Tercer artículo de la serie

De Joe Nasvik

Las personas que aman el concreto tienden a creer que es mágico porque se desempeña bien en una amplia variedad de condiciones: incendios, terremotos, vientos fuertes, huracanes y tornados. Puede hacer todo esto y más, pero requiere un ingrediente especial: refuerzo. El refuerzo añadido al concreto, diseñado por ingenieros estructurales, proporciona estructuras de concreto seguras y resistentes.

El concreto tiene una gran resistencia a la compresión (fuerzas que empujan el concreto contra sí mismo), pero tiene poca resistencia a la tensión (fuerzas que separan el concreto). El refuerzo, especialmente el refuerzo de acero, tiene una gran resistencia a la tracción, mientras que su resistencia a la compresión es mucho menor. La combinación de concreto y acero crea un material de construcción que tiene una gran resistencia tanto a la compresión como a la tracción. A veces, la colocación de barras de refuerzo en una losa provoca una compresión adicional en el concreto cuando se aplican cargas, lo que contribuye al rendimiento general.

Cuando se construye una vivienda de concreto, los códigos de edificación locales exigen que los ingenieros diseñen el refuerzo de los muros, los pisos, las vigas y las columnas de concreto para proporcionar la resistencia a la tracción necesaria para que las viviendas resistan las fuerzas naturales comunes en una zona. Por ejemplo, gran parte de California sufre terremotos, por lo que los códigos locales exigen que los ingenieros diseñen estructuras que puedan resistir las fuerzas sísmicas.

Los requisitos de diseño de la mezcla para las viviendas de concreto se mantienen bastante constantes, y lo habitual es que la resistencia a la compresión sea de aproximadamente 4000 libras por pulgada cuadrada (psi, por sus siglas en inglés). Lo que cambia para adaptarse a las diferentes necesidades es el refuerzo.

Para comprender cómo cambian los requisitos de refuerzo cuando los ingenieros diseñan estructuras para resistir las fuerzas naturales, supongamos que se está diseñando un muro de concreto para cumplir los objetivos de cada una de las siguientes condiciones.

Resistencia al fuego

Una de las funciones principales del concreto en caso de incendio es proteger el refuerzo de acero. Cuando la temperatura supera los 800 grados Fahrenheit, las barras de refuerzo de acero se vuelven blandas y flexibles y se desplazan en la dirección que le imponen las fuerzas. El concreto, por otro lado, es un buen aislante, y se necesita aproximadamente una hora para que una temperatura de 800 grados penetre una pulgada de espesor de concreto. Por lo tanto, para obtener la máxima resistencia al fuego, el refuerzo de acero colocado en el centro del espesor de un muro de concreto le brinda la mayor protección durante el mayor tiempo posible. Bikash Sigdel, jefe del equipo de ingeniería de Tamarack Grove Engineering, Meridian, Idaho, afirma que la normativa vigente en materia de resistencia al fuego de Los Ángeles (LA) exige un recubrimiento de 1-1/2 pulgadas. Esto significa que el espesor mínimo del muro de concreto permitido por la normativa tendría que ser de aproximadamente 4-1/2 pulgadas. También significa que es importante extinguir los incendios dentro de ese periodo de tiempo.

Alta velocidad del viento

Sigdel afirma que, cuando su empresa diseña muros de concreto para resistir los vientos estáticos en Los Ángeles, suelen hacerlo para velocidades del viento de 100 mph o superiores. Añade que diseñar para resistir el viento es bastante fácil, ya que este suele venir de una sola dirección y, por lo tanto, es bastante fácil de prever. Normalmente, solo se necesita una «capa» de barras de refuerzo para proporcionar la resistencia a la tracción necesaria.

Terremotos

Las fuerzas sísmicas son dinámicas, ya que implican fuerzas que provienen de todas las direcciones. Sigdel las denomina «fuerzas rock and roll» y tienden a dominar todos los demás fenómenos naturales en lo que respecta a los requisitos de refuerzo. Los ingenieros deben planificar las fuerzas de compresión y tensión cambiantes a lo largo de todo un muro de concreto. Sin embargo, Sigdel añade que los ingenieros pueden diseñar muros de concreto para resistir cualquier nivel de terremoto.

Si se diseña un muro para resistir terremotos, también se protege contra el viento y el fuego. Normalmente, la normativa exige dos capas de barras de refuerzo para la protección sísmica, lo que significa que el espesor del muro de concreto aumenta para garantizar la protección de recubrimiento requerida del refuerzo de acero contra el fuego. Esto implica que el espesor de los muros puede ser de ocho pulgadas o superior.

Tornados

Los vientos de los tornados son muy similares a los sísmicos; son fuerzas dinámicas que empujan los muros de concreto desde todas las direcciones. Las velocidades del viento pueden ser mucho más altas que las de los vientos en línea recta, por lo que Sigdel afirma que a menudo diseñan para velocidades de viento de 200 mph o superior. Los ingenieros pueden diseñar estructuras que resistan cualquier fuerza de tornado, pero esto tiene un costo y puede resultar bastante caro.

Fibras estructurales

Otra forma de reforzar estructuralmente el concreto es con fibras de acero que están clasificadas por su capacidad estructural. Dan Bromley, presidente de ABI Corporation, Kansas City, Misuri, dice que su empresa instala cimientos y zapatas. En 2013 oyó hablar de las fibras de acero Helix, una de las pocas empresas que fabrican fibras de acero clasificadas para uso estructural. Cuestan más que las barras de refuerzo (normalmente añade nueve libras por yarda de concreto), pero el costo de instalación es menor si se tiene en cuenta la mano de obra necesaria para instalar las barras de refuerzo. «El tiempo necesario para completar un trabajo es menor, lo que también supone una ventaja», añade.

Luke Pinkerton, presidente de Helix Steel, con sede en Ann Arbor, Michigan, afirma que la Universidad de Michigan desarrolló e investigó las fibras de acero espiraladas en la década de 1990. «Las fibras espiraladas se fijan mejor al concreto, lo que permite clasificarlas como estructurales», afirma. Las fibras de acero estructurales pueden sustituir a las barras de refuerzo en algunas aplicaciones, pero añade que esto no se aplica al refuerzo sísmico. Bromley afirma que ABI sigue utilizando barras de refuerzo alrededor de las ventanas y en otros lugares donde las fuerzas de cizallamiento pueden agrietar el concreto.

Encontrar formas más asequibles

Brent Anderson es el presidente de BDA Engineering Consulting Group, Minneapolis, Minnesota, y ha diseñado estructuras de concreto para viviendas durante gran parte de su carrera. Durante ese tiempo, ha visto cómo los requisitos de espesor de los muros de concreto residenciales se han reducido hasta tan solo cuatro pulgadas, lo que hace que las viviendas de concreto sean más asequibles. Como ingeniero estructural, afirma que hay formas de mantener los costos lo más razonables posible. Por ejemplo, hace varios años, el diseño de muros resistentes al viento requería un espesor de seis pulgadas, pero hoy en día esto se puede lograr con muros de cuatro pulgadas de espesor. También sustituye partes del refuerzo de barras de acero por fibras para reducir los costos, y cuando se utiliza concreto para construir techos (también conocidos como cubiertas), se pueden reducir los costos acortando la longitud de los vanos. Advierte que los diseños de viviendas que incluyen todo tipo de ángulos aumentan los costos de construcción. Otra forma de reducir los costos es construir dentro de muros de carga no estructurales con montantes de acero o madera, lo que también reduce el costo de instalación de la plomería y la electricidad.

Reforzar el concreto para aumentar la resistencia a la tracción es importante para las viviendas de concreto. Proporciona la protección necesaria contra terremotos, vientos fuertes y tornados. Es el material principal con el que trabajan los ingenieros estructurales y es invisible en el producto terminado. Es la calidad que hace que la vivienda sea un lugar seguro para la familia.

Anderson está convencido de que, en un siglo, todas las viviendas en Estados Unidos se construirán con concreto.