El CO₂ del proceso de fabricación del cemento se produce en la elaboración del clinker a partir del calentamiento de la caliza. La cantidad total de CO₂ producido varía dependiendo del tipo de cemento. A nivel mundial se estima que se emiten unas 100 millones de toneladas a la atmósfera al año. El mercado futuro de emisiones, que aumentará el coste a las empresas y estados, obligará a unas reducciones sustanciales de emisiones a través de una mayor eficiencia en la producción y la optimización de ecocementos. Los materiales utilizados en el hormigón representan dos veces la producción mundial del resto de materiales constructivos. La fabricación del cemento libera aproximadamente el 5 % del total de emisiones de CO₂ a la atmósfera anualmente (5). Estas cifras destacan el uso intensivo de los recursos naturales y la emisión de gases que contribuyen significativamente al calentamiento global.

La cuantificación de la sostenibilidad tiene múltiples soluciones y dada su complejidad y los condicionantes del entorno se puede entender que existan diversos enfoques, estudiándose en la actualidad por diferentes instituciones y países, lo que confirma la importancia del trabajo aquí presentado. Por un lado están los sistemas de evaluación del impacto que persiguen el desarrollo de métodos para evaluar y presentar el potencial impacto medioambiental producido por el proyecto, antes de que llegue a producirse, para facilitar la toma de decisiones en el proceso de diseño. Por otro lado están los sistemas basados en el Análisis del Ciclo de Vida (ACV), que pretende ser un proceso objetivo para evaluar los efectos medioambientales asociados al edificio por medio de la identificación y cuantificación del uso de energía y materiales, y de la emisión de residuos, así como para evaluar y aplicar medidas de reducción de dicho impacto medioambiental (6).

Algunas de las herramientas más conocidas para la evaluación medioambiental son GBC-GBTool, VERDE (España), PromisE (Finlandia), BREEAM (Reino Unido) y ESCALE (Francia), LEED (EEUU), ENVEST 2 (Reino Unido) o CASBEE (Japón). Destaca la herramienta denominada GBTool, del Green Building Challenge (GBC), es un proyecto internacional, en el que España se ha incorporado en el año 2000 con la certificación Verde y forma parte de la IISBE (International Iniciative for Sustainable Built Environment). Este método permite evaluar el rendimiento energético y medioambiental de los edificios. Presenta como característica, que lo distingue de otros sistemas de evaluación, el que se diseña desde el principio para permitir a los usuarios una mayor libertad con objeto de poder reflejar sus prioridades, tecnologías, tradiciones en la construcción e incluso los valores culturales existentes en diversas regiones o países solventando así el obstáculo principal para conseguir una herramienta global (7) (8).

En cuanto a la evaluación de las estructuras, es importante que las herramientas reflejen significativamente las contribuciones a la sostenibilidad real del hormigón estructural postesado. Es necesaria una importante valoración de la figura del proyectista en el diseño de la estructura y en coordinación con el resto de los agentes, recompensar la reducción de cantidad de material, asociada a su incidencia en el transporte, almacenaje, ejecución, uso y demolición (en todo el ACV). Además, es importante recompensar las consecuencias indirectas de su diseño como la reducción a largo plazo de ahorro de energía por reducción de climatización o como por ejemplo la reducción de empleo de ascensores en edificios de gran altura durante la vida útil (9).

El sistema de postesado puede reducir los elementos verticales, la menor cantidad de material disminuye el peso del edificio, reduciendo cimentación y muros, minimizando excavación. La reducción de espesores permite menores alturas, con reducción de CO₂, contaminación, ejecución y mantenimiento. Durante la vida útil, la reducción del volumen contribuye a una importante reducción de la energía necesaria de calor para acondicionar todo el espacio (10).

El índice de sostenibilidad de las estructuras de hormigón armado del código español (11) cuantifica la contribución de las estructuras a la sostenibilidad desarrollado en el proyecto o en la fase de construcción a partir de la aplicación de indicadores. Principalmente estimula el estudio del ciclo de vida completo del edificio, el uso de hormigón de árido reciclado, la reducción y mitigación del impacto por la ampliación de su vida útil. También promueve el uso de materiales reciclados y la reducción del impacto de la estructura del edificio. Sin embargo, no refleja suficientemente las soluciones que ayudan a la optimización de materiales y sólo se centra en el correcto uso de las soluciones elegidas (12).

Se ha realizado un estudio sobre un edificio tipo urbano de referencia (Tabla 1) de planta cuadrada de 40 × 40 m (Figura 1), con ocho plantas y dos sótanos, en el que no tienen incidencia especial los efectos térmicos, del viento y de resistencia al fuego sobre rasante. Existen dos núcleos de comunicación, medianeras, zonas de voladizo no singular, y se resolverá la misma superficie con diferentes luces en los ejes x e y de la planta de la figura (transversal-longitudinal). Se han contemplado tres parámetros variables: luces variando entre 5 y 10 metros, dentro de la edificación no singular; uso, con seis de los principales de una edificación según CTE (13) (Aparcamiento, Acceso, Locales, Viviendas, Cubierta y Zona de Archivo) y el tercero es el tipo de forjado, siempre in situ y plano, planteando losas macizas armadas y postesadas (Figura 2), losas reticulares aligeradas de casetón perdido o recuperable (Figura 3) y de nervios unidireccionales con aligeramientos recuperables, cerámicos o de hormigón (Figura 4). Las losas postesadas se han proyectado según criterios de tres códigos diferentes (EHE-08, EC-2 y ACI-318) para apreciar las diferencias sobre las cuantías necesarias. Se puede encontrar en detalle la explicación técnica de las soluciones de forjados (Tabla 2) en la tesis de referencia (3).

Se ha dejado fuera del estudio la influencia de la acción del sismo. Por la altura del edificio tipo no se considera que las acciones de viento puedan afectar al dimensionado de forjados de una manera que repercuta significativamente en el estudio.

Se han proyectado las diferentes propuestas, alrededor de 200 edificios de referencia, obteniendo el consumo de materiales y se ha cuantificado el impacto medioambiental con un criterio basado en las emisiones de CO₂ generadas en la etapa de producción de los forjados. A partir de las cuantías de materiales se ha podido realizar un estudio de coste de material, en el que se incluye la repercusión de las emisiones en la ejecución.

Para el cálculo y dimensionado de forjados unidireccionales, losas macizas y reticulares se ha utilizado el programa Cypecad espacial v.2012k, de uso común en las oficinas de cálculo en España, y para losas macizas pretensadas se ha utilizado el programa CEDRUS 5.0, que es un programa del grupo CUBUS de Elementos Finitos (EF) para el análisis de cálculo lineal, estático y dinámico de placas (tanto para flexión como para cargas en el plano).

El sistema adherente tiene importantes ventajas: alta capacidad a flexión, buena distribución de la fisuración, buena protección frente a la corrosión, capacidad para realizar posteriores huecos y mayor facilidad en su demolición. Hay desventajas como una operación adicional de inyección y una ejecución más laboriosa. Pero el uso de tendones adherentes contribuye a reducir la cuantía de acero total, lo que implica en cualquier caso una solución más sostenible. Para las soluciones postesadas, se han utilizado vainas planas que maximizan la excentricidad del pretensado y minimizan el refuerzo con barras. Los tendones están formados por cordones (de 2 a 5) con un ancho de 70 mm y un espesor de tan sólo 20 mm.

Para la elección del espesor de forjados, el proyectista debe tener en cuenta las deformaciones máximas, la resistencia a cortante, la resistencia a fuego (especialmente en soluciones aligeradas) y recubrimientos necesarios por durabilidad. En el estudio realizado, la selección la determina la experiencia personal o consideraciones de máximas esbelteces recomendadas en la EHE-08 y EC-2 (14), aunque la decisión a menudo viene originada por la gran influencia de las cargas de servicio de cada forjado. En todos los casos se ha realizado la comprobación de deformaciones máximas, con gran atención a soluciones esbeltas de losas armadas fisuradas. Es especialmente sencillo el control de deformaciones de soluciones postesadas no fisuradas, tanto en la práctica como en este estudio.

Al no aplicar soluciones con ábacos descolgados en losas postesadas, los esfuerzos de punzonamiento marcan en ocasiones el espesor de losas en soluciones postesadas. Guías de diseño internacionales como Concrete Society (CS) (15), Post-Tensioning Institute (PTI) (16), Federation International du Beton (17) o Cement Concrete & Aggregates Australia (CCA) (18)recomiendan unas esbelteces dependiendo de las luces, cargas y del tipo de forjado. En el estudio realizado (Figura 5) se utilizan espesores desde los 160 mm en losas postesadas de 5 metros hasta un máximo de 500 mm como rango de utilización en edificación no singular.

La solución de losa maciza pretensada según criterios de la ACI-318 es la que contribuye con menos emisiones, incluso desde luces de 5 ×6 m y hasta en un 40 % menos que las soluciones de losa maciza armada, amplificándose esta mejora según aumenta la luz y la carga. Según criterios de la EHE-08 o EC-2, y a partir de luces con ejes de 5 × 8 m, ya destacan del resto con menores cuantías. A partir de luces de 9 metros no parece acertada desde el punto de vista de las emisiones otra alternativa, especialmente con cuantías mínimas según ACI-318. Las losas nervadas presentan muy bajas cuantías de emisiones, aunque aumentan significativamente cuando se incrementa la luz en los vanos de los pórticos. A partir de luces con ejes de 7 × 8 m es la única solución unidireccional posible, además de presentar un buen comportamiento en emisiones.

Se puede entender que hasta ejes de luces de 6 × 7 m no existen soluciones especialmente diferentes, exceptuando la losa maciza que siempre tiene mayores emisiones. Para cargas importantes, claramente la solución postesada destaca sobre el resto por presentar menos emisiones.

En losas macizas armadas, el origen de la mitad de las emisiones proviene de los mallazos de acero pasivo, debido a la poca optimización del acero en losas que apuestan por la facilidad de ejecución. Para luces mínimas y cargas ligeras, la importancia de mallazos se reduce y aumenta la importancia del cemento y refuerzos como origen de las emisiones.

En la solución pretensada de losa maciza, la mitad de las emisiones proviene del cemento del hormigón. Tan sólo la quinta parte del origen de emisiones es debida a los elementos propios del pretensado y otra quinta parte es debido a la suma de mallazos y barras de acero. Esta situación refleja el buen aprovechamiento del pretensado que repercute en una baja importante en la armadura pasiva para su actuación frente a la fisuración por retracción en las losas macizas. Estas proporciones son constantes para cualquier luz.

En la solución pretensada según EHE-08 se duplican las emisiones debidas a la armadura pasiva, confirmando la fuerte importancia de los criterios de cuantías mínimas por retracción en las cuantías de emisiones de losas pretensadas de armadura postesa.

En las soluciones aligeradas de casetón perdido destaca la proporción en el origen de la cuarta parte de las emisiones debida a los aligeramientos de las bovedillas de hormigón respecto a la media de un 15 % de las soluciones cerámicas, manteniéndose estables estas proporciones en cualquier luz. Las soluciones aligeradas de casetón perdido, además, están realizadas con elementos dificilmente separables, mediante capas adheridas que penaliza la demolición, y aumenta el gasto energético en esta última fase del ciclo de vida. En las soluciones aligeradas de casetón recuperable, que evita las emisiones de las bovedillas, la repercusión mayor del origen de las emisiones es el cemento, debido al mayor volumen de hormigón, especialmente causado por los importantes requerimientos de fuego.

Las losas pretensadas de armadura postesa, además de ser la solución con menos emisiones, presenta un comportamiento lineal entre emisiones y luz. Al contrario ocurre con las soluciones macizas armadas, que además de ser las que producen mayores emisiones, a partir de los 8 metros presentan aumentos parabólicos con fuertes aumentos de cuantías, debido a la elevada cantidad de acero, especialmente por el sobredimensionado que produce la simplificación de la ejecución con mallazos para armadura base. Esa situación se complica en diseños unidireccionales si no se recurre a mallazos con separaciones de barras diferentes en cada dirección. Sin embargo, la distribución del pretensado según la luz en cada eje permite una clara optimización del forjado para la solución pretensada.

Las soluciones unidireccionales con pórticos y aligeramientos perdidos de bovedillas cerámicas contribuyen con menores emisiones que la solución con bovedillas de hormigón. La proporción de las emisiones debidas a los aligeramientos dentro del total suele ser muy constante en el forjado para cualquier luz. Las losas nervadas tienen un mayor rango de utilización, y sin duda son la solución más adecuada frente a las emisiones para luces pequeñas de viga y medias-altas en la dirección de los nervios de forjado.

Se ha realizado un análisis orientativo con datos del valor de la tonelada de emisiones de CO₂ actual en el mercado de emisiones y con datos futuros a medio plazo que sugieren los expertos. El coste actual de los derechos de emisiones de CO₂ dentro de la producción de los forjados sería alrededor de un 2 % del coste material total de la estructura, algo más en losas macizas armadas (2,3 %) y algo menos en las pretensadas (1,8 %) del coste total de la estructura, pudiendo llegar en un futuro a medio plazo a un 10 % en losas macizas armadas según los valores esperados, y alrededor de un 8,2 % en losas pretensadas.

Los forjados unidireccionales in situ de aligeramiento perdido deberían recoger el mercado actual de los forjados de viguetas prefabricadas, que previsiblemente reducirá su empleo en los próximos años, al menos en las zonas urbanas más desarrolladas. Los forjados in situ permiten mayor flexibilidad que los de viguetas prefabricadas a bajo coste, una vez que el encofrado es el mismo en las dos soluciones, aunque siempre en un ámbito reducido con luces menores de 7 metros y espesores por debajo de 350 mm. Es interesante tener en cuenta la utilización inteligente de los forjados planos de losa nervada. Estas losas han obtenido en la investigación realizada resultados óptimos y sostenibles, siempre que el diseño incida en luces de viga mínimas y mayores luces en la dirección de los vanos de los nervios.

Como criterio general, la solución de losa maciza pretensada de armadura postesa con sistema adherente de vaina plana es el que proporciona mayores esbelteces, menores consumos de acero, un consumo de hormigón razonable y, en todos los casos, menores cuantías de emisiones de CO₂ en la producción de forjados de edificación desde luces mínimas de edificios como ya se ha cuantificado en el análisis de resultados y anteriores conclusiones. Las diferencias con otras soluciones en luces de hasta seis metros no son excesivas y la complejidad del sistema puede hacer desestimar la elección del postesado de la losa. Por encima de los seis metros no está justificada la utilización de la losa maciza armada desde el punto de vista de consumo de material y de la sostenibilidad, dado que el gasto energético, y las emisiones se duplican e incluso se triplican frente a una solución postesada, como se ha podido ver en el análisis comparativo de la investigación y en las conclusiones anteriores.

En la actualidad, para luces entre 6 y 9 metros, la solución pretensada de armadura postesa con sistema adherente realizada en la investigación no es la más utilizada a pesar de sus beneficios anteriormente presentados, ni siquiera tiene un mercado en competencia con el resto de soluciones armadas. Del estado del conocimiento y de la investigación realizada se pueden establecer varios factores de influencia:

Costes y plazos competitivos de las soluciones aligeradas. Aunque en un principio las soluciones aligeradas puedan suponer menor rendimiento de ejecución, un gran conocimiento y experiencia en este tipo de forjados aligerados permite plazos y costes óptimos. Según lo estudiado, los costes de las soluciones aligeradas unidireccionales de hasta 7 metros y bidireccionales de hasta 9 metros son muy competitivos. Por lo tanto, los criterios de cuantías mínimas de la EHE-08, que implican un encarecimiento por mayor cantidad de acero en losas pretensadas, son claves a la hora de conseguir el diseño de una solución más económica en luces habituales entre 7 y 8 metros.

Técnica insuficientemente extendida. En la actualidad existe un insuficiente número de técnicos habituados a estas técnicas específicas de pretensado de armadura postesa en edificación. Estos técnicos, proyectistas y constructores que recogen el conocimiento de este tipo de sistemas en España son los que realizan la totalidad de los proyectos con un alto nivel de especialización. Por el contrario, el sector más amplio de proyectistas y clientes, optan por realizar soluciones conocidas de anteriores edificios. Una de las razones que impide la difusión de la técnica es que no existe bibliografía actual en España con ejemplos realizados y recomendaciones técnicas actualizadas.

Mayor complejidad y detalle en proyecto. Para el proyecto de losas pretensadas de armadura postesa se requiere mayor tiempo y esfuerzo de cálculo, delineación y control de proyecto, lo que supone mayores gastos de ingeniería y por tanto mayores honorarios. Este encarecimiento, que puede parecer mínimo en comparación con los costes de ejecución, puede ser importante para proyectos que en las primeras etapas de desarrollo no tengan una suficiente inversión del cliente. También es importante tener en cuenta desde la primera etapa el proyecto de instalaciones, coordinado con el proyecto de arquitectura que impida las incertidumbres de huecos y cargas. Esta coordinación requiere un gran esfuerzo en la coordinación de todo el proyecto y los errores o modificaciones provocan mayores gastos en soluciones de losas pretensadas.

Dificultades para elección de códigos. Como se ha estudiado en el presente trabajo, algunos puntos de la normativa española suponen un exceso de cuantía mínima pasiva por fisuración respecto a otras normativas, y esto hace que encarezca la solución. Este punto junto con otros ya mencionados como las bases de cálculo o el punzonamiento, supone que algunos proyectistas elijan otros códigos y tengan mayores dificultades para la aprobación de los proyectos que optan por otros criterios de diseño. Una revisión de la normativa en este capítulo adaptada a la realidad de las nuevas técnicas de postesado en edificación y acorde a otros códigos podría mejorar su aplicación.

Criterios de sostenibilidad basados en gasto energético y emisiones. Por último, y como tema fundamental de la investigación presentada, en el aspecto de la sostenibilidad, todavía no existen límites en los requerimientos de la construcción de estructuras sobre gastos energéticos o emisiones de CO₂, como ocurre en otros aspectos del proyecto. Estos criterios son utilizados actualmente para la eficiencia energética y también podrían ser asimilados para el resto del análisis del ciclo de vida del edificio. Pueden ser incluidos como criterio de primer orden para la certificación de proyectos de estructuras como ocurre en proyectos de instalaciones de edificios. El consumo de material y la optimización, relacionados directamente con las emisiones de CO₂, podría ser un criterio fundamental en la elección del tipo de forjado.

Por otro lado, no aplicar técnicas de aprovechamiento y optimización de la industria de la edificación en todo su ciclo de vida de una manera extendida, como metodologías Building Information Modelling (BIM), Lean Construction, etc., tal y como se empieza a realizar en algunos países avanzados, hace muy complicado que se aprecien las grandes ventajas de ahorro material de la técnica de pretensado de armadura postesa.