Patología de la edificación/Estructuras de hormigón/Problemática
Introducción
[editar]El hormigón es un material pétreo de carácter artificial obtenido del endurecimiento de una mezcla de agua, áridos y un conglomerante, componentes esenciales del hormigón, a los que se les añade con carácter complementario aditivos, adiciones y las armaduras en el caso del hormigón armado.
Según su dosificación se obtienen distintos hormigones, no todos poseen las características necesarias para su aplicación constructiva. Cada elemento exige el empleo de un hormigón idóneo. La calidad de este elemento depende de:
- la calidad e idoneidad de los elementos constitutivos del hormigón
- la dosificación del producto, teniendo especial influencia la concentración (relación agua/cemento) y la riqueza (relación cemento/árido)
- la granulometría de los áridos, proporción entre los distintos tamaños
- el proceso de fabricación
- su transporte y puesta en obra
- y el curado
Propiedades Constructivas
[editar]Componentes
[editar]1. Cemento. Proporciona la coherencia del hormigón, además de parte de la trabajabilidad del fresco. Es preferible el uso de cementos cuya característica resistente proceda de su composición frente a la finura de su molido, ya que en este caso demandaría una mayor cantidad de agua que aumentaría su calor de hidratación y su retracción.
2. Agua. Es necesaria para la hidratación y fraguado del conglomerante; para la obtención de la fluidez necesaria para la posterior puesta en obra del hormigón; para completar su hidratación y refrigeración, reduciendo su retracción, durante el proceso de curado. Como se ha mencionado anteriormente es preferible la menor cantidad de agua posible que permitirá la obtención de una mayor resistencia y durabilidad, ya que tras la evaporación del agua existe una red porosa abierta al exterior constituyendo una posible vía de penetración para los agentes destructivos del hormigón.
Se utiliza en tres momentos:
- - En el lavado de los áridos para la eliminación de las partículas finas y orgánicas.
- - En el amasado, momento en el cual se puede utilizar cualquier agua excepto la marina que, aunque favorecería ligeramente su endurecimiento, provocaría la rápido oxidación de las armaduras debido a la presencia de cloruros.
- - Para el curado del hormigón. Para este proceso es recomendable el uso exclusivo de agua potable, ya que el uso de aguas inadecuadas podría provocar la deposición de sustancias perjudiciales durante su evaporación debido a la gran cantidad de agua requerida, además podría resultar también peligroso por su contacto con el cemento fraguado que todavía no ha desarrollado toda su capacidad resistente. Su función durante este proceso es sustituir el agua evaporada, favoreciendo el correcto endurecimiento de la pasta y la refrigeración del hormigón por el calor desprendido por la hidratación del cemento.
3. Aridos. Suponen entre el 75% y el 80% del volumen del hormigón contribuyendo a dotar de resistencia al mismo, para lo que deben presentar una buena adherencia a la pasta de cemento; además su elevada proporción y su forma juegan también un importante papel en la trabajabilidad del mismo y en el control de su retracción.
Es más conveniente el uso de áridos de origen silíceo o calizo denso, ya que son más resistentes y duraderos. Según la forma, los áridos rodados dan lugar a hormigones mas dóciles, mientras que los áridos machacados mejoran la resistencia y la durabilidad del hormigón aunque pueden perjudicar la plasticidad del hormigón fresco y requieren una mayor cantidad de agua, contrarrestando el efecto anterior. Además deben poseer la mayor compacidad para lo que su dosificación debe ajustarse lo máximo posible a las curvas granulométricas ideales; las gravas reducen la retracción del hormigón, las arenas definen muchas de las características del hormigón y se trata del árido que más agua requiere, los finos aumentan la plasticidad a la vez que el requerimiento de agua, la retracción y la perdida de adherencia por lo que perjudican la resistencia y la durabilidad.
4. Aditivos. Se trata de productos que añadidos al cemento corrigen algunas de sus características mejorando algunas de sus prestaciones y perjudicando otras. Su utilización no corrige un hormigón defectuoso o mal amasado, su incorporación debe estar prevista con anterioridad y su dosis no superar nunca el 5% del peso del cemento.
5. Adiciones. Se suelen emplear cenizas volantes o humo de sílice, la adición de las primeras retarda el fraguado, mejora la trabajabilidad y la durabilidad del hormigón, y reduce la exudación, la velocidad de endurecimiento y el calor de hidratación. Se añaden en centrales y en proporciones mayores a los anteriores.
6. Armaduras. Utilizadas en el hormigón armado, suministran resistencia a tracción, se colocan también en zonas de cortante y comprimidas, además de utilizarse como auxiliares para el montaje de la ferralla. Su dilatación es compatible con la del hormigón, el cual si es suficientemente compacto la protege de la corrosión gracias a la alta alcalinidad del cemento Pórtland, esta situación de pasividad ante la actividad electroquímica se pierde según avanza el proceso de carbonatación del cemento.
Etapas y propiedades del hormigón
[editar]Cada hormigón pasa por cuatro etapas en función de su endurecimiento o resistencia a lo largo del tiempo y variando con ella sus características.
1. Fabricación. De la dosificación y amasado de los componentes obtenemos el hormigón fresco, en esta etapa los parámetros que definen sus propiedades y características son su composición, su dosificación y su amasado, así como su densidad y contenido de aire ocluido.
2. Puesta en obra. El hormigón permanece aun fresco y en estado plástico. En esta etapa se debe atender especialmente a sus condiciones de trabajabilidad, como son la docilidad, la consistencia y la fluidez; especial control requiere su homogeneidad y estabilidad en esta etapa, ya que debido a una dosificación, transporte o puesta en obra inadecuados puede dar lugar a los siguientes fenómenos:
- -Exudación o expulsión de la lechada, esta sube a la parte superior del hormigón o se pierde entre las juntas, y esta ocasionada por una mala dosificación o a un amasado corto. Esta perdida de lechada provoca un empobrecimiento del hormigón.
- -Sedimentación o decantación, se produce una ordenación de los áridos por el tamaño de sus granos. Se produce en masas muy liquidas o cuya granulometría es inadecuada; es también un fenómeno frecuente en procesos de transporte en recipientes con mucho fondo o en vertidos por caída libre desde alturas superiores a dos metros.
- -Segregación, se produce una separación de los áridos gruesos y finos dando lugar a la formación de nidos de grava; es frecuente en hormigones con granulometrías discontinuas y un tamaño máximo de grano elevado, así como consecuencia de una mala puesta en obra. Una variedad de este fenómeno es la retención de los áridos gruesos, debido a las armaduras y a la estrecha separación de estas con los encofrados, provocando que estos actúen como filtro.
En esta fase también es importante prestar atención a los tiempos de fraguado, que se pueden ver modificados por las condiciones ambientales.
Al final de esta etapa se obtiene un hormigón fraguado.
3. Curado. Se produce un aumento paulatino de la resistencia del hormigón. Durante este endurecimiento del hormigón se producirá el proceso de hidratación que junto con los cuidados a los que se someta al hormigón durante este periodo determinarán sus características.
En este proceso el hormigón sufre una retracción debida a la presencia de cemento en su composición, que se puede ver reducida por una adecuada granulometría y una alta proporción de áridos. Esta retracción puede se de tres tipos:
- -Retracción hidráulica, Ver en "Lesiones" en esta retracción se distinguen a su vez tres componentes, una retracción plástica ocasionada por el asentamiento de los áridos ante la perdida de agua o por una pasta muy aguada y dependiente de la gravedad; una retracción química producida por la hidratación del cemento y por las fuerzas de cohesión y adhesión, este fenómeno se puede ver compensado por una adecuada granulometría; y una retracción de secado debida a la perdida de agua libre una vez endurecido el hormigón, esta retracción presentara menos importancia cuanto mas tarde se produzca, si la superficie esta sometida a un secado rápido durante las primeras horas se producirá una figuración denominada afogarado.
- -Retracción térmica, Ver en "Lesiones" esta ocasionada por el calentamiento del hormigón y un posterior enfriamiento consecuencia del calor que se desprende durante la hidratación; una refrigeración del hormigón en sus primeras edades evitaría el endurecimiento con un volumen dilatado.
- -Retracción por carbonatación, esta producida por una recristalización de los cristales de CH en CC´.
El proceso de curado al que se somete al hormigón es esencial como medio de prevención de una desecación acelerada o prematura que produciría fisuras y retracciones además de dificultar el proceso de hidratación. Este conjunto de cuidados debe ir acorde con el proceso de endurecimiento, de tal forma que permita un control de las tensiones de retracción manteniendo las mismas por debajo de las retracciones de tracción, el aumento de la humedad reduce las retracciones. Este proceso es decisivo en la durabilidad y resistencia que presentara finalmente el hormigón. La climatología, en especial la temperatura y el viento, tienen gran influencia en el proceso.
Tras esta fase se obtiene el hormigón endurecido o maduro.
4. Puesta en carga. El hormigón maduro presenta ya sus características definitivas, consecuencia de las fases descritas anteriormente:
- -Alcalinidad, proporcionada por su contenido en hidróxido cálcico, esta característica proporciona la pasividad de las armaduras frente a la corrosiónVer en "Lesiones", esta propiedad se ve reducida por la paulatina carbonataciónVer en "Lesiones" del hormigón, que avanza hacia al interior del hormigón, la cual se produce por contacto con el aire.
- -Densidad y porosidad, características determinadas por la dosificación y el tipo de áridos, influyendo también el cemento y los aditivos empleados. Esta porosidad puede dar lugar a la circulación de agua por la red de poros del hormigón, dando lugar a la aparición de eflorescenciasVer en "Lesiones" tras su evaporación.
- -Resistencia Ver en "Lesiones" esta característica mecánica viene determinada por la dosificación del hormigón, el tipo de cemento empleado, así como su grado de hidratación, su maduración y su envejecimiento.
- -Durabilidad, característica influida por el tipo de cemento y de árido empleado, la dosificación del mismo, la compacidad, y la correcta ejecución de las etapas por las que pasa el hormigón. La durabilidad se ve especialmente afectada por la carbonatación, la agresividad de cloruros y sulfatos, la reactividad de los áridos con los álcalis del cemento Ver en "Lesiones" y la estabilidad de volumen, la cual ante la presencia de agentes contaminantes internos y externos puede verse afectada.
SISTEMAS CONSTRUCTIVOS
[editar]El hormigón armado se caracteriza por monilitismo, dando lugar a enlaces de carácter hiperestático, lo que le confiere gran seguridad frente a sismos y efectos dinámicos.
En la ejecución de las estructuras de hormigón armado se ha de prestar una especial atención a la colocación de las armaduras, controlando que estas posean un recubrimiento suficiente y que las longitudes de anclaje en los nudos sean las adecuadas.
Su adaptabilidad a las distintas formas permite la realización de distintos tipos de estructuras. Para llegar a concebir la estructura mas adecuada para cada caso es necesario conocer las condiciones generales que rigen cada tipo. La estructura más idónea es en cada caso la que resista por si sola la actuación de las cargas transmitiéndolas al terreno de la manera más adecuada, con el mínimo consumo de material y provocando en la estructura el menor cansancio.
Las diferentes formas estructurales que ha adoptado el hormigón más utilizadas en la edificación:
Estructuras porticadas
[editar]Se trata de una de las soluciones estructurales mas frecuentes debido a su sencillez constructiva, su continuidad, la rigidez en sus nudos, se distinguen tres soluciones:
- -Estructura porticada en sentido longitudinal, debido a la libertad que permite en planta se tarta de la solución mas habitual en hormigón armado. La alineación de los pilares en el sentido longitudinal le confiere estabilidad en sentido longitudinal, sin embargo hay que prestar atención a la consecución de dicha estabilidad en su sentido transversal, que se conseguirá empleando pilares de gran inercia en su sentido transversal o a través del empotramiento del forjado en la viga.
- -Estructura porticada en sentido transversal, solución extendida debida a su libertad en fachada, permitiendo gran libertad en la ubicación de los pilares en su sentido transversal, el esquema mas frecuente para este tipo de estructuras es el pórtico simétrico con voladizos. la rigidez de sus nudos es lo que confiere estabilidad a la estructura frente a esfuerzos transversales, mientras que ante esfuerzos longitudinales es necesario, como se ha comentado para el caso, el empotramiento de los forjados para proporcionar la estabilidad requerida.
- -Estructuras reticulares, se obtiene a través de la definición de cuadriculas, tanto en planta como en alzado, dando lugar a un esqueleto estable si necesidad de la colaboración de los forjados. Los esfuerzos en ambas direcciones son absorbidos por la rigidez de los nudos y de la inercia de los pilares.
Estructuras trianguladas
[editar]No constituyen una solución adecuada para este material debido a la fragilidad de estas piezas ante la fisuración a pesar de la rigidez de sus nudos y de ser hiperestáticas y continuas. A pesar de esto se emplean en edificación industrial y en la edificación urbana en menor medida.
Edificios en altura
[editar]El uso del hormigón en este tipo de edificaciones se ha producido gracias al avance técnico que ha caracterizado la evolución del hormigón. Este tipo de estructuras se caracteriza por su comportamiento tipo ménsula debido al predominio de las acciones horizontales frente a las verticales.
Para su aplicación en este tipo de construcciones se debía conseguir la continuidad entre los elementos lineales, superficiales y espaciales; lo que fomenta el uso de muros y forjados como forma estructural.
Estructuras laminares
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Basan su creación en dos características básicas del hormigón armado que permiten dar a la estructura la forma más adecuada a los esfuerzos a los que esta sometida reduciendo considerablemente los espesores, estas son la capacidad de adaptación del hormigón a formas muy variadas y la mejora de la resistencia del mismo a través de la incorporación de las armaduras. La reducción de peso propio que se produce permite una gran libertad formal que amplia su campo de aplicación.
La reducción de su espesor es posible debido a la desaparición de efectos de flexión en este tipo de láminas.
- -Superficies cilíndricas
- -Cúpulas
- -Superficies plegadas
- -Superficies regladas
- -Superficies libres
Solicitaciones típicas
[editar]Las estructuras de hormigón se encuentran sometidas a solicitaciones de diversos orígenes. La determinación de la procedencia de esta solicitación es fundamental para la determinación de las lesiones y su posible evolución, ya que las mismas causas producen siempre los mismos defectos.
Las solicitaciones se pueden clasificar, según su procedencia, en los siguientes grupos:
-Agresiones biológicas
-Agresiones físicas y mecánicas
-Agresiones químicas
Agresiones biológicas
[editar]Aunque son poco frecuentes en la edificación el hormigón se puede ver sometido a agresiones biológicas, en especial ante superficies húmedas que pueden facilitar el alojo de determinados cultivos, en especial algas. Además, al igual que sucede frente a los agentes químicos, debido a la presencia de acero en su composición se ve afectado también por aquellas bacterias que intensifican con su actividad los procesos de corrosión.
Agresiones físicas y mecánicas
[editar]Son las agresiones mas frecuentes a las que se encuentra sometido el hormigón. Las de origen físico no son solo debida a causas externas, como sucede con las mecánicas, sino que pueden venir provocado por causas interiores, ya que en el proceso de elaboración del material este se encuentra sometido a cambios de temperatura generados durante su hidratación, y además durante toda su producción hasta su puesta en carga el material se encuentra en presencia de agua, necesaria para el proceso de hidratación citado anteriormente.
Agresiones electroquímicas
[editar]Estas suelen ser de lento desarrollo. Los agentes químicos mas habituales en el hormigón son los sulfatos, los cloruros, los carbonatos y los ácidos, entre otros; estos agentes provocan la corrosión del hormigón provocando graves daños estructurales y afectar a la durabilidad del hormigón. El ataque de estos agentes se puede producir sobre el cemento o sobre los áridos. Estos agentes químicos también pueden afectar a las armaduras, provocando su oxidación o corrosión. Este efecto se ve influido por las fisuraciones o por la perdida de alcalinidad del hormigón, ya que este protege a las armaduras frente a su corrosión.
El estudio de estas solicitaciones y sus causas serán desarrolladas con mayor profundidad en al apartado correspondiente a causas materiales y mecanismos de deterioro.[1]
Fallos característicos
[editar]Como hemos podido observar en el desarrollo del primer apartado las lesiones más características que presenta el hormigón son las fisuras. Las solicitaciones más habituales que provocaran esta fisuración del material serán las provocadas por el comportamiento del propio material durante su elaboración o por acciones externas.
Para su identificación deberemos atender a las características de las mismas, las más relevantes a la hora de identificar las mismas son:
-Geometría, será importante determinar el trazado, la anchura y profundidad de la fisura, así como si se encuentra ligada a las armaduras o la relación que posee con la geometría del elemento. Será también importante para determinar la posible afectación a las armaduras, en caso de que se encuentren ligadas a estas, saber si se trata de una fisura activa o pasiva.
-Trazado, será necesario conocer si se trata de una fisura intergranular, transgranular o mixto, y la proporción de granos que han sido atravesados o rodeados. Habrá que especificar también si se trata de una fisura sucia o limpia.
-Aparición, se trata de un factor determinante a la hora de establecer las causas y mecanismos de deterioro y el tipo de lesión. Será necesario definir en cual de las etapas descritas con anterioridad se ha producido la fisura, y si fuera posible se debería especificar día y hora de la primera aparición.
-Evolución, para determinar el alcance y poder realizar un pronostico sobre el alcance que puede tener la lesión será necesario establecer si se trata de una fisura de tipo activo o pasivo, así como determinar la rapidez en su evolución y sus variaciones de anchura y de longitud.
-Ubicación, el estudio del tipo de elemento en el que aparece, la orientación del mismo y la comparación de este con elementos análogos puede ser determinante a la hora de determinar el origen de la lesión y establecer una hipótesis de su evolución, que ayudara a determinar la reparación.
-Origen, la determinación de las causas será necesario para la determinación de algunas de las características anteriores como su evolución, aunque también se podrá proceder a la inversa y tras un estudio de las características citadas determinar el origen del agente causante de la lesión (ambiente exterior, mecánico, físico o químico).
Ante procesos de fisuración visible se puede proceder del siguiente modo:
- -Se procederá a estudiar las fisuras (determinando las características enunciadas anteriormente), y se se enunciaran hipótesis sobre sus causas que serán analizadas con el fin de descartar aquellas que no se ajusten a los resultados del análisis.
- -Si fuera posible a partir del análisis previo de determinaran las causas de la fisuración. Si los estudios realizados permitieran descubrir las causas se procederá a su reparación. Si por el contrario no se pudiera llegar a una conclusión sobre el origen de estas se vigilara la evolución de le lesión y se proseguirán los análisis.
- -Una vez determinadas las causas y la reparación necesaria, esta se llevara a cabo siempre que sea posible. En caso de que no se puede efectuar se aguardara para solucionar la lesión siempre vigilando la evolución de la fisura, y una vez que sea posible se establecerán las protecciones, refuerzos y juntas flexibles determinadas.
- -Si aun así no fuera posible combatir la causa se determinara la gravedad del caso, dando lugar a la demolición cuando presente gravedad, o vigilando su evolución y aceptando su existencia siempre que no constituya un riesgo para la seguridad del usuario.
Las lesiones de carácter químico son fallos a los que debemos prestar atención, ya que como se ha descrito en el primer apartado, pueden provocar una reducción considerable de la durabilidad del hormigón.
Estas lesiones pueden ocasionar fallos en el edificio, provocando una deficiencia en el cumplimiento de alguna de las exigencias previstas en el proyecto. Según las características de estas exigencias los fallos se pueden producir en un edificio son:
-Fallos mecánicos, afectan a la solidez, implican una perdida de la capacidad mecánica o resistencia, estabilidad, rigidez que inciden en la seguridad estructural.
-Fallos funcionales, afectan a la correcta utilidad del edificio, implican una perdida de nivelación horizontal o vertical, o cualquier otro tipo de deformación que pueda dificultar el uso adecuado del edificio.
-Fallos estéticos, afectan al decoro debido a cambio de coloración, este cambio de coloración se debe generalmente a corrosiones, eflorescencias, depósitos de polvo y cultivos biológicos.
Todas las posibles lesiones a las que se puede ver sometido el hormigón se analizan en profundidad en el siguiente capitulo..[2]
Bibliografía
[editar]-F. Cassinello: CONSTRUCCIÓN. HORMIGONERIA. Ediciones Rueda, Madrid 1974. (Biblioteca ETSAM: 691.3 CAS con)
-Álvaro García Meseguer: HORMIGÓN ARMADO. MATERIALES. EJECUCIÓN. CONTROL. PATOLOGÍA. Fundación Escuela de la Edificación (Colegio Oficial de Aparejadores y A. T de Madrid), Madrid 1988. (Biblioteca ETSAM: 624.012 GAR cal 1)
-Apuntes de la asignatura de la ETSAM: Materiales de Construcción, departamento de Construcción y Tecnología Arquitectónicas de la U.P.M. – CURSO DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. II MATERIALES MINERALES