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El concreto en las grandes alturas El concreto es un componente esencial para la construcción de rascacielos como material de preferencia en Asia y el Medio Oriente, regiones donde proliferan las estructuras de este tipo. En los Estados Unidos, rascacielos como Freedom Tower y Trump International Hotel and Tower están siendo construidos con concreto. Exponem Exponemos os las principales ventajas técnicas del concreto en edificios de gran altura y compartiremos algunos consejos prácticos para desafíos de este tipo. James Aldred, PhD, CPEng, LEED AP, FIEAust, FACI, FICT Director Asociado de Materiales Avanzados - AECOM
Si hace veinte años se hubiera preguntado a la gente acerca de la futura torre más alta del mundo, la mayoría la habría plantedo como una estructura con marco de acero, localizada en Estados Unidos. Sin embargo, con su altura de 452 metros, las torres Petronas en Malasia, que en 1998 fueron las estructuras más altas del mundo, poseen un núcleo de concreto. En el 2010, el Burj Khalifa se inauguró en Dubái con una altura de 828 metros y estructura de concreto reforzado hasta los 600 metros. La Kingdom Tower, actualmente en construcción en Yida, Arabia Saudita, será el próximo edificio más alto del mundo con 1.000 metros sobre el suelo.
Alta resistencia La alta resistencia a la compresión ha sido un factor vital para el incremento del uso del concreto en los rascacielos. La adición de humo de sílice1 y los avances continuos en reductores de agua de alto rango han permitido la producción confiable de concreto en el campo con resistencias
ä Freedom Tower en construcción, en la ciudad de Nueva York, que tendrá 541 m de altura y 151 plantas. Será inaugurado en el 2013. CORTESÍA OMAR JAVIER SILVA
1. Si usted desea conocer
sobre las propiedades del humo de sílice, consulte en la edición virtual 110 de Noticreto el artículo “El humo de sílice como adición al concreto estructural”.
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mayores a 80 MPa. Al doblar efectivamente la resistencia a la compresión promedio, se reducen las secciones transversales de las columnas y demás elementos verticales y, por ende, se aumenta el espacio utilizable. La reducción de la carga muerta reduce el tamaño y el costo de las fundaciones. El concreto de alta resistencia a la compresión requiere mayor control. La variación en la producción y pruebas de concreto puede ser evaluada por el coeficiente de variación o desviación estándar. Para concretos con resistencias mayores a 37,5 MPa, el ACI 214R-02 sugiere que un coeficiente de variación menor a 7% indica un excelente control de calidad de campo. Aunque existe un incremento en la variabilidad al aumentar la resistencia por encima de los 50 MPa, la desviación estándar es mejor indicador para el control de calidad. La sugerencia del ACI equivale a una desviación estándar de menos de 7 MPa para 100 MPa. Sin embargo, Day (2006) destaca que en las Torres Petronas se midió una desviación estándar de 3 MPa para 200 resultados consecutivos de concretos con una edad promedio de 56 días y resistencia de 99 MPa. Para el Burj Khalifa se midió una desviación estándar de 4,5 MPa para 200 resultados consecutivos de concretos con una edad promedio de 28 días y resistencia de 97 MPa. La variabilidad dentro de las pruebas fue de 2,1 MPa. Estos ejemplos sugieren que la desviación estándar es mejor indicador de control de calidad que el coeficiente de variación. Se han desarrollado diversos métodos para evaluar las propiedades del concreto de alta resistencia, en estado fresco y endurecido, para estructuras rascacielos. En un proyecto, las características de diseño de la resistencia fueron de 90 MPa. El resultado promedio de la resistencia a la compresión fue de 105 MPa con una desviación estándar total de 11,2 Mpa con 10,7% de coeficiente de variación. Aunque este se clasifica como “buen” control según el documento ACI 214R-02 – Evaluación de resultados de ensayos para determinar la resistencia del concreto–, la variabilidad
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tuvo un efecto perjudicial en las propiedades del concreto fresco, en particular la capacidad de bombeo. De otra parte, cuando existe una variabilidad alta en la producción, el concreto debe ser diseñado para una resistencia potencial mayor. Con la reología, esto puede causar mayores problemas, particularmente en las regiones donde la resistencia de diseño sea igual o mayor a la producida previamente. El productor de concreto puede encontrarse en la injusta situación de incrementar la resistencia del concreto haciéndolo más “pegajoso” y difícil de bombear. La producción del concreto se hace mucho más costosa en dinero y el contratista aumentará sus molestias. El costo de producir un concreto de hasta 20 Mpa mayor que el de diseño es bajo e insignificante en comparación con el costo de reemplazar cientos de metros de tuberías de bombeo taponadas. En un proyecto de otra región, la desviación estándar fue ligeramente inferior pero se presentaron problemas similares. Sugeriría que para un concreto para un edificio de gran altura, la desviación estándar fuera menor de 5 MPa. Sería pobre un valor de 7 Mpa o más, equivalente a un CoV aproximado de 7% o mayor. La mejora del control de calidad y la reducción de la variabilidad es una buena práctica pero muy importante para mezclas de alta resistencia para rascacielos. Muchas de las dificultades se superan con la reducción de la variabilidad y con mejor control de calidad. Un componente fundamental es la detección temprana de desviaciones del desempeño esperado y la intervención adecuada. Las especificaciones que prohíben modificar las proporciones de la mezcla del concreto interfieren con esta meta. Dichos requerimientos especificados se enfocan en obtener consistencia pero igno-
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ran la variabilidad inherente en los constituyentes, lo cual puede exigir intervención en la producción del concreto.
Desarrollo de la resistencia inicial Otro beneficio importante del humo de sílice y los reductores de agua de alto rango es que incrementan el desarrollo de la resistencia inicial, lo cual hace innecesario el uso de formaletas auto-trepantes. Para el Burj Khalifa, por ejemplo, la resistencia requerida a 12 horas era de 10 Mpa. Esto implicó equilibrar los requerimientos de retraso y capacidad de bombeo con la resistencia inicial. Es importante recordar que el proceso de bombeo tiende a calentar el concreto. Por lo tanto, en las secciones con mayores dimensiones se genera un aumento en la madurez in situ en comparación con las muestras. El principal desafío climático en Dubái fue el calor reinante en el verano y la pérdida de trabajabilidad del concreto en estado fresco. Sin embargo, durante las noches de invierno, cuando la temperatura desciende a 10°C, las muestras no alcanzaban los 10 Mpa en 12 horas pero las resistencias in-situ eran satisfactorias. Esto hace notable el valor de la evaluación de la resistencia in situ para prevenir un cambio innecesario en las proporciones de la mezcla y resolver un problema que nunca existió. La alta resistencia inicial junto con cajones prefabricados reforzados y el manejo efectivo de la construcción resultó en un complejo edificio de concreto que avanzó entre 1 y 3 niveles por semana. En este caso, el concreto reforzado es más competitivo que el acero estructural en términos de rapidez.
Capacidad de bombeo
á Edificio Burj Khalifa, en Dubai, actualmente el más alto del mundo, con una altura final de 828 m.
WIKIPEDIA - KEDAO
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Los beneficios del uso del concreto reforzado en edificios de gran altura dependen de la capacidad de bombeo. En el caso de torre-grúas, la velocidad de colocación se limitaría al tamaño de los baldes y el número de grúas, y las grúas no estarían disponibles para realizar todas las funciones necesarias durante la colocación del concreto. Además, la velocidad del viento influye dado que la operación debe detenerse cuando este excede una velocidad límite. Este es un problema particular para la colocación del concreto en edificaciones de gran altura. El viento no afecta la colocación en el caso del bombeo de concreto con tubería. El bombeo en el Burj Khalifa se planificó inicialmente en dos etapas, teniendo presente que estos sistemas suelen presentar problemas al nivel de la segunda etapa. Después de realizados algunos ajustes a la mezcla de concreto y de pruebas de bombeo, el equipo determinó que era factible el bombeo de una sola etapa. Uno de los desafíos en el diseño de concreto bombeable es el uso incrementado de materiales triturados para agregado fino y grueso. La tendencia es utilizar una alta proporción de agregado fino, particularmente en concretos diseñados con un flujo libre de 500 mm. En este caso se destaca el uso de arena con tamaño menor a 600 μm, polvo de caliza o materiales cementantes para incrementar la fracción fina del componente. Una buena ceniza volante, dada
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á Bombeo de concreto con tubería. CORTESÍA JAMES ALDRED
la forma esférica de sus partículas, tiene particular utilidad junto con humo de sílice, típicamente usado en concretos de este tipo. En el caso del Burj Khalifa, el porcentaje de agregados finos para las mezclas fue de aproximadamente 50% y se utilizó como reemplazo entre 13 y 20% de ceniza volante y 5 y 10% de humo de sílice. Cuando es posible, una prueba horizontal de bombeo permite evaluar los parámetros importantes sin producir atrasos en la construcción. El único parámetro que no es replicado es la cabeza de presión, el cual es adicionado para estimar la altura máxima de bombeo con base en el factor de fricción. Para el Burj Khalifa las pruebas de bombeo fueron realizadas utilizando una bomba estacionaria con presión hidráulica máxima de 310 bar. Se colocaron 600 metros horizontales de concreto a alta presión junto con transductores para medir la presión del concreto después de bombear a 250, 450 y 600 metros Las propiedades del concreto fresco y endurecido se midieron antes y después del bombeo. El procedimiento indicó que era posible el bombeo en una sola etapa (el cual reduce el taponamiento durante la construcción) y también resaltó los problemas prácticos.
ä Tres equipos de bombeo funcionaron simultáneamente, durante la construcción del Burj Khalifa. CORTESÍA JAMES ALDRED
á Prueba horizontal de bombeo de concreto. CORTESÍA JAMES ALDRED
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Un procedimiento alterno para determinar el factor de fricción in situ en las pruebas horizontales es el uso de la presión in situ de los transductores en las tolvas, en el extremo de la sección horizontal de la tubería y en las diversas elevaciones. La limitación de este procedimiento es que no permite el taponamiento de la tubería. Sin embargo, el hecho de que la cabeza de presión no es alta, generalmente significa que no ocurrirá el taponamiento. La medición de las propiedades reológicas del concreto usando un reómetro puede ser una guía útil para la capacidad de bombeo del concreto antes de realizarlo. La adecuada posición de las bombas y la planeación del tránsito de los camiones mezcladores hacia la obra asegura una operación exitosa de bombeo. Por ejemplo, en la planta baja del Burj Khalifa había tres bombas que suministraban concreto a tres lugares diferentes. En caso de taponamiento, cerca el sitio de bombeo deben tenerse las herramientas y equipos necesarios para actuar de inmediato. Se debe realizar un taller que incluya a los proveedores de concreto, operadores de bombeo, supervisores de contratistas y representantes de los consultores para asegurar que todos conozcan el procedimiento y sus papeles respectivos. Otro factor a tener en cuenta es el diámetro de la tubería. En el Burj Khalifa se utilizó tubería con 150 mm de diámetro junto con un reductor que conecta con la pluma distribuidora. La utilización de un diámetro amplio tiene las ventajas de permitir mayor tamaño máximo de agregado y de reducir la presión de bombeo. Sin embargo, las tuberías de diámetros grandes son más costosas, considera-
blemente pesadas y requieren mayor volumen de concreto para llenar y reductor más grande. En definitiva, una buena opción para la mayoría de proyectos es la utilización de tubería con diámetro grande y agregado de diámetro pequeño. En noviembre de 2007 se batió el récord mundial del máximo bombeo vertical, hasta la altura de 601 metros. La
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Protección inicial y curado
operación fue tan exitosa que el contratista decidió bombear pequeñas cantidades de concreto arriba de la estructura de concreto reforzado para fundir losas de concreto sobre steel deck y desechar el uso grúas. Esto se realizó a pesar de que se requerían 11 metros cúbicos de concreto para llenar la tubería. Con mezclas de concreto adecuadas y con la llegada de bombas más poderosas es posible realizar bombeos de una sola etapa a alturas mayores de 600 metros con las precauciones y cuidados necesarios.
El concreto utilizado para la construcción de rascacielos, que posee humo de sílice y baja relación agua/material cementante, casi no tiene sangrado. Por lo tanto, cualquier superficie que se esté secando presentará fisuración plástica. La utilización de retardantes de evaporación es un método práctico y económico para reducir el agrietamiento por contracción plástica. Las barreras contra viento y la protección solar también son buena ayuda. El mejor método es el empañamiento efectivo, el cual puede mantener alta la humedad en la superficie del concreto. Este método puede necesitar barreras contra viento para confinar el aire sobre el concreto. Se debe evitar la colocación de concreto y la realización del acabado durante el calor del día mediante un vertimiento planeado de tal manera que el curado empiece por tarde a las 10 a.m. Una guía general es tener disponibles retardantes de evaporación y equipos de rociamiento para el vertimiento, si la tasa de evaporación es menor a 0,25 ó 0,50 kg/m²/h. Si se desarrollan fisuras plásticas, éstas se deben vibrar si no han alcanzado su curado inicial. El intento de arreglar las fisuras con un alisado solo las cubrirá, pero se afectará el desempeño estructural y se facilitará el ingreso de cloruros al refuerzo. El mejor método de curado para este tipo de concreto es el encharcamiento. Esto permite que el agua ayude a mejorar las propiedades de hidratación del concreto y a reducir las contracciones autógenas iniciales. El calor latente de la evaporación estimula la liberación del calor de hidratación, lo cual puede reducir significantemente la temperatura máxima, especialmente en los concretos que contienen ceniza volante, escoria y puzolanas naturales. El uso de polietileno en vez de cubiertas húmedas en contacto con el concreto ayuda a retener el agua pero impide la pérdida evaporativa de calor de la superficie. El encharcamiento es mejor para los elementos de gran tamaño. El uso de revestimientos con permeabilidad controlada es un buen sistema para mejorar la densidad y apariencia de la superficie del concreto. El agua que se acumula en las líneas de un acabado es succionada por el concreto hidratante y proporciona un excelente curado inicial de la superficie.
Colocación y acabado El concreto para estructuras de gran altura está diseñado para tener alta manejabilidad y puede ser considerado en muchas partes del mundo como concreto autocompactante. Deben guardarse los cuidados necesarios para asegurar una reología satisfactoria después del bombeo. Se encontró que después del bombeo, la viscosidad plástica se reduce y el límite dinámico de elasticidad se incrementa. Esto puede conducir a la segregación. Los concretos con alta manejabilidad deben fluir desde el punto de descarga y detenerse antes de que se le aplique alguna vibración. En el caso de los elementos verticales se pueden colocar pequeñas tuberías tipo tremie, separadas por la distancia aproximada de flujo, para reducir el tiempo de colocación de la pluma distribuidora y la salida de la bomba. Dichas modificaciones pueden ser útiles para las construcciones de gran altura, donde el objetivo del contratista es mantener un constante bombeo del concreto para prevenir un eventual taponamiento debido a la articulación de la pluma distribuidora, la cual contiene concreto estático (particularmente cuando el clima es cálido). La instalación de un reductor cerca a la bomba es una buena precaución para que el concreto con alto potencial de segregación se bloquee en ese punto y no en cualquier otro tramo de la tubería. Esto no previene necesariamente el bloqueo causado por una lechada húmeda o una reducción en la viscosidad durante el bombeo, pero es una buena prevención contra la variabilidad del concreto suministrado. El concreto para las estructuras de gran altura usualmente posee un contenido de humo de sílice entre el 5 y el 10% junto con alto contenido de cementante y la tendencia a formar rápidamente una “piel” en condiciones de secado. Esta formación de piel puede limitar la fusión de las capas de fundición y puede ser reducida reteniendo la humedad en la superficie del concreto con el uso de retardantes y otros métodos para disminuir la evaporación. Este concreto no tiene sangrado y puede ser bastante cohesivo. Por ende, se requiere un trabajador que desarrolle un buen acabado. Previamente se debe realizar una aplicación de prueba para familiarizar a los trabajadores con las propiedades del concreto y para confirmar el tipo de acabado. Los retardantes de evaporación facilitan el acabado al retener la humedad en la capa superior y ayudar a eliminar la salpicadura de agua durante la realización del acabado.
Conclusiones El concreto de alta calidad aporta grandes beneficios a los desarrolladores, consultores y contratistas comprometidos en la construcción de edificios de gran altura. La resistencia y módulo alto permite estructuras con elementos verticales más esbeltos. Se ha demostrado que es posible el bombeo de una sola etapa a alturas superiores a 600 metros. Esto, sumado a las altas resistencias iniciales, se traduce en tiempos de ciclo más rápidos y, por lo mismo, en tasas de construcción de hasta 2 a 3 niveles por semana. El cuidado y la atención temprana al diseño de mezcla, colocación, protección y curado puede reducir los eventuales problemas de taponamiento, segregación, contracción y fisuración. Noticreto 110
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