Figura 1. Encofrado deslizante. https://es.wikipedia.org/wiki/Encofrado_deslizante
Los encofrados deslizantes son una técnica de construcción de gran interés, especialmente cuando nos encontramos ante el desafío de estructuras altamente esbeltas, como pilares de puentes, chimeneas industriales, silos o torres solares. Este procedimiento se basa en el uso de un encofrado rígido que se desplaza verticalmente a un ritmo controlado de 5 a 20 cm/h. El proceso comienza con la colocación del hormigón en el encofrado en capas sucesivas. A medida que el hormigón se endurece, el encofrado se eleva gradualmente mediante dispositivos de elevación, como gatos hidráulicos, impulsado por un sistema hidráulico. Sobre esta técnica ya escribimos un artículo anterior. Ahora vamos a dar unas recomendaciones relacionadas con los aspectos constructivos de la técnica.
Se lleva a cabo un deslizamiento continuo durante las 24 horas del día para evitar la formación de juntas frías. Por tanto, es crucial garantizar un suministro constante de materiales como hormigón y acero, así como electricidad y acceso a la obra. Es de vital importancia garantizar que el hormigón presente características uniformes, pues cualquier variación en su dosificación puede ocasionar arrastres en la superficie y defectos que requerirán reparación. Además, los cambios en las condiciones climáticas pueden afectar al tiempo de fraguado, por lo que es necesario controlar la consistencia y dosificación del hormigón, junto con el control de la resistencia. Otro factor relevante es asegurar un suministro continuo de hormigón, ajustado a la frecuencia y cantidad necesarias de acuerdo con el ritmo de elevación del encofrado.
En cuanto al proceso constructivo, se recomienda llevar a cabo el hormigonado, la colocación de armaduras y el montaje de puertas, ventanas y placas de manera progresiva a medida que el encofrado se eleva desde una plataforma de trabajo ubicada al nivel del borde superior en ambas caras. Se emplean plataformas adicionales para el control y revisión de la superficie. El peso de estas plataformas y del encofrado deslizante se carga mediante los gatos en los tubos de trepa, los cuales permanecen en el hormigón hasta que se complete el deslizamiento. Luego, se retiran junto con la camisa exterior elevada con el encofrado, creando un espacio fraguado debajo donde se alojan los tubos a lo largo de toda la altura.
Con el fin de prevenir posibles accidentes por caídas de objetos, es necesario delimitar una zona alrededor del área de construcción, a una distancia equivalente a la cuarta parte de la altura de los trabajos, medida desde el borde exterior de la obra. Se recomienda contar con un especialista en encofrado deslizante en la obra para garantizar un manejo adecuado y una respuesta eficiente ante situaciones complejas.
Dadas las condiciones particulares de cada obra y la necesidad de trabajar de forma continua durante 24 horas, se deben implementar medidas adicionales de seguridad, como señalización de advertencia, iluminación nocturna y redes de protección. Asimismo, resulta fundamental prestar especial atención a la nivelación de la superficie de apoyo del encofrado durante el montaje y llevar a cabo un replanteo inicial preciso. Para lograr un rendimiento óptimo, se requiere un equipo con experiencia en el sistema para minimizar los tiempos de inactividad entre las distintas actividades.
En cuanto al control de la verticalidad, es importante realizar un seguimiento periódico de la nivelación de los gatos y realizar los ajustes necesarios de forma manual. Esto contribuirá significativamente a prevenir desplomes. Además, se debe verificar la verticalidad de la obra una vez finalizada, utilizando plomadas de gravedad, plomadas ópticas o plomadas láser. Asimismo, se debe evitar la rotación en planta de la sección transversal mediante la disposición de perfiles longitudinales lo suficientemente rígidos.
Un documental extenso sobre este sistema de encofrados deslizantes lo podéis ver aquí.
Referencias:
DINESCU, T.; SANDUR, A.; RADULESCU, C. (1973). Los encofrados deslizantes. 1ª edición. Espasa-Calpe, S.A. Pozuelo de Alarcón, 496 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Cimbras, andamios y encofrados. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.441.
RICOUARD, M.J. (1980). Encofrados. Cálculo y aplicaciones en edificación y obras civiles. Editores Técnicos Asociados, S.A. Barcelona, 312 pp.
Figura 1. Hormigonado en tiempo frío. https://madridsurarquiobras.es/blog/?p=199
La temperatura del hormigón es un factor crítico, especialmente en climas fríos, donde se debe evitar su congelación durante todas las etapas del proceso. La temperatura de amasado depende del grosor mínimo de las piezas a hormigonar, la temperatura del aire y la pérdida de temperatura durante el transporte hasta el lugar de trabajo. A medida que aumenta el volumen de la sección hormigonada, la pérdida de calor se vuelve más lenta y el calor generado durante la hidratación se vuelve más importante. Por lo tanto, se recomienda una temperatura más baja para la masa de hormigón que se va a colocar y también una temperatura de salida más baja en el amasado. En estructuras de gran volumen, es crucial limitar la temperatura del hormigón para evitar problemas de fisuración.
Es relevante considerar que las pérdidas de calor aumentan en proporción a la diferencia de temperaturas. Por lo tanto, elevar la temperatura del hormigón por encima de los valores recomendados no garantiza una protección proporcional contra la congelación, sino que puede generar efectos no deseados, como un mayor consumo de agua, una rápida disminución de la consistencia, fraguado acelerado o incremento de la retracción térmica.
También es importante tener en cuenta que las superficies expuestas del hormigón pueden experimentar una rápida pérdida de humedad debido a que, debido a su temperatura, calientan el aire frío que entra en contacto con ellas, lo que disminuye la humedad relativa y provoca la evaporación del agua superficial. Por tanto, se recomienda que la temperatura del hormigón durante su colocación sea lo más baja posible, tal y como se comentó anteriormente. A partir de esta temperatura de colocación y la pérdida de temperatura durante el transporte hasta el lugar de trabajo, se puede determinar la temperatura de amasado del hormigón.
La temperatura de amasado del hormigón se puede lograr mediante el calentamiento de los distintos materiales que lo componen. El cálculo de la temperatura de la mezcla se obtiene a partir del balance térmico de los diferentes materiales, ya que la cantidad total de calor de los materiales antes y después del amasado es la misma, siendo la única incógnita la temperatura final. No se debe olvidar el calor latente de fusión del hielo en caso de que el agua de los áridos esté congelada.
A continuación os dejo un problema resuelto que, espero, os sea de interés.
AENOR (2005). UNE 83151-1 IN Hormigonado en condiciones climáticas especiales. Parte 1: Hormigonado en tiempo frío. Madrid, 26 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 189 pp.
El concepto de seguridad de una estructura en cumplir un conjunto de funciones para las que ha sido proyectada es un término relacionado con el grado de certeza o fiabilidad de que no alcance un conjunto de estados no deseables que todavía no han acontecido.
La seguridad se representa por consiguiente como un aspecto antagónico al aspecto económico del dimensionamiento: una estructura proyectada para un coste pequeño puede resultar poco segura y, por el contrario, una estructura proyectada para ser muy segura puede resultar antieconómica. La solución debe quedar en un término adecuado.
El concepto de seguridad en una estructura se refiere a su capacidad para cumplir con las funciones previstas, garantizando un nivel de fiabilidad que evite la ocurrencia de estados no deseados. La seguridad se contrapone al aspecto económico del diseño: una estructura económica puede ser menos segura, mientras que una estructura altamente segura puede resultar costosa. Por lo tanto, es necesario encontrar un equilibrio adecuado entre ambos aspectos.
El objetivo principal del Proyecto de Ingeniería Estructural consiste en garantizar que la estructura cumpla satisfactoriamente con su función original. El mantenimiento de esta funcionalidad a lo largo de su vida útil depende de diversos factores o parámetros que tradicionalmente se han considerado como cantidades deterministas.
Sin embargo, evaluar la seguridad en ingeniería es complicado debido a varios factores. En primer lugar, los accidentes pueden ocurrir por causas no relacionadas con los cálculos realizados, como erosiones o modelos inadecuados. Además, tratar el problema de forma aleatoria puede llevar a considerar la probabilidad como medida universal e invariable de seguridad. Sin embargo, la probabilidad solo es significativa en relación con un conjunto coherente de conocimientos, como los estados de falla no ocurridos, difíciles de definir. Además, existen incertidumbres que no pueden ser objetivamente cuantificadas mediante probabilidades. Por lo tanto, las probabilidades solo pueden ser definidas dentro de un contexto específico y los cálculos de probabilidad son meramente convencionales. Además, si bien medir el margen de seguridad a través de una magnitud física puede ser útil en un problema particular, no todas las magnitudes son adecuadas en todos los casos generales. Por ejemplo, las tensiones no son una magnitud adecuada para el estudio del equilibrio estático, y evaluar el margen de seguridad basándose en las tensiones puede ser incorrecto en problemas no lineales.
En el contexto de la Teoría de la Fiabilidad Estructural, Armen Der Kiureghian presenta los siguientes tipos de incertidumbres. En primer lugar, están las incertidumbres físicas, que surgen debido a la inherente variabilidad de las magnitudes físicas involucradas en el problema, como dimensiones, propiedades del material, cargas y resistencia. En segundo lugar, encontramos las incertidumbres estadísticas, que se originan a partir de los modelos probabilísticos utilizados para caracterizar las Variables Básicas del problema. Estas incertidumbres se deben a las aproximaciones necesarias para seleccionar las Funciones de Distribución y estimar sus parámetros, debido a la falta de información disponible. En tercer lugar, se presentan las incertidumbres del modelo, que son generadas por las hipótesis simplificativas realizadas en los modelos matemáticos empleados para describir la respuesta de un sistema estructural. Estas simplificaciones incluyen aspectos como la homogeneidad, el comportamiento elástico o elastoplástico, las pequeñas deformaciones y las condiciones de contorno. Aunque la variabilidad de los dos últimos tipos de incertidumbres puede reducirse a través del estudio e investigación, las incertidumbres físicas del primer tipo son inevitables.
En el pasado, las construcciones se basaban en métodos empíricos, confiando en la experiencia y la intuición del constructor para garantizar la seguridad. Sin embargo, en la actualidad, la experiencia debe complementarse con los resultados obtenidos, ya que la rápida evolución técnica puede presentar situaciones no experimentadas previamente. Con el surgimiento de la construcción metálica en el siglo XIX y el enfoque en la Resistencia de Materiales, se introdujo el método de tensiones admisibles. Este método implica un enfoque determinista en las variables utilizadas, donde la seguridad se basa en el margen establecido por las tensiones admisibles. Estas tensiones se obtienen mediante el cociente entre la resistencia del material y un coeficiente de seguridad, mientras que las cargas variables se establecen de manera empírica y arbitraria.
El desarrollo de la Teoría de la Elasticidad permitió aplicar este método en la construcción de hormigón armado, pero presenta desafíos. Cuando el comportamiento no es lineal debido a los materiales o la geometría de la estructura, las tensiones admisibles no reflejan el margen real de seguridad. Además, el comportamiento del hormigón y el acero dificulta definir el fallo en términos de tensiones. No se consideran los efectos de la adaptación plástica del hormigón, donde la tensión en un punto no determina la confiabilidad estructural si hay una fase de adaptación plástica que redistribuye los esfuerzos. Además, no se distinguen los diferentes tipos de acciones cuya influencia en la seguridad es distinta. No obstante, este método ha sido utilizado con profusión durante la primera mitad del siglo XX.
La Teoría de la Fiabilidad, que inicialmente se aplicaba a procesos industriales de producción en serie, se adaptó en 1960 al campo de la Ingeniería Estructural. El objetivo era desarrollar métodos que permitieran determinar los niveles de seguridad de los Sistemas Estructurales, mediante un enfoque racional de las incertidumbres presentes en ellos. Desde entonces, esta área de investigación ha experimentado un notable impulso, y los fundamentos teóricos desarrollados han dejado de ser exclusivamente un tema de investigación académica para convertirse en un conjunto de metodologías con una amplia gama de aplicaciones prácticas.
No obstante, los avances tecnológicos y los métodos de análisis han permitido realizar estudios de seguridad más precisos en las estructuras mediante la incorporación de modelos estadísticos y de probabilidad en los cálculos. Desde los primeros intentos, como el de Max Mayer en 1926, numerosos autores han contribuido al desarrollo del enfoque probabilístico y a su aplicación práctica. Para emplear la probabilidad en los cálculos, es necesario definir un conjunto coherente de eventos no deseados, denominados “estados límite”. Estos estados límite representan condiciones en las que una estructura o uno de sus elementos deja de cumplir su función de manera inmediata o progresiva. La seguridad se caracteriza por la probabilidad o conjunto de probabilidades de que los estados límite no sean superados. Al elegir la probabilidad de ocurrencia de un estado límite como medida convencional de la seguridad, es necesario establecer los valores aplicables en la práctica.
A primera vista, podría parecer que el uso de probabilidades resuelve por completo el problema de medir la seguridad. Sin embargo, su implementación enfrenta dos dificultades. Por un lado, están los datos que no se pueden cuantificar de manera probabilística debido a su naturaleza. Por otro lado, resulta prácticamente imposible conocer con precisión la probabilidad real de alcanzar un estado límite. Estas limitaciones dificultan la aplicación práctica de las probabilidades en la evaluación de la seguridad.
La seguridad puede tratarse en tres niveles, según el grado de simplificación en el abordaje del problema:
Nivel 3: Utiliza el cálculo de probabilidades sin restricciones en la representación de las incertidumbres.
Nivel 2: Representa las acciones, resistencias de materiales y secciones mediante distribuciones conocidas o asumidas, definidas por su tipo, media y desviación típica. La fiabilidad se expresa con el “índice de seguridad” (β).
Nivel 1: Establece niveles de fiabilidad estructural aplicando factores parciales de seguridad a valores nominales preestablecidos de las variables fundamentales.
Los métodos de nivel 2 y 3 emplean probabilidades que están vinculadas a hipótesis apriorísticas sobre las distribuciones de los datos.
En cambio, el método de nivel 1, conocido como método semiprobabilístico, considera solo ciertos elementos que se pueden cuantificar de manera probabilística, mientras que las demás incertidumbres se abordan mediante factores empíricos que poseen un significado físico específico. Este método es el más simple y ampliamente reconocido en la actualidad.
Os paso un vídeo explicativo sobre conceptos de fiabilidad estructural de Juan Carlos López Agüí, que espero os sea de interés.
El Puente Juan Bravo en Madrid. http://www.dobooku.com/2017/10/el-puente-juan-bravo-en-madrid/
Una pieza mixta esencialmente consta de tres elementos principales:
Sección de hormigón: puede contener o no armadura pasiva y/o activa.
Sección metálica.
Elementos de conexión, también conocidos como conectores.
Gracias a la colaboración entre el hormigón y el acero, la sección mixta experimenta una deformación conjunta, controlando así cualquier deslizamiento relativo entre ambos materiales mediante los conectores.
Todas aquellas acciones diferenciales entre hormigón y acero generan esfuerzos internos y de corte en la interfase que pueden ser significativos y que hay que considerar en proyecto. Algunos de los factores a considerar son la retracción del hormigón, la fluencia, los efectos térmicos, la acción del pretensado, entre otros. Es fundamental analizar y comprobar la estructura frente a los estados límites de servicio.
Desde un punto de vista estructural, la construcción mixta presenta las siguientes características principales:
Reducción del espesor en dinteles, especialmente notable en luces más amplias. Esto se debe a la mayor rigidez y resistencia última proporcionada por la sección parcial de hormigón en comparación con una solución completamente metálica. Además, la zona traccionada también es más rígida en comparación con soluciones de hormigón armado y pretensado. En el caso de edificios, esto implica una menor altura de los pisos, lo que se traduce en ahorro de materiales y de instalaciones.
Mayor esbeltez de los soportes, lo que incrementa el espacio libre y mejora las condiciones estéticas de la estructura.
El aumento de rigidez mejora la capacidad de deformación y respuesta de la estructura frente a cargas dinámicas.
Desde el punto de vista constructivo, las estructuras mixtas ofrece una amplia variedad de tipologías, basadas en los materiales que la componen. Estos tipos constructivos pueden adaptarse según las necesidades prácticas de la ejecución. Algunas opciones a considerar son las siguientes:
Secciones de hormigón: se pueden utilizar secciones de hormigón in situ o prefabricadas, que pueden ser de hormigón en masa, armado o pretensado. También es posible emplear hormigón ligero.
Secciones metálicas: se pueden emplear perfiles, chapas o tubos metálicos. Estas secciones pueden ser atornilladas o soldadas, y pueden presentarse en formas de alma llena, en celosía o aligeradas. También es posible el uso de secciones metálicas pretensadas. Dichas secciones metálicas pueden estar completamente expuestas o parcial o totalmente empotradas en el hormigón.
Conexiones: las conexiones entre los elementos pueden ser parciales o totales. Además, pueden realizarse antes o después del endurecimiento del hormigón, así como antes o después del pretensado del hormigón o del acero.
En la construcción mixta, el proceso constructivo adquiere una importancia destacada, tanto desde el punto de vista analítico-estructural como desde la perspectiva económica. Esto se debe a la existencia de una amplia variedad de cargas previas a las sobrecargas de uso, lo que implica consideraciones adicionales tanto en el análisis estructural como en el aspecto económico.
En las referencias os podéis descargar, gratuitamente, un estado del arte reciente sobre este tipo de estructuras mixtas aplicadas a puentes. Creo que os puede resultar de utilidad. También os dejo un par de vídeos introductorios a las estructuras mixtas que espero os sean de interés.
Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, revista indexada en el primer decil del JCR. Se trata de un nuevo método para optimizar el diseño de muros de contención mediante funciones de aprendizaje y transferencia por refuerzo. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Es fruto de la colaboración de nuestro grupo de investigación con los profesores chilenos.
El artículo presenta un nuevo método para optimizar el diseño de muros de contención mediante funciones de aprendizaje y transferencia por refuerzo. El estudio compara el método propuesto con otros métodos metaheurísticos y de fuerza bruta, y muestra que las funciones de transferencia en forma de S arrojan consistentemente mejores resultados en términos de costes y emisiones de CO₂. El documento concluye que el método propuesto proporciona un enfoque prometedor para reducir los costos y las emisiones de CO₂ y, al mismo tiempo, mejorar la resistencia estructural en los proyectos de ingeniería civil.
Las contribuciones de este artículo son:
Introducir una nueva técnica de discretización basada en funciones de aprendizaje y transferencia por refuerzo para optimizar el diseño de los muros de contención en términos de costes y emisiones de CO₂.
Comparar el método propuesto con varios métodos metaheurísticos y de fuerza bruta, y demostrar que las funciones de transferencia en forma de S arrojan consistentemente resultados más sólidos.
Proporcionar un enfoque prometedor para reducir los costos y las emisiones de CO₂ y, al mismo tiempo, mejorar la resistencia estructural en los proyectos de ingeniería civil.
Abstract:
The structural design of civil works is closely tied to empirical knowledge and the design professional’s experience. Based on this, adequate designs are generated in terms of strength, operability, and durability. However, such designs can be optimized to reduce conditions associated with the structure’s design and execution, such as costs, CO2 emissions, and related earthworks. In this study, a new discretization technique based on reinforcement learning and transfer functions is developed. The application of metaheuristic techniques to the retaining wall problem is examined, defining two objective functions: cost and CO2 emissions. An extensive comparison is made with various metaheuristics and brute force methods, where the results show that the S-shaped transfer functions consistently yield more robust outcomes.
Figura 1. Fratás automático http://www.imcyc.com/revistacyt/jul10/pavimentos.htm
La terminación o acabado final del hormigón es una tarea crítica en la construcción de un pavimento, pues tiene la importante misión de corregir las irregularidades o defectos producidos durante la colocación y compactación del material. Para lograr una superficie adecuada en el hormigón fresco, se pueden llevar a cabo diferentes trabajos, que van desde un ligero fratasado manual hasta intervenciones más significativas como reparaciones de bordes.
El fratasado es una técnica que se utiliza para nivelar la superficie del hormigón, eliminar la capa superficial de lechada, así como los puntos altos y bajos, sumergir las partículas de árido más gruesas, remover y corregir pequeñas imperfecciones, y presentar mortero en la superficie para el texturizado. Esta técnica puede ser realizada de forma manual o mecánica, y puede ser longitudinal o transversal.
En las carreteras de alta velocidad en España, se logra una textura superficial longitudinal mediante el estriado del hormigón con cepillos metálicos o de plástico y una arpillera húmeda y lastrada para conseguir una microtextura áspera en toda la superficie. La arpillera también se emplea para eliminar las marcas de la bailarina. En los bordes de las carreteras se suele crear una textura transversal. En otros países, la macrotextura se logra mediante técnicas como la denudación química o la incrustación de gravilla en el hormigón fresco.
Después de que la pavimentadora haya terminado su trabajo, el carro de texturizado y curado (Figura 2) se acerca para aplicar la textura deseada con un cepillo de cerdas o flejes, mientras que se rocía líquido de curado como última operación. Si se desea una textura de árido visto, el carro extiende el retardador de fraguado y, en algunos casos, el compuesto de curado. Algunos productos pueden realizar ambas funciones simultáneamente. En regiones lluviosas, se protege el retardador de superficie con una lámina de plástico desplegada desde un rollo montado en el carro. Después de retirar el mortero sin fraguar, se aplica el producto de curado sobre el pavimento.
Figura 2. Equipo de texturizado y curado (Calo et al., 2015)
El curado del pavimento es esencial para evitar la pérdida de agua necesaria para el fraguado y endurecimiento del hormigón, así como la aparición de fisuras por retracción que pueden debilitar su resistencia. Aunque es posible usar agua para el curado en carreteras con poco tráfico, se recomienda utilizar productos de calidad que creen una capa impermeable sobre el pavimento para evitar la evaporación del agua. Estos productos suelen tener un pigmento blanco que, además de reducir la ganancia de calor por incidencia de la radiación solar, ayudan en la inspección visual de la uniformidad de la aplicación. Después, al sellar las juntas, es necesario volver a aplicar el producto en la ranura correspondiente.
Figura 3. Tren de curado (Calo et al., 2015)
Las membranas químicas de curado están formuladas a base de resinas y solventes de rápida evaporación que no son solubles en agua. Estas membranas permiten ser aplicadas inmediatamente después de la finalización de las tareas de texturizado y terminación del hormigón, incluso si hay agua presente en la superficie. Al aplicarse por aspersión sobre la superficie del pavimento, se forma una película protectora en pocos minutos, impidiendo la evaporación del agua de exudación y mejorando su acción preventiva al adherirse a la superficie del hormigón. Debido a estas características, son especialmente útiles en la pavimentación con encofrados deslizantes.
Referencias:
CALO, D.; SOUZA, E.; MARCOLINI, E. (2015). Manual de diseño y construcción de pavimentos de hormigón. Instituto del Cemento Portland Argentino (ICPA).
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid.
KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
RECUENCO, E. (2014). Firmes y pavimentos de carreteras y otras infraestructuras. Garceta grupo editorial, Colección Escuelas, Madrid.
Figura 1. Estructura típica de un pavimento rígido (Calo et al., 2015)
Una sección común de un pavimento rígido se compone de una capa superior, conocida como calzada de hormigón, que es responsable de proporcionar la mayor parte de la capacidad estructural del pavimento. Esta capa se apoya sobre una base de material seleccionado, que puede o no estar tratada con un ligante, y a su vez descansa sobre el suelo natural o la explanada (ver Figura 1).
Calzada de hormigón
La capa superior del pavimento está conformada por la calzada de hormigón, la cual tiene la responsabilidad de proporcionar tanto las características funcionales como gran parte de la capacidad estructural requerida. En cuanto a las características funcionales, es la encargada de brindar las condiciones superficiales necesarias, como el drenaje superficial, la fricción y la regularidad, de acuerdo con el tipo de vía y las condiciones de servicio, a fin de garantizar una conducción segura y cómoda. En lo que respecta a su capacidad estructural, debe ser lo suficientemente resistente para soportar las cargas durante el periodo de servicio y actuar como una barrera impermeable para las capas inferiores del pavimento, minimizando la entrada de agua desde la superficie hacia el interior de la estructura.
El espesor de la calzada dependerá en gran medida del nivel de tránsito pesado previsto, oscilando entre 15 cm y 20 cm para vías urbanas o de bajo tránsito pesado y de 20 cm a 30 cm en rutas de mayor volumen de vehículos pesados.
Base
La capa fundamental en el comportamiento del firme de un pavimento rígido es su base, pues proporciona un apoyo continuo, uniforme y estable a lo largo del tiempo. Si no se cumple esta condición, las losas del pavimento se ven sometidas a tensiones y deformaciones significativas debido a las cargas del tráfico. Esta capa se encuentra ubicada justo debajo de la calzada de hormigón y su función principal es prevenir la erosión en la interfaz entre la losa y el apoyo, lo que la convierte en un elemento obligatorio en las vías con tránsito pesado.
Además de esta función principal, la incorporación de la base en la estructura del pavimento ofrece varios beneficios, tales como mejorar la distribución de cargas, reducir las tensiones en las capas inferiores de la estructura, contribuir al drenaje subsuperficial del agua de infiltración, proteger los suelos de la explanada de la acción de las heladas, garantizar un soporte uniforme para la calzada de hormigón y proporcionar una plataforma de trabajo adecuada que no sea susceptible a las condiciones climáticas y sea apta para la circulación de vehículos de obra.
Una de las causas que puede provocar la falta de uniformidad en la base es lo que se conoce como bombeo de finos (pumping, en inglés): si hay agua debajo de la losa, la base contiene una proporción significativa de finos y la intensidad del tráfico pesado es relativamente alta, la circulación de estos vehículos y el paso de una losa a otra contigua puede provocar el bombeo de la mezcla de agua y finos en la zona de juntas o bordes del pavimento, lo que conduce a la erosión de la base y al descalce de las losas.
En el caso de tráficos medios y ligeros, se suelen utilizar las bases granulares tradicionales, como el macadam o la zahorra artificial (que consisten en gravas y arenas trituradas). No obstante, cuando se trata de tráficos pesados, es necesario emplear materiales granulares tratados con un ligante o conglomerante, como las bases de gravacemento.
Subbase
La subbase es una capa de firme que se ubica debajo de la base en la explanada, también conocida como subrasante. En algunos casos, esta capa puede no ser necesaria si la explanada ya cuenta con una elevada capacidad de soporte granular. Su principal función es proporcionar una base uniforme para la colocación y compactación de la capa de base, además de constituir una plataforma adecuada para su construcción. Es importante que esta capa tenga una función drenante, para lo cual es necesario que los materiales empleados no contengan finos. En cualquier caso, esta capa es generalmente necesaria como capa de transición. Las subbases granulares se componen de gravas y arenas naturales o trituradas, suelos estabilizados con cemento, gravaescoria, entre otros materiales.
Explanada
La subrasante o explanada es la superficie sobre la que se asienta la superestructura del pavimento. Es crucial que esta superficie tenga la resistencia y la regularidad geométrica adecuadas, pues es el soporte directo del pavimento. Además, la explanada puede estar compuesta por la capa superior del terraplén o el fondo de las excavaciones en terreno natural, y es responsable de soportar la estructura del pavimento. Para asegurar la estabilidad y el óptimo estado de la explanada, se seleccionan suelos con características aceptables y se compactan en capas para crear un cuerpo estable capaz de resistir la carga de diseño del tránsito.
Subdrenaje
En ciertas situaciones, es posible mejorar el sistema de drenaje de una estructura, incluyendo estructuras de subdrenaje. Esto permite eliminar rápidamente el agua que se filtra inevitablemente por las juntas y fisuras, evitando los efectos perjudiciales que podría causar su acumulación en la estructura del pavimento. Los subdrenes se componen de una red colectora de tuberías perforadas o ranuradas que se alojan en zanjas para recolectar el agua subterránea. El objetivo es controlar y retirar el agua, minimizando su efecto negativo en las capas estructurales del pavimento.
Juntas
Las juntas son cruciales para determinar las dimensiones de las losas del pavimento y controlar la formación de fisuras tanto en la etapa temprana como en servicio. Existen dos tipos de juntas: las de contracción, que implican debilitar la sección de hormigón, y las de construcción, que se moldean. La opción más común es utilizar el aserrado para crear las juntas, aunque también pueden formarse en fresco con la creación de surcos en el hormigón. En este último caso, puede haber manipulaciones posteriores que afecten la regularidad superficial, lo que limita su uso en juntas transversales en carreteras con tráfico intenso. El serrado de las juntas debe realizarse antes de que se formen las fisuras, pero no demasiado pronto, pues los bordes podrían dañarse. El momento adecuado depende del tipo de cemento y las condiciones de humedad y temperatura. Según el PG-3, se debe hacer el serrado de las juntas transversales dentro de las primeras 24 horas después de la puesta en obra del hormigón, mientras que para las longitudinales, el serrado debe hacerse entre 24 y 72 horas después. La profundidad mínima del corte debe ser de un tercio o un cuarto del espesor de la losa para las juntas longitudinales y transversales, respectivamente. Es recomendable sellar las juntas, especialmente en áreas con mucha lluvia, y para ello se utilizan productos de sellado, preferiblemente perfiles preformados de materiales elastoméricos que se introducen a presión.
Transferencia de carga
La transferencia de carga se refiere a la capacidad de una junta para transmitir una parte de la carga aplicada en una losa a la losa adyacente. Esta transferencia se puede lograr mediante la trabazón de áridos, que se produce entre las caras de la fisura que se desarrolla por debajo de la junta, o mediante el uso de pasadores. En algunos casos, se pueden emplear ambas técnicas en conjunto para lograr una transferencia de carga óptima.
Pasadores
Los pasadores son barras de acero lisas que se colocan en las juntas transversales para transferir cargas sin restringir el movimiento horizontal de las losas. Además de colaborar en la disminución de las tensiones y deflexiones en el hormigón, reducen el potencial de escalonamiento, bombeo y rotura de esquinas en las losas.
Figura 2. Canastilla de pasadores (Calo et al., 2015)
Barras de unión
Los pasadores son barras de acero lisas que se colocan en las juntas transversales para transferir cargas sin restringir el movimiento horizontal de las losas. Su función principal es disminuir las tensiones y deflexiones en el hormigón, al mismo tiempo que reducen el riesgo de escalonamiento, bombeo y rotura de esquinas en las losas.
Figura 3. Barras de unión (Calo et al., 2015)
Arcenes
Aunque no forma parte de la estructura, la condición de soporte en los bordes de la calzada es fundamental en los pavimentos de hormigón. Si el arcén está pavimentado con una estructura de hormigón, la calzada puede transferir una parte de las cargas aplicadas a su estructura, lo que reduce las tensiones y deflexiones debidas a las cargas. Además, minimiza la infiltración de agua desde la superficie del pavimento. Además de los arcenes, existen otras alternativas estructurales, como la incorporación de bordillos (en pavimentos urbanos) o la ejecución de sobreanchos de calzada, que también contribuyen significativamente a mejorar la condición de soporte en los bordes.
Referencias:
CALO, D.; SOUZA, E.; MARCOLINI, E. (2015). Manual de diseño y construcción de pavimentos de hormigón. Instituto del Cemento Portland Argentino (ICPA).
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid.
KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
RECUENCO, E. (2014). Firmes y pavimentos de carreteras y otras infraestructuras. Garceta grupo editorial, Colección Escuelas, Madrid.
Figura 1. https://blog.laminasyaceros.com/blog/hormigon-armado
El hormigón reforzado con fibras es aquel hormigón en el que se han incluido fibras en una proporción adecuada para mejorar alguna de sus propiedades respecto al hormigón convencional. Aunque el costo de este tipo de hormigón es alto, se compensa por sus características, como el aumento de la resistencia a la tracción y a la fatiga, el mejor comportamiento a flexotracción, la ductilidad, la resistencia al impacto y la durabilidad, así como disminuir y controlar la fisuración. La transmisión de esfuerzos fibra-matriz se produce por adherencia, superponiendo acciones que involucran fenómenos de adhesión, fricción y entrecruzamiento mecánico. Para asegurar una correcta utilización de fibras en el hormigón, es necesario seleccionar materiales con módulos de elasticidad comparables o superiores a los del hormigón.
La utilización de hormigón con fibras en pavimentos no es algo reciente. Durante la década de 1980, se popularizó su uso al reducir el espesor del pavimento, aumentar la distancia entre las juntas y aumentar su vida útil de cinco a ocho veces en comparación con los pavimentos tradicionales. Desafortunadamente, esta tendencia no se mantuvo y el hormigón con fibras desapareció silenciosamente de la escena de la construcción de pavimentos. A pesar de esto, la investigación en la construcción de soleras industriales continuó especialmente con el empleo de fibras de acero. En España, se han construido miles de metros cuadrados de pavimentos en naves industriales, talleres de mantenimiento de helicópteros, parques de contenedores, suelos de talleres de fábricas de automóviles, entre otros.
El uso de hormigones reforzados con fibras en pavimentos de autopistas y carreteras se ha incrementado debido a su mayor resistencia a la flexotracción, control de fisuración, resistencia a la fatiga dinámica y la posibilidad de hacer juntas cada 15 m o incluso no hacerlas. Además, pueden ser utilizados en la totalidad del espesor del pavimento o en forma de recrecidos sobre pavimentos rígidos o flexibles deteriorados. La ventaja adicional es que estos pavimentos solo requieren un espesor de 7 a 10 cm y se pueden colocar con cualquier extendedora tradicional o simplemente con reglas vibrantes. Sin embargo, su coste es más elevado y solo encuentran justificación en aplicaciones como refuerzos adheridos a pavimentos existentes, pavimentos de puentes y pavimentos que soportan cargas muy pesadas, tales como las que se dan en puertos, aeropuertos y zonas industriales.
Para que las fibras cumplan su función correctamente, es necesario que estén uniformemente distribuidas en la masa del hormigón. Por lo tanto, se recomienda aumentar la proporción de finos hasta llegar a proporciones de pasta del orden del 40%, lo que supone un aumento del 10% en comparación con las dosificaciones normales. También es importante limitar el tamaño máximo de árido a 20 mm. En el caso de los hormigones de pavimentos con áridos de 20 mm, el tamaño máximo debe ser inferior a 100 y la proporción en volumen de fibras debe ser de aproximadamente el 2% de la pasta o el 1% del volumen total. Es posible alcanzar resistencias a compresión de hasta 15 MPa con densidades de 2 t/m³. Sin embargo, es relevante saber que las fibras reducen la docilidad y la trabajabilidad al aumentar la proporción de fibras. Por lo tanto, es necesario incrementar la relación de cemento hasta 0,5-0,6, con dosificaciones entre 350 y 450 kg/m³, o bien emplear un plastificante.
Las fibras pueden ser de distintos materiales, desde microfibras plásticas de muy pequeño diámetro a fibras de acero, que es lo más habitual en pavimentos. Según su naturaleza se consigue controlar el proceso de formación de fisuras o mejorar su comportamiento estructural o la resistencia a la fatiga. La dosificación de microfibras oscila entre 0,6 kg/m³ y 1,0 kg/m³ y la de fibras de acero suele ser superior a los 30 kg/m³. Entre las características más importantes de las fibras metálicas se encuentran la forma de la fibra, que permite un buen anclaje en el hormigón, y la relación entre la longitud y el diámetro equivalente de la fibra. Esta relación es un factor clave que distingue a las fibras metálicas, ya que un valor mayor generalmente proporciona un mejor comportamiento, pero también dificulta la mezcla, el vaciado y el acabado del hormigón. Las fibras de acero mejoran las propiedades de ductilidad, dureza, resistencia al impacto y resistencia al desgaste, según el tipo de fibra y su dosificación. Estas propiedades dependen de la longitud de las fibras, su diámetro, densidad, resistencia a la flexión y módulo de elasticidad. Por lo general, se utiliza acero de bajo contenido en carbono en forma de agujas o pequeños flejes arqueados en los extremos. Las dimensiones comunes son diámetros de 0,15 a 0,75 mm para agujas y anchuras de 0,25 a 0,90 mm con espesores de 0,15 a 0,40 mm para flejes. Las longitudes oscilan entre 6 y 70 mm, con dosificaciones entre 20 y 80 kg/m³.
A continuación os dejo algún vídeo explicativo de este tipo de material.
Os dejo un artículo explicativo que, espero, os sea de interés.
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid
KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
Figura 1. Colocación de armadura en un pavimento continuo de hormigón armado.
El Pavimento Continuo de Hormigón Armado (PCHA) no requiere juntas transversales de contracción. Básicamente, se trata de un pavimento de hormigón armado con juntas, pero con armadura suficiente para que la distancia sea infinita. Cuando se ejecuta adecuadamente, este pavimento requiere una conservación mínima. Los PCHA buscan proporcionar superficies cómodas y sin interrupciones. A través del cálculo de cargas, retracción y cambios de temperatura, se puede anticipar la resistencia del pavimento y controlar su tendencia a agrietarse, como en cualquier otra estructura de hormigón armado. Las ventajas de este tipo de pavimento son su seguridad, su costo y su capacidad para ser compatible con pavimentos existentes de mezcla bituminosa o con superficies de hormigón en mal estado, pues no requieren su eliminación previa.
La eliminación de juntas transversales se realiza a costa de aumentar la cuantía de la armadura longitudinal de acero de alto límite elástico a valores superiores a 10 kg/m². La eliminación de las juntas transversales permite reducir el espesor de la capa de hormigón y amplía su campo de aplicación, aunque su costo inicial elevado los hace más apropiados para su uso en firmes que soporten altos niveles de tráfico pesado, especialmente en autopistas y carreteras principales.
Inicialmente, estos pavimentos se utilizaban principalmente en firmes de nueva construcción. Sin embargo, en los últimos años también se han empleado como refuerzo de firmes ya existentes, tanto rígidos como flexibles, y en la reconstrucción de carriles para vehículos pesados en autopistas. Los pavimentos de hormigón armado continuo también se emplean en pistas de aterrizaje y despegue de aeropuertos, como en el aeropuerto de Narita (Tokio) y en la base francesa de Lorient-Lann-Bihoué. Además, se usan en glorietas, túneles, plataformas industriales y en carreteras donde se espera un asentamiento diferencial, ya que la corta distancia entre las grietas del pavimento permite que se divida en pseudolosas de pequeña longitud, lo que facilita su adaptación a los movimientos del terreno de base.
Figura 2. Sección de un Pavimento Continuo de Hormigón Armado (PCHA)
La utilización del PCHA comenzó en Estados Unidos en 1938, en autopistas con tráfico pesado, pero pasó más de una década hasta que se empezó a experimentar su uso en Europa. Bélgica fue el primer país en aplicarlo en tramos experimentales y en utilizarlo comúnmente en autopistas y carreteras importantes. En 1963, se realizaron pruebas experimentales en la N-II, cerca de Madrid, y se construyeron 43 km en la autopista Oviedo-Gijón-Avilés en 1975. A partir de 1990, se construyeron algunos tramos en la autopista del Cantábrico. Aunque su empleo en España es limitado, se dispone de una técnica madura y fiable para su desarrollo.
Debido a la alta cantidad de armadura principal que poseen en dirección longitudinal (entre 0,6% y 0,7%), los PCHA tienden a desarrollar fisuras transversales de manera natural en intervalos aleatorios pequeños (generalmente de 0,8 a 2,0 m). La función principal de la armadura es limitar la fisuración por retracción y temperatura, y la secundaria es absorber las tracciones estructurales. La armadura transversal, que representa del 0,05% al 0,10%, actúa como soporte para las barras longitudinales y puede ser prescindible. Según el PG-3, los solapes deberían ser menores del 20% del total.
Generalmente, se deja una distancia de aproximadamente 15 cm entre las barras longitudinales para facilitar el vertido del hormigón entre ellas. Por su parte, las armaduras transversales se ubican como soporte de las barras longitudinales y para mantener su posición relativa. No obstante, en los últimos años se ha popularizado el uso de equipos con guías para colocar las barras longitudinales en su posición final durante el vertido del hormigón, lo que permite prescindir de las armaduras transversales.
La cantidad de armadura longitudinal necesaria en un PCHA depende de varios factores, incluyendo el límite elástico del acero y la resistencia característica a flexo-tracción del hormigón. En el caso de hormigones HP-4,5 (4,5 MPa), esta cantidad suele estar en valores entre el 0,65 % y 0,7 %. Generalmente, se suelen emplear barras corrugadas de alto límite elástico (510-620 MPa) como armadura en este tipo de pavimentaciones.
La distancia entre las fisuras y su apertura son inversamente proporcionales a la cantidad de acero dispuesta. Según datos empíricos, la distancia deseable entre fisuras está entre 1 y 3 m, siendo lo óptimo entre 1,5 y 2 m. La apertura de las fisuras debe ser inferior a 0,5 mm. Además, es importante que la distribución de las fisuras sea homogénea para asegurar la transferencia de cargas a través de ellas sin desniveles ni degradación bajo el tráfico. Las fisuras deben estabilizarse a los 4 o 5 años. Para lograr lo anterior, es necesario seguir las indicaciones previas en cuanto a la cantidad de acero, la separación óptima de las barras, el porcentaje de solapes, entre otros factores.
En la historia temprana del uso del acero en PCHA, se solía colocar la armadura en el tercio superior de la losa para mantener cerradas las fisuras en esa zona y para que la armadura actuara como “armadura de piel” y resistiera los desprendimientos del hormigón debidos al tráfico. Sin embargo, con la evolución de la técnica, se ha descubierto que es preferible colocar la armadura a mitad del espesor. Esto no solo reduce el riesgo de corrosión, sino que también mejora la regularidad superficial del pavimento al evitar las ligeras ondulaciones causadas por la “reflexión” de la armadura en la superficie.
Figura 3. Esquema de un Pavimento Continuo de Hormigón Armado (PCHA)
La técnica resulta poco competitiva debido al elevado costo del acero, pero es posible reducir su cuantía a casi la mitad mediante la sustitución de las barras por bandas corrugadas de acero de muy alto límite elástico. Estas bandas tienen una sección transversal de 2 x 40 mm², por ejemplo, y se suministran en bobinas desenrollables. Aunque su costo de construcción es más elevado que el de los pavimentos de hormigón simple con juntas, los PCHA presentan la ventaja de requerir poco mantenimiento y tener una vida útil más larga que otros tipos de pavimentos si se ejecutan correctamente. No obstante, debido a su elevado costo, no suele utilizarse este tipo de pavimento, salvo casos muy especiales de tráfico muy pesado, especialmente si se trata de refuerzos.
Os dejo una presentación de IECA sobre este tipo de pavimentos.
Algunas organizaciones promotoras del empleo del cemento han editado publicaciones explicando las ventajas. Os dejo un vídeo explicativo de IECA donde se explica cómo se construye este pavimento. Espero que os guste.
Otro vídeo sobre el mismo tema es el siguiente:
Referencias:
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
Figura 1. Pasadores en una junta de construcción de un pavimento rígido
En su momento, los pavimentos de hormigón armado con juntas se popularizaron debido a su capacidad para reducir la cantidad de uniones, lo que resultó en una separación de varias decenas de metros, llegando incluso a los 30 m. El diseño buscó solucionar el problema de conservación que representaban estas juntas, consideradas como la zona más débil, mediante la reducción de su número mediante el aumento de la longitud de las losas. Si bien estos pavimentos solían ser utilizados para el tráfico pesado, en la actualidad son poco comunes en las carreteras, aunque se utilizan en pavimentos industriales y otras aplicaciones. No obstante, han quedado en desuso debido a su elevado costo, pues no se considera que su calidad sea proporcional al precio.
Los pavimentos de hormigón armado con juntas (Figura 2) se dividen en losas, las cuales tienen una longitud mayor y la armadura no se dispone de forma continua. En cambio, se interrumpe en la zona de las juntas, donde se instalan pasadores para mejorar las condiciones de transferencia de carga.
Figura 2. Esquema de un pavimento de hormigón armado con juntas
Es importante destacar que la mayor separación entre juntas puede provocar un mayor movimiento en la losa, debido a los cambios en la temperatura y la humedad, lo que puede afectar la transferencia de carga y aumentar la demanda en los sellos de las juntas. Por lo tanto, en este tipo de pavimentos, se exige la incorporación de pasadores en todas las juntas transversales, como medida obligatoria para garantizar la estabilidad del pavimento a largo plazo.
Figura 3. Sección de un pavimento de hormigón armado con juntas
Las armaduras se ubican en el tercio superior de la losa, no con una función estructural, sino para evitar las fisuras transversales que puedan formarse entre las juntas. Esto garantiza la transmisión de cargas en las fisuras, impide la penetración de agua y otros materiales finos y evita la formación de grietas en forma de “V” bajo la acción del tráfico. La distancia entre juntas longitudinales se mantiene en torno a los 4-6 m, como en el caso del hormigón en masa, aunque en la actualidad se recomienda no superar los 9 m de separación entre juntas.
Figura 4. Pavimento de hormigón armado con juntas
La cuantía geométrica de armadura suele estar entre el 0,07% y el 0,10% del área de la sección transversal, y es frecuente el uso de mallas electrosoldadas, como la de tipo ME 15 x 15 A ø 6-6 B 500 T. En el sentido transversal, se utilizan tanto barras de unión como armadura distribuida, aunque con una cuantía inferior a la utilizada en el sentido longitudinal.
Veamos en esta animación cómo funcionan los pasadores ante el paso del tráfico:
Referencias:
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
