El empuje del hormigón fresco

Ahora que estamos en la primera ola de calor del verano vamos a hablar de algo fresco. Concretamente de lo que empuja el hormigón fresco.

Más de una vez he tenido que calcular algo que tuviera que contener el hormigón fresco a modo de encofrado y lo normal es, cuando no tengo ganas de calentarme mucho la cabeza, que me limite con poner una ley hidrostática de empujes. Sin embargo, si las dimensiones del elemento son considerables, suele ser aconsejable ser un poco más exacto y mojarse algo más a la hora de hacer los cálculos para optimizar.

En este post os comento en primer lugar cuáles son los condicionantes que intervienen en la presión ejercida por el hormigón fresco al ser vertido en obra. En segundo lugar os añado la metodología a seguir para evaluar estas presiones según la norma DIN 18218 que es la que más se suele usar en estos casos.

VARIABLES CONDICIONANTES DE LA PRESION DEL HORMIGON

Son varias; a modo indicativo se tienen:

  • Velocidad Ascendente ele Hormigonado

Cuanto más rápido ascienda el hormigón mayor será el espesor de éste que aún no ha fraguado. Esta zona no fraguada presenta un estado semilíquido con una ley creciente de presiones proporcionales al peso específico y a la profundidad, ley creciente hasta que no alcance la zona fraguada (zona de presión más o menos constante).

Esta zona fraguada se presenta a una profundidad proporcional a la velocidad ascendente del hormigón.

Por lo tanto a mayor velocidad ascendente del hormigón, mayor presión ejercida, y viceversa.

  • Temperatura de Fraguado

L os procesos químicos de fraguado del fraguado se ralentizan al descender la temperatura, o que es lo mismo, se prolonga el tiempo de fraguado, y en consecuencia mayor es la profundidad a la que el hormigón comienza a fraguar y a adquirir presión constante por lo que se produce el mismo fenómeno que con la variable anterior.

Al descender la temperatura de fraguado aumenta la presión del hormigón, y viceversa.

  • Docilidad del Hormigón (cono de Abrams)

A mayor docilidad, menor será el talud natural; esto se traduce en un mayor coeficiente de empuje activo (relación entre el empuje horizontal y el peso de un volumen considerado), y por lo tanto mayor presión.

Por lo tanto al aumentar el cono de Abrams, mayor presión, y viceversa.

  • Inclinación de la Superficie Encofrante

Teniendo en cuenta que el coeficiente de empuje activo Ka del hormigón depende de la inclinación del paramento encofrante, se comprueba que este  es mayor en superficies encofrantes con hormigón gravitando sobre ellas que encaso contrario.

  • Efecto Silo (frecuente en pilares de edificación y muros de poco espesor de elevada relación P/S).

Si tenemos una sección “S” a encofrar con un perímetro “P” que encierra a dicha sección, el “efecto Silo” se basa en una reducción de presión que surge al plantear el equilibrio de fuerzas verticales en un volumen cualquiera de hormigón entre dos niveles de profundidad.

Es evidente que las fuerzas orientadas hacia arriba comienzan a ser de relativa importancia al crecer la relación P/S.(ej. pilares normales de edificación u obra civil). Se deduce pues que a mayor relación P/S, la componente vertical total (que en nuestros casos siempre es hacia abajo), se reduce. De modo que al aplicarle el coeficiente de empuje activo resulta uan presión horizontal inferior. Y a la inversa respecto al factor P/S.

  • Profundidad de Vibrado

Parece lógico pensar que en las zonas vibradas al carecer prácticamente de cohesión el hormigón, la ley de presiones existente en dicha zona es la hidrostática; por lo que se deduce que a mayor profundidad de vibrado, mayor empuje y viceversa.

  • Frecuencia del Vibrador (en vibración exterior)

La estructura encofrante como tal, tiene una frecuencia natural base. Se intuye que cuanto más se aproximen entre sí dicha frecuencia y la de los vibradores utilizados, mayor será el riesgo de mayores deformaciones por efectos de resonancia. Lo que se corresponde desde el punto de vista de un análisis estático con mayores presiones (lo que se viene utilizando como  factor de amplificación dinámico).

  • Potencia del Vibrador

A pie de obra se percibe claramente en la fase de compactación del hormigón el efecto del vibrador sobre el encofrado a través de la vibración de éste. Esto es como consecuencia de la energía transmitida a través de un frente de ondas que queda amortiguado en parte por el hormigón, transmitíendose el resto por el encofrado hasta los puntos de sustentación del mismo.

En función de los vibradores utilizados este efecto será de mayor o menor cuantía.

  • Dosificación ele Cemento

Según los estudios experimentales se deduce que a mayor dosificación de cemento, mayor empuje horizontal del hormigón.

  • Los Aditivos

Se ha observado experimentalmente que aireantes no influyen en los empujes de manera sensible y en cambio, el uso de plastificantes provoca claros aumentos de presión.

  • Los Aridos

Según se ha observado experimentalmente, una Granulometría Discontinua presenta un claro aumento de la presión.

 METODOLOGÍA PARA OBTENER LA LEYES DE PRESIONES DEL HORMIGÓN FRESCO SEGÚN LA NORMA DIN 18218

Esta norma se suele usar comúnmente, supongo que es por que la mayoría de los encofrados usados en España se fabrican en Alemania. De todos modos, al final del post os adjunto mas normas que se pueden seguir para evaluar este empuje.

Las hipótesis que usa esta normativa DIN  son las siguientes:

a) Tamaño máximo del árido: 63 mm.

b) Encofrados verticales con una desviación máxima de± 5° respecto a la vertical.

e) Peso específico del hormigón: 25 KN/m³.

d) Temperatura de hormigo nado de 15 °C.

e) Tiempo de fraguado máximo de 5 horas.

f) Velocidad máxima de ascenso del hormigón: 7 m/h.

Y ofrece los resultados en función de:

– la variación de la temperatura,

– variación del peso específico

– y de la existencia de Retardadores de Fraguado

Dicha normativa considera inicialmente una ley de empujes hidrostática (E=g·x  siendo g la densidad del hormigón) hasta un valor de presión máxima “Pm”, en cuyo momento la ley es constante con dicha presión (Pm). A una profundidad de 5·V (siendo V la velocidad ascendente del hormigón en m/h) la presión máxima desaparece al estar el hormigón suficientemente fraguado como para no empujar.

 

La profundidad a la que desaparece el empuje (5·V) es muy importante para, por ejemplo, trabajar con encofrados deslizantes.

La presión máxima Pm viene dada en la siguiente tabla:

Consistencia

Cono de Abrams en cm

Pm [KN/m²]

Seca

0-2

5·V+21

Plástica

3-5

10·V+19

Blanda

6-9

14·V+18

Fluida

10-15

17·V+17

 Se hace una distinción entre pilares y muros:

      a) Pilares: sin exceder al mínimo de 10 KN/m² y 25· H

      b) Muros: sin exceder al mínimo de 80 KN/m² y 25· H

Siendo:

      Pm: Presión máxima del hormigón en KN/m²

      V: Velocidad ascendente de hormigonado en m/h

      H: Profundidad en m

De forma gráfica se tiene:

  

Si no se cumplen las hipótesis de partida de la norma, se deben hacer las siguientes correcciones:

Influencia de la Temperatura del Hormigón Fresco

      – Si la temperatura del hormigón fresco excede de + 15 °C:

Se puede reducir la presión un 3 %por cada °C sin exceder un máximo de un 30% siempre y cuando la temperatura del hormigón permanezca más o menos constante.

      – Si la temperatura es inferior a + 15 °C:

Se debe aumentar la presión en un 3 % por cada °C

Influencia de la Temperatura Exterior

La influencia de una temperatura exterior de menos de 15 °C no se debe tener en cuenta cuando se evita la disminución de la temperatura propia del hormigon por medidas de aislamiento térmico.

Si no hay aislamiento térmico, esta influencia se debe tener en cuenta sólo cuando la temperatura del hormigón fresco alcanza temperaturas por debajo de + 15 °C durante el tiempo de fraguado en cuyo caso se actuará como indica el apartado anterior.

Influencia de los Retardadores

Al aplicar estos agentes, la presión del hormigón fresco debe multiplicarse por los factores indicados en la siguiente tabla:

 

Esta tabla sólo es válida para una altura de hormigonado de 10 metros. Se pueden interpolar linealmente los valores que se necesiten.

Influencia del Peso Específico del Hormigón

Si el peso específico del hormigón fresco g difiere del valor de 25 KN/m³, hay que corregir la presión del hormigón fresco multiplicándolo por el valor a=g/25

 OTROS MÉTODOS

Como os comentaba, hay varios métodos más para evaluar esto. Los más reconocidos son:

– Société de Difusion des Techniques du Batiment et des Travaux Publiques

– American lnstitute, A.C.I.374/78

-Estudio Canadiense de N.J. Garnner (1980)

– J. Martín Palanca (Consejo Superior de Investigaciones Científicas).(1982)

Por cierto, esta última muy buena. Si veo que ha resultado interesante el post quizás me anime a escribir un post sobre ese método.

FUENTES:

– Sostenimiento del hormigón. Tecnologías Mecánicas de Construcción, S.A. ULMA 1999

– Norma DIN18218


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José Antonio Agudelo Zapata

Ing. Caminos, Canales y Puertos y Máster de Estructuras por la Universidad de Granada. Cofundador y responsable de Estructurando.net

13 Responses to El empuje del hormigón fresco

  1. Muy interesante como siempre, sobre todo como dices en encofrados deslizantes. Me falta un toque de hormigón autocompatable, que ese si es como un líquido, pero al hilo de todo esto quizás también se le puede aplicar la ley esta que propones pero alargando la zona triangular no?

    Un saludo!!

    • Pues seguramente. Lo malo de todo esto es que se trata de leyes empíricas; de hecho el método te impone bajo qué hipótesisi funciona y luego te da correctores por si no se cumplen algunas de las hipótesis. Por eso puse una lista de variables que condicionan el resultado al principio del post, para que se viera que son muchas mas que la que tienen en cuenta los métodos.
      Te recomiendo el método del “Consejo Superior de Investigaciones Científicas” de J. Martín Palanca. Tiene en cuenta muchos mas factores y la ley de presiones es algo mas complicada. Si veo que funciona este post hago otro sobre este método. Un saludo¡

  2. […] unía, de hecho más bien de unir es interconexión entre ellos, os recomiendo que los leáis son: el empuje del hormigón fresco  y el otro es defectos en estructuras de hormigón. Cual es ese nexo de interconexión entre los […]

  3. JUAN ANGEL FERNANDEZ dice:

    Muy interesante el post!. Es la primera vez que visito vuestra web y tras leer este post he decidido subscribirme al blog.
    Gracias

  4. NOMO Concept dice:

    enhorabuena por el blog.
    os seguiré!!

  5. Antonio Gracia dice:

    Muy interesante el articulo, enhorabuena.
    Sigue publicando cosas.

  6. jaumeguardia dice:

    Muy interesante el artículo. El tema del empuje del hormigón fresco siempre es un drama, ni los fabricantes de cimbras ni los fabricantes de hormigón son capaces de dar una respuesta satisfactoria. ¿Tanto cuesta tener una curva de fraguado cuando de te suministran el hormigón?

    Por no hablar de cuando tenemos autocompactante, entonces ya nadie sabe nada.

    ¡Un saludo!

  7. Félix Herranz dice:

    Excelente post, como siempre. Me alegra ver de nuevo mencionado el estudio de Jacinto Martín Palanca.
    He trabajado mucho (o algunos, según se mire) años en una empresa de encofrados británica y utilizábamos la norma CIRIA REPORT 108, que da resultados similares a la DIN y a la Garnner.
    Un saludo y de nuevo felicidades por este blog.

  8. Orlando Spagni dice:

    ingeniero lo consulto si hay que tener en cuanta un aumento en el empuje por efecto del vibrador?

  9. Raúl dice:

    Hola,

    excelente post, pero hay una cosa que no entiendo (cosa de la redacción, que estoy espeso):

    Cuando pone “Pilares: sin exceder al mínimo de 10 KN/m² y 25· H”

    ¿a qué se refiere? ¿a que el valor de Pm no puede exceder el mínimo de ambos? Entonces como mucho saldrían presiones de 10 kN/m2 y ya vemos en el gráfico que no es así (aunque creo que esta limitación no está reflejada en el gráfico).
    Otra interpretación que hago es que tiene que estar entre ambos valores o que en lugar de “mínimo” tiene que poner “máximo”… pero no estoy seguro.

    (con el otro, el de muros tengo la misma duda, pero como es lo mismo…)

    Muchísimas gracias y seguid así.

  10. Ramón Ortega dice:

    Me gustó el Post, y me he suscrito a este blog. Gracias por trabajar y compartir.

    Sinceramente no creo demasiado en esas formulaciones complejas –de base empírica- que parecen más bien un expediente para intentar resolver un problema físico-matemático de difícil evaluación pero de amplia aplicación pues, ¿cuántos millones de veces nos hemos preguntado cuál será el empuje real de un hormigón sobre un encofrado?. Personalmente creo que sólo un buen programa de elementos finitos discretizados dará respuesta a esa pregunta, y aún así tendríamos que tener muchas reservas al respecto. Y es que nos movemos en la viscosidad no newtoniana, la cual está estudiada su influencia de la temperatura, etc.., y en el hormigón pues además, el factor tiempo.

    Y es que por suerte la naturaleza es realmente compleja.

    Yo lo que hago, y creo estar dentro del lado de la seguridad (cuando las alturas de hormigonados son de una planta máximo y realizadas a una velocidad altísima, es decir instantánea) es restar el ángulo de rozamiento interno del hormigón a su empuje activo como si fuera líquido, en el momento de aplicación.
    Lamentablemente no veo aquí la posibilidad de insertar un gráfico explicativo.

    Otra cosa es que no encuentro publicada una relación directa entre el asiento del cono de Abrams y el ángulo de rozamiento interno de un hormigón. Para hormigones autocompactantes y de consistencia fluida, me inclino a utilizar no el asiento del cono de Abrams, sino el Angulo de dicho cono en su base… Hormigones de consistencia blanda o seca ya es otro cantar, de más difícil interpretación.

    Para grandes alturas, me faltaría otro dato: ¿cuál es la progresión del endurecimiento de un hormigón determinado relacionado con la modificación o tendencia a la verticalidad del ángulo de rozamiento interno del mismo? …

    A ver si alguien arroja un poco de luz. Gracias!!

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