Las primeras referencias históricas que se tienen del hormigón ligero estructural (HLE) provienen del Imperio Romano. Allí, sus ingenieros comenzaron a desarrollar una tecnología de hormigones con adiciones de rocas porosas, generalmente volcánicas, para obtener estructuras más ligeras. De entre las muchas obras realizadas con esta nueva tecnología, destacan por encima de todas tres obras: el Puerto de Cosa, el Panteón de Agripa y el Coliseo de Roma. (Bremer, Holm y Stepanova, 1994)
El Puerto de Cosa (Figura 1.1) fue construido alrededor del año 273 A.C empleando rocas de naturaleza volcánica para aligerar el hormigón. Las rocas se traían de unas canteras volcánicas situadas a 40 km al noroeste, en lugar de las arenas y gravas existentes en las inmediaciones del puerto. A día de hoy sigue en uso.
Fig.1.1.- Puerto romano de Cosa (http://www.villaedera.it)
El Panteón de Agripa (Figura 1.2) se terminó de construir en el año 27 A.C. y es la obra maestra del arquitecto Vitrubio. Su cúpula, de 43,3 m de diámetro, fue durante siglos la más grande del mundo. Aun hoy en servicio, sigue siendo una de las mayores construidas. Se emplearon varios tipos de hormigones, en función de su posición en obra.
Este hecho, hace suponer el conocimiento que los ingenieros de la época tenían sobre este material y cual debía ser su uso más adecuado.
Fig.1.2.-Panteón de Agripa (http://egr-storiadellarte.blogspot.com)
El Coliseo de Roma (Figura 1.3) fue construido entre los años 75 y 80 D.C. y podía dar cabida a 50.000 espectadores sentados. En su construcción se empleó: hormigón con áridos procedentes de lava machacada en la cimentación, hormigón con ladrillos porosos en los muros, y hormigón con áridos procedentes de toba cortada en las bóvedas y los espacios entre muros.
Fig.1.3.-Coliseo de Roma (http://unaviajeraporeuropa.blogspot.com)
Tras la caída del Imperio Romano, el empleo de HLE cayó en desuso, y no se tiene constancia de su empleo sistemático como en el anterior periodo histórico. Su uso volvió a alcanzar popularidad a partir de la invención del horno rotatorio que permitía la generación de arcillas, esquistos o pizarras expandidas.
Stephen J. Hayde, durante su trabajo como ingeniero en una fábrica de ladrillos cerámicos, observó la diferente forma en que cocían los ladrillos en función de la velocidad de calentamiento. Cuando el material se calentaba lentamente, los gases producidos en el interior del material, salían del interior del mismo antes de que el material estuviese cocido, resultando un material apto para su uso como ladrillo. Por el contrario, cuando el proceso era rápido, esos mismos gases no tenían tiempo suficiente
para escapar del interior del material, y quedaban encerrados en el interior del mismo una vez que el material estaba cocido. Como resultado, el material resultante era muy poroso, inservible como ladrillo.
Si bien este material no era posible utilizarlo para su uso original como ladrillo cerámico, Hayde descubrió que era un material óptimo para la elaboración de HLE. A partir de estos estudios preliminares, prosiguió su investigación durante casi una década, dando como resultado la patente del horno giratorio en el año 1918. Con este horno, Hayde pudo controlar el proceso de expansión del material, ya no solo arcilla, sino además esquistos y pizarras. A partir de este momento, se pudo disponer de áridos ligeros sin depender de la localización de la obra, lo que supuso su relanzamiento (ESCSI, 1971).
Los primeros usos del material fueron en la construcción de barcos y barcazas para la compañía U.S Emergency Fleet Building Corporation (Figura 1.4). Estados Unidos estaba inmerso en la Primera Guerra Mundial, y el uso del acero estaba muy restringido fuera del uso militar. Por esta razón, los ingenieros americanos buscaron otros materiales para la construcción de cascos de buques y el hormigón ligero (HL) fue la solución.
Fig.1.4.-Barco de casco de hormigón ligero (http://www.exordio.com)
Su uso en construcción no comienza a desarrollarse hasta finales de la década de los 40. Un aparejador de la National Housing Agency auguró el buen comportamiento de este material para su uso en edificación, y consiguió fondos de la Housing and Home Finance Agency para iniciar una investigación (Kluge, Sparks y Tuma, 1949). En paralelo, otros dos laboratorios comenzaron a caracterizar las propiedades de un amplio número de hormigones elaborados con diversos áridos ligeros de la más diversa procedencia (Price y Cordon, 1949). A partir de estos primeros estudios, se procedió a la construcción de los primeros edificios usando este material a principio de la década de los 50. El “Prudential Life Building” de 42 plantas en Chicago (Figura 1.5), y el “Statler Hilton Hotel” de 18 plantas en Dallas, son los edificios más representativos de este periodo.
Fig.1.5.-Prudential Life Building (http://www.skyscrapercity.com.)
El siguiente hito en la evolución de este material se logra en el campo de la ingeniería civil. La menor densidad de este material, reduce en igual proporción el peso de las cargas muertas sobre la estructura. Tras el desastre del “Tacoma Narrow Bridge” (Figura 1.6), los responsables de su reconstrucción decidieron reutilizar las partes que se conservaron del mismo. El empleo del hormigón con áridos ligeros, permitió el buen término de este proyecto. A partir de este hecho, han sido muchos los proyectos de infraestructuras realizados con base en este material.
Fig.1.6.- Tacoma Narrow Bridge (http://engineertomorrow.com)
El último sector donde el HLE ha encontrado un campo fértil para su desarrollo ha sido en la industria petrolífera, y más concretamente en la construcción de plataformas petrolíferas en alta mar (Figura 1.7). La reducción de un 25% en el peso de la estructura, lleva ligado un 50% en la reducción del peso sumergido. Por tanto no sólo se consiguen los beneficios propios de la reducción de cargas “en tierra firme”, sino que además se mejora la flotabilidad necesaria en este tipo de estructuras. A principio de la década de los 80 comienzan una serie de trabajos de investigación para el empleo del HLE en este ámbito, que dan sus resultados definitivos en 1992 (Hoff 1992).
Fig.1.7.- Plataforma petrolífera en el mar del Norte (http://tectonicablog.com)
1.1.2.-
Aplicaciones
La mayor idoneidad de un material para su uso frente a otros viene determinada por su menor coste a igualdad de prestaciones. Si se toma en consideración únicamente el coste directo del HLE, frente al HC, el estudio terminaría en este mismo punto, pues el primero es más caro que el segundo. Sin embargo, el coste de un sistema no puede analizarse únicamente por el coste aislado de un elemento.
La reducción del peso propio de la estructura, como consecuencia de la menor densidad del HLE, supone las siguientes ventajas:
- Aumento de las luces para una misma carga de servicio, con la posible eliminación
de soportes intermedios, o la disminución de su sección.
- Reducción del peso total de la estructura y por tanto de la carga transmitida al
terreno a través de la cimentación. La cimentación resultante es menor.
- En el caso concreto de rehabilitaciones, la reducción de cargas por el peso propio
de la estructura, puede hacer innecesaria la intervención en la cimentación.
- Reducción de flechas por la menor incidencia de la carga muerta, para una misma
carga de servicio.
- Producción de elementos prefabricados y pretensados de mayores luces sin de
incremento de peso. Esto permite un menor número de soportes en la estructura, además de presentar mayores facilidades en la puesta en obra y el transporte.
- En las aplicaciones marinas, la reducción de las cargas muertas para una misma
carga admisible puede permitir movimientos más fáciles fuera del dique seco y a través de canales de envío.
- Debido al mejor comportamiento ante el fuego del HLE frente al fuego, se puede
lograr una reducción en el espesor de las losas y con ello en el volumen de hormigón utilizado.
- El menor peso de la estructura genera menores cargas dinámicas en caso de acción
de sismo.
Adicionalmente a los beneficios obtenidos por las reducciones de costes antes mencionados, hay que hacer destacar los beneficios resultantes por la mejora de la funcionalidad:
- La reducción de cargas permite alcanzar luces mayores. Esto permite a los
proyectistas una mayor libertad en el diseño interior de los espacios.
- Ahondando en este punto, la mayor ligereza de este material permite la inclusión
de vuelos de mayor tamaño, y la realización de cubiertas singulares, de gran valor arquitectónico, con menor esfuerzo.
- En el caso de obras de rehabilitación de viviendas puede aumentarse el número de
plantas totales, sin necesidad de incrementar las cargas transmitidas a la cimentación.
- En el caso de rehabilitación de puentes se puede agregar una nueva cubierta o un
carril de tráfico sin la necesidad de hacer cambios en la estructura o en las fundaciones.
- Para las nuevas cubiertas de los puentes esta puede ser más gruesa para cubrir la
armadura metálica o para crear las cotas de drenaje necesarias, sin agregar peso muerto a la estructura.
- El HLE presenta unos valores de conductividad térmica inferiores a los del
hormigón convencional. Cuando existan exigencias a este respecto, pueden reducirse, incluso eliminarse la inclusión de un aislante térmico suplementario. Es a partir de este punto, y tomando todas las consideraciones arriba indicadas, que puede hacerse la comparación de costes entre el HLE y el HC. En un amplio número de casos, el empleo de HLE resulta más económico a pesar de su mayor coste inicial. Esta mayor rentabilidad se hace más patente cuanto mayor es el proyecto (Wilson, 1981).
En el hormigón pretensado, las ventajas del HLE son superiores que en el hormigón armado. En muchas ocasiones, la fuerza de pretensado se emplea sólo para equilibrar el peso propio de la estructura, por lo que en el caso de estructuras de hormigón pretensado,
el empleo de HLE supone un ahorro considerable de acero activo (Kulka & Polinka, XXXX)