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Tecnología del Concreto, un elemento esencial del Diseño Estructura |
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El
título de este estudio conecta dos actividades tradicionalmente separadas,
involucradas en la realización de una estructura o un edificio: el diseño
estructural y la tecnología del concreto. La percepción de esta última,
muy extendida aun cuando no enteramente correcta, es la de cálculos analíticos,
que en estos días involucran el uso de una computadora. La tecnología del
concreto, por otro lado, trae a la mente la imagen de un hombre “práctico”
quien, si no lleva puestas unas botas de hule, utiliza una mezcladora de
laboratorio o prueba numerosos cilindros de concreto. Esta es una distorsión
deliberada y provocadora, pero es un hecho que el diseñador estructural y
el tecnólogo del concreto son percibidos como personas involucradas en
actividades bastantes separadas, encerradas claramente en distintos
compartimentos. Por mi parte, yo afirmo que la tecnología del concreto es
un elemento esencial del diseño estructural. En este artículo espero
demostrarlo. Ingeniería
estructural En
estructuras que no están conectadas al suelo, tales como automóviles y
aviones, existe un vínculo muy estrecho entre la elección de la forma y
figura estructural y el material usado. Por supuesto, la elección de los
aspectos estructurales del diseño y del material de construcción se hace
al mismo tiempo, ya que las propiedades del material determinan qué es lo
que puede lograrse. De ser necesario y posible, el desarrollo del material
se realiza de modo que pueda ajustarse a los requisitos estructurales. El
progreso de este desarrollo en años recientes ha sido fenomenal. Esto
no ha sido así en la gran mayoría de las estructuras conectadas al suelo.
Hablando de una manera muy general, el material de construcción es el acero
o el concreto. No consideraré el acero, no sólo porque está fuera de lo límites
del ACI, sino también porque el material –el acero– se produce en fábrica
de una manera sofisticada y sus propiedades están bien definidas, descritas
y garantizadas. Solamente la fabricación en el sitio es específica de un
trabajo. En
estructuras de concreto, la situación es sustancialmente diferente. El diseñador
estructural hace el análisis y el diseño. Después especifica el concreto.
Esto solía hacerse prescribiendo las proporciones de los distintos
ingredientes. En cuanto a las propiedades de estos ingredientes, los
requisitos son extremadamente amplios. Por ejemplo, el cemento tiene que
conformarse a un estándar de la ASTM, pero con mucha frecuencia tal estándar
establece límites muy amplios. Con respecto al agregado, a veces se
especifica que debe estar limpio y ser duro. Esto difícilmente es
cuantificable. Los requisitos de granulometría son tales que se satisfacen
mediante un gran número de granulometrías prácticas. Esto es justo y
apropiado porque en esta etapa, cuando aún no se ha elegido al contratista,
no se sabe cuál fuente de agregados se usará, de modo que se desconocen
las propiedades detalladas de los materiales que han de utilizarse. Lo mismo
se aplica a la planta o al método de transporte, compactación, curado y a
otras actividades en el sitio. Con
la tendencia hacia especificaciones del tipo “rendimiento,” la situación
ha mejorado algo en cuanto que,
al menos, se aseguran ciertas características de comportamiento del
concreto. Sin embargo, muchas de las propiedades del concreto son
desconocidas e impredecibles en la etapa del diseño estructural. Es
sorprendente que en muchos casos surjan problemas durante la vida de la
estructura. En
esta etapa, quisiera adelantarme a la crítica de que todo esto es
inevitable porque, a diferencia de los automóviles y los aviones, las
estructuras de concreto son casi siempre de una sola variedad y se
construyen en el sitio al aire libre, en clima variable, con frecuencia en
condiciones difíciles, usando una fuerza de trabajo que no es estática y
que, para ser francos, es menos especializada que su contraparte establecida
en la fábrica. Ciertamente, así es. Pero, ¿hay necesidad de que las
consecuencias continúen por siempre así?
En lo que sigue, yo me porpongo demostrar la íntima interdependencia
entre el diseño estructural y las propiedades del concreto y luego ofrecer
algunas indicaciones tendientes a mejorar la situación actual. Características
de El
ingeniero estructural está bien educado y entrenado en el análisis
estructural y el diseño. Puede obtener las ecuaciones apropiadas o emplear
las soluciones analíticas existentes. Pero estas ecuaciones y soluciones
involucran parámetros que describen las propiedades de los materiales. En
el caso del concreto, la resistencia a la compresión es el parámetro más
obvio y el que generalmente puede tratarse mejor. Pero, para la resistencia
de una estructura, requerimos también las características de deformación
del concreto: su módulo de elasticidad, incluyendo el hecho de que el
material no es verdaderamente elástico y tenemos que tomar en cuenta la
fluencia del concreto. En
numerosos cálculos de diseño, la fluencia es tratada como un coeficiente
con un valor único o, en el mejor de los casos, un valor de dos o tres
pasos. Sin embargo, la fluencia es una función compleja de las proporciones
de la mezcla de concreto, la edad en el momento de la carga, la edad cuando
se remueve la carga, la temperatura y las condiciones de exposición. Además
de la fluencia, el concreto sufre contracción por secado, la cual no está
relacionada con el esfuerzo, pero es influida por numerosos factores. En
estos días, cuando se utiliza cada vez más concreto de alto desempeño,
requerimos el conocimiento de la contracción autógena en el elemento de
concreto. Ciertamente, este es un tema que sólo ahora está siendo
intensamente estudiado. En
ciertas condiciones, las pilas de puentes ofrecen un ejemplo excelente de
problemas inducidos por la contracción. En el caso de trabes continuas en
soportes altos, existe una diferencia sustancial en la contracción de
aquellas que están sobre el agua y aquellas que están sobre terreno seco,
en donde la contracción es mucho mayor. Esto induce esfuerzos en la trabe. En
cuanto a la fluencia, puede haber una gran deformación vertical diferencial
en edificios de gran altura. Algo de esta deformación es evitable mediante
el control de las variaciones en el esfuerzo sostenido y en el refuerzo en
las columnas, y también de sus condiciones de exposición (aunque esto no
siempre es posible). Sin embargo, en la etapa de diseño no se conocen ni
pueden controlarse las características de fluencia del concreto que ha de
emplearse, las cuales dependen de la edad. Lo mismo vale para los efectos de
la fluencia de columnas de concreto en los revestimientos, cuyas características
de deformación probablemente difieran unas de otras. Evidentemente, es
necesario un margen de tolerancia para la fluencia del concreto. Pero, ¿cuánta
fluencia habrá? La
mayoría de los ingenieros está familiarizada con casos de agrietamiento
inesperado por contracción, y que bien pueden deberse a las características
de contracción del agregado o de la mezcla usada. En la etapa de diseño,
estas características son impredecibles, y los límites de especificación
generalmente son muy amplios. Mi
punto de vista es que la influencia de los diversos parámetros es tan
grande que el diseñador debe estar completamente familiarizado con ellos.
No se puede usar simplemente un manual de constantes físicas. Diseño
estructural Lo
mismo se aplica en el caso de la durabilidad, que es, con mucho, el mayor
problema de las estructuras de concreto en muchas partes del mundo. Se
detectaron numerosos casos de durabilidad inadecuada de estructuras de
concreto construidas en los años sesenta y setenta, que se debían a la
selección de mezclas de concreto con base únicamente en la resistencia. De
hecho, debido a los cambios en las propiedades del cemento, la misma
resistencia que había sido previamente especificada podía ahora obtenerse
con una relación agua/cemento más alta. En consecuencia, para una
resistencia dada a 28 días, el concreto era más permeable que el concreto
de los años cincuenta. Los
factores que afectan la durabilidad del concreto son tanto extrínsecos como
intrínsecos, de modo que para tomarlos debidamente en cuenta, el diseñador
debe tener un buen conocimiento de los fenómenos químicos y físicos de la
interacción entre el concreto y el medio ambiente. Existen otros ejemplos
de la relación entre el comportamiento del concreto y el desempeño de las
estructuras de concreto en servicio. Un ejemplo es la influencia de la forma
de la estructura sobre la durabilidad; las losas de malecones en las aguas
del mar son menos susceptibles de corrosión del refuerzo que la construcción
con vigas y tableros. Tal conocimiento es especialmente importante cuando el
diseño es para asegurar una vida de servicio específica de la estructura,
un requisito que está siendo invocado cada vez más. El
conocimiento del ingeniero Mi
punto de vista es que la mayoría de los diseñadores estructurales, con
honrosas excepciones, carece del conocimiento necesario sobre el
comportamiento del concreto. Las universidades no lo enseñan, como que-dó
demostrado en una encuesta hecha por la Asocia-ción de Cemento Portland en
1995: únicamente 22 por ciento de los departamentos de ingeniería civil de
Estados Unidos exige un curso completo de un semestre en tecnología del
concreto. El conocimiento que se adquiere en el trabajo es demasiado
fragmentado o dependiente del azar, y sin el rigor científico adecuado. Se
puede argumentar que una persona no puede tener todo el conocimiento
necesario, de modo que el diseñador debe simplemente consultar a un
especialista en materiales. El problema es que en la gran mayoría de los
casos, el especialista en materiales es un científico “puro” que carece
del conocimiento de la acción estructural o del comportamiento estructural.
En consecuencia, no sabe qué preguntas contestar, y el diseñador no
siempre sabe qué preguntas hacer. Es casi como si un cirujano careciera del
conocimiento adecuado de la patología y recurriera exclusivamente al científico
de laboratorio para una decisión de lo que hay que hacer. Diseño
sin el conocimiento Hay
un chiste que dice que una estructura diseñada por un ingeniero estructural
sin un arquitecto es horrible, y que una estructura diseñada por un
arquitecto sin un ingeniero es terrible. Es dudoso que un diseñador sin un
conocimiento íntimo del concreto sea inexperto; puede haber una falta de
correspondencia entre el diseño estructural y el comportamiento del
material. Los errores más grandes en el pasado incluyen el uso de un
concreto completamente inapropiado, como el hecho con cemento con alto
contenido de alúmina o el concreto reforzado y, sobre todo, el presforzado,
que contienen cloruro de calcio. En
1995, al revisar el tema general de seguridad estructural, J.B. Menzies,
quien pertenecía a la British Building Research Establishment, escribió
que el uso de estos dos materiales había sido un “error.” Su empleo fue
retirado de los códigos de diseño británicos en los años setenta. Toda
la cuestión del uso estructural del concreto hecho con cemento con alto
contenido de alúmina será considerado en un estudio posterior programado
para ser publicado en Concrete International.
Ahora ya no cometemos estos errores en particular, pero debemos
asegurarnos de no cometer otros en el futuro. En cuanto a los diseñadores
estructurales como grupo, aprender de sus errores no es suficientemente
bueno, teniendo en cuenta nuestra responsabilidad social, así como también
legal por la seguridad. Tampoco debemos engañar a nuestros clientes dándoles
estructuras inadecuadamente durables con una muy corta vida de servicio. Existen
otros ejemplos de la importancia del conocimiento del concreto en el diseño
estructural. La forma estructural misma puede ser influida por el
comportamiento térmico del concreto. Este comportamiento es diferente, en
el caso del concreto de alto desempeño, al que se daba en muchos casos de
concreto tradicional. En algunas estructuras grandes de concreto masivo, los
aspectos de corrosión y de durabilidad deberían llevar al diseñador a
preguntarse a sí mismo, en el momento de empezar, si el uso de refuerzo es
esencial o si es más práctico una construcción del tipo mampostería. Los
muelles son un ejemplo de tal estructura. Se puede hacer la misma pregunta
en el caso del revestimeinto de túneles, en donde se requiere refuerzo únicamente
durante el manejo y la instalación, y no obstante, es la corrosión del
refuerzo lo que constituye el factor limitante en la vida del revestimiento
del túnel. Valoración
estructural Puedo
ofrecer otros dos diferentes ejemplos de la importancia del conocimiento del
comportamiento del material. Uno es la valoración estructural de
estructuras existentes. El otro, muy común, es la investigación de fallas.
Afortunadamente, con frecuencia, sólo de aspecto local o parcial. Por
ejemplo, ¿es el agrietamiento o el desconchamiento inducido únicamente por
el esfuerzo, o está relacionado con causas térmicas o con contracción
diferencial o curado inadecuado? Un científico “puro” no puede
responder a estas preguntas porque no entiende el comportamiento
estructural. Un ingeniero estructural sí puede contestarlas, pero sólo si
comprende bien de qué manera se comporta el concreto en toda una gama de
condiciones. Cómo
mejorar en el futuro
El
corolario de mi artículo es que un diseñador estructural que sea ignorante
respecto al concreto no es un diseñador verdaderamente competente. Así
pues, yo estoy argumentando en favor de una educación y capacitación más
amplias de los ingenieros estructurales. Esto podría parecer desagradable,
pero el aprendizaje adicional dará por resultado el logro de mejores diseños
y estructuras más durables. Este
aprendizaje adicional no requiere la introducción de todavía más cursos
al programa ya sobrecargado de los estudiantes que están por terminar su
carrera. En todo caso, sería difícil encontrar suficientes profesores
universitarios que combinaran en realidad el conocimiento del análisis
estructural y el diseño con el conocimiento del comportamiento del
concreto. Y si ellos sólo saben de esto último, no serían capaces de
relacionar el comportamiento del concreto con el comportamiento estructural.
Sin embargo, afortunadamente vivimos en la era de los métodos de
aprendizaje interactivo que tienen como base las computadoras: ahí está la
solución. Por
ejemplo, nosotros podríamos construir soluciones de diseño en el supuesto
de ciertas propiedades del concreto, digamos, un coeficiente dado de
fluencia. El valor del coeficiente se cambia entonces hacia arriba o hacia
abajo, y se muestra el efecto sobre la deformación y la distribución de
esfuerzos. Del mismo modo, nosotros podríamos diseñar una estructura
suponiendo cierta mezcla de concreto y luego ver las consecuencias de usar
agregado con un módulo de elasticidad más alto o más bajo. Simular los
efectos que tiene sobre la durabilidad la variación de la permeabilidad del
concreto sería igualmente instructivo. Estos ejercicios tendrían que ser
preparados por aquellas pocas personas que han abarcado ambos campos de la
división entre diseño estructural e ingeniería de materiales, pero
entonces los programas de computadoras podrían usarse en todas las escuelas
de ingeniería como un complemento para aprender los conocimientos básicos
del comportamiento del concreto.
El objetivo es borrar la división entre los que leen el ACI
Structural Journal y quienes leen el ACI Materials Journal. De
este modo, nosotros podremos asegurar mejores estructuras de concreto, que
es lo que se esfuerza en lograr el ACI. Adam
Neville es miembro Honorario del ACI y autor o coautor de ocho libros,
incluyendo Properties of concrete (Propiedades del concreto). Es
socio de A & M Neville Engineering y árbitro en Londres, Inglaterra. Este artículo fue publicado en Concrete International y se reproduce con la autorización del American Concrete Institute.
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Resumen: Mediante
una concienzuda exposición, en la que no faltan ejemplos, Adam Neville
desarrolla y
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Instituto Mexicano
del Cemento y del Concreto, A.C. |
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