Hormigón armado, desde simples macetas hasta los edificios más altos del mundo

Es un material tan común y utilizado con tanta frecuencia que la mayoría de los ingenieros no reflexionan sobre él en profundidad. Para la mayoría de nosotros, es simplemente un material que debe cumplir los parámetros requeridos en diversas formas. Pero al trabajar con él, ¿alguna vez se ha preguntado de qué país proviene? ¿O cuál es la historia de un material sin el cual muchos edificios famosos en el mundo nunca habrían sido construidos?

Para este artículo, dejemos de lado los complejos problemas de ingeniería, el diseño y las evaluaciones estructurales, el análisis de cargas y la aplicación de normativas. Hagamos juntos un breve viaje por la historia y veamos de dónde viene este material, sus orígenes y cómo se desarrolló dando lugar a una increíble cantidad de edificios funcionales y admirables.

Como su nombre indica, el hormigón armado primitivo comprendía dos componentes esenciales: el hierro y el hormigón. Antes de hablar del hormigón armado en sí, echemos un vistazo rápido al hormigón. Este material es conocido por la humanidad desde hace más de 2000 años.

Los beneficios del hormigón ya fueron aprovechados por los romanos (algunos dicen que también por los egipcios). Algunos de los edificios que construyeron con él siguen en pie hoy en día. Un excelente ejemplo es la cúpula monolítica más grande del mundo, la del Panteón de Roma (imagen a continuación), que fue construida utilizando tecnología de hormigonado in situ en el siglo II d.C. Este no es el único ejemplo de adopción temprana del hormigón: existen muchas estructuras similares en el mundo.

Por ello, resulta sorprendente que la idea de reforzar el hormigón con elementos de hierro no surgiera hasta el siglo XIX. Con cierta exageración, este período puede denominarse el período del Renacimiento Técnico. Además del hormigón armado, el uso del acero también revolucionó la construcción. Comenzó a aparecer a mayor escala en forma de elementos portantes solo un poco antes que el propio hormigón armado.

En el siglo XIX^th, varios pioneros experimentaron con el hormigón armado. Entre los más tempranos e importantes se encontraba el inglés William Boutland Wilkinson, quien experimentó con soluciones ignífugas en la construcción de edificios. En 1854, utilizó varillas y cables de acero para reforzar el hormigón en la construcción de una casa para sus sirvientes. Patentó una solución que resultó exitosa.

Otro pionero fue el industrial francés François Coignet, el primero en construir un edificio de cuatro plantas hecho íntegramente de hormigón armado en la ciudad francesa de Saint-Denis en 1853. También patentó su solución en 1855.

El primer "ancestro" del hormigón armado tal como lo conocemos hoy, que combina eficazmente lo mejor de ambos materiales, es decir, la resistencia a compresión del hormigón normal con la resistencia a tracción del hierro, puede decirse que data de 1867. En ese momento, un jardinero francés, Joseph Monier (imagen a continuación), buscaba un sustituto para las macetas de arcilla y madera. Intentó fabricarlas de hormigón, pero se agrietaban, por lo que trató de encontrar la manera de hacerlas suficientemente resistentes.

Se le ocurrió la idea de utilizar una sencilla estructura de hierro, que luego recubrió con hormigón. El resultado superó todas las expectativas, y Joseph Monier patentó su solución el 16 de julio de 1867.

Incluso exhibió su invención en la Exposición de París de ese año, donde su solución tuvo un gran éxito. Fue en julio de este año (2022) cuando esta patente celebró su 155^th aniversario.

El hormigón armado experimentó posteriormente un auge en la industria de la construcción en el mundo moderno. Se extendió a los Estados Unidos antes de finales de siglo.

Rápidamente se convirtió en un material que ha encontrado uso en todo tipo de edificaciones, desde carreteras y viviendas hasta edificios monumentales en las mayores conurbaciones del mundo. Sin embargo, de la mano de esta expansión, las exigencias sobre sus propiedades han ido creciendo. El hormigón, como elemento esencial, ha experimentado una evolución revolucionaria a lo largo de los años. Los ingenieros han experimentado con la composición y la carga, se han creado nuevas categorías y se han ampliado las posibilidades de uso en diversos entornos.

Por lo tanto, así como la tecnología de producción del hormigón evolucionó y sus propiedades mejoraron, la misma evolución se ha producido en los métodos de cálculo de estructuras de hormigón.

Cada estructura contiene las denominadas zonas B y D, que se caracterizan por un enfoque de diseño diferente.

¿Qué son las zonas B?

Las regiones B pueden definirse como regiones en las que se cumple la hipótesis de Bernoulli-Navier, que asume que una sección transversal que es plana antes de la deformación permanece plana después de la deformación. Para tales regiones, la solución y el juicio dados en las normativas pueden utilizarse con seguridad. IDEA StatiCa RCS e IDEA StatiCa Beam ofrecen soluciones para las zonas B en las que es válida la teoría de vigas.

¿Qué son las zonas D?

Los lugares donde la hipótesis de Bernoulli-Navier no se cumple se denominan regiones de discontinuidad o regiones de fallo: las regiones D. Estas son regiones de emplazamiento, alrededor de vigas aisladas, lugares de cambios bruscos en las secciones transversales, aberturas, etc. En el diseño de estructuras de hormigón, nos encontramos con una serie de otras zonas D, como muros, vigas de puentes, ménsulas cortas, etc.

A pesar del desarrollo de varias herramientas de cálculo en las últimas décadas, el método de biela-y-tirante sigue utilizándose en los cálculos manuales. Sin embargo, su aplicación a estructuras reales requiere mucho tiempo, ya que deben realizarse varias iteraciones y también deben considerarse varios casos de carga. Además, este método no es adecuado para verificar los criterios de servicio (deformación, anchos de fisura, ...).

Estos y otros desafíos similares relacionados con el análisis de estructuras de hormigón han llevado a las empresas a colaborar con el mundo académico. IDEA StatiCa siguió el mismo enfoque y, en colaboración con ETH Zurich, IDEA StatiCa desarrolló y probó exhaustivamente un método denominado Método del Campo de Tensiones Compatible (CSFM) para el diseño de regiones de discontinuidad.

Este método fue implementado en la aplicación IDEA StatiCa Concrete y se basa en una implementación informática de un modelo de campo de tensiones, utilizando las propiedades básicas de los materiales especificadas en las normativas de diseño de hormigón. El CSFM supera las limitaciones de los enfoques clásicos y puede considerarse un método de analogía de celosía generalizado, pero en el que se consideran las regiones realmente tensionadas en lugar de las fuerzas resultantes.

El hormigón y el hormigón armado se han convertido así en un material cuyo uso va frecuentemente precedido de análisis complejos. Los primeros pioneros que experimentaron con él ciertamente no habrían imaginado qué amplia base sentaron para la industria y hasta qué punto evolucionaría la construcción con hormigón armado.

¿Cuál es el futuro del hormigón armado? Según el Prof. Kolísko, Director del Instituto Klokner de Praga, el hormigón armado está tan ampliamente utilizado y es un material tan fácil de usar que no podemos esperar su sustitución en un futuro próximo. Sin embargo, habrá una optimización más frecuente de las estructuras de hormigón relacionada con el uso más económico del cemento, que es un contribuyente significativo a la llamada huella de carbono.

El futuro residirá sin duda en el UHPC (hormigón de ultra alta resistencia), con el que ya se está experimentando y que está produciendo resultados prometedores para la optimización de estructuras de hormigón.

Nos complace que nuestra aplicación IDEA StatiCa y otras formen parte de esta historia. Durante varios años hemos estado ayudando a ingenieros de todo el mundo a diseñar y optimizar estructuras de acero y hormigón, ahorrando tiempo en el diseño y la verificación normativa de cualquier elemento de hormigón.

... ¿Sabía usted que los barcos de carga también se han diseñado con hormigón armado? Pero hablaremos más sobre ellos la próxima vez.