengthened with injection and
FRP. The fiber reinforcement is easy to handle and
apply however normally more expensive. The use of
FRP for strengthening un-reinforced masonry wall
and arches appears to be a promising alternative to
conventional rehabilitation methods. This technique
should be accomplished with nailing to confer better
properties to the structure. However each case is one
case so therefore an exact study must be done in
every case in order to find the best solution in all
fields, engineering, economics, etc. In all cases the
structure must be protected and any work done in an
historic building must be done according to the
building properties and should not leave any trace in
the structure in case of taking the solution out.
Sometimes the best solution applies two or three
types of techniques so before starting any kind of
rehabilitation all the works must be identified and
planed.
References
1.
Paolo Foraboschi-Strengthening of
masonry arches with Fiber-Reinforced Polymer
Strips”-journal of composites for construction
186
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
HORMIGÓN ANTIMICROBIANO
José María Vaquero Martínez
Universidad Politécnica de Cataluña / I.T.S. Agrónomo
Departamento Ingeniería de la Construcción / ETSICCPB
Rambla Marina, 260 / L’Hospitalet de Llobregat / 699.96.38.17 / [email protected]
Resumen: Con el fin de mejorar las condiciones higiénicas
de las instalaciones agrícolas construidas con hormigón, se
están desarrollando nuevos hormigones con propiedades
antibacterianas y antifúngicas, en base a la adición en el
hormigón de fibras especialmente tratadas con una
combinación de agentes biocidas y fungicidas o mediante
la incorporación de productos químicos con las mismas
prestaciones a la masa de hormigón. El hormigón tratado
inhibe el crecimiento de colonias de bacterias y hongos,
mostrando actividad sobre el espectro gram + y gram -, así
como hongos, ofreciendo unas mejores condiciones
higiénicas y de conservación tanto para las propias
estructuras de hormigón en si como para el material
almacenado, bien sea bienes agrícolas como ganaderos. El
efecto antibacteriano y antifúngico de este nuevo hormigón
es resistente a la acción de la intemperie así como a la
acción de lixiviados. Su efecto es durable en el tiempo
(comprobado mediante ensayos de envejecimiento
acelerado) y se trata de un producto sin riesgos de
manipulación, ni una vez aplicado ni durante su puesta en
obra. Este hormigón con propiedades antibacterianas y
antifúngicas posee las mismas propiedades resistentes y de
durabilidad que el hormigón convencional, incluso
presentando menor fisuración a causa del uso de fibras de
polipropileno.
Si la finalidad es mejorar estas condiciones
básicas, no queda otra alternativa que actuar en el
interior del hormigón, aplicando algún tipo de
tratamiento que aporte propiedades antibacterianas y
antifúngicas
al
hormigón.
Sin
embargo,
evidentemente este tratamiento no puede ser
simplemente superficial (aplicando pinturas o
revestimientos, por ejemplo), pues el problema en el
centro de la estructura persistiría. Es necesario,
mediante la adición de un tratamiento específico,
aportar este comportamiento antibacteriano y
antifúngico en el propio hormigón, en toda su masa,
tanto superficialmente como el su interior.
Mediante la adición en el hormigón fresco de
fibras de polipropileno que contienen una
combinación de agentes biocidas y fungicidas se
obtiene este comportamiento específico, que inhibe el
crecimiento de las colonias de microorganismos en el
interior del hormigón.
2. Antecedentes
Palabras clave: antibacteriano, antifúngico, hormigón,
higiene.
Los antecedentes de este proyecto son diversos,
se sabe que el hormigón convencional tiene una
porosidad y una textura rugosa que permite que los
microorganismos se depositen, penetren y se
desarrollen en la superficie y en masa contribuyendo
así al crecimiento y reproducción de colonia de
microorganismos mayores. De esta manera se
produce una degradación importante del material al
establecer y mantener grandes colonias de bacterias
sobre y dentro del hormigón.
Después de observar que los microorganismos de
tipo patógeno producen una serie de infecciones y
enfermedades tanto a seres humanos, como animales
(desde infecciones leves, hasta letales: salmonelosis,
cólera, meningitis…) daños a industria alimenticia,
ganadera, avícola, hospitales…, y que existen agentes
químicos desinfectantes que ayudan a eliminar el
crecimiento de éstos pero que son perjudiciales para
los seres vivos y que en muchos casos no sirven ya
que sólo se puede acceder a nivel superficial pero que
penetran en la matriz del hormigón; se llega a la
1. Introducción
Las instalaciones agrícolas y ganaderas
construidas con hormigón son susceptibles de
albergar colonias de microorganismos que pueden
extenderse en el interior del hormigón endurecido. Se
ha comprobado experimentalmente que el hormigón
endurecido no es un medio hostil para la
proliferación de microorganismos que pueden ser
responsables de malos olores, alteración estética de la
superficie
de
hormigón
(crecimiento
de
microorganismos en superficies), transmisión de
posibles patologías y en general, responsables de
unas pobres condiciones higiénicas.
Si bien las operaciones de lavado y
mantenimiento pueden controlar el crecimiento de
estas colonias, es cierto que en una estructura de
hormigón de unos 20 cm. resulta difícil el acceso del
producto de limpieza en el interior de la misma,
siendo esta una zona óptima para el desarrollo de
microorganismos.
187
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
conclusión que hay una necesidad de obtener un
sistema que inhiba el desarrollo de microorganismos
y que pudiera ser utilizado en hormigones y
morteros.
La única obra realizada hasta el momento, sin
tener en cuenta las pruebas en construcciones reales,
con este tipo de hormigón fue en 1998 en Méjico (en
el estado de Yucatán), donde se construyeron
viviendas para personas de bajos recursos. Con la
utilización de este hormigón se buscó evitar
problemas dermatológicos de los habitantes de las
mismas. Hay que remarcar que el producto que se
diseño para esta aplicación no cubría el espectro de
microorganismos que se pretende abarcar con los
productos estudiados en este proyecto.
3.1. Diseño del agente activo
La primera fase del proyecto consiste en la
selección de la mejor combinación de agentes
biocidas y fungicidas que deben ser fijados en el
soporte de polipropileno en forma de fibras de 12
mm. de longitud. Asimismo, se ensayan diferentes
alternativas hasta definir los agentes activos
adecuados y su dosis letal mínima. Por razones de
patente no se puede especificar la naturaleza química
ni la concentración de los productos evaluados
(M1….M9).
Para la selección del principio activo más
adecuado se trabaja con los agentes biocidas y
fungicidas puros, sin ser aun fijados en la fibra de
polipropileno (PP), empleando para la preparación de
las muestras de ensayo cemento, áridos lavados de
tamaño máximo 12 mm (de acuerdo con el espesor
de la placa de ensayo) y agua de procedencia local.
La relación A/C de este hormigón es de 0,65, con la
finalidad de acentuar la porosidad de la masa y
haciendo el ensayo más restrictivo.
Se confeccionan probetas prismáticas de 4x4x16
que son cortadas a espesores de 1 cm. Se aplica para
la evaluación de la actividad antibacteriana y
antifúngica el método ISO/CD 16869, sometiendo las
muestras a una lixiviación de 2 días de duración.
El método de ensayo consiste en situar las placas
de hormigón de 1 cm de espesor en una capa de agar
nutritivo y cubrirlas con una segunda capa del agar
donde se habrán inoculado, por separado, las tres
especies de estudio. El cultivo de agar con las
muestras será incubado por un periodo mínimo de 48
horas a 30 ºC en el caso de las bacterias y de 5 – 7
días a 25 ºC en el caso de los hongos.
Las especies estudiadas son las siguientes:
3. Materiales y métodos
Para la preparación de un hormigón con
propiedades
antibacterianas
y
antifúngicas
simplemente se requiere de la adición de las
mencionadas fibras a la proporción de 1 kg/m3 en el
hormigón fresco. La distribución de las unidades
individuales de fibra implica la creación de una red
entrecruzada de material que contiene en su interior
los agentes activos responsables de la actividad
deseada.
Mediante un equilibrio de solubilidades de los
componentes activos no se producen pérdidas de
biocida en la fase acuosa del hormigón, ni por la
acción de lixiviados, permaneciendo este efecto
durante el tiempo de servicio de la estructura del
hormigón.
El diseño de la fibra, del hormigón tipo y su
posterior evaluación se desarrolló en las siguientes
fases:
• Fase 1: Diseño de la fibra
• Fase 2: Diseño del hormigón con
propiedades antimicrobianas.
• Fase 3: Evaluación de la durabiliad y
persistencia del efecto
• Fase 4: Evaluación de la influencia del
tratamiento
sobre
las
propiedades
fundamentales del hormigón.
-
Bacterias:
Escherichia
Staphiloccocus Aureus
Hongos: Aspergillus Níger
Coli
Estos son los resultados obtenidos, en base a la
realización de dos duplicados:
188
y
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
Escherichia Coli
Evaluación de la eficacia bactericia
Tipo de
muestra
Réplica 1
Réplica 2
Zona de inhibición
(mm)
Contaminación en
superficie
Zona de inhibición
(mm)
Contaminación en
superficie
Fibra, 900 gr/m3
0
Si
0
Si
M1
0
Si
0
Si
M2
0
Si
0
Si
M3
0
Si
0
Si
M4
50
No
50
No
M5
50
No
60
No
M6
3
No
2
No
M7
20
No
26
No
M8
10
No
11
No
7
No
10
No
M9
Tabla 1: Resultados de la eficacia bactericida con Escherichia Coli
Las siguientes figuras muestran la capacidad bacteriostática de cada una de las referenciadas en la tabla 1:
Figura 1:Fibra 900 gr/m3
Figura 5: M4
Figura 2: M1
Figura 3: M2
Figura 6: M5
Figura 7: M6
Figura 9: M8
Figura 10: M9
189
Figura 4: M3
Figura 8: M7
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
Staphiloccocus Aureus
Evaluación de la eficacia bactericia
Tipo de
muestra
Réplica 1
Réplica 2
Zona de inhibición
(mm)
Contaminación en
superficie
Zona de inhibición
(mm)
Contaminación en
superficie
Fibra, 900 gr/m3
20 *
No *
20 *
No *
M10
12 *
No *
10 *
No *
M11
22 *
No *
23 *
No *
M12
22 *
No *
22 *
No *
M13
60
No
60
No
M14
60
No
60
No
M15
20 *
No
22 *
No
M16
27
No
27
No
M17
23
No
25
No
M18
14
No
20
No
(*) – Se observa cierto crecimiento bacteriano dentro de la propia zona de inhibición. En algunos casos incluso
llegando a contaminar la superficie de la muestra.
Tabla 2: Resultados de la eficacia bactericida con Staphilococcus Aureus
Figura 11:Fibra 900 gr/m3
Figura 15: M13
Figura 12: M10
Figura 13: M11
Figura 14: M12
Figura 16: M14
Figura 17: M15
Figura 18: M16
Figura 19: M17
Figura 20: M18
190
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
Aspergillus Niger
Evaluación de la eficacia antifúngica
Tipo de
muestra
Réplica 1
Réplica 2
Zona de inhibición
(mm)
Contaminación en
superficie
Zona de inhibición
(mm)
Contaminación en
superficie
Fibra, 900 gr/m3
0
Si
0
Si
M19
0
Si
0
Si
M20
0
Si
0
Si
M21
0
Si
0
Si
M22
0
No
0
No
M23
2
No
0
No
M24
0
Si
0
Si
M25
3
No
5
No
M26
0
No
0
No
M27
0
No
0
No
Tabla 3: Resultados de la eficacia bactericida con Aspergillus Niger
Figura 21:Fibra 900 gr/m3
Figura 25: M22
Figura 22: M19
Figura 23: M20
Figura 26: M23
Figura 27: M24
Figura 29: M26
Figura 30: M27
191
Figura 24: M21
Figura 28: M25
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
El hormigón de ensayo se prepara con árido
lavado de tamaño máximo 12 mm y R A/C 0,7. Se
pretende con una elevada R A/C aumentar la
porosidad del hormigón y así facilitar el riesgo de
contaminación, incrementando el nivel de exigencia
del ensayo.
Las normas seguidas para el ensayo no
coinciden en nomenclatura, empleándose normas de
ámbito nacional. Para este caso, se siguen los
procedimientos SN 195 920 / SN 195 921,
incluyendo un pre-acondicionamiento de 24 horas.
Se ensaya del mismo modo con dos bacterias
(Escherichia Coli y Staphylococcus Aureus) y un
hongo (Aspergillus Níger), comparando la actividad
de la muestra tratada con fibra con un patrón sin
tratamiento.
Según los procedimientos normalizados
seguidos, la interpretación de los resultados debe
ser la siguiente:
3.2. Diseño del hormigón con propiedades
antibacterianas y antifúngicas
Una vez definido el producto que tenía un
mejor comportamiento, se realiza un estudio con la
intención de definir la mínima concentración de
agentes biocidas incorporada al hormigón para
producir un efecto letal sobre los microorganismos,
y se preparan nuevas muestras de hormigón que
contienen fibras con diferente cantidad de principio
activo incorporado. La proporción de fibra en el
hormigón se fija a 1 kg/m3 considerando los
beneficios de la fibra en reducción de fisuración y a
partir de sus características (diámetro, longitud,
etc.)
Por la misma razón que en el apartado 3.1
Diseño del agente activo, no se podrá detallar la
concentración mínima necesaria del producto
seleccionado.
% de superficie de la muestra invadida por
la colonia
0%
0 – 5%
> 5%
Interpretación del resultado
La muestra está completamente protegida contra el crecimiento del
microorganismo de ensayo. Buen efecto
Crecimiento moderado de la colonia. Existe actividad parcial contra el
microorganismo de ensayo.
El efecto inhibidor sobre el crecimiento del microorganismo de ensayo es
nulo.
Tabla 4: Interpretación de los resultados del ensayo
Se obtienen los siguientes resultados:
Fibra PP, 1 kg/m3 - Concentración 1
Test / Método
Crecimiento
Alcance (mm)
Efecto antimicótico
SN 195 921
Nulo
0 mm
Aspergillus Níger ATCC 6275
Efecto bactericida (Parallel Streak Method) AATCC
147 1998
Nulo
0 mm
Staphylococcus Aureus ATCC 6538
Efecto bactericida (Parallel Streak Method)
AATCC 147 1998
Nulo
0 mm
Escherichia Coli ATCC 8739
Tabla 5: Resultados con 1 kg/m3 de fibra con concentración menor
Evaluación
Buen efecto
Buen efecto
Buen efecto
Fibra PP, 1 kg/m3 - Concentración 2
Test / Método
Crecimiento
Alcance (mm)
Efecto antimicótico
SN 195 921
Nulo
0 mm
Aspergillus Níger ATCC 6275
Efecto bactericida (Parallel Streak Method)
AATCC 147 1998
Nulo
0 mm
Staphylococcus Aureus ATCC 6538
Efecto bactericida (Parallel Streak Method)
AATCC 147 1998
Nulo
0 mm
Escherichia Coli ATCC 8739
Tabla 6: Resultados con 1 kg/m3 de fibra con concentración superior de fibra
192
Evaluación
Buen efecto
Buen efecto
Buen efecto
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
Figura 28: Patrón Aspergillus Niger
Figura 29: Fibra PP Concentración 1
Figura 30: Fibra PP Concentración 2
Aspergillus Niger
Aspergillus Niger
Figura 31: Patrón Staphilococcus
Figura 32: Fibra PP Concentración 1
Figura 33: Fibra PP Concentración 2
Aureus
Staphylococcus Aureos
Staphylococcus Aureus
Figura 35: Fibra PP Concentración 1
Figura 36: Fibra PP Concentración 2
Escherichia Coli
Escherichia Coli
Figura 34: Patrón Escherichia Coli
193
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
En el caso de las muestras sin tratamiento
(Patrón) se observa contaminación en todos los
casos.
En base a los resultados obtenidos, empleando la
proporción de 1 kg/m3 de fibra en el hormigón, se
confirma la actividad sobre bacterias y hongos del
hormigón que contiene la fibra tratada con el agente
biocida, observando evidentes diferencias con el
hormigón patrón sin tratamiento.
A pesar de obtener buenos resultados con todas
las concentraciones de biocida incorporadas en la
fibra, para la decisión final de este valor deberá
esperarse a la realización de los ensayos de
persistencia y durabilidad del efecto bactericida y
fungicida sobre muestras sometidas a procesos de
envejecimiento acelerados.
después de someter las muestras de hormigón
tratadas con fibra bajo condiciones de envejecimiento
acelerado.
Las muestras para ensayo se preparan con los
mismos materiales que anteriormente, con elevada
relación A/C (0,7) para acentuar la porosidad del
hormigón, intentando conseguir una relación A/C
(0,7) y así incrementar el nivel de exigencia del
ensayo y empleando 1 kg/m3 de fibra de PP tratada.
Se ensayan las fibras con las dos concentraciones de
agente biocida incorporadas.
El test de exposición seguido se denomina
150S
y
consiste
en
irradiar
Xenotest
ininterrumpidamente las muestras durante 2000 horas
a 340 nm y 0,5 W/m2, en condiciones estándar ISO
4892-2, que equivale a 6 – 8 meses de radiación solar
fuerte continua.
Después de someter al test de envejecimiento, en
Octubre de 2004 se realiza de nuevo el ensayo de
eficacia bactericida y fungicida según SN 195 920 y
SN 195 921, incluyendo un pre-acondicionamiento
de 24 horas.
3.3. Determinación de la durabilidad y
persistencia del efecto
Finalmente, se procede al ensayo de durabilidad
del efecto inhibidor, que consiste en evaluar la
persistencia del efecto bactericida y fungicida
Los resultados obtenidos son los siguientes:
Fibra PP, 1 kg/m3 - Concentración 1
Test / Método
Crecimiento
Alcance (mm)
Efecto antimicótico
Nulo
0 mm
SAN BIO-12/94
Aspergillus Níger ATCC 6275
Efecto bactericida (Parallel Streak Method)
AATCC 147 1998
Nulo
2 mm
Staphylococcus Aureus ATCC 6538
Efecto bactericida (Parallel Streak Method)
AATCC 147 1998
Nulo
0 mm
Escherichia Coli ATCC 8739
Tabla 7: Resultados con 1 kg/m3 de fibra con concentración menor de fibra
Evaluación
Buen efecto
Buen efecto
Buen efecto
Figura 37: Fibra PP Concentración 1
Figura 38: Fibra PP Concentración 1
Figura 39: Fibra PP Concentración 1
Aspergillus
Staphylococcus
Escherichia
envejecimiento.
Níger.
Ensayo
Aureus.
envejecimiento.
Ensayo
envejecimiento
194
Coli.
Ensayo
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
Fibra PP, 1 kg/m3 - Concentración 2
Test / Método
Crecimiento
Alcance (mm)
Efecto antimicótico
SAN BIO-12/94
Nulo
0 mm
Aspergillus Níger ATCC 6275
Efecto bactericida (Parallel Streak Method)
AATCC 147 1998
Nulo
1 mm
Staphylococcus Aureus ATCC 6538
Efecto bactericida (Parallel Streak Method)
AATCC 147 1998
Nulo
0 mm
Escherichia Coli ATCC 8739
Tabla 8: Resultados con 1 kg/m3 de fibra con concentración superior de fibra
Evaluación
Buen efecto
Buen efecto
Buen efecto
Figura 40: Fibra PP Concentración 2
Figura 41: Fibra PP Concentración 2
Figura 42: Fibra PP Concentración 2
Aspergillus
Staphylococcus
Escherichia
envejecimiento.
Níger.
Ensayo
Aureus.
envejecimiento.
Ensayo
Coli.
Ensayo
envejecimiento
Los resultados obtenidos confirman la persistencia
del efecto sobre todas las bacterias y hongos
ensayados después del tratamiento de envejecimiento
acelerado sufrido, indicando una aceptable
durabilidad de la actividad bactericida y fungicida del
hormigón tratado con 1 kg/m3 de fibras de
polipropileno con agente biocida.
consecuencia se selecciona la fibra de menor
concentración para reducir las restricciones de
manipulación del producto y para optimizar su coste.
Debe destacarse que la evaluación de la persistencia
del efecto antibacteriano y antifúngico se ha
realizado con muestras de hormigón confeccionado
con elevada relación A/C. Este hormigón de ensayo
presentará entonces elevada porosidad, facilitando el
acceso de los microorganismos ensayados en el
interior del hormigón. En estas condiciones, el efecto
inhibidor del crecimiento de las colonias se debe
exclusivamente a las propiedades de la fibra y no a
una hipotética elevada compacidad del hormigón.
Tras evaluar los resultados de ambas fibras con
diferente concentración de agente biocida
introducido, se decide seleccionar y validar la fibra
de menor concentración. Se observa que el efecto
inhibidor persiste para ambas concentraciones
después del ensayo de envejecimiento acelerado y en
195
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
Finalmente, se procede a evaluar en hormigón el
comportamiento de la fibra con agente biocida
seleccionada, comparativamente a un hormigón
patrón sin fibras
3.4. Evaluación de la influencia del
tratamiento sobre las propiedades fundamentales
del hormigón.
.
Hormigón patrón
Hormigón con fibra
CEM II A/V 42,5R
350 kg/m3
350 kg/m3
Arena 0/5 silícea lavada
1074 kg/m3
1074 kg/m3
Grava 5/12 silícea rodada
724 kg/m3
724 kg/m3
Polifuncional, 1%
Polifuncional, 1%
---
1,0 kg/m3
244 l/m3
244 l/m3
0,7
0,7
Aditivo
Fibra
Agua amasado
R A/C
Tabla 9: Dosificaciones Hormigón
Mantenimiento de consistencia, 20 ºC
20
Asentamiento Abrams, cm
18
16
Patrón
14
Fibras
12
10
8
6
4
2
min
0
0
20
40
60
80
Figura 43: Evolución mantenimiento de la consistencia del hormigón.
196
100
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
La evolución de resistencias mecánicas de determina
mediante probetas prismáticas de 4x4x16, curadas
en la cámara húmeda a 20 ºC y 98% HR.
Evolución de resistencias mecáncias
35
Resistencia compresión, MPa
30
25
20
15
Patrón
Fibras
10
5
días
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Figura 44: Evolución resistencias mecánicas.
de fibras permanecerá estable durante el tiempo de
servicio garantizado para el hormigón, de acuerdo
con los resultados obtenidos después de someter las
muestras ensayadas a ciclos de envejecimiento
acelerado, siempre que se mantengan las operaciones
de limpieza y mantenimiento adecuadas y el estado
del hormigón no se vea alterado. Clases de
exposición diferentes pueden reducir la eficacia
bactericida y fungicida a lo largo del tiempo.
La capacidad bactericida y fungicida del
hormigón
antibacteriano
está
especialmente
concebida para inhibir el crecimiento de las colonias
de bacterias presentes o para evitar su primera
colonización. Esta propiedad resulta especialmente
ventajosa porque elimina el posible crecimiento de
colonias en el interior del hormigón (difícilmente
accesible con el empleo de productos de limpieza y
desinfecciónes convencionales) y por lo tanto
colabora en la higiene de las instalaciones.
Sin embargo, no es función de las fibras tratadas
exterminar grandes colonias de bacterias ya
presentes. La fibra tratada no es capaz de exterminar
grandes poblaciones de microorganismos existentes,
solamente impide su crecimiento. Por ello, no deben
obviarse ni reducirse las tareas de limpieza
habituales, a pesar de tratarse de hormigón con
propiedades antibacterianas y antifúngicas.
No se observan efectos negativos sobre la
resistencia final del hormigón y sobre su fluidez y
mantenimiento de consistencia. El posible efecto
retardador de fraguado aparece imperceptible al
hallarse el principio activo retenido dentro de la fase
de polipropileno de la fibra.
En consecuencia, la fibra de polipropileno tratada
con agente biocida, dosificada a 1 kg/m3, no genera
efectos secundarios negativos en el hormigón.
4. Conclusiones y discusión
A partir de todo el estudio realizado y atendiendo
a los resultados obtenidos, el empleo de 1 kg/m3 de
fibra de polipropileno tratada especialmente con
agentes biocidas y fungicidas otorga propiedades
bactericidas y fungicidas al hormigón tratado frente a
todos los tipos de microorganismos estudiados
(definiéndose como hormigón con propiedades
antibacterianas-antifúngicas). Su efecto fundamental
es la inhibición del crecimiento de bacterias y hongos
en el interior del hormigón, evitando la formación de
grandes colonias.
Para un hormigón sometido ante condiciones
normales de intemperie, el efecto bactericida y
antifúngico proporcionado por la adición de 1 kg/m3
197
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 2. CURSO 2005-2006
migración para confirmar su idoneidad (existen
ensayos específicos debidamente normalizados en
función del tipo de producto que estará en contacto
con el hormigón).
El uso de fibras tratadas con agentes biocidas no
debe perturbar negativamente la calidad, resistencia y
durabilidad del hormigón, así como reducir la
adherencia con las armaduras, ofreciendo, al mismo
tiempo, las ventajas típicas del uso de fibras de
polipropileno en el hormigón (reducción de la
fisuración, especialmente).
Recomendamos, para una adecuada durabilidad
del efecto de las fibras tratadas, emplear hormigones
de baja relación A/C para reducir al máximo la
porosidad del hormigón (R A/C < 0,5) así como un
adecuado y efectivo curado del mismo durante su
puesta en obra para evitar la fisuración del hormigón.
El empleo de hormigón con propiedades
antibacterianas y antifúngicas puede resultar
especialmente ventajoso en instalaciones agrícolas,
ganaderas, sanitarias, piscinas, etc., donde reduciría el
riesgo de contaminación por bacterias y hongos y
reduciría la emisión de malos olores, mejorando las
condiciones higiénicas de las instalaciones.
Referencias
Para el caso de emplearse en contacto directo con
agua potable o con alimentos, a pesar de estimar que
no existe riesgo de migración del biocida,
recomendamos realizar el ensayo específico de
[1]
198
Rosa Elba Rodríguez Camacho. “Concreto
professional”, Construccion y TecnologíaEEE, April
1999, pp. 48-51.