A estas alturas, después de diversos estudios de ciclos de vida de soluciones constructivas en hormigón armado, hemos podido constatar que el coste medioambiental obtenido en la construcción de un elemento, básicamente, es función de la cantidad de cemento y acero que incorpora. Si controlamos los posibles excesos de estos dos materiales estaremos, a la vez, controlando el impacto que produce su utilización. Podríamos aceptar que la pieza de hormigón armado que más se ajustaría a la definición de pieza ecológica seria aquella en que para una misma seguridad estuvieran optimizadas las cantidades de cemento (cuidando temas de durabilidad) y de acero.

Se ha realizado un ejercicio práctico sobre este tema para poder apreciar las diferencias conceptuales que se crean respecto al trabajo habitual de los diseñadores de estructuras. Este ejercicio se ha aplicado sobre el diseño de una zapata de cimentación de hormigón armado.

Una zapata es una pieza maciza, con un lienzo de armadura en su cara inferior. Este elemento tiene (por desajustes de proyecto y de construcción) una tendencia clara a presentar sobregruesos, a utilizar excesos de materiales en su diseño y construcción.

Estos sobregruesos no solo implican un gasto de cemento desorbitado (a nivel de consumo energético de la solución), sino que también hacen necesaria la utilización de una cantidad mínima de armadura, superior a la estrictamente necesaria para absorber las tracciones, que vuelve a penalizar la solución desde el punto de vista energético.

Las condiciones que establecen el volumen de hormigón de una zapata son: sobre sus medidas en planta, la carga y de la tensión admisible del suelo y sobre su canto, la rigidez necesaria para movilizar la reacción del suelo según una cierta ley (normalmente se tiende a una distribución lo mas homogénea posible).

Para un caso concreto, las medidas en planta no permiten ningún juego, sin embargo el canto admite cantidad de soluciones diversas que suelen referirse al diedro que conforma con la horizontal el plano que conecta los límites de la zapata y del pilar, respectivamente. La flexibilidad de la zapata es función de este ángulo. Cuanto más cerrado es, mas flexible es la zapata (figura 1).

Un suelo deformable (arcillas medias, arenas poco densas,..), para cumplir con una ley de distribución de presiones aproximadamente uniforme necesitará una zapata flexible, con poco ángulo. Un suelo rígido será todo lo contrario, la solución idónea será una zapata rígida de gran abertura.

Las zapatas flexibles necesitan de una armadura situada en la cara inferior para absorber las tracciones que allí se crean, las zapatas muy rígidas (por encima de 60 ) no necesitan armadura ya que funcionan como sólidos rígidos exentos de flexiones.

El problema se crea en las zapatas intermedias, en las que seria necesaria una armadura relativamente pequeña debido a su canto considerable, pero que para controlar la estabilidad de aquella gran masa de hormigón es imprescindible la utilización de una "armadura mínima" que suele tener una gran entidad. Es allí donde entendemos que se crean a la vez excesos de hormigón y de armadura, no excesivamente justificados.

Las variables en cuestión serian:

1. La carga.

2. La tensión admisible del suelo.

3. La rigidez del suelo.

4. El canto mínimo para resistir el punzonamiento sin necesidad de armadura.

5. La armadura mínima.

6. La armadura estrictamente necesaria para absorber las tracciones por flexión.

7. La armadura mínima para que la tensión de adherencia acero-hormigón no supere la tensión admisible a esta solicitación.

El tratamiento que se ha dado a esta serie de variables para conseguir soluciones óptimas ha sido el siguiente:

1. Se han fijado dos únicos cantos extremos y se han eliminado los intermedios. Para suelos medios-blandos se han adoptado los determinados por el diedro 30 y para los rígidos se ha adoptado el macizo de cimentación (diedro >60 , sin armadura).
2. Se ha aceptado esta simplificación a la vista de que en los estudios que se han realizado sobre la influencia de la rigidez del suelo en la transmisión de las tensiones en el plano de cimentación no se justifica el adoptar un procedimiento continuo de variación del canto en su ajuste a la rigidez del suelo, de esta manera se eliminan aquellas soluciones que implican grandes masas de hormigón que crean la demanda de excesos de armadura para el control de estas masas. El análisis medioambiental de las distintas soluciones propuestas en el Anexo 2, también demuestra lo poco interesante que resultan las zapatas de rigidez intermedia.
3. Sobre la zapata armada, relativamente flexible, de diedro 30 , se ha estudiado la relación que existe entre el par de valores: carga, tensión admisible del suelo y la necesidad de una armadura mayor que la estrictamente necesaria para absorber las flexiones (necesidad que proviene o del concepto de cuantía mínima o del límite de adherencia hormigón-acero). También se ha establecido otro límite. Se ha comprobado que cada par de valores carga-tensión admisible del suelo no determinen una solicitación de cortante (punzonamiento) que implique la necesidad de disponer una armadura específica a este efecto (ver ejemplo en Anexo 1).
4. Sobre un hormigón de resistencia baja (fck=175 kp/cm2, según EH91), con una tensión límite de adherencia de 22.76 kp/cm2 y una tensión límite al punzonamiento de 10.8 kp/cm2 se han encontrado los pares de valores límite para la solución de zapata armada (ver figura 2). A partir de ellos se propone cimentar mediante soluciones macizas sin armadura de flexión.

La zapata flexible, con la condiciones impuestas, es una solución válida para todos aquellos puntos del gráfico que están por debajo de la función que representa los límites y no lo es y por tanto se tendría que adoptar un cimiento macizo para todos aquellos puntos que están por encima (ver figura 3).

La condición de que la sección no necesite armadura a cortante (ya que el consumo energético de una solución casi es función lineal de la cantidad de armadura) con los datos escogidos, impone un límite a la tensión de contacto o tensión admisible de 2.75 kp/cm2. lo cual establece un límite superior al campo de las soluciones aceptables con zapata flexible.

Para poder establecer que el coste ecológico de una zapata referido al consumo de energía depende casi exclusivamente de la cantidad de acero utilizado, hemos realizado un estudio comparativo mediante el programa experto Simapro3 de cuatro tipos distintos de zapatas (Anexo 2). Como se podrá observar (figura 9) la zapata rígida, aunque evidentemente tiene un porcentaje mayor de residuos sólidos, al no contener armadura y al poder utilizar un cemento de resistencia menor, obtiene un consumo de energía incluso inferior al de la zapata flexible de 30.

Figura 1

Figura 2

Se han escogido como límites la adherencia hormigón-acero y el cortante (punzonamiento) de la normativa EH-91, utilizando un hormigón de resistencia característica de 175 Kg/cm2.

Figura 3