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Hacia la sostenibilidad en la obra civil con soluciones prefabricadas de hormigón (I)

UNA PRIMERA APROXIMACIÓN HACIA LA SOSTENIBILIDAD EN LA OBRA CIVIL CON SOLUCIONES PREFABRICADAS DE HORMIGÓN (I)

Alejandro López-Vidal (ANDECE) y Víctor Yepes (Universitat Politècnica de València)

Introducción

Figura 1.- Ciclo de vida que ilustra el proceso complete de la construcción mediante el empleo de elementos Prefabricados de hormigón
Figura 1.- Ciclo de vida que ilustra el proceso completo de la construcción mediante el empleo de elementos prefabricados de hormigón

La mayoría de avances alcanzados relacionados con los métodos estandarizados para cuantificar la sostenibilidad de la construcción, están fundamentalmente enfocados a la edificación más que a las infraestructuras, especialmente en su variante residencial. El impacto global de la edificación residencial es el mayor de todos, pues implica a los tres ejes de la sostenibilidad: medioambiental (emisiones de gases de efecto invernadero, derivados de los consumos de calefacción y/o refrigeración para lograr unas condiciones interiores confortables), social (la vivienda es una primera necesidad para las personas) y económico (suele representar el mayor gasto que afronta una persona a lo largo de su vida).

Mientras tanto, la obra civil no ha evolucionado igualmente en esta materia. Aunque generalmente se trata de construcciones de mayor envergadura, los impactos sobre la sostenibilidad son mucho más difusos y no tienen una repercusión tan directa sobre la vida diaria de los ciudadanos.

Por estas razones, puede explicarse que los métodos de evaluación de la sostenibilidad para la obra civil no estén tan desarrollados como los existentes en la edificación, incluso con cierta dificultad para encontrar referencias sobre este campo. Esto puede implicar de alguna forma un obstáculo para la promoción técnica de los elementos prefabricados de hormigón, en un área que suele estar dominado por ingenieros que, en general, saben apreciar mejor las ventajas funcionales que esta metodología constructiva ofrece con respecto a otras.

Este artículo pretende describir las fortalezas que la construcción con prefabricados de hormigón tendrá en el inminente marco reglamentario sobre la sostenibilidad en la obra civil, como vía para mejorar sus posibilidades y lograr una mayor cuota de mercado. También se analizarán algunos de los indicadores de la sostenibilidad que ya aparecen en los borradores de normas actuales.

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La razón de la sostenibilidad

Los conceptos de sostenibilidad y desarrollo sostenible se mencionan en casi cualquier actividad que esté relacionada con el uso de recursos, consumo de energía o el ambiente exterior. Pero ninguno de ellos son términos nuevos, habiendo evolucionado notablemente en las últimas décadas hasta el punto de tener una enorme importancia en muchas decisiones que se toman actualmente, especialmente en aquellos países o economías más avanzadas en las que existe una creciente preocupación por las consecuencias del cambio climático, la escasez de energía o el crecimiento demográfico.

La construcción tiene una tremenda influencia analizada desde los puntos de vista económicos (por su peso en el PIB), sociales (como generador de empleos, o como medio para resolver algunas necesidades básicas como la vivienda, o la creación de infraestructuras) y medioambiental (uso de recursos naturales, energía, o posibles daños al ambiente).

Las administraciones públicas son cada vez más conscientes acerca de que el modelo actual y reciente de construir puede (y debe) mejorar mucho:

  • Gases de efecto invernadero: ↓ 30 – 40%
  • Consumo de agua: ↓ 12 – 20%
  • Consumo de energía primaria: ↓ 35 – 40%
  • Consumo de materias primas: ↓ 30 – 40%
  • Ocupación del suelo: ↓ 20%

Es evidente que construyendo de forma más ecológica se conseguirá una notable reducción del impacto para lograr los objetivos marcados por los gobiernos y la sociedad en su conjunto. Sin embargo, la mayoría de los criterios calificados como sostenibles en la construcción no son nuevos, siendo muchos de ellos ya utilizados desde el pasado cuando seguramente se hacía un consumo más responsable de los recursos disponibles, bien porque no había otra posibilidad o bien porque no existía esa cultura que ha llevado a ciertos excesos arquitectónicos tan habituales en tiempos recientes.

Hay que remarcar igualmente que el enfoque sostenible puede correr cierto riesgo de ser malinterpretado, si se utiliza de manera desproporcionada. Vivimos una época en la que muchos productos de construcción son presentados directamente como el adalid de la sostenibilidad, algo que conlleva a pensar que debería realizarse un uso más moderado del término. Debemos ser muy cautos con la interpretación del término, así como con todo aquello que se nos presente como sostenible, debiendo ponerse siempre en el contexto adecuado. Es el caso, por ejemplo, de la madera que se presenta (casi) siempre como el material de construcción más sostenible, sin tener en consideración ningún otro factor como el marco climático, social, económico e incluso cultural del lugar donde se emplee, lo que provoca escepticismo en muchas ocasiones acerca de la validez del propio concepto.

Métodos de evaluación de la sostenibilidad

Existen ya un buen número de metodologías para evaluar cuánto tiene de sostenible un edificio o una infraestructura. Éstas pueden clasificarse como metodologías privadas o bajo procedimientos normalizados. Respecto a los sistemas privados de certificación, deben destacarse BREEAM [1] que fue el primer método de evaluación de la sostenibilidad de los edificios, desarrollado en el Reino Unido en 1990 por el Building Research Institute; y la herramienta LEED [2], desarrollada en 1996 y operada por el U.S. Green Building Council. Ambos sistemas de certificacion están expandidos a nivel mundial. Otros sistemas conocidos son el SBTool (Canada), HQE (Francia) o el DGNB (Alemania). Un aspecto común a todos ellos es que están orientados a edificación.

Respecto a modelos de evaluación de la sostenibilidad de infraestructuras, pueden destacarse los programas CEEQUAL y SUNRA.

La reciente proliferación de este tipo de procedimientos provoca cierta dificultad en realizar comparaciones comprensibles entre distintos programas, e incluso entre una construcción ecológica frente a la tradicional. Para hacer frente a esta gran cantidad de métodos de cuantificación de la sostenibilidad, las dos principales organizaciones mundiales de normalización, CEN (Europa) e ISO (Internacional) han comenzado a desarrollar sus propias normas. En el caso de ISO, los comités que tratan con aspectos de construcción sostenible son los TC207, ISO TC59 SC17 e ISO TC71SC8. En cuanto a CEN, se hace a través del comité TC 350, dividido en seis grupos de trabajo siendo el WG6 el dedicado a la obra civil

Los métodos de evaluación de la sostenibilidad en los tres ejes – medioambiental, social y económico – de las obras de ingeniería civil establecidos en las normas tienen en cuenta los aspectos de comportamiento y los impactos para que puedan ser cuantificados, sin lugar a interpretaciones subjetivas y conducentes a resultados claros de cada indicador que se evalúe.

Las normas ISO 21931-2 [3] y EN 15643-5 [4] son las que establecen el marco que definen los métodos de evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras. Ambas normas se encuentran todavía en fase de análisis, por lo que aún habrá que esperar 1 o 2 años hasta su aprobación.

En lo que se refiere a nivel de productos o elementos constructivos, se deben destacar las normas ISO 21930 [5] y EN 15804 [6]. Ambas normas presentan un esquema similar. Las dos proporcionan las reglas de categoría de producto (acrónimo en inglés, PCR) básicas para llevar a cabo las declaraciones ambientales (acrónimo en inglés, EPD) o etiquetas Tipo III de cualquier producto o servicio de construcción, definiendo los parámetros a declarar y la forma en que se recopilan y se consignan en los informes, las etapas del ciclo de vida de un producto que hay que considerar, o las reglas para el desarrollo de escenarios. Estas normas establecen la base para estimar los valores que corresponden a más de 20 indicadores ambientales, los cuales pueden organizarse en tres categorías:

  • Indicadores de impacto ambiental: potencial de calentamiento global; potencial de agotamiento de la capa de ozono estratosférica; potencial de acidificación de tierra y agua; etc.
  • Indicadores de uso de recursos: uso de energía primaria renovable; uso de energía primaria no renovable, uso neto de agua corriente; etc.
  • Indicadores que describen categorías de residuos: residuos peligrosos y no peligrosos vertidos; residuos radiactivos vertidos; etc.

En este sentido, hay que aclarar que la evaluación del comportamiento social y económico a nivel de producto todavía no está cubierta en las normas, al menos a nivel europeo.

Y de manera más particular, debe destacarse el hecho importante de que el Comité Europeo de Normalización para los productos prefabricados de hormigón, el CEN/TC 229, acaba recientemente de iniciar los trabajos que llevarán a definir una norma específica que establezca las reglas de categoría de producto para la emisión de declaraciones ambientales de producto tipo III para tales productos prefabricados.

Debe también remarcarse otro hecho significativo. Frente a la estrategia seguida por la mayoría de materiales de construcción que sólo declaran los parámetros medioambientales hasta el final del proceso productivo sin tener en cuenta los impactos del resto del ciclo de vida, lo que se conoce como de “cuna a puerta”, las declaraciones ambientales de los productos prefabricados de hormigón se basarán en el ciclo completo, es decir, la opción denominada “de cuna a tumba”, permitiendo que todos los consumidores conozcan todos los impactos obtenidos en el ciclo de vida total, incluso hasta la fase de demolición o deconstrucción de la obra, o la posible reutilización de elementos en otra construcción en el futuro.

Referencias

[1] BREEAM, Building Research Establishment Environmental Assessment

[2] LEED, Leadership in Energy and Environmental Design

[3] Draft ISO 21931-2 Sustainability in building construction — Framework for methods of assessment of the sustainability performance of construction works. Part 2: Civil Engineering Works

[4] Draft EN 15643-5 Sustainability of construction works – Sustainability assessment of buildings and civil engineering works – part 5: framework on specific principles and requirement for civil engineering works

[5] ISO 21930:2007 Sustainability in building construction – Environmental declaration of building products

[6] UNE-EN 15804:2012+A1:2014  Sostenibilidad en la construcción. Declaraciones ambientales de producto. Reglas de categoría de producto básicas para productos de construcción.

Sobre los autores:

Alejandro López-Vidal. Nacido en 1978. Ingeniero Industrial por la Universidad de León. Ha desempeñado diversos cargos en ANDECE (Asociación Española de la Industria del Prefabricado de Hormigón) desde 2008, pasando a ocupar el puesto de Director Técnico en 2013. Es miembro de varias organizaciones relacionadas con la industria del prefabricado de hormigón, como son las Comisiones Técnica y Medioambiental de BIBM, o siendo el delegado español en el Comité de Normalización Europeo CEN/TC 229. Es Coordinador del Primer Máster Internacional sobre Construcción con Prefabricados de Hormigón en lengua hispana. Como aspectos interesantes relativos a la construcción sostenible, es secretario técnico del comité espejo español del CEN/TC 350 para los temas de sostenibilidad en la edificación, y colabora actualmente con el Grupo de Trabajo 6.15 de la FIB que está desarrollando un nuevo documento sobre la sostenibilidad de las estructuras prefabricadas.

Víctor Yepes. Nacido en 1964. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático Acreditado por ANECA y Profesor Titular en la Universitat Politècnica de València. Actualmente está implicado en varios proyectos de investigación relacionados con la optimización y la evaluación del ciclo de vida de las estructuras de hormigón. Imparte clases sobre métodos de construcción, innovación y gestión de la calidad. Es además director del Máster en Ingeniería del Hormigón. También es investigador senior en el Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y dirige el Proyecto de investigación BRIDLIFE: “Toma de decisiones en la gestión del ciclo de vida de puentes pretensados en términos de eficiencia social y medioambiental, bajo presupuestos ajustados”.

Evolución histórica de los materiales

Puente de lianas. https://www.pxfuel.com/es/search?q=bamb%C3%BA-+planta&page=68

La ingeniería civil no podría entenderse sin su relación con los materiales de construcción. Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades ha estado relacionada con la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Los materiales de construcción han  servido al hombre para mejorar su calidad de vida o simplemente para subsistir, y junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su condición. Los prehistoriadores han encontrado útil clasificar las primeras civilizaciones a partir de algunos materiales usados: Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad de Bronce, Edad del Hierro. Esta última secuencia parece universal en todas las áreas, ya el uso del hierro requiere una tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a su vez requiere mayor tecnificación que el uso de la piedra.  A lo largo de la historia se han ido empleando distintos materiales en su construcción, evolucionando estos hasta la utilización actualmente de materiales compuestos formados por fibras de materiales muy resistentes. Madera, piedra, hierro, hormigón, ladrillo y aluminio han sido los materiales utilizados con más frecuencia en la construcción de todo tipo de estructuras. Actualmente se prueban nuevos materiales para construir puentes con mayor resistencia específica que el acero. Son los denominados materiales compuestos, formados por fibras unidas con una matriz de resina y que se vienen utilizando desde hace años en diversos tipos de industrias (aeroespacial, aeronáutica, automóvil, etc.).

En la tabla que os dejo a continuación, tomada de Milliarium, tenéis un pequeño cuadro cronológico de los materiales que se han utilizado en el caso de los puentes.

Cronología de los materiales en la construcción de puentes
COMPRESIÓN FLEXIÓN TRACCIÓN
Prehistoria Arcilla
(tapial, adobe, ladrillo)		 Madera Cuerdas
Historia clásica Piedra Madera Madera
Grapas metálicas
Siglo XIX Fundición Madera Cadenas de hierro
Primera mitad siglo XX Hormigón en masa
Acero laminado		 Hormigón armado
Acero laminado		 Cables de acero
Segunda mitad siglo XX Hormigones especiales
Acero laminado		 Maderas laminadas
Hormigón pretensado
Acero laminado
Aleaciones ligeras		 Cables de acero de alta resistencia, alto límite elástico y baja relajación

Sin embargo, la adopción de un nuevo material no ha supuesto un cambio inmediato y drástico en el diseño y concepción de las estructuras. A modo de ejemplo, cuando se utilizó por primera vez el hierro como material estructural en un puente en 1779, sobre el río Severn en Coalbrookdale (Inglaterra), su diseñador, Abraham Darby adoptó el mismo esquema estructural que los puentes de piedra.

Puente de Coalbrookdale, sobre el río Severn (Inglaterra)

El tema es, como veis, muy extenso como para explicarlo en un solo artículo. Por ello creo que lo mejor es que veamos un Polimedia del profesor David García Sanoguera donde nos explica dicha evolución histórica. Espero que os guste.

La optimización de estructuras

¿Cuándo empieza realmente la optimización de las estructuras? Difícil pregunta a resolver. Si bien los aspectos básicos relacionados con la optimización matemática se establecieron en los siglos XVIII y XIX con los trabajos de Lagrange o Euler, hay que esperar hasta los años 40 del siglo XX para que Kantorovich y Dantzing desarrollaran definitivamente los principios de la programación matemática.  Es a partir de la revolución informática de los años 70 cuando estas herramientas empiezan a ser empleadas habitualmente en numerosas aplicaciones en las ciencias, las ingenierías y los negocios. Sin embargo, el progreso de técnicas de optimización que no requieran derivadas y que se generen a través de reglas heurísticas, ha supuesto una auténtica revolución en el campo de la optimización de los problemas reales. En efecto, los métodos aproximados pueden utilizarse allí donde el elevado número de variables en juego impiden la resolución en un tiempo de cálculo razonable de los problemas mediante la programación matemática. A estos algoritmos de optimización aproximada, cuando su uso no está restringido a un solo tipo de problemas, la comunidad científica en el ámbito de la inteligencia artificial y la investigación operativa les ha dado el nombre de metaheurísticas. Este grupo incluye una amplia variedad de procedimientos inspirados en algunos fenómenos naturales, tales como los algoritmos genéticos, el recocido simulado o la optimización por colonias de hormigas . Liao et al. [1] presentan una revisión de la aplicación de los métodos heurísticos en el campo de la gestión del proyecto y de la construcción.

En relación con la optimización de las estructuras, si bien la información más antigua se remonta al siglo XV con los trabajos de Leonardo da Vinci y de Galileo Galilei sobre la disminución del peso de estructuras de madera, hay que esperar al siglo XIX con Maxwell y Levy, y a comienzos del siglo XX con Mitchell, para ver las primeras aportaciones en el diseño de mínimo peso de estructuras de arcos y cerchas metálicas. En 1994, Cohn y Dinovitzer [2] realizaron una amplia revisión de los métodos empleados en la optimización de estructuras, comprobando que la inmensa mayoría de las investigaciones llevadas a cabo hasta entonces se basaban en la programación matemática y en problemas más bien teóricos, con una preponderancia abrumadora de las estructuras metálicas frente a las estructuras de hormigón. Así, la aplicación de métodos heurísticos a la ingeniería estructural se remonta a los años 70 y 80 [3-5], siendo la computación evolutiva, y en especial los algoritmos genéticos, los métodos que más se han utilizado. La revisión de Kicinger et al. [6] proporciona un completo estado del arte de los métodos evolutivos aplicados al diseño estructural. Por otro lado, nuestro grupo de investigación, a través de su proyecto de investigación HORSOST, y más recientemente con el proyecto BRIDLIFE, ha presentado trabajos recientes de diseño automático y optimización de estructuras de hormigón armado con algoritmos genéticos [7] y con otras técnicas heurísticas [8-13], así como trabajos de optimización con hormigón pretensado [14,15] o de la optimización de las infraestructuras lineales [16].

Os dejo a continuación un vídeo tutorial donde se realiza una pequeña introducción al diseño optimización estructural. Espero que os sea de interés. Por cierto, si alguien se anima a hacer su tesis doctoral con nuestro grupo de investigación, será bien recibido.

Referencias:

[1] T.W. Liao, P.J. Egbelu, B.R. Sarker, S.S. Leu, Metaheuristics for project and construction management – A state-of-the-art review, Automation in Construction 20 (2011) 491-505.

[2] M.Z. Cohn, A.S. Dinovitzer, Application of structural optimization, ASCE Journal of Structural Engineering 120 (1994) 617-649.

[3] A. Hoeffler, U. Leysner, J. Weidermann, Optimization of the layout of trusses combining strategies based on Mitchel’s theorem and on biological principles of evolution, Proceedings of the Second Symposium on Structural Optimization (1973).

[4] M. Lawo, G. Thierauf, Optimal design for dynamic stochastic loading: a solution by random search, en: Optimization in structural design, University of Siegen, 1982, pp. 346-352.

[5] D.E. Goldberg, M.P. Samtani, Engineering optimization via genetic algorithms, Proceedings of the Ninth Conference on Electronic Computation ASCE (1986) 471-482.

[6] R. Kicinger, T. Arciszewski, K. De Jong, Evolutionary computation and structural design: A survey of the state-of-the-art, Computers & Structures 83 (2005) 1943-1978.

[7] F.J. Martinez, F. González-Vidosa, A. Hospitaler, V. Yepes, Heuristic optimization of RC bridge piers with rectangular hollow sections, Computers & Structures 88 (2010) 375-386.

[8] I. Paya-Zaforteza, V. Yepes, F. González-Vidosa, A. Hospitaler, On the Weibull cost estimation of building frames designed by simulated annealing, Meccanica 45 (2010) 693-704.

[9] V. Yepes, F. González-Vidosa, J. Alcala, P. Villalba, CO2-Optimization design of reinforced concrete retaining walls based on a VNS-Threshold acceptance strategy, Journal of Computing in Civil Engineering ASCE 26 (2012) 378-386.

[10] C. Perea, V. Yepes, J. Alcala, A. Hospitaler, F. González-Vidosa, A parametric study of optimum road frame bridges by threshold acceptance, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences 17 (2010) 427-437.

[11] A. Carbonell, V. Yepes, F. González-Vidosa, Búsqueda exhaustiva por entornos aplicada al diseño económico de bóvedas de hormigón armado, Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería 27 (2011) 227-235.

[12] A. Carbonell, F. González-Vidosa, V. Yepes, Design of reinforced concrete road vaults by heuristic optimization, Advances in Engineering Software 42 (2011) 151-159.

[13] T. García-Segura, V. Yepes, J.V. Martí, J. Alcalá,  Optimization of concrete I-beams using a new hybrid glowworm swarm algorithm. Latin American Journal of Solids and Structures, 11(7) (2014) 1190 – 1205.

[14] J.V. Martí, F. González-Vidosa, Design of prestressed concrete precast pedestrian bridges by heuristic optimization, Advances in Engineering Software 41 (2010) 916-922.

[15] J.V. Martí, F. González-Vidosa, V. Yepes, J. Alcalá, Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing, Engineering Structures 48 (2013) 342-352.

[16] C. Torres-Machí, A. Chamorro, C. Videla, E. Pellicer, V. Yepes. An interative approach for the optimization of pavement maintenance mangement at the network level, The Scientific World Journal ID 524329 (2014).

[17] T. García-Segura, V. Yepes, J. Alcalá, E. Pérez-López. Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures 92 (2015) 112-122.

[18] J.V. Martí, V. Yepes, F. González-Vidosa. Memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering ASCE 141(2) (2015) 04014114.

[19] V. Yepes, J.V. Martí, T. García-Segura. Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction 49 (2015) 123-134.

[20] V. Yepes, T. García-Segura, J.M. Moreno-Jiménez. A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4) (2015) 1024-1036.

[21] A. Luz, V. Yepes, F. González-Vidosa, J.V. Martí. Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica. Informes de la Construcción, 67(540) (2015), e114.

[22] T. García-Segura, V. Yepes, J. Alcalá, E. Pérez-López. Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92 (2015) 112-122.

[23] J.V. Martí, T. García-Segura, V. Yepes. Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy. Journal of Cleaner Production, 120 (2016) 231-240.

 

¿Cuánto CO2 se emite cuando empleamos hormigón?

Cementera, http://www.coinref.com/
Cementera, http://www.coinref.com/

Una de las mayores preocupaciones actuales es el calentamiento del planeta debido a la emisión desmesurada de gases de efecto invernadero, entre los cuales se encuentra el CO₂. Siempre se ha dicho que la construcción es uno de los sectores que más influye en dicho cambio climático, fundamentalmente porque la fabricación de cemento Portland provoca una emisión considerable de CO₂, que llega a ser el 5 % del balance total de emisiones mundiales. De hecho, determinados informes advierten de que la industria de la construcción, en su conjunto, podría ser responsable de generar entre el 40 y el 50 % de todos los gases de efecto invernadero.

En resumen, fabricar una tonelada de cemento Portland implica la emisión de una tonelada de CO₂. Sin embargo, el uso de cementos con adiciones puede reducir drásticamente este tipo de emisiones, incluso hasta en un 40 %.

Sin embargo, no siempre tenemos en cuenta todos los factores que entran en juego. Recientemente, nuestro grupo de investigación realizó un ejercicio de análisis del ciclo de vida completo del hormigón empleado en la fabricación de un elemento estructural sencillo, como puede ser una columna de hormigón armado (García-Segura et al., 2014). Algunos resultados son muy interesantes, especialmente los relacionados con los cementos con adiciones, la carbonatación y la reutilización del material al terminar su vida útil.

Efectivamente, de todos es conocido el fenómeno de la carbonatación, por la cual el hormigón captura CO₂ y pierde la alcalinidad que protege de la corrosión a las armaduras, acortando, por tanto, la vida útil de la estructura. Aunque el fenómeno es perverso, también es cierto que dicha carbonatación supone un sumidero de gases de efecto invernadero. La cuantificación de este efecto, más la carbonatación última, que puede tener lugar al final del ciclo de vida de las estructuras, si usamos el hormigón, por ejemplo como árido machacado de relleno, puede hacer que el balance de CO₂ completo sea diferente al que estamos acostumbrados.

Carbonatación del hormigón, que al bajar el pH del hormigón, puede llevar a la corrosión de la armadura

Los cementos con adiciones utilizan ciertos subproductos de desecho para reemplazar el cemento Portland, el principal contribuyente a las emisiones de CO₂ en la fabricación de hormigón. El objetivo de este estudio es determinar si la reducción de la durabilidad y la reducción de la carbonatación de los hormigones con cementos con adiciones compensan las menores emisiones en su producción. Este estudio evalúa las emisiones y la captura de CO₂ en una columna de hormigón armado durante su vida útil y después de su demolición y reutilización como grava de relleno. El deterioro del hormigón debido a la carbonatación y la inevitable corrosión de las armaduras, terminan con la vida útil de la estructura. Sin embargo, la carbonatación continúa incluso después de la demolición, debido a la mayor superficie expuesta del material reciclado. Los resultados indican que los hormigones fabricados con cemento Portland, con adiciones de cenizas volantes silíceas (35% FA) y con escoria siderúrgica granulada de alto horno (80% BFS), capturan un 47, 41 y 20%, respectivamente, de las emisiones de CO₂. La vida de servicio de cementos con altas cantidades de adiciones, como CEM III/A (50 % BFS), CEM III/B (80 % BFS), y CEM II/BV (35 % FA), es aproximadamente un 10 % más corta, debido al mayor coeficiente de velocidad de carbonatación. En comparación con el cemento Portland, y a pesar de una menor captura de CO₂ y de vida útil, el CEM III/B emite un 20 % menos de CO₂ al año. Se concluye que la adición de FA al cemento Portland, en lugar de BFS, conduce a menores emisiones, pues FA necesita menos procesamiento después de ser recogido, y las distancias de transporte son generalmente más cortas. Sin embargo, las mayores reducciones se lograron usando BFS, debido a que se puede reemplazar una cantidad mayor de cemento. Los cementos con adiciones emiten menos CO₂ al año durante el ciclo de vida de una estructura, a pesar de que dicha adición reduce notablemente la vida útil. Si el hormigón se recicla como grava en relleno, la carbonatación puede reducir las emisiones de CO₂ a la mitad. El caso estudiado demuestra cómo se pueden utilizar los resultados obtenidos.

Os dejo a continuación los resultados, en tablas, de dicho balance aplicados a distintos tipos de cementos, con más o menos adiciones. Podréis comprobar que se ha analizado el ciclo completo, desde la producción (incluido el transporte), la construcción, el uso, la demolición y tras la demolición. En el artículo de referencia tenéis los detalles del estudio.

Resultados interesantes:

  • La vida de servicio de cementos con altas cantidades de adiciones, como CEM III/A (50 % BFS), CEM III/B (80 % BFS), y CEM II/BV (35 % FA), es aproximadamente un 10 % más corta, debido al mayor coeficiente de velocidad de carbonatación.
  • CEM III/B emite un 20% menos de CO₂ anual que el CEM Portland, a pesar de que tiene una vida útil menor y que recarbonata mucho menos. En valores de emisiones absolutas, CEM III/B emite un 28% menos que el CEM Portland. También es verdad que este cemento se recomienda en para hormigón en masa y armado de grandes volúmenes, como presas de hormigón vibrado o cimentaciones de hormigón armado. No es utilizable para hormigón de alta resistencia, hormigón prefabricado u hormigón pretensado.
  • Si el hormigón se recicla como grava en relleno, la carbonatación puede reducir las emisiones de CO₂ a la mitad.

De todos modos, no todos los tipos de cementos sirven para cualquier cosa. Os dejo estos enlaces que creo os serán útiles:

 

Referencias:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2014). Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1):3-12. DOI 10.1007/s11367-013-0614-0 (link)

Tesis doctoral: Modelos predictivos de las características prestacionales de hormigones fabricados en condiciones industriales

2016-06-03 11.35.53Ayer 3 de junio de 2016 tuvo lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Ferran Navarro Ferrer denominada “Modelos predictivos de las características prestacionales de hormigones fabricados en condiciones industriales”, dirigida por  Víctor Yepes Piqueras. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente Cum Laude» por unanimidad. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.

Resumen:

En la actualidad el hormigón es el material más empleado en la construcción debido a su moldeabilidad, a su capacidad de resistir esfuerzos de compresión y a su economía. Las prestaciones del hormigón dependen de su composición, de las condiciones de curado y del método y condiciones de mezclado. Las especificaciones básicas del hormigón demandadas por el peticionario al fabricante son la resistencia a compresión y la consistencia, que indica la trabajabilidad del mismo. Esta tesis es una contribución al conocimiento y la investigación de la influencia de diferentes parámetros en la resistencia a compresión y la consistencia del hormigón fabricado en condiciones industriales y la elaboración de modelos predictivos de dichas características prestacionales.

La mayor parte de los hormigones que se emplean en construcción se fabrican en centrales de hormigón preparado o en centrales de obra, y se corresponden con hormigones de resistencia entre 25 y 30 N=mm2, consistencia blanda o fluida, colocación mediante vertido o bombeo y compactación mediante vibración. Las condiciones de producción de hormigones en planta se ven afectadas por los condicionantes del proceso industrial y del negocio en sí, siendo controlada la cantidad de agua existente en la mezcla indirectamente.

2016-06-02 18.45.05En este trabajo se presenta una extensa base de datos construida con miles de resultados de ensayos de resistencia a compresión y consistencia realizados sobre hormigones fabricados en la misma planta y con diferentes dosificaciones, tipos de cemento y aditivos. Se tienen en consideración otros aspectos como la inclusión de fibras, la temperatura ambiente y del hormigón o la hora de realización de las probetas. Se crea una segunda base de datos de ensayos realizados en un periodo de tiempo corto con el mismo cemento y aditivo y teniendo en cuenta la relación agua/cemento exacta. Además, se ha realizado la conveniente caracterización de los materiales constituyentes de los hormigones ensayados.

Para analizar la influencia de los diferentes parámetros y factores tecnológicos y ambientales en la resistencia a compresión, en la evolución de la misma con el tiempo y en la consistencia del hormigón, se ha utilizado primeramente estadística clásica, concretamente análisis de regresión lineal múltiple, análisis de varianza (ANOVA) y análisis multivariante. También se ha verificado el ajuste de los datos experimentales a modelos existentes en la bibliografía y a nuevos modelos de comportamiento propuestos.

Finalmente se han elaborado redes neuronales artificiales para predecir la resistencia a compresión o la consistencia de un hormigón en función de diversas variables de entrada, al igual que para la obtención de modelos de comportamiento. Los resultados obtenidos mediante la aplicación de redes neuronales artificiales han sido más eficientes y mejores que los obtenidos mediante métodos estadísticos.

 

 

ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón)

2013-05-03 09.20.32

El Instituto ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón) es un centro de investigación de la Universidad Politécnica de Valencia creado en 2005 que agrupa a profesores e investigadores cuya actividad investigadora se centra en el hormigón. Actualmente, el instituto está formado por 63 miembros, de los cuales 32 son profesores, 14 son investigadores contratados y el resto son personal técnico de apoyo a la investigación y de administración.

El Instituto se dedica a la investigación del hormigón desde las perspectivas de los materiales constituyentes y de las estructuras, abordando una amplia gama de aspectos como el proceso de fabricación, el comportamiento físico-químico, mecánico o medioambiental, la sostenibilidad y el comportamiento, el diseño, la construcción y el mantenimiento de las estructuras.

Los objetivos son fomentar y promover la investigación de calidad mediante la realización de proyectos de I+D, potenciar la investigación aplicada y la transferencia de tecnología y conocimiento a empresas afines, así como fomentar la participación de socios industriales.

Las instalaciones de ICITECH se ubican en un nuevo edificio que alberga una gran losa de carga de 500 m², junto con un muro de reacción horizontal en L de 14 x 6 m y 13 m de altura, con puntos de anclaje tanto en la losa como en el muro de 500 kN situados a un metro de distancia entre sus ejes. Además, dispone de una instalación oleohidráulica constituida por seis grupos motobomba que proporcionan 250 bares, un caudal de 1560 litros/min y dos puentes grúa de 10 t cada uno, lo que permite manejar elementos de hasta 20 t por toda la superficie de la nave. Este conjunto permite realizar ensayos a escala real de estructuras con diferentes tipologías de carga. Además de esta gran instalación, el edificio incluye laboratorios de química y materiales con un total de 175 m², tres cámaras húmedas de 117 m³, 57 m³ y 57 m³, y una central de aire comprimido, gas natural, dióxido de carbono y aire seco.

Os paso a continuación un pequeño dosier que hemos preparado para explicar lo que hace nuestro grupo de investigación sobre optimización heurística relacionado con temas de hormigón (proyecto HORSOST) y con el mantenimiento de activos e infraestructuras. Esta actividad se encuentra enmarcada dentro del ICITECH, del Máster Oficial en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE) y del Programa de Doctorado en Ingeniería de la Construcción de la Universidad Politécnica de Valencia (verificado por ANECA).

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Tratamiento térmico del hormigón durante la prefabricación de dovelas

Dovela del puente de Île de Ré, en Francia. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Dovela
Dovela del puente de Île de Ré, en Francia. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Dovela

El objetivo del tratamiento térmico del hormigón durante la prefabricación de las dovelas es acelerar los procesos de fraguado y endurecimiento para poder realizar el desencofrado lo antes posible, siempre que la resistencia final sea similar a la del hormigón que endurece sin este tipo de tratamiento. El calentamiento se puede realizar mediante estufa tradicional o bien a través de encofrados por resistencias eléctricas o por vapor a baja presión.

Para evitar que el endurecimiento acelerado no merme la resistencia final se debe utilizar preferentemente un cemento Portland artificial, cuyo contenido en C3A sea menor al 11% y cuya relación C3S/C2S sea superior a 3. Además, el agua debe presentar una temperatura de 35 °C en el momento de la fabricación. Asimismo, se deberían utilizar encofrados con rigidez suficiente para oponerse a las dilataciones del hormigón en fase plástica en el momento del calentamiento.

El ciclo de tratamiento térmico debe cuidarse para evitar una bajada de la resistencia a largo plazo del hormigón, que normalmente puede situarse entre el 5 y el 15 %. Por tanto, un ciclo debería contemplar un periodo de preparación de 2 o 3 horas con el hormigón a temperatura ambiente, una subida posterior de temperatura a una velocidad inferior a 20 °C por hora, un escalón de tratamiento térmico que no supere los 80 °C (normalmente 65 °C), con una duración que depende de las dimensiones de la sección y las características del hormigón, y una bajada de temperatura a un ritmo similar al de la subida. Por tanto, no se debe acortar el periodo de preparación, no se debe acelerar la velocidad de subida de la temperatura ni elevar la temperatura máxima del tratamiento. En cualquier caso, la temperatura máxima queda limitada en función del entorno y de la composición del cemento (ver UNE-EN 13369:2013).

Referencia:

AENOR (2013): UNE-EN 13369:2013 Reglas comunes para productos prefabricados de hormigón.

Curso:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Contribución a la sostenibilidad de los forjados reticulares

forSe presenta una caracterización estadística de una muestra de 126 de forjados reticulares de hormigón armado empleado en edificación con objeto de establecer fórmulas de predimensionamiento económico y medioambiental de este tipo de elementos estructurales. Para ello se ha realizado un análisis exploratorio y otro multivariante de las variables geométricas determinantes, de los consumos de materiales y de los costes económicos y medioambientales. Los resultados muestran que es posible obtener beneficios medioambientales significativos sin penalizar en exceso el coste económico. Así, una reducción media del 12% en las emisiones de CO2 conlleva una disminución media del coste del orden del 5%. De forma análoga, una contracción máxima del coste del 6% comporta un descenso en torno al 11% en la emisión de estos gases.

 

Referencia:

BALLESTER, M.; VEA, F.J.; YEPES, V. (2011). Análisis multivariante para la estimación de la contribución a la sostenibilidad de los forjados reticulares. V Congreso ACHE, Barcelona, 10 pp.

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Cubas aéreas en plantas de prefabricados de hormigón

Cuba aérea 1El vertido de la mezcla del hormigón fresco en el molde en las plantas de prefabricados debe realizarse en el menor tiempo posible, siendo los sistemas más habituales los cubilotes y las cubas aéreas. Los actuales sistemas de distribución del hormigón fresco permiten una distribución del hormigón de forma flexible y rentable a cualquier parte de la planta de prefabricados de hormigón que lo necesite. Los sistemas son muy económicos pues no necesitan de personal para manejarlos ni se requiere la capacidad de una grúa. Los sistemas no interfieren con el tránsito interno de la planta puesto que dejan el suelo libre para las operaciones de producción.

Las cubas aéreas (o vagonetas móviles) están disponibles en tamaños que van desde 1 a 3 m3. Están disponibles tanto para sistemas de raíl simple o doble, con controles totalmente automáticos o semi-automáticos. Las cubas aéreas son apropiadas tanto para tramos rectos como para curvos, pueden dominar pendientes e inclinaciones hasta un ángulo máximo de 10- 12º. La descarga de la cuba se produce por simple volteo.

Cuba aérea 2

Referencias:

ANDECE-STRUCTURALIA (2014). “Módulo 5 Fabricación. Curso de especialidad básica – Conocimiento de la construcción industrializada con prefabricado de hormigón o concreto. Maestría Internacional de Soluciones Constructivas con Prefabricados de Hormigón o Concreto”.  http://capacitacionprefabricados.com/

El acueducto del Tempul, de Eduardo Torroja

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Acueducto de Tempul. Enero 1927. Fuente: http://www.cehopu.cedex.es/

El acueducto del Tempul se construyó para el abastecimiento de agua de Jerez de la Frontera (Cádiz), sobre el río Guadalete. Está formado por 11 tramos de vigas rectas de hormigón armado de 20 m de luz y un tramo central de tipo “Cantilever” de 57 m. Esta obra la diseñó y construyó Eduardo Torroja en 1925 apenas dos años después de terminar la carrera, estando trabajando en la empresa Hidrocivil. La estructura original estaba constituida por 14 tramos de vigas de 30 m de luz biapoyadas en los correspondientes pilares. Dos de estos pilares se apoyaban en el cauce del río, lo que provocaba dudas acerca de su resistencia a la socavación. Por ello Torroja decidió eliminar estas dos pilas, manteniendo el resto de la estructura. Se utilizó esta solución sustituyendo las pilas del cauce por apoyos elásticos con cimentación a 8 m de profundidad debido a la mala calidad del suelo del cauce y a través de unos tirantes continuos que pasan por la cabecera de la pila, se anclan en los extremos de los tramos adyacentes. Así el vano central del acueducto está formado por un tramo central de 17 m apoyando en las ménsulas laterales con 20 m de luz.  Para eliminar estos apoyos sin aumentar excesivamente la luz dispuso unos tirantes con un cordón central de acero dulce que, pasando por encima de las pilas adyacentes a los soportes eliminados, las cuales se elevaron y rediseñaron para los nuevos esfuerzos, se anclaban a uno y otro lado de las mismas, disponiendo, por tanto, de la reacción vertical eliminada.

El principal problema de esta solución era que esa reacción provenía de la componente vertical de la tracción del tirante y, salvo que la pila sobreelevada fuese muy alta, dicha reacción no podía generarse de forma pasiva sino con una gran flecha del tramo volado y, por lo tanto, con una flexión excesiva. Por ello, Torroja empleó cables de alta resistencia y los pretensó mediante un sistema de elevación con gatos hidráulicos insertados entre las propias pilas y las cabezas de las mismas, consiguiendo además introducir una compresión adicional en los tramos de tablero entre los puntos de anclaje.

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Dispositivos de elevación de las cabezas de los pilares. Fuente: http://www.cehopu.cedex.es/
Tempul
Esquema de esfuerzos al elevar los gatos

Según cuenta Torroja, poco después de finalizar el hormigonado del tramo central apoyado en los voladizos atirantados, sobrevino una fuerte riada que comenzó a arrastrar la cimbra. Viendo peligrar la integridad de la estructura, y puesto que el hormigón ya había alcanzado una resistencia que se estimó suficiente, se procedió a accionar los gatos, levantando el cabezal de las pilas unos 25 cm, lo que bastó para elevar el extremo de los tramos colgados unos 5 cm, separando la estructura de las cimbras que fueron finalmente arrastradas por el agua.