Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, revista indexada en el primer decil del JCR. El documento explora el diseño de estructuras modulares prefabricadas sostenibles utilizando la optimización multiobjetivo (MOO) y la toma de decisión multicriterio (MCDM) con algoritmos avanzados como NSGA-II, NSGA-III y RVEA. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El artículo destaca la importancia de integrar la sostenibilidad del ciclo de vida en los proyectos de infraestructura de transporte para estimular la innovación y la colaboración entre las partes interesadas. Además, presenta una estrategia de diseño novedosa que se centra en la optimización del ciclo de vida de los marcos modulares prefabricados de hormigón armado (RCPMF). Por último, amplía la comprensión de la aplicabilidad de los algoritmos avanzados de MOO y las técnicas de MCDM para mejorar el desarrollo sostenible de la infraestructura.
Las conclusiones más importantes de este trabajo son las siguientes:
El estudio evalúa el rendimiento de optimización del ciclo de vida de los algoritmos NSGA-II, NSGA-III y RVEA dentro de una estructura prefabricada tipo marco de diseño coherente para una infraestructura de transporte sostenible.
El NSGA-III se identifica como el algoritmo con mejor rendimiento, lo que demuestra su potencial para facilitar enfoques de diseño sostenibles.
El problema del MCDM se evalúa rigurosamente y se abordan nueve soluciones no dominantes generadas por los algoritmos de optimización, lo que demuestra la eficiencia y la fiabilidad del marco integrado de MOO y MCDM.
Los resultados abogan por un enfoque transformador del desarrollo de infraestructuras, orientado hacia soluciones de ingeniería más avanzadas y sostenibles.
Abstract:
The advancement toward sustainable infrastructure presents complex multi-objective optimization (MOO) challenges. This paper expands the current understanding of design frameworks that balance cost, environmental impacts, social factors, and structural integrity. Integrating MOO with multi-criteria decision-making (MCDM), the study targets enhancements in life cycle sustainability for complex engineering projects using precast modular road frames. Three advanced evolutionary algorithms—NSGA-II, NSGA-III, and RVEA—are optimized and deployed to address sustainability objectives under performance constraints. The efficacy of these algorithms is gauged through a comparative analysis, and a robust MCDM approach is applied to nine non-dominated solutions, employing SAW, FUCA, TOPSIS, PROMETHEE, and VIKOR decision-making techniques. An entropy theory-based method ensures systematic, unbiased criteria weighting, augmenting the framework’s capacity to pinpoint designs, balancing life cycle sustainability. The results reveal that NSGA-III is the algorithm converging towards the most cost-effective solutions, surpassing NSGA-II and RVEA by 21.11% and 10.07%, respectively, while maintaining balanced environmental and social impacts. The RVEA achieves up to 15.94% greater environmental efficiency than its counterparts. The analysis of non-dominated solutions identifies the 𝐴4𝐴4 design, utilizing 35 MPa concrete and B500S steel, as the most sustainable alternative across 80% of decision-making algorithms. The ranking correlation coefficients above 0.94 demonstrate consistency among decision-making techniques, underscoring the robustness of the integrated MOO and MCDM framework. The results in this paper expand the understanding of the applicability of novel techniques for enhancing engineering practices and advocate for a comprehensive strategy that employs advanced MOO algorithms and MCDM to enhance sustainable infrastructure development.
Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Physics: Conference Series, referente a la comunicación que presentamos en la WindEurope Annual Event 2024 en Bilbao. El estudio se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El documento evalúa la sostenibilidad de los cimientos de los aerogeneradores utilizando un enfoque holístico, comparando diferentes alternativas concretas en función de los impactos del ciclo de vida y empleando un modelo de toma de decisiones multicriterio. Cuantifica la sostenibilidad y clasifica el hormigón con escorias de alto horno como el más sostenible, seguido del hormigón convencional y las cenizas volantes, y proporciona una metodología para la optimización del diseño con una perspectiva sostenible.
Las conclusiones más importantes de este trabajo son las siguientes:
El estudio concluye que la alternativa del hormigón con escorias molidas de alto horno (GBFS) demuestra índices de sostenibilidad más altos en comparación con el hormigón convencional (CONV) y el hormigón con cenizas volantes (FA) para cimentaciones de aerogeneradores.
El GBFS supera al CONV y al FA en términos de impacto ambiental, mientras que el CONV es más económico que el GBFS y el FA, y el GBFS muestra impactos sociales más destacados según los indicadores de los trabajadores.
El documento hace hincapié en la importancia de tener en cuenta simultáneamente las dimensiones económica, ambiental y social al optimizar el diseño, y destaca la necesidad de adoptar un enfoque holístico de la sostenibilidad en el diseño de las cimentaciones de las turbinas eólicas.
Abstract
Recently, wind power has emerged as a prominent contributor to electricity production. Minimizing the costs and maximizing the sustainability of wind energy is required to improve its competitiveness against other non-renewable energy sources. This communication offers a practical approach to assess the sustainability of wind turbine generator foundations from a 3-dimensional holistic point of view. Specifically, the main goal of this study is to analyse the life cycle impacts of one shallow foundation design by comparing three different concrete alternatives: conventional concrete, concrete with 66-80% of blast furnace slags and concrete with 20% fly ash, and then to apply a Multi-Criteria Decision-Making model based on TOPSIS method to evaluate and compare the resulting sustainability of each alternative considered. The study results in a methodology for quantifying sustainability rather than simply qualifying it. Therefore, with a sustainable perspective, this methodology can be employed for design optimization, such as geometry and materials. Specifically, in this study, concrete with blast furnace slags emerges as the top-ranked sustainable alternative, followed by conventional concrete in second place and the fly ash option in third position.
Figura 1. Homogeneidad del hormigón. https://ingeniero-de-caminos.com/hormigon-homogeneidad/
Un hormigón se considera homogéneo cuando su composición es uniforme en todos sus puntos. Esto implica que el principio, la parte media y el final de la amasada mantienen la misma calidad. De esta manera, las amasadas sucesivas pueden considerarse idénticas. La homogeneidad se consigue a través de un buen amasado, de un transporte cuidadoso y de una colocación adecuada.
Un hormigón homogéneo implica que debe ser uniformemente heterogéneo, es decir, que sus componentes deben estar perfectamente mezclados y en la proporción prevista en la dosificación de la mezcla en cualquier parte de su masa. Las mezclas bien diseñadas y adecuadamente amasadas proporcionan una manejabilidad uniforme y óptima, independientemente de la ubicación de la muestra tomada en la mezcla, lo que permite obtener hormigones con resultados consistentes y poco dispersos.
Para garantizar la homogeneidad, es crucial mantener una proporción adecuada entre agua y cemento, así como asegurar una mezcla completa de los componentes para lograr la consistencia deseada. Tal y como indica el Código Estructural en su Artículo 51.3.3, los componentes se amasarán de forma que se consiga su mezcla íntima y homogénea, debiendo resultar el árido bien recubierto de pasta de cemento. La mejor forma de conseguirlo es introduciendo los componentes en una hormigonera o máquina amasadora, que se encarga de mezclarlos, lista para su aplicación en la obra.
Figura 2. https://ich.cl/unidad/05-uso-del-hormigon-en-obra/
La calidad uniforme de los componentes y la precisión de los dosificadores son aspectos críticos para lograr esta homogeneidad en el hormigón. Si los componentes iniciales son uniformes y los dosificadores proporcionan las cantidades precisas, entonces la variabilidad en los hormigones la determina la calidad del proceso de mezclado. Es esencial elegir adecuadamente el equipo de mezclado, pues este garantiza la homogeneidad de los productos finales. El Código Estructural, en su artículo 51.3.2.1, indica que la dosificación de cemento, de los áridos, y en su caso, de las adiciones, se realizará en peso. Además, se deberá vigilar el mantenimiento de la dosificación para garantizar una adecuada homogeneidad entre amasadas.
La gravedad y las fuerzas de rozamiento obstaculizan el movimiento de los materiales durante la fase inicial del amasado. Se producen rozamientos superficiales entre la masa y las paredes, rozamientos internos debido a la rugosidad de los áridos, y rozamientos complejos causados por la variabilidad de la viscosidad en diferentes partes de la mezcla. Por tanto, para obtener un hormigón homogéneo, es esencial no solo reducir la influencia de estas fuerzas, sino también romper las fuerzas de unión que mantienen los granos unidos por el agua de la mezcla. Esto requiere un aporte significativo de energía, distribuida de manera óptima por los componentes de mezclado. En este sentido, los fabricantes investigan qué tipo de perfiles son los más adecuados para las paletas, su número y disposición en el equipo de amasado. Para lograr mezclas de calidad, es fundamental que los medios mecánicos empleados sean lo suficientemente potentes para permitir el desplazamiento de los componentes entre sí, sin favorecer a ciertos elementos según su tamaño o densidad.
El Código Estructural, en su Artículo 51.4.1 relativo al transporte del hormigón, indica que no deberán presentar desperfectos o desgastes en las paletas o en su superficie interior que puedan afectar a la homogeneidad del hormigón. Asimismo, el transporte podrá realizarse en amasadoras móviles, a la velocidad de agitación, o en equipos con o sin agitadores, siempre que tales equipos tengan superficies lisas y redondeadas y sean capaces de mantener la homogeneidad del hormigón durante el transporte y la descarga.
En la prefabricación de piezas de hormigón, se debe desmoldar lo antes posible, por lo que es importante contar con equipos de mezclado que garanticen una perfecta cohesión y una plasticidad constante en los hormigones producidos.
En ciertos tipos de equipos, como las hormigoneras, la densidad desempeña un papel fundamental, pues los componentes del hormigón son elevados y luego caen de nuevo en la mezcla. En el caso de las amasadoras, un exceso de energía contribuye a mejorar las propiedades de la mezcla.
La dislocación de la mezcla del hormigón, que es un error que afecta la homogeneidad, puede ocurrir incluso cuando la mezcla inicial es adecuada. Durante el transporte, vertido o fraguado, los elementos del hormigón tienden a separarse y decantarse según su densidad y tamaño.
La segregación del hormigón supone que sus componentes se separan, lo que provoca una superficie mal acabada con grietas o fisuras, o un exceso de mortero que afecta su resistencia y durabilidad. Por otro lado, si la mezcla es demasiado líquida, los áridos gruesos tienden a caer al fondo del molde o encofrado, mientras que el mortero queda en la superficie, lo que implica una pérdida de homogeneidad por decantación. La probabilidad de que ocurran estos fenómenos aumenta con el contenido de agua, el tamaño máximo del árido, las vibraciones o sacudidas durante el transporte, y la colocación en obra en caída libre. Es importante señalar que un hormigón poco manejable tiende a segregar, lo que provoca resistencias mecánicas inferiores a las previstas y superficies poco estéticas cuando se retira el encofrado.
La exudación del hormigón es otro tipo de segregación en el cual el agua tiende a ascender hacia la superficie de la mezcla debido a la incapacidad de los áridos para retenerla durante la compactación. Esta agua forma una capa delgada, débil y porosa en la superficie del hormigón, careciendo de resistencia y durabilidad.
La homogeneidad del hormigón se ve comprometida cuando queda afectada la cohesión entre sus componentes. Esto puede ocurrir debido a una relación inadecuada entre los ingredientes, como en el caso de un hormigón demasiado seco o con demasiada agua. Un hormigón seco con poca agua y componentes finos tiende a separar los áridos más gruesos, mientras que un exceso de agua aumenta el riesgo de segregación, con el mortero separándose de los áridos. Por tanto, hay que cuidar la proporción de materiales y la humedad durante el mezclado para evitar la segregación y garantizar la homogeneidad.
La pérdida de homogeneidad en el hormigón está estrechamente ligada a su cohesividad: cuanto menor sea esta última, mayor será la pérdida de homogeneidad. Esto se refleja en la relación inadecuada entre arena y grava, el tamaño máximo del árido, el contenido de agua, entre otros factores. Un hormigón debe ser manejable sin mostrar signos de segregación, lo que implica una adecuada cohesión.
Las mezclas más propensas a la segregación son aquellas que son poco manejables o ásperas, extremadamente fluidas o secas, o aquellas que contienen una gran cantidad de arena. Además, incluso un hormigón muy manejable puede experimentar segregación si ha sido sometido a un tratamiento inadecuado o a operaciones mal ejecutadas.
Os dejo algún vídeo explicativo al respecto.
Referencias:
ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.
CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.
CORMON, P. (1979). Fabricación del hormigón. Editores Técnicos Asociados, Barcelona, 232 pp.
GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.
MONTERO, E. (2006). Puesta en obra del hormigón. Exigencias básicas. Consejo General de la Arquitectura Técnica de España, Madrid, 750 pp.
Figura 1. Hormigón de limpieza. https://www.paviconj-es.es/noticias/hormigon-de-limpieza/
El hormigón de limpieza (HL) tiene como fin evitar la desecación del hormigón estructural durante su vertido, así como una posible contaminación de este durante las primeras horas de su hormigonado. El Anejo 10 del Código Estructural detalla el alcance, los materiales y las especificaciones para este tipo de hormigón. Para esta aplicación, se debe usar el hormigón HL-150/C/TM, es decir, tal y como se indica en la identificación, donde la cantidad mínima de cemento por metro cúbico es de 150 kg, como se especifica en su identificación. Se sugiere que el tamaño máximo del árido sea inferior a 30 mm para mejorar la manejabilidad durante su aplicación. Estos hormigones tienen una baja proporción de cemento, por lo que se aconseja la inclusión de aditivos reductores de agua para minimizar la porosidad en su estado endurecido.
Lo habitual en obra es extender sobre la superficie del fondo de excavación una capa de hormigón de regularización. Según el Código Estructural, los hormigones de nivelación o de limpieza de excavaciones no se consideran de naturaleza estructural y, por tanto, no están sujetos a los requisitos de resistencia mínima establecidos para otros tipos de hormigón, ya sea en masa, armado o pretensado. Sin embargo, cuando las piezas estructurales están en contacto directo con el terreno y no se ha aplicado una capa de limpieza, el recubrimiento mínimo requerido es de 70 mm, según lo establecido en el Artículo 44.2.1.1.
La finalidad de esta solera es proporcionar una base plana y horizontal para la zapata, y en suelos permeables, evitar que la lechada de hormigón estructural penetre en el terreno, dejando los áridos de la parte inferior sin recubrimiento, lo que resultaría en un hormigón poroso que facilita la entrada de agua. Se recomienda un espesor mínimo de 10 cm para la solera de hormigón pobre, y su superficie debe ser nivelada de manera que el canto del cimiento se ajuste adecuadamente en cada punto, con una discrepancia de menos de 20 mm respecto al valor teórico indicado en los planos.
Figura 2. Hormigón de limpieza. https://www.lesterrassesresidencial.es/proceso/hormigon-de-limpieza/
Dado su reducido espesor y su función como hormigón de sacrificio, es necesario aplicar un proceso de curado para minimizar la desecación que pueda sufrir al entrar en contacto directo con el terreno. La altura máxima del hormigón de limpieza será la misma que la prevista en el proyecto para la base de las zapatas o vigas riostras.
En resumen, el hormigón de limpieza ofrece varias ventajas:
Previene que el hormigón estructural que se vierte posteriormente para el arriostrado entre en contacto con el suelo.
Aunque no tiene una función estructural en la obra, mejora la calidad y la durabilidad del hormigón estructural.
Contribuye a conformar el volumen geométrico requerido para un propósito específico.
Se puede elaborar in situ, eliminando la necesidad de fabricarlo en planta.
Proporciona un nivelado excelente, lo que facilita los trabajos posteriores de levantamiento de muros de carga u otros elementos de construcción.
Evita la contaminación de las armaduras, proporcionando protección.
Previene que el hormigón estructural se deshidrate durante el vertido.
Os dejo a continuación el Anejo 10 del Código Estructural donde se define el alcance y las especificaciones que deben tener los hormigones de limpieza.
Aquí tenéis varios vídeos al respecto. Espero que os sean de interés.
Referencias:
ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.
CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.
GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.
MONTERO, E. (2006). Puesta en obra del hormigón. Exigencias básicas. Consejo General de la Arquitectura Técnica de España, Madrid, 750 pp.
Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Cleaner Production, revista indexada en el primer decil del JCR. El trabajo evalúa las alternativas de reacondicionamiento de columnas de hormigón armado en una región de alto riesgo sísmico, comparando, el recrecimiento de la sección de hormigón, el encamisado de acero y el refuerzo con fibra de carbono. El estudio destaca la importancia de tener en cuenta todas las etapas en la evaluación del ciclo de vida a la hora de rehabilitar edificios, incluidas las consideraciones de diseño, pruebas, construcción, uso y final de la vida útil. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
Las contribuciones de este trabajo de investigación son las siguientes:
Evalúa las alternativas de reacondicionamiento de columnas de hormigón armado en una región de alto riesgo sísmico, comparando el recrecido de hormigón, el encamisado de acero y el refuerzo con fibra de carbono.
Realiza un análisis exhaustivo para evaluar los impactos económicos y ambientales mediante evaluaciones del ciclo de vida.
Presenta una jerarquía estructurada de criterios e indicadores para la evaluación de las opciones de modernización, lo que ayuda a los técnicos y a los responsables de la toma de decisiones.
El encamisado de acero se consideran la mejor opción debido a su rendimiento equilibrado en todos los criterios, mientras que los recrecidos de hormigón se consideran menos favorables debido a su elevado impacto ambiental y funcional. La rehabilitación con fibra de carbono es una alternativa viable con un menor impacto medioambiental y una mayor funcionalidad, a pesar de los importantes costes de las materias primas.
Abstract
The critical earthquakes of the last few years highlight the urgent seismic retrofitting of existing buildings due to their aging or inadequate design. This paper aims to evaluate reinforced concrete column retrofit alternatives in a region of high seismic risk. When deciding between various building retrofit options, significant economic, environmental, and functional factors must be considered. The study uses a cradle-to-grave analysis to examine the economic and environmental impacts through life cycle assessments. Specifically, the life-cycle performance of three classic alternatives for rehabilitating columns lacking adequate confinement is compared: concrete jacketing, steel jacketing, and carbon fiber incorporation. The research adopts a holistic approach using multi-criteria decision-making methods, integrating economic, environmental, and functional criteria. A set of criteria and indicators is presented in a structured hierarchy that facilitates the orderly evaluation of alternatives. The results suggest that steel jacketing is preferred, as it presents a balanced performance in most criteria. The incorporation of carbon fiber is viable due to its low environmental and functional impact, although the high production costs of the raw materials limit it. In contrast, concrete jacketing has the highest environmental and functional impacts, making it the least favorable option. The results of this study will provide relevant information for engineers and decision-makers to select the most suitable options for building retrofit when considering several simultaneous perspectives.
VILLALBA, P.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2024). Life cycle evaluation of seismic retrofit alternatives for reinforced concrete columns.Journal of Cleaner Production, 455:142290. DOI:10.1016/j.jclepro.2024.142290
Os podéis descargar gratuitamente el artículo, pues está publicado en acceso abierto.
Figura 1. Ataque por sulfatos del hormigón. https://anfapa.com/articulos-tecnicos-morteros-de-reparacion-de-hormigon/1164/causas-quimicas-del-deterioro-del-hormigon
Los sulfatos son compuestos químicos que están presentes en una gran variedad de concentraciones en el suelo, aguas subterráneas, aguas superficiales y aguas de mar. Entre los sulfatos de origen natural se encuentran algunos suelos orgánicos, suelos con turbas y algunos suelos arcillosos. Otra fuente natural de sulfatos es el agua de mar, los sulfatos de origen biológico, industrial o minero.
La mayoría de los suelos contienen sulfatos, que pueden presentarse en formas tales como calcio, magnesio, sodio, amonio y potasio, ya sea en el suelo mismo o en las aguas subterráneas. Es habitual que las cimentaciones de las estructuras se sitúen en este tipo de suelos, dándose la posibilidad de que los sulfatos presentes ataquen el hormigón. El deterioro del hormigón debido al ataque de sulfatos se distingue por una reacción química en la que el ion sulfato, actuando como agente corrosivo, interactúa con componentes como aluminato, iones de sulfato, calcio y grupos oxhidrilo del cemento Portland endurecido, así como de otros cementos que contienen clínker Portland, generando principalmente etringita y, en menor medida, yeso, así como una descalcificación. Este fenómeno se denomina “formación diferida de etringita” o etringita “secundaria”. Estas reacciones expansivas también pueden ocasionar fisuras, desprendimientos y pérdida de resistencia en el hormigón, dado que ocurren después de que el hormigón ha alcanzado su estado endurecido y se ha vuelto un cuerpo rígido.
El ataque de los sulfatos derivados de sales es un fenómeno reconocido desde hace décadas. Ya en 1887, Candlot observó el deterioro de los morteros utilizados en la construcción de las fortificaciones de París, particularmente en áreas donde estuvieron en contacto con agua que contenía sulfatos (selenitosas). Esta reacción química genera expansión en la pasta y crea una presión capaz de romperla y, finalmente, desintegrar el hormigón. Es conocido el hecho de combinarse el sulfato cálcico con la alúmina del cemento para formar la sal de Candlot (etringita), sulfo-aluminato cálcico, lo que provoca un notable aumento de volumen.
La naturaleza y alcance de los daños en el hormigón variarán según la concentración de sulfatos, el tipo de cationes presentes en la solución de sulfato (ya sea sodio o magnesio), el pH de la solución y, por supuesto, la microestructura de la pasta de cemento endurecida. Algunos tipos de cemento son más susceptibles al sulfato de magnesio que al sulfato de sodio. El mecanismo principal involucra el reemplazo del calcio en el silicato de calcio hidratado, que forma parte de la matriz de cemento, lo que resulta en la pérdida de las propiedades de unión de la matriz.
Por lo general, los sulfatos en estado sólido no generan un daño significativo al hormigón; sin embargo, cuando se encuentran en forma líquida, pueden penetrar los vacíos de la estructura y reaccionar con los productos de cemento hidratado. Entre los sulfatos, el de calcio tiende a causar menores daños debido a su baja solubilidad, mientras que el sulfato de magnesio representa un riesgo mayor.
La mayoría de estos sulfatos interactúan con el hidróxido de calcio y los aluminatos de calcio hidratados presentes en el hormigón, lo que provoca cambios en el volumen de la pasta de cemento y, en consecuencia, el deterioro de la estructura de hormigón. Además, el sulfato de magnesio, junto con el hidróxido de calcio, puede reaccionar con el silicato de calcio hidratado, lo que lleva a la pulverización del hormigón en masa. En un hormigón poroso, estos ataques encuentran una fácil vía para su acción destructora.
Figura 2. Corrosión en ambiente marino. https://e-struc.com/2017/05/09/patologias-asociadas-la-prescripcion-del-hormigon/
Por otra parte, el hormigón también se ve atacado por los cloruros, que afecta principalmente a la corrosión de las armaduras. Los iones cloruro, ya sean provenientes del agua marina o de las sales utilizadas en el deshielo, tienen la capacidad de penetrar a través de los poros del hormigón, tanto cuando estos están completamente saturados como parcialmente. Esta penetración puede desencadenar diversos fenómenos. En la superficie del hormigón, los efectos del ataque por cloruros se manifiestan mediante una fisuración irregular, que resulta de la exposición de las armaduras y su consiguiente corrosión generalizada. Esto conduce a la desintegración gradual del hormigón. Es muy importante recordar que el ambiente marino se considera agresivo hasta una distancia de 5 km de la costa.
Los cementos resistentes a los sulfatos (SR) o al agua de mar (MR) son muy útiles para obras en contacto con terrenos yesíferos o aguas selenitosas y deben tener bajo contenido en aluminatos. Este tipo de cementos tienen limitado en su composición un contenido en aluminato tricálcico y del alumino-ferrito tetracálcico, según la norma UNE-EN 197-1. Esta limitación en aluminato tricálcico implica un bajo calor de hidratación, menor retracción y un desarrollo más lento de sus resistencias. A cambio, disminuye la trabajabilidad de las mezclas.
Según la vigente Instrucción de Recepción de Cementos (a fecha de hoy, la RC-16), se consideran cementos resistentes a los sulfatos, además de los definidos en el Anejo I relativos a la norma UNE-EN 197-1 (SR), aquellos con la característica adicional de resistencia a los sulfatos definidos en la norma UNE 80303-1 (SRC). Asimismo, se consideran cementos resistentes al agua de mar aquellos con la característica adicional de resistencia al agua de mar definidos en la norma UNE 80303-2.
Se usarán cementos resistentes a los sulfatos en obras de hormigón en masa o armado, siempre que su contenido, expresado en iones sulfato, cuyos contenidos sean igual o mayor que 600 mg/l en el caso de aguas, o 3.000 mg/kg en el caso de suelos. Según el Capítulo 7 del Código Estructural, estos límites se ven superados en el caso de las clases de exposición XA2 y XA3, correspondientes al ataque medio y fuerte en un medio agresivo (no sería, por tanto, necesario un cemento sulforresistente en la clase XA1). En el caso de que un elemento estructural de hormigón en masa, armado o pretensado se encuentre sometido al ataque de agua de mar, el cemento a emplear deberá tener la característica adicional de resistencia al agua de mar o, en su defecto, la característica adicional de resistente a sulfatos. Lo anterior no será de aplicación en el caso de que se trate de agua de mar o el contenido en cloruros sea superior a 5.000 mg/l (Art. 43.3.4.1 del Código Estructural).
En el caso de elementos de hormigón en masa en contacto con agua de mar, y por tanto sometidos a una clase de exposición XA2, y en el caso de elementos de hormigón armado o pretensado que vayan a estar sometidos a una clase de exposición XS2 o XS3, se utilizará un cemento con la característica adicional MR, SR o SRC, según la Instrucción para la recepción de cementos vigente (Art. 43.3.4.2 del Código Estructural).
El Código Estructural recoge en su Anejo 6 las recomendaciones para la selección del tipo de cemento a emplear en hormigones estructurales. Este anejo no hace más que aconsejar, con carácter general, las condiciones que debe cumplir el cemento para su empleo según la instrucción vigente para la recepción de cementos. Además, deberá elegirse el tipo de cemento considerando la aplicación del hormigón, las circunstancias del hormigonado y las condiciones de agresividad ambiental a las que va a estar sometido el elemento de hormigón.
La aplicación estructural, en el caso de las cimentaciones, el Código diferencia entre las ejecutadas con hormigón en masa y las realizadas con hormigón armado. En ambos casos, es necesario cumplir las prescripciones de la vigente Instrucción de Recepción de Cementos relativas al empleo de la característica adicional de resistencia sulfatos (SR o SRC) o al agua de mar (MR), cuando corresponda.
En el caso de cimentaciones de hormigón en masa, son muy adecuados los cementos comunes tipo CEM IV/B, siendo adecuados el resto de cementos comunes, excepto los CEM II/A-Q, CEM II/B-Q, CEM II/A-W, CEM II/B-W, CEM II/A-T, CEM II/B-T y CEM III/C. En todos los casos es recomendable la característica adicional de bajo calor de hidratación (LH).
Si se trata de cimentaciones de hormigón armado, son muy adecuados los cementos comunes tipo CEM I y CEM II/A, siendo adecuados el resto de cementos comunes a excepción de los CEM III/B, CEM III/C, CEM IV/B, CEM II/A-Q, CEM II/B-Q, CEM II/A-W, CEM II/B-W, CEM II/A-T y CEM II/B-T.
Figura 3. Cemento sulforresistente CEM I 42,5 R-SR5
Atendiendo a la clase de exposición, los tipos de cementos recomendados para la clase XA (ataque químico al hormigón por sulfatos) son los mismos que los aconsejados para la clase XS (corrosión de las armaduras por cloruros de origen marino). En ambos casos, son muy adecuados los cementos CEM II/S, CEM II/V (preferentemente los CEM II/B-V), CEM II/P (preferentemente los CEM II/B-P), CEM II/A-D, CEM III, CEM IV (preferentemente los CEM IV/A) y CEM V/A. Se recuerda que en la clase de exposición XS, es necesario el empleo de cementos que cumplan las prescripciones relativas a la característica adicional de resistencia al agua de mar (MR).
Para el caso de las clases XA2 o XA3 (moderada o alta agresividad química), es necesario el empleo de cementos que cumplan las prescripciones relativas a la característica adicional de resistencia a los sulfatos (SR o SRC), tal y como establece el articulado del Código. En los casos en que el elemento esté en contacto con agua de mar será únicamente necesario que cumplan las prescripciones relativas a la característica adicional de resistencia al agua de mar (MR).
Una relación agua/cemento baja en la dosificación de un hormigón se ve menos afectada por los sulfatos que si es alta, pues provoca que el hormigón sea menos permeable. Además, un contenido de cemento elevado garantiza una mayor durabilidad del hormigón. Es por ello que la Tabla 43.2.1.a del Código indica una relación agua/cemento máxima de 0,50 para las clases XS1 (expuesto a aerosoles marinos, pero no en contacto con el agua del mar) y XS2 (permanentemente sumergido en agua de mar), que se reduce a 0,45 en XS3 (zonas de carrera de mareas o sapicaduras). El contenido mínimo de cemento (kg/m3) será de 300, 325 y 350 para XS1, XS2 y XS3, respectivamente. En el caso de ambiente XA1 (débil agresividad química) y XA2 (moderada agresividad química), la máxima relación agua/cemento es de 0,50, mientras que en XA3 (alta agresividad química), es de 0,45. El contenido mínimo de cemento (kg/m3) será de 325, 350 y 350 para XA1, XA2 y XA3, respectivamente.
La Tabla 43.2.1.b del Código indica la resistencia característica mínima alcanzable para un hormigón fabricado con un cemento de categoría resistente 32,5 R con los contenidos mínimos de cemento y máxima relación agua/cemento indicados en la Tabla 43.2.1.a del Código. Para hormigón en masa, la exposición XS no presenta mínimos, mientras que para hormigón armado, es de 30 N/mm² para XS1 y XS2, y de 35 N/mm² para XS3. En la exposición XA1 y XA2, la resistencia mínima es de 30 N/mm² tanto en hormigón armado o en masa, mientras que para XA3, es de 35 N/mm², en cualquier caso.
Además, una adecuada colocación del hormigón, con un control del vibrado y del curado, pueden mejorar su resistencia a los sulfatos, siempre y cuando se cumplan con las condiciones anteriormente mencionadas. Tampoco debe olvidarse que, en el caso del hormigón armado, deben guardarse unos recubrimientos mínimos que dependerán del tipo de cemento usado, de la vida útil de proyecto y de la clase de exposición, según se desprende del Capítulo 9 del Código Estructural, relativo a la durabilidad de las estructuras de hormigón.
Tabla. Requisitos de dosificación y de resistencia mínima esperada del hormigón para clases de exposición XS y XA, según el Código Estructural.
ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.
CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.
GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.
Figura 1. Vertido y vibración del hormigón. https://www.paviconj-es.es/hormigon-precios/hormigon-compactado/
Después de la mezcla, transporte y vertido del hormigón, este suele contener aire atrapado en forma de espacios vacíos. Cuando el hormigón no se compacta adecuadamente, pueden surgir coqueras y una macroporosidad elevada (tamaños por encima de 50 nm), llegando a representar entre el 5 y el 20% de su volumen total. Al compactar el hormigón se pretende mejorar sus propiedades modificando su estructura y rebajando su porosidad, reduciéndolo, si es posible, a menos del 1%. El objetivo es comunicar al hormigón, a través de su compactación, la energía necesaria para facilitar el desplazamiento de las burbujas o huecos hacia su superficie. Al mismo tiempo, se busca bloquear la interconexión de poros, en la medida de lo posible. De esta forma se elimina la macroestructura porosa, las coqueras, se aumenta la densidad y mejorando la resistencia y la impermeabilidad se corrigen las irregularidades de distribución del hormigón. La excepción es la inclusión deliberada de aire en el hormigón, donde el aire está estabilizado y distribuido uniformemente.
La cantidad de aire atrapado guarda una estrecha relación con la trabajabilidad del hormigón, la cual se define como la propiedad que determina la facilidad y uniformidad con la que puede ser fabricado y colocado en la obra. Por ejemplo, el hormigón con una consistencia en cono de Abrams de 75 mm contiene aproximadamente un 5% de aire, mientras que aquel con un asentamiento de 25 mm puede contener alrededor del 20%. En consecuencia, el hormigón de baja consistencia requiere un mayor esfuerzo de compactación, ya sea prolongando el tiempo de compactación o utilizando más vibradores, en comparación con el hormigón de mayor asentamiento.
Es importante eliminar el aire atrapado, entre otras, por las siguientes razones:
El aire ocluido reduce la resistencia del hormigón (Figura 2). Por cada 1% de aire retenido, la resistencia disminuye entre un 4 y un 7%. Como resultado, un hormigón con, por ejemplo, un 3% de vacíos, será entre un 15% y un 20% menos resistente de lo esperado.
El aire atrapado aumenta la permeabilidad, lo que a su vez afecta la durabilidad del hormigón. Si el hormigón no es compacto ni impermeable, no resistirá la penetración del agua ni de líquidos menos agresivos. Además, cualquier superficie expuesta será más susceptible a los efectos de la intemperie, aumentando así el riesgo de que la humedad y el aire alcancen las armaduras, provocando su corrosión.
El aire ocluido aminora el contacto entre el hormigón y las armaduras, lo que afecta la adherencia necesaria y, por ende, la resistencia del elemento estructural.
El aire ocluido produce defectos visibles, como coqueras y alveolado en las superficies expuestas del hormigón.
Figura 2. Resistencia a compresión del hormigón en función del porcentaje de poros.
El hormigón compactado adecuadamente se caracterizará por su densidad, resistencia, durabilidad e impermeabilidad. Por el contrario, un hormigón mal compactado mostrará debilidad, escasa durabilidad, textura alveolar y porosidad; en resumen, será un producto de calidad inferior.
La compactación del hormigón puede llevarse a cabo mediante diversos métodos. Inicialmente, en los albores del siglo XX, se empleaban el picado y el apisonado como los primeros sistemas utilizados. Sin embargo, hacia la década de 1920, con la investigación de la relación entre la resistencia del hormigón y la proporción agua/cemento, surgieron métodos alternativos, entre los que se incluyó el uso del aire comprimido.
Más tarde, en 1927, el ingeniero francés Charles Rabut descubrió los efectos beneficiosos de la vibración sobre el hormigón. Desde entonces, tras la aparición de la primera patente de este sistema, se ha producido una mejora continua en su tecnología, convirtiéndolo en el método de compactación más ampliamente utilizado y eficaz.
Además de estos métodos principales, existen otras técnicas de compactación utilizadas en campos más específicos. Por ejemplo, la compactación por vacío y la centrifugación son sistemas prácticos y frecuentemente empleados en elementos de forma cilíndrica. Por otro lado, la compactación por percusión, como la mesa de sacudidas, se utiliza en algunas industrias y laboratorios, aunque su aplicación es más limitada.
El método de compactación a emplear dependerá de la consistencia del hormigón y se adaptará, en la medida de lo posible, a las condiciones particulares de cada caso, teniendo en cuenta factores como el tipo de elemento estructural.
Tal y como indica el Art. 52.2 del Código Estructural, la compactación del hormigón en obra se llevará a cabo utilizando métodos apropiados según la consistencia de las mezclas, con el objetivo de eliminar los huecos y lograr un cierre perfecto de la masa, evitando la segregación. Este proceso de compactación deberá continuar hasta que la pasta fluya hacia la superficie y ya no se libere aire. En la Tabla 1 se recomienda el tipo de compactación adecuado a la consistencia del hormigón
Tabla 1. Tipo de compactación en función de la consistencia del hormigón.
Consistencia
Tipo de compactación
Seca
Vibrado energético
Plástica
Vibrado normal
Blanda
Vibrado normal o picado con barra
Fluida
Picado con barra o vibrado ligero
Os dejo un vídeo de los métodos de compactación del hormigón.
Referencias:
ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.
CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.
GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.
MONTERO, E. (2006). Puesta en obra del hormigón. Exigencias básicas. Consejo General de la Arquitectura Técnica de España, Madrid, 750 pp.
Figura 1. Puente de A Illa de Arousa. Imagen: V. Yepes (2023).
Acaban de publicar un artículo en el International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. El estudio evalúa diferentes alternativas de diseño para un puente de hormigón situado cerca de la costa utilizando técnicas de toma de decisiones como TOPSIS, COPRAS y VIKOR, con un enfoque en la sostenibilidad y la evaluación del ciclo de vida. La investigación destaca que el hormigón con humo de sílice funciona mejor a lo largo de su ciclo de vida en comparación con otras soluciones que mejoran la durabilidad, como la modificación de la relación agua/cemento o el aumento del recubrimiento del hormigón. Esta adición puede mejorar significativamente la sostenibilidad al aumentar la durabilidad frente a los cloruros y reducir los requisitos de mantenimiento. El estudio destaca que las decisiones de diseño de infraestructuras deben tener en cuenta los impactos sociales junto con los factores económicos y ambientales, y que las diferentes alternativas de diseño muestran diferentes impactos sociales. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
La industria de la construcción es un sector crítico para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible. Sin embargo, las actividades de construcción y las propias infraestructuras producen impactos positivos y negativos. Ello provoca que el diseño de infraestructuras sea el centro de la investigación actual para encontrar la mejor manera de satisfacer las demandas de sostenibilidad de la sociedad. Aunque los métodos para evaluar el ciclo de vida económico, medioambiental y social de las infraestructuras son bien conocidos, el reto reside en combinar estas dimensiones en un indicador global que ayude a la toma de decisiones. Este estudio utiliza tres técnicas de toma de decisiones, a saber, TOPSIS, COPRAS y VIKOR, para evaluar cinco alternativas de diseño diferentes para un puente de hormigón expuesto a un entorno costero. Para mejorar la coherencia del proceso de toma de decisiones multicriterio, se aplica un enfoque basado en DEMATEL. Los resultados del estudio demuestran que el hormigón que contiene incluso pequeñas cantidades de humo de sílice se comporta mejor a lo largo de su ciclo de vida que otras soluciones habitualmente consideradas para aumentar la durabilidad, como la reducción de la relación agua/cemento o el aumento del recubrimiento de hormigón.
ABSTRACT:
The construction industry has recently been recognized as a critical sector in achieving the Sustainable Development Goals. However, construction activities and infrastructure have both beneficial and non-beneficial impacts, making infrastructure design the focus of current research in finding the best way to meet society’s demands for sustainability. Although methods for economic, environmental, and social life cycle assessments of infrastructures are well-known, the challenge lies in combining these dimensions into a comprehensive indicator that aids decision-making. This study uses three decision-making techniques, namely TOPSIS, COPRAS, and VIKOR, to evaluate five different design alternatives for a concrete bridge exposed to a coastal environment. To enhance the consistency of the multi-criteria decision-making process, a DEMATEL-based approach is applied. The study’s results demonstrate unanimously that concrete containing even small amounts of silica fume performs better over its life cycle than other solutions typically considered to increase durability, such as reducing the water/cement ratio or increasing concrete cover.
Figura 1. Vibrador eléctrico externo. https://beka.cl/ar26-vibrador-externo-wacker-neuson
La compactación del hormigón mediante vibración externa se lleva a cabo transmitiendo la vibración al hormigón a través del encofrado o molde que lo contiene. El propósito de expulsar burbujas para obtener la mayor compacidad posible en el hormigón. Se puede adaptar a propósito al dispositivo vibratorio incorporado. El vibrador externo contribuye a compactar de manera uniforme toda la masa de hormigón, garantizando un proceso completo en lugar de focalizarse únicamente en algunas áreas. Es especialmente eficaz en zonas de difícil acceso, como zonas densamente armadas, ya que la vibración se transmite a través de todo el encofrado de hormigón y, consecuentemente, al hormigón fresco en su totalidad.
Los vibradores adosados al encofrado son menos eficaces que los vibradores internos, ya que parte de la energía aplicada es absorbida por los moldes; sin embargo, resultan muy útiles para la compactación en ciertos elementos estructurales, como muros poco inclinados y columnas muy reforzadas, donde es difícil o imposible utilizar vibradores de inmersión. En tales situaciones, se utilizan pequeñas unidades portátiles que se aseguran de forma rígida al encofrado.
Su ámbito de aplicación más común es en la prefabricación, donde generalmente se utilizan hormigones de resistencias secas. Ante la vibración del encofrado, que debe ser principalmente metálico, la masa de hormigón responde en función de su granulometría y de la cantidad de agua presente. El mortero permite pequeños movimientos de acomodo de los agregados gruesos, pero limita los desplazamientos excesivos. Si la viscosidad del mortero no es la adecuada, existe el riesgo de segregación del agregado grueso. Al finalizar la acción del vibrado externo, aparece una capa brillante y húmeda sobre la superficie del hormigón.
Para llevar a cabo esta técnica de compactación, se emplean vibradores de encofrado que se fijan firmemente a soportes sólidos en el exterior del encofrado. Esto implica el uso de encofrados robustos, preferiblemente metálicos, y asegurados con abrazaderas o rigidizadores para evitar movimientos durante el proceso de vibración. En términos generales, una placa de acero con un espesor de 5 a 10 mm suele ser adecuada cuando se cuenta con una adecuada rigidización mediante nervios transversales. Estos vibradores se utilizan principalmente en prefabricados de gran tamaño con encofrados adecuadamente reforzados, y ocasionalmente en obras “in situ” en áreas donde los vibradores de inmersión no son viables o cuando el hormigón está demasiado seco. Para encofrados verticales, es aconsejable utilizar apoyos de neopreno u otros elastómeros para evitar la transmisión de vibraciones a la base o al terreno. Esto ayuda a prevenir la formación de aberturas en las juntas que podrían ocasionar pérdidas de lechada.
Generalmente, se utilizan para secciones de hormigón con un espesor que no excede los 30 cm. Cuando el espesor es mayor, se recomienda complementar la vibración en el encofrado con la utilización de vibradores internos, a menos que se trate de elementos prefabricados, donde a veces se han obtenido resultados satisfactorios para secciones de hasta 60 cm de espesor.
Figura 2. Disposición de vibradores externos de encofrado. https://web.icpa.org.ar/wp-content/uploads/2019/04/Compactacion-del-hormigon-jul2016.pdf
Tipos de vibradores externos de encofrado
Los vibradores externos de encofrado más comunes se dividen en dos tipos principales: rotatorios y de reciprocidad.
Vibradores rotatorios: son equipos que generan principalmente un movimiento armónico simple con componentes tanto en el plano del encofrado como ortogonal al mismo. Normalmente, operan con frecuencias entre 6.000 y 12.000 r.p.m. Al igual que los vibradores internos, pueden ser neumáticos, hidráulicos o eléctricos. En los dos primeros, la fuerza centrífuga se logra mediante el giro de una masa excéntrica, mientras que en los eléctricos, las masas excéntricas están ubicadas en cada uno de los árboles del motor.
Vibradores de reciprocidad: son equipos que operan mediante un pistón que se acelera en una dirección hasta detenerse al impactar contra una placa de acero, para luego ser acelerado en dirección opuesta. Por lo general, son de tipo neumático y su frecuencia oscila entre 1.000 y 5.000 r.p.m. Estos sistemas generan impulsos que actúan perpendicularmente al encofrado.
Los vibradores eléctricos externos ofrecen una alternativa fiable a los dispositivos de vibración neumática, abordando eficazmente dos desafíos principales en aplicaciones de encofrado de hormigón: el ruido y el consumo de energía.
Los vibradores neumáticos pueden generar un nivel de ruido considerable, alcanzando hasta 105 dB(A) incluso en condiciones de vacío. Esto implica que los usuarios deben tomar precauciones cuando el nivel de ruido en el lugar de trabajo excede los 90 dB(A). Por contra, los vibradores eléctricos mantienen su nivel de ruido constantemente por debajo de los 80 dB(A), eliminando la necesidad de tomar medidas adicionales.
Es importante considerar que cuando no hay operarios presentes cerca de los vibradores, la presión sonora se reduce en 3 dB(A) al duplicar la distancia a la fuente. Por lo tanto, una medición estándar de presión acústica de 105 dB(A) tomada a una distancia de 1 m sigue siendo lo suficientemente alta como para superar los 90 dB(A) en un radio de acción de 32 m.
El uso del encofrado conlleva un notable aumento en el nivel de ruido, especialmente al inicio del vertido del hormigón, donde se pueden alcanzar fácilmente los 120 dB(A). Este efecto también se observa en los vibradores eléctricos, aunque la diferencia inicial mínima es de al menos 15 dB(A). Sin embargo, es esencial recordar que los estándares establecidos por el R.D. 286/2006, de 10 de marzo, sobre la protección de la salud y seguridad de los trabajadores frente a los riesgos asociados con la exposición al ruido, se refieren al nivel diario equivalente. En consecuencia, es necesario evaluar el tiempo total de exposición del operario al ruido en lugar de simplemente considerar los niveles instantáneos medidos, limitando esta exposición a un máximo semanal. Por ejemplo, una exposición de 15 minutos diarios a un nivel de 120 dB(A) resultaría en un nivel de presión sonora equivalente de 105 dB(A). Esto implica que el nivel de 90 dB(A) se superaría en un radio de acción de 32 m.
En cuanto al consumo de energía de los equipos, aunque cada situación requiere un análisis individualizado, la realidad es que la relación entre la solución eléctrica y la neumática es de 1 a 20. Por lo tanto, el diferencial de costos entre ambas soluciones se amortiza en menos de un año en condiciones normales de trabajo. De hecho, el uso de un sistema de vibradores eléctricos se vuelve rentable en un plazo máximo de 5 años, gracias al ahorro de energía al cambiar de la solución neumática a la eléctrica. Los defensores de los vibradores neumáticos han argumentado a su favor, afirmando que estos pueden permanecer instalados en los moldes durante el curado con vapor, mientras que los eléctricos no. No obstante, los vibradores eléctricos actuales se diseñan para que puedan operar en atmósferas de vapor, eliminando la necesidad de desmontarlos durante el proceso de curado.
Consideraciones sobre los moldes
El diseño del molde no solo influye en la carga dinámica soportada por la acción de los vibradores, sino que también impacta en su durabilidad y eficiencia. Desde el punto de vista de la resistencia de los moldes, es crucial evitar que la frecuencia de excitación de los vibradores coincida con la frecuencia propia del molde, lo que ayuda a minimizar la carga dinámica inducida por la vibración en la estructura metálica.
La relación entre la frecuencia de los vibradores y la frecuencia propia del molde determina la amplificación dinámica experimentada por la estructura. La frecuencia de funcionamiento debe superar la frecuencia propia del molde, con una relación que exceda el valor de 3 para alcanzar factores de amplificación por debajo de 0,125. El límite inferior de esta frecuencia propia está determinado por la resistencia del molde.
Ubicación de los vibradores
Es esencial considerar que los puntos de anclaje de los vibradores en la estructura del molde deben coincidir con los rigidizadores, o sobre dispositivos especiales, evitando situarlos sobre la chapa del molde. De lo contrario, las tensiones localizadas que se pueden generar cerca del vibrador podrían provocar el colapso del encofrado. Por lo tanto, la disposición de los vibradores está determinada principalmente por la ubicación y distribución de los rigidizadores. Los vibradores se instalan con su eje perpendicular al eje de mayor inercia de los refuerzos del molde. En encofrados verticales, la distancia entre vibradores se encuentra comprendida entre 1,5 y 2,5 m. Además, al emplear vibradores eléctricos en encofrados de membrana, es importante tomar las precauciones necesarias para prevenir el sobrecalentamiento y el riesgo de incendio.
Selección de los vibradores
La selección de los vibradores implica considerar varios parámetros:
Amplitud: Influye en la compactación y no debe ser inferior a 0,04 mm.
Aceleración: La compactación efectiva del hormigón ocurre dentro del rango de 0,5 a 3 g; niveles superiores no mejoran el proceso. Está relacionada con la fuerza centrífuga generada por el vibrador.
Frecuencia: El alcance de la vibración es proporcional a la frecuencia.
Teóricamente, se deberían combinar estos tres parámetros para obtener una amplitud alta, una fuerza centrífuga elevada y una frecuencia entre 6.000 y 9.000 r.p.m. Sin embargo, en la práctica, es necesario encontrar un compromiso. Por ejemplo, dado que la amplitud es inversamente proporcional a la frecuencia, no conviene seleccionar vibradores con una frecuencia excesivamente alta, pues esto limitaría la amplitud.
Para abordar esta dificultad, existen equipos con una función de doble frecuencia. Este vibrador de masa móvil se conecta a través de un variador de velocidad electrónico, permitiendo alcanzar una frecuencia de 3.000 r.p.m., lo que implica una amplitud elevada que facilita el llenado de los moldes y su rápida compactación. Al activar el vibrador en sentido opuesto, el variador ajusta la frecuencia a 6.000 r.p.m., reduciendo así la amplitud. Este proceso de “revibrado” permite redistribuir los áridos más finos en el hormigón y mejorar la calidad superficial del producto final.
En el caso de vibradores externos para encofrados verticales, para hormigones de consistencia seca se prefuere una frecuencia inferior a 6.000 r.p.m., una amplitud mayor a 0,13 mm y una aceleración transmitida a los encofrados verticales de 1 a 2 g. En el caso de consistencia plástica, la frecuencia será mayor a 6.000 r.p.m., la amplitud menor a 0,13 mm y la aceleración de 3 a 5 g.
Consideraciones en el uso de vibradores externos de encofrado
Se destacan los siguientes puntos:
Se debe verificar que todas las juntas, tanto dentro como entre los tableros, estén bien ajustadas y selladas. El encofrado tiende a moverse más que cuando se utilizan atizadores, lo que podría permitir que la lechada se filtre por la más mínima de las aberturas.
Es importante asegurarse de que los vibradores estén firmemente sujetos o atornillados a los soportes y se supervisen constantemente durante su uso. De lo contrario, las vibraciones no se transmitirán completamente al encofrado y al hormigón.
El hormigón se deberá verter en pequeñas cantidades dentro de las secciones para lograr capas uniformes de aproximadamente 150 mm de espesor. Esto ayuda a evitar la incorporación de aire a medida que aumenta la carga.
Todos los accesorios deben estar bajo observación constante, preferiblemente atornillados en lugar de clavados, especialmente las tuercas de los pernos, que pueden aflojarse fácilmente debido a la vibración intensa. También se debe monitorear cualquier pérdida de lechada de hormigón y sellar las fugas siempre que sea posible.
Cuando sea posible, los 600 mm superiores del hormigón en un muro o una columna se compactarán utilizando un atizador; si esto no es factible, se compactará manualmente o mediante paleo hacia abajo sobre la cara del encofrado. Los vibradores externos pueden crear espacios entre el encofrado y el hormigón; mientras que en las capas inferiores estos espacios se cierran gracias al peso de las capas superiores de hormigón, en la última capa pueden permanecer abiertos, lo que podría deformar la superficie.
Os dejo a continuación un artículo sobre la prevención de daños por el uso de vibradores externos en piezas prefabricadas.
YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València. Ref. 477 (en prensa)
Figura 1. Hormigón precolocado. https://mvalarezo.files.wordpress.com/2014/01/fierro_valarezo.pdf
El hormigón precolocado, también llamado hormigón inyectado, o de “empaquetado previo”, es un procedimiento de construcción implica la disposición inicial de áridos gruesos en el encofrado o molde previsto y el posterior relleno de sus huecos. Para obtener un hormigón de calidad, es fundamental asegurar el completo relleno de todos los espacios, evitar la separación debido a la retracción del árido precolocado, prevenir la segregación y garantizar la retención adecuada de la humedad en la mezcla. Además, se requiere una fluidez óptima que evite obstrucciones en los conductos de inyección.
En la última etapa de la década de los cuarenta del siglo pasado, se alcanzó un hito significativo con la introducción de morteros de tipo coloidal, que lograron una dispersión efectiva de las partículas en la fase líquida y una estabilidad óptima tras la inyección. Estas suspensiones coloidales se lograban mediante métodos químicos, como en el caso de Prepakt, o bien, mediante procesos mecánicos, como los empleados en Colcrete o Colgrout.
En el procedimiento Colcrete, el mortero se sometía a un vigoroso batido en una máquina para laminarlo, evitando la formación de racimos de partículas de cemento y logrando una suspensión uniforme. Por otro lado, en el hormigón Prepakt, el mortero estaba compuesto por cinco elementos: cemento, arena, agua, un agente químico y un polvo mineral o fíller con características fisicoquímicas específicas. El agente químico se utilizaba en cantidades mínimas para conferir al mortero una suspensión coloidal altamente fluida, inducir una ligera incorporación de aire y reducir la retracción. El fíller, en proporciones variables entre el 30% y el 60%, reemplazaba al cemento y presentaba un alto contenido de sílice amorfa, la cual reaccionaba con la cal liberada durante el proceso de fraguado. Esta sustitución reducía la retracción y disminuía el desprendimiento de calor durante el fraguado, aunque también resultaba en una reducción de la resistencia inicial, mientras que la resistencia final permanecía inalterada. Además, incrementaba la resistencia a las aguas agresivas. La característica coloidal de la inyección facilitaba el hormigonado bajo el agua, sin ocasionar problemas de disolución apreciable.
El hormigón Prepakt exhibe una serie de características distintivas: presenta una resistencia final equiparable a la del hormigón convencional, al tiempo que permite un ahorro de cemento notable, oscilando entre el 30% y el 60%. Además, destaca por su elevada impermeabilidad y su mínima retracción endógena, llegando incluso a ser nula en algunos casos. Su retracción exógena es inferior al 50% de la convencional, y su menor contenido de cemento resulta en una disminución significativa del desprendimiento de calor durante el proceso de hidratación. Asimismo, exhibe una excelente adherencia tanto a superficies de hormigón antiguas como a rocas, y muestra una excelente resistencia a los ciclos de hielo y deshielo. En particular, demuestra una alta resistencia a las aguas agresivas, incluida el agua marina.
Durante la década de los 40 del siglo XX, el hormigón Prepakt fue empleado en las labores de reparación de los túneles-aliviaderos de la presa Hoover, en Estados Unidos. La experiencia acumulada en los años posteriores, especialmente en proyectos de presas, consolidó al Prepakt como material de elección para la construcción de estas estructuras, superando incluso su aplicación en obras marítimas. En España, durante la década de los 60, este hormigón fue utilizado en la presa bóveda de Matalavilla y en la presa de gravedad de Tiétar, específicamente en la inyección de las juntas.
A continuación, se describe el procedimiento constructivo de este tipo de hormigón inyectado. El árido grueso, exento de arena, se asienta, si es posible, generalmente mediante vibradores. A continuación, los espacios vacíos entre los áridos se rellena con una inyección de mortero de arena y cemento, de gran docilidad y plasticidad, que une los granos gruesos en contacto. Esta inyección se puede realizarse tanto en el aire como en el agua, siempre procediendo de abajo hacia arriba. Para ello, se instalan tubos entre los encofrados, los cuales se van retirando conforme la superficie de la inyección asciende. A medida que el mortero fluya hacia la superficie, se controlarán las posibles fugas para garantizar que toda la masa quede rellenada de manera uniforme con el mortero de inyección.
A medida que el mortero sube, desplaza al agua, quedando una clara línea de separación entre ambos, indicando que el primero no se diluye y que la mezcla se conserva sin variación alguna. La compacidad del árido grueso debe ser la mayor posible, y el mortero o papilla de inyección ha de tener unas características especiales de plasticidad para rellenar con facilidad todos los huecos. Para ello se prepara este mortero con fluidificantes. De esta manera, se logra un hormigón similar al convencional, pero mucho más compacto y con una retracción significativamente menor, aproximadamente la mitad.
El árido grueso, que se dispone antes del proceso, puede variar en tamaño desde los 6 hasta los 10 mm, o incluso más si es necesario. Ya sea de origen natural o producto de trituración, la textura y forma de sus componentes no afectan la facilidad de manipulación ni las propiedades finales. Esta disposición previa del árido genera un entramado rígido entre sus elementos, ya que se establece un contacto puntual entre ellos. Este entramado ayuda a evitar la retracción del hormigón una vez que el mortero lo envuelve. Además, el porcentaje de huecos en el árido es considerablemente menor que en el hormigón convencional, aunque el módulo de elasticidad es ligeramente mayor que el del convencional debido a que las propiedades del árido grueso tienen mayor efecto en el hormigón precolocado.
Inicialmente, se empezó a utilizar en las reparaciones de estructuras de hormigón debido a su extraordinaria capacidad de adherencia con hormigones más antiguos, así como donde se precisa un hormigón con baja retracción. Conforme se fueron destacando sus cualidades, su aplicación se amplió a nuevas construcciones, particularmente en pilares de puentes, túneles y diques marítimos. Asimismo, también se han usado en estructuras muy armadas por sismo u otras razones.
Este método es especialmente útil en situaciones donde el acceso al área encofrada es complicado, en lugares donde hay corrientes de agua fuertes que atraviesan la zona de vertido del hormigón, o en trabajos sujetos a la acción de las olas, donde el uso de métodos tradicionales de hormigonado bajo el agua está prohibido. Otros trabajos donde se usa es el recalce de cimentaciones o el relleno de cavidades de cimentación, que son poco comunes en la construcción convencional.
Para la inyección del mortero, se emplean tuberías que se insertan en la masa de árido grueso. Normalmente, tienen un diámetro de 20 a 30 mm para el hormigón estructural y de hasta 40 mm para el hormigón en masa. Estas tuberías deben colocarse verticalmente dentro de los 150 mm desde la base de la masa de árido, aunque también pueden insertarse horizontalmente a través del encofrado en distintos niveles.
Es una técnica delicada, por lo que es conveniente emplear procedimientos ya experimentados. En cualquier caso, requiere de mano de obra altamente especializada, especialmente dado que en muchas ocasiones resulta imposible inspeccionar el trabajo.
Una descripción con mayor detalle del hormigón precolocado se puede encontrar en la norma ACI 304.
Os dejo un artículo que creo os puede resultar de interés.
ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.
CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.
GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.
Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, revista indexada en el primer decil del JCR. El documento explora el diseño de estructuras modulares prefabricadas sostenibles utilizando la optimización multiobjetivo (MOO) y la toma de decisión multicriterio (MCDM) con algoritmos avanzados como NSGA-II, NSGA-III y RVEA. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
