El campo de la Teoría de Estructuras es muy amplio y se encuentra en continua evolución. Aquí trataremos temas relativos a métodos de análisis de estructuras (Cálculo Matricial y Método de los Elementos Finitos), materiales, durabilidad, etc.

Podéis contribuir con dudas o aportaciones al respecto

 

De la eternidad a la durabilidad

Durante la mayor parte de la historia del hormigón estructural los ingenieros se dedicaron a resolver el problema resistente. Así sus primeros esfuerzos se encaminaron a resolver el cálculo de secciones y, posteriormente, al cálculo de deformaciones. De esta manera, ha llegado hasta nuestros días un cuerpo teórico de cálculo que funciona correctamente según los márgenes de seguridad establecidos por nuestra sociedad y cuyo reflejo técnico se encuentra plasmado en las normativas de cada país.

Sin embargo, a medida que fue avanzando el siglo XX, los ingenieros se dieron cuenta de que, contrariamente a lo que se pensaba en un principio, el hormigón no era un material eterno. El hecho no se constató hasta que después de la segunda Guerra Mundial, la construcción con hormigón armado se generalizó y, de hecho, no fue hasta a partir de 1960 cuando se multiplicaron los casos de deterioro debido a problemas de corrosión y comenzaron los primeros estudios sobre el tema.

Sea como fuere, el hecho es que actualmente ya nadie duda de la importancia de la durabilidad de las estructuras, habiéndose generado gran cantidad de bibliografía al respecto. Como ejemplo, la propia Instrucción de Hormigón Estructural española (EHE) se ha actualizado notablemente en este sentido durante las últimas décadas, hasta tal punto de haberse incluido en su última versión el Estado Límite de Durabilidad.

 

¿Por qué estudiar los mecanismos de deterioro?

El conocimiento acerca de los mecanismos que atacan a los distintos materiales estructurales se justifica actualmente en la actuación que la sociedad demanda del técnico para que las estructuras de sus edificios y obras de ingeniería sean duraderas y económicas. En el sector de la construcción -al contrario que en otros como el naval- los problemas se agravan aún más debido, en primer lugar, a que los técnicos no suelen adquirir la formación necesaria a lo largo de su carrera y a que los problemas de degradación se presentan generalmente varios años después del periodo de garantía de las construcciones, con lo que el técnico no es consciente de la bondad de las medidas que en su momento adoptó.

Al menos, en tres situaciones diferentes tendrá el técnico que actuar para garantizar que la estructura sea capaz de soportar los distintos mecanismos de ataque a los que se ve sometida durante su vida útil: en la fase de diseño, durante la ejecución, una vez que la estructura está ejecutada y, si se da el caso, en la reparación. Cada una de las etapas anteriores posee su importancia:

 

• Diseño: En el caso de que la estructura esté aún en fase de proyecto, el técnico proyectista debe incluir en su definición las estrategias de diseño adecuadas para garantizar la resistencia y durabilidad. En esta fase se seguirán las indicaciones de las normativas sobre elección de ambientes, elección de materiales adecuados a dichos ambientes, recubrimientos, formas y soluciones constructivas que eviten puntos críticos de ataque (evacuación de aguas, impermeabilización, diseño de fachadas, aristas, etc.) y permitan un mantenimiento sencillo.

• Ejecución: Posteriormente, durante la ejecución, se cuidará la puesta en obra, dosificaciones, compactación, curados, etc. Esta fase puede es trascendental en el caso del hormigón, ya que tanto el comportamiento mecánico como la durabilidad dependerán del grado de consolidación de la masa de hormigón que se pueda conseguir con la compactación del hormigón fresco.

• Mantenimiento: Una vez construida la estructura ha de mantenerse. El mantenimiento consiste principalmente en la inspección de la propia estructura, de las instalaciones que puedan afectar a su durabilidad, las impermeabilizaciones, etc. También están incluidas aquí las técnicas de limpieza y posibles pruebas de carga. En este sentido también se ha avanzado con la nueva normativa, tanto el Código Técnico de la Edificación como la Instrucción de Hormigón. Sin ir más lejos, esta última dedica un capítulo a dicho tema.

  Tabla 1. Objetivos específicos de inspecciones rutinarias y de diagnóstico1

  INSPECCIONES RUTINARIAS	INSPECCIONES DE DIAGNÓSTICO
  Inspección visual para detectar la aparición de los primeros síntomas de corrosión.	Evaluación del estado de la estructura, identificación de la causa del daño y de la corrosividad del ambiente.
  Detectar posibles causas de deterioro antes de que aparezcan sus efectos.	Determinar cuantitativamente la velocidad de deterioro.
  Identificar los mecanismos del daño y estimar la velocidad del avance cuando comience a actuar.	Establecer el umbral permisible de daños, dependiendo de la finalidad de la estructura, así como la urgencia de la intervención.
  Establecer las técnicas de prevención más adecuadas para retrasar o evitar el comienzo del deterioro.	Predicción de la vida residual de la estructura.
  Determinar el momento en que se debe acudir a una inspección detallada.	Establecer la metodología del control de la estructura y, si es ya necesario, fijar la estrategia de reparación.
  	Definir las operaciones de mantenimiento y la metodología de control de la estructura reparada.

• Reparación: Cada vez es más usual la evaluación y reparación de estructuras existentes, bien por razones de protección de nuestro patrimonio histórico, bien por razones económicas. Tal es el caso de países como el nuestro, que poseen un parque de edificaciones anticuado, necesitado de conservación y rehabilitación.

 

Concretamente el hormigón

El hormigón estructural es actualmente el material más utilizado en la construcción de estructuras tanto en edificación como en ingeniería civil. Por ello, tiene tal trascendencia el estudio de medidas preventivas de los ataques que merman su capacidad resistente así como de las técnicas reparadoras de las lesiones.

Dentro de los distintos tipos de hormigón estructural (en masa, armado y pretensado) el hormigón armado es hoy por hoy el material cuyos procesos de degradación mejor se conocen. Ello es debido al gran número de estructuras existentes que han sido construidas con este material y posteriormente estudiadas. No existe tal estudio para el hormigón pretensado, si bien muchas de las conclusiones que se hacen para el hormigón armado valen también para el pretensado. En todo caso, su comportamiento frente a los distintos ataques debería ser más favorable que para el hormigón armado dado que la fisuración está más controlada.

El hormigón estructural posee un amplio abanico normativo, en especial en cuanto a diseño. En España, la Instrucción de Hormigón Estructural se ocupa de ello. Hubo también otras normas que aportaron reglas al respecto, como el Código Modelo de la CEB-FIP de 1990, que dedicaba un capítulo a la durabilidad, o más recientemente los Eurocódigos. En el caso de reparaciones, es el buen hacer del técnico el que ha primado hasta ahora, dado que los códigos no habían llegado a abarcar este campo, si bien, comienza a haber también normativa al respecto, como por ejemplo las recientes UNE 1504 sobre reparación de estructuras de hormigón.

Dentro de todas las patologías que limitan la durabilidad del hormigón, sin duda, la principal es la debida a la corrosión de los refuerzos de acero en ambientes especialmente agresivos. Esta patología es común con a otros materiales metálicos, de hecho, se estima que el coste debido a pérdidas causadas por la corrosión de los materiales asciende aproximadamente al 3,5% del producto interior bruto de un país. En cuanto al hormigón, actualmente se buscan alternativas al acero como refuerzo, estando en investigación el uso de morteros especiales con adiciones de fibras inertes de vidrio o de carbón.

 

De la eternidad a la durabilidad

Durante la mayor parte de la historia del hormigón estructural los ingenieros se dedicaron a resolver el problema resistente. Así sus primeros esfuerzos se encaminaron a resolver el cálculo de secciones y, posteriormente, al cálculo de deformaciones. De esta manera, ha llegado hasta nuestros días un cuerpo teórico de cálculo que podemos decir que funciona correctamente según los márgenes de seguridad establecidos por nuestra sociedad y cuyo reflejo técnico se encuentra plasmado en las normativas.

Sin embargo, a medida que fue avanzando el siglo XX, los ingenieros se dieron cuenta de que, contrariamente a lo que se pensaba en un principio, el hormigón no era un material eterno. En este sentido, es necesario remarcar que no es tanto el propio hormigón sino el acero que acompaña a éste, el que origina la mayor parte de las patologías. Sea como fuere, el hecho es que actualmente ya nadie duda de la importancia de la durabilidad en el diseño con hormigón, habiéndose generado gran cantidad de bibliografía al respecto, es precisamente éste uno de los temas sobre los que las normas del sector más bibliografía ha generado en la última década, siendo la propia Instrucción de Hormigón Estructural uno más de los textos que más se ha actualizado en este sentido.

Por otro lado, el hormigón estructural posee un amplio abanico normativo, en especial en cuanto a diseño. En España, la Instrucción de Hormigón Estructural se ocupa de ello. En el caso de reparaciones, es el buen hacer del técnico el que ha primado hasta ahora, dado que los códigos no habían llegado a abarcar este campo, si bien, comienza a haber también normativa al respecto, como por ejemplo las recientes UNE 1504 sobre reparación de estructuras de hormigón.

En general, las clasificaciones de los mecanismos de daño se hacen en función de las lesiones observadas. Existen sin embargo algunas diferencias entre los criterios de clasificación. Por ejemplo la incluida en la ACI1 que se copia aquí es una clasificación a modo de catálogo-guía de daños redactada con el fin de ayudar al técnico a revisar los daños en obra:

Tabla 2. Guía para la evaluación de estructuras de hormigón antes de su reparación. ACI

CÓDIGO	DAÑO	DESCRIPCIÓN	CAUSAS	DETALLES QUE DEBEN DARSE EN LA INSPECCIÓN
A1	Grietas o fisuras	Rotura del hormigón superficial o profunda	Sobrecargas, contracción, corrosión	Difracción, ancho, longitud y profundidad
A2	Red de grietas	Grietas estrechas y cortas formando una red	Cambio diferencial de volumen de hormigón superficial e interno	Ancho de grietas, tamaño de red y superficie afectada.
B1	Gel de exudación	Gel viscoso saliendo a través de los poros del hormigón	Reacción álcali-agregado	Superficie afectada, cantidad de depósito (láminas, estalactitas)
B2	Eflorescencia	Costra blanca en la superficie del hormigón.	Lixiviación de hidróxidos con o sin formación de carbonatos	Superficie afetada, cantidad de depósito (láminas, estalactitas)
B3	Manchas de óxido	Manchas de color marrón-rojizo	Corrosión de la armadrua, del alambre de amarre	Localización, intensidad, posible daño asociado.
B4	Manchas de humedad	Zona superficial del hormigón con indicios de humedad	Escurrimiento externo o interno, condensación	Superficie afectada
C1	Protuberancia (Pop-Out)	Daño localizado superficial	Desarrollo de una presión interna local o expansión de partículas de agregado	Localización, profundidad
C2	Hormigón fofo	Sonido hueco al golpe de martillo	Corrosión del acero o cangrejeneras	Superficie afectada, profundidad
C3	Delaminación	Fragmentado de la superficie del hormigón, lavado de la pasta de cemento	Presión interna por corrosión de la armadura, o por fuerza externa aplicada	Superficie afectada, profundidad
C4	Intemperismo	Desgaste de la superficie del hormigón, lavado de la pasta de cemento	Acción del medio ambiente que produce desgaste de la superficie	Superficie afectada, profundidad
D2	Nidos de abeja	Vacíos entre los agregados gruesos	Falta de homogeneidad durante el vaciado del hormigón	Superficie afectada, profundidad, intensidad
E1	Junta de construcción	Demarcación en la superficie del hormigón porosa o no	Junta entre dos coladas	Localización y posible daño asociado
E2	Junta de dilatación	Línea formada por la unidad de dos planos de hormigón	Espacio dejado para pequeños movimientos rotatorios	Abertura, obstrucciones cualquiera asociado a su deterioro

Más usuales son las clasificaciones en función del origen de los daños, por ejemplo, la que contempla el origen físico, mecánico o químico de estos:

• Mecanismos físicos: lesiones de carácter físico, que generalmente tienen que ver con el agua y la temperatura, de ahí que también se les denomine higrotérmicos. Se encuentran aquí contemplados los mecanismos de hielo o deshielo y los ciclos térmicos y de humedad que producen variaciones de volumen y pueden hacer fisurar al hormigón. También otras lesiones que tienen su origen, además de en causas físicas, en las propiedades, dosificación y ejecución del hormigón, tales como el asentamiento y la retracción plástica, el afogarado y la retracción hidráulica.

• Mecanismos químicos: se incluyen aquí todos los mecanismos que tienen su origen en la presencia de sales, ácidos, o álcalis. Entrarían aquí los ataques debidos a iones sulfatos, a medios ácidos tipo CO2 o SO2, la presencia de magnesio (MgO) en las materias primas, así como la corrosión por carbonatación y cloruros.

• Mecanismos mecánicos: Su clasificación puede considerarse como una acción física más, sin embargo, dada su importancia se las considera un grupo aparte. Evidentemente cualquier lesión que no tenga origen mecánico, finalizará también su proceso de ataque mermando la capacidad mecánica del elemento estructural. Se trata de lesiones mecánicas son los fallos debidos a esfuerzos de flexión, cortante, anclaje de barras, deformaciones excesivas, etc.

Algunas medidas de protección

Por último, antes de pasar a detallar más pormenorizadamente cada uno de los mecanismos de ataque y degradación, comentaremos algunas medidas de protección cara a mejorar la durabilidad de las estructuras de hormigón:

• Elegir una forma estructural adecuada. El objetivo es doble: evitar puntos sensibles que favorezcan el ataque al hormigón y facilitar la inspección y el mantenimiento en un futuro. Cuidar los drenajes e impermeabilizaciones

• Utilizar hormigones densos, bien compactados y curados, de baja permeabilidad. Utilizar relaciones adecuadas agua/cemento y contenido mínimo de cemento.

• Diseñar recubrimientos adecuados. Utilizar separadores.

• Controlar la fisuración.

• Disponer de medidas especiales de protección en el caso de ambientes especialmente agresivos.