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Cemento y concreto armado: conozca el origen y su historia

Tanto el cemento como el concreto armado son materiales de construcción relativamente recientes dentro de la historia de la Arquitectura y su principal desarrollo ocurrió dentro de la Revolución Industrial y continuó hasta fines del siglo XIX.

El antecedente del cemento, es el mortero. El mortero es un material que se compone básicamente de arena, agua y un aglutinante que cambia en los distintos períodos de la historia de la Arquitectura.  Este aglutinante puede variar dependiendo del uso que va a tener el mortero. Los aglutinantes más empleados son la cal, el yeso y el cemento, mismos que al mezclarse con el agua, se endurecen lentamente.

uso del cemento

El mortero hecho a base de cemento, arena y agua es muy resistente en exteriores, es duro e impermeable, aunque tiende a agrietarse. En estos casos se recomienda la Fibra de Polipropileno en forma de multifilamentos que se incorpora a la mezcla del mortero y cuya función principal es reducir los agrietamientos por contracción plástica en estado fresco y por temperatura en estado endurecido del mortero.

Los morteros hechos con cal, arena y agua, son indicados para utilizarse en interiores y exteriores; son menos resistentes e impermeables que el mortero de cemento y tienen una plasticidad mayor. El mortero hecho en base a yeso, cemento y agua, fragua rápidamente y tiene gran capacidad de absorción de agua, por ello sólo se utiliza en interiores. Existen otros morteros que son una mezcla de cal + cemento + arena +agua o de yeso +cal + arena + agua y son llamados morteros mixtos.

Los usos del mortero prácticamente siguen siendo los mismos desde la Antigüedad hasta nuestros días:

  1. Mortero para pegado de elementos de mampostería como tabiques, ladrillos, blocks, etc.
  2. Mortero para revestir muros, losas, bóvedas, trabes, columnas, etc. En forma de aplanados finos o rústicos
  3. El mortero como impermeabilizante
  4. Mortero para pavimentos

Los primeros morteros que se conocen “son de Eynán y Jericó (8,000-7,000 a. de C.). Fueron hechos en base al barro, de tierras arcillosas, paja y agua que se utilizaban para unir adobes o tabiques de barro.

En esta mezcla no existía la reacción de maduración propia de aglutinantes que se descubrieron posteriormente, sino que la unión se producía por la evaporación del agua. Estas civilizaciones conocían el yeso, el cual sólo era utilizado para la realización de piezas escultóricas y no como mortero.

Se comprueba la presencia de yesos en Catal Höyük (7,500-6,500 a. de C.), ubicada al centro-sur de la actual Turquía. El yeso se utilizó como revoco de paredes construídas con barro. En Mesopotamia en las primeras ciudades sumerias, como Ur, Umma y Eridú (4,000 a. de C.) y debido a que en la zona existían pozos de betún, los pueblos que habitaban estos lugares, hacían un mortero de betún, arena y paja que servía para unir ladrillos hechos con arcilla y para recubrir paredes y muros como impermeabilizante.

Los asirios conocían la cal y el yeso y las propiedades que se obtenían de ellos al mezclarse con agua y otros aglutinantes como la arena. La cal era extraída de las canteras. El proceso para su elaboración, consistía en obtener rocas calizas picando la cantera con herramientas metálicas para desbastar la piedra grande en piedras pequeñas.

Posteriormente las rocas eran llevadas a la calera que era un horno. “Las caleras…se excavaban en las laderas de los taludes con el fin de aprovechar uno de sus lados y en las cercanías de arroyos y ríos, donde se podía localizar con facilidad la piedra caliza. De forma circular y de una cierta profundidad, sus paredes se formaban con muros de piedra y en su interior se depositaba la piedra caliza y grandes cantidades de madera y arbusto. Se cubría por encima con piedras para formar una pequeña cúpula. En la base de la calera se solía dejar una pequeña abertura para poder avivar el fuego.

Después de varios días ardiendo las piedras se habían convertido en cal viva. Con estos hornos se quemaba la cal, para posteriormente almacenarla. La cal quemada se conoce como cal viva y a la cal mezclada con agua, se le conoce como cal apagada o hidratada. Con la cal viva, se preparaba un mortero añadiéndole arena y agua, con el cual se recubrían paredes, pisos y techos.

El yeso se obtenía a partir de una piedra blanca llamada Aljez, que se extraía de las canteras a cielo abierto, sometiéndose también a un proceso de calcinación para quitarle la humedad proveniente del agua. Fue en Egipto donde se logró en la Antigüedad el mayor conocimiento del yeso, de su preparación y aplicaciones y también donde prácticamente se utilizó por primera vez el yeso puro como mortero.  Los bloques de piedra de las pirámides se unían con mortero de yeso que cumplía la función de permitir el deslizamiento de los grandes sillares y unirlos entre sí; las caras se recubrían con estuco de color rojo. El estuco era un mortero de grano fino que contenía cal apagada, mármol pulverizado y pigmentos naturales.

En la Arquitectura Griega, en los palacios de la Isla de Creta, como Cnossos y Festo (2,000-1,475 a. de C.) “el mortero de cal quedó reservado para el revestido del exterior y el material para el revestimiento interior de los locales era el yeso, que se trabajaba con verdadera maestría.

Otra de las grandes innovaciones llevadas a cabo en los morteros de cal helénicos, desde el punto de vista de su composición, fue la utilización de adiciones para obtener morteros más resistentes y estables. En Thera, se introdujo a la mezcla de cal + arena + el polvo volcánico o “Tierra de Santorín” explotada en la isla de origen volcánico. Se obtenían así morteros estables al agua y cuyas propiedades tienen una cierta analogía con los morteros modernos a base de conglomerantes hidráulicos (estables al agua y de una mayor resistencia).

En caso de que no se pudiera conseguir esta “Tierra de Santorín”, se utilizaba como sustituto ladrillo ó teja que se molía y pulverizaba como Puzolana Artificial.  La Puzolana Natural es ceniza volcánica y en esa época la Puzolana Artificial se obtenía de la arcilla cocida pulverizada de productos de barro horneado. En ambos casos se origina una reacción química al mezclarse con cal, lo que provoca que se endurezca el mortero. Se le llama Puzolana, a la primera ceniza volcánica utilizada en la construcción porque el lugar de donde se extrajo (el monte Vesubio) se encuentra cerca de la ciudad de Pozzuoli en Italia.

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El Imperio Romano (753 a. de C.-476 d. de C.) heredó de Grecia toda su tecnología en el ámbito de la construcción y en el caso de los morteros, se apropió de la técnica de elaboración del mortero de cal, perfeccionándolo a través de mejorar y homogeneizar los procesos de elaboración de los ingredientes. También promovió su utilización por todo el Imperio a través de las Legiones Romanas, que no sólo se dedicaban a conquistar territorios nuevos y mantener la paz en los pueblos conquistados, sino “que eran las responsables de construir las calzadas, puentes, murallas y edificios manteniendo las mismas técnicas y procedimientos de construcción en todos los territorios conquistados.

El cemento natural utilizado por los romanos durante su Imperio, es equivalente al “Clinker” del cemento actual que es sometido a hornos con altas temperaturas, en el caso del cemento romano, “la Puzolana ya había sido calcinada por el volcán Vesubio.

En el siglo II a. de C., “los romanos tenían dos tipos de mortero de concreto: El primero se hacía con cal simple, mezclada con arena de río, en una proporción de tres partes de arena por una de cal. El segundo era de Puzolana en vez de arena de río, en la proporción de dos partes de Puzolana por una parte de cal. Obviamente no había duda de cuál de los dos era superior: el Mortero Puzolánico, llamado Opus Caementicium; así se le llamaba a la mezcla obtenida al moler Puzolana (la piedra volcánica del Vesubio), mencionada anteriormente y mezclarla con cal y agua.

Los agregados eran arena y piedras pequeñas. Con esta mezcla se lograba un mortero que fraguaba rápidamente incluso bajo el agua y que endurecía de tal modo que les daba solidez a los pilares sobre agua, para puentes, por ejemplo.

En tiempos del Emperador César Augusto (63 a. de C.-14 d. de C.) se hizo obligatorio el uso del concreto y mortero puzolánico en todas las construcciones hechas por el Estado. “Desde el Coliseo, hasta el Panteón de Agrippa (27 a. de C.) con su famosa y espectacular cúpula, pasando por el Arco de Constantino y las ruinas de Pompeya y fincas romanas; hay literalmente en toda la cuenca del Mediterráneo y en toda Europa, miles de construcciones hechas con el Concreto Romano con su estructura en perfecto estado y algunas todavía en uso.

La tecnología constructiva desarrollada por los romanos con el cemento y el concreto, se perdió durante 1000 años ó sea durante la Edad Media (siglo V al siglo XV). Una de las razones, fue la caída del Imperio Romano (27 a. de C.-476 d. de C.) y la desaparición de las Legiones, quienes se considera eran las responsables de salvaguardar las técnicas de edificación fuera de Roma.

Durante la Edad Media entre los siglos X y XII, resurge la arquitectura religiosa, influenciada por Roma, con el estilo Románico. Los morteros de esta época son de mala calidad precisamente por el desconocimiento de los procedimientos para elaborarlos ya conocidos en el Imperio Romano.

En el oficio de la construcción se abandonan prácticas muy consolidadas, el estupendo hormigón armado cae en el olvido y se vuelve a los morteros de cal antiguos, menos homogéneos y resistentes; se adoptan técnicas locales y desaparece la magnífica organización romana de la construcción; los materiales son difíciles de conseguir y a veces se recurre al expolio. Hay al mismo tiempo, una paulatina pérdida de criterios estéticos y una reducción del repertorio arquitectónico debido a la escasez de profesionales.

Durante el Renacimiento (siglos XV y XVI), los morteros jugaron un papel muy importante porque sirvieron como soporte para los frescos y pinturas murales realizados por los grandes artistas de este período. Se rompió con el pasado medieval para retomar la antigüedad griega y romana y se investigaron los materiales y técnicas constructivas de los morteros romanos; también se recuperó la calidad y homogeneidad de las cal y de los yesos. Se perfeccionaron los estucos; en Italia se inventa el “Lustro Veneciano” que era un estuco que tenía un acabado liso, brillante, con diferentes tonalidades de color.

El estuco blanco se utiliza profusamente en los muros de las iglesias y se crea la “Scagliola” o escayola en español, que era un mortero de yeso con pigmentos naturales que imitaba al mármol y que se utilizaba en paredes y columnas.

La reedición de la obra de Vitruvio: “Los Diez Libros de la Arquitectura” (originalmente escritos entre los años 23 al 27 a. de C.) en el Renacimiento, “reeditada en Venecia en 1511 por Giovanni da Tridentino, probablemente influenció en el redescubrimiento de la fórmula del cemento, aunque de cualquier modo tendrá que esperar el paso del Barroco, del Neoclasicismo y la Revolución Industrial (1760-1840). Sin embargo, también Vitruvio daba la pista en la misma obra; “un polvo que se consigue en los alrededores del Monte Vesuvio, tiene resultados sorprendentes cuando se mezcla con cal y grava: no sólo hace más resistentes a los edificios, sino que, usado en pilastras para muelles o puentes, también fragua bajo el agua.

Los primeros re-descubrimientos para la obtención de la fórmula del cemento hidráulico se remontan a mediados del siglo XVIII en Inglaterra. En 1756, a John Smeaton (1724-1792) conocido como el “Padre de la Ingeniería Civil”, se le hace el encargo de construir un faro en la costa, cerca de Plymouth, Inglaterra, donde anteriormente se habían erigido otros dos faros de madera que habían sido destruidos por una tormenta, el primero y un incendio el segundo.

En lugar de nivelar el terreno que era una roca pequeña, a la que se tenía acceso sólo en verano durante la marea baja, Smeaton lo delineó con un teodolito y usó los contornos existentes para comenzar a construir la cimentación del faro sobre ellos con una técnica constructiva especial para ensamblar bloques de granito con juntas de “Cola de Milano”; esto le daría mayor rigidez a la construcción de la cimentación y al cuerpo del faro. Smeaton se dio cuenta que el mortero que debía utilizar para los bloques de granito debía fraguar bajo el agua. Con la ayuda del pionero de la cerámica inglesa William Cookworthy (1705-1780), comenzó a realizar experimentos con mezclas de cal y Puzolana hasta encontrar un mortero que fraguaría tan fuerte como la roca en condiciones húmedas.

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Los materiales que finalmente utilizó para formar el mortero antecedente del cemento hidráulico fueron: en partes iguales cal y la Puzolana (la piedra volcánica del Vesubio) que había conseguido a un precio económico de un comerciante de materiales de construcción de Plymouth.

Basándose en sus experimentos con los morteros y “sin conocer la química compleja de los cementos, Smeaton había encontrado las características fundamentales del concreto hidráulico.

“El 21 de octubre de 1824, Joseph Aspdin (1778-1855), obtenía la patente inglesa por “El Mejoramiento en el Modo de Producir Piedra Artificial; a esta piedra artificial la llamó Cemento Portland. El polvo de la fórmula, tenía el color de la piedra Portland (gris claro), la cual era común utilizarla en aquella época en los mejores edificios públicos de Inglaterra y en grandes construcciones privadas.

Aspdin, descubrió que al hornear la cal (obtenida de piedra caliza) a altas temperaturas (1450 °C) y después mezclarla con arena y volverla a hornear se fundían ambos materiales en uno solo formando pequeñas piedras (llamadas Clinker), mismas que al molerse hasta obtener polvo fino y mezclarse con agua, se endurecía como la roca al poco tiempo.  “El Cemento Portland de Aspdin era un cemento de bajo nivel tecnológico, de baja temperatura y de baja resistencia, que fraguaba rápidamente. Un Cemento Portland más moderno y resistente fue desarrollado por su hijo William en 1842.

Este cemento requería un horneado más vigoroso y un equipo de molido y pulverizado mejorado para el Clinker de Alita que resultaba de la mezcla ideada por su hijo. La Alita contribuía a darle mayor resistencia mecánica y contra el agua al concreto y al Cemento Portland de segunda generación.

Para el año de 1850 ya existían en Inglaterra seis compañías que producían “Cemento tipo Portland”, aunque la formulación original no era igual al actual “Cemento Portland”. La elaboración del cemento fue mejorando debido entre otras cosas, a un cada vez más detallado análisis químico de sus componentes y a la elaboración de pruebas documentadas de su resistencia a la compresión y a la tensión y también por el perfeccionamiento del diseño de hornos más productivos y eficaces.

Al añadirle a la fórmula original del Cemento Portland, otros materiales aditivos o agregados como, por ejemplo: la ceniza de la combustión del carbón, ó las rebabas metálicas de los hornos de fundición ó yeso; esto ayudaba a darle ciertas características específicas al cemento como, por ejemplo: mayor resistencia a la compresión, un fraguado más lento en climas cálidos, impermeabilidad al agua, mayor resistencia a bajas temperaturas, etc.

El concreto tiene gran resistencia a la compresión y poca a la tensión. Los primeros ejemplos de la utilización de metal para reforzar la resistencia a la tensión del concreto fueron realizados en Inglaterra por un yesero llamado William B. Wilkinson (1819-1902) al patentar en 1854 un sistema de losas de entrepiso de concreto reforzadas con barras de hierro. “El objeto inicial de la patente fue la construcción de entrepisos resistentes al fuego, Afirmaba que el reforzamiento con barras de hierro debía colocarse en el concreto de modo que absorbiera la tensión.

El hierro está colocado en los dibujos de entrepisos con arcos, donde se le puede sacar el mayor provecho, mientras que, en los entrepisos planos, las barras y las mallas están dobladas hacia abajo en el centro del claro, donde ocurre el momento de flexión máximo. También describía e ilustraba en su patente, un diseño de vigas independientes de concreto reforzado.

 Un jardinero francés llamado Joseph Monier (1823-1906) exhibió tinas y macetas de concreto armadas con una malla de hierro durante la Exposición de París de 1867. Monier se dio cuenta de las bondades de mezclar el concreto y reforzarlo con hierro por lo que siguió buscando nuevos productos para el concreto armado.

Le concedieron varias patentes de Productos Arquitectónicos con concreto armado: “en 1868 obtuvo una patente por el diseño de tubos de concreto y tinas; en 1869 por paneles modulares para fachadas; en 1873 por un diseño de puente y en 1878 por vigas de concreto reforzado.  Para 1886, recibió la patente por el diseño de una casa completa construida con concreto armado. Una época en donde no existía el suministro de agua por parte de los municipios, Monier también construyó enormes tanques para almacenarla con paredes armadas de concreto.

En 1884, el Ingeniero alemán Gustav Adolf Wayss (1851-1917) compró varias de sus patentes. “Wayss notó que el conocimiento sobre el concreto armado de Monier era intuitivo, por lo que desarrolló científicamente la nueva tecnología constructiva con una serie de experimentos que demostraban cómo el concreto armado podía resistir muy bien cargas pesadas, el fuego y la corrosión.

Wayss publicó sus observaciones en un estudio científico sobre el comportamiento estructural del concreto armado, llamado el “Sistema Monier” que constituía el primer manual publicado sobre los fundamentos del concreto armado.

Francoise Hennebique (1842-1921) Ingeniero francés, patentó en 1892, un sistema de construcción de concreto armado que integraba normalmente elementos separados de una construcción como, por ejemplo, la columna y la viga en uno sólo colado monolíticamente. Este sistema es el antecedente del método más común de construcción con concreto armado utilizado hoy en día en el mundo entero. “Hennebique concibió de forma pionera la construcción con concreto armado, resumiendo 10 años de experiencia con este material.

Hennebique cerró su negocio como contratista, para dedicarse a administrar y promover su invento. Estableció sus oficinas con cinco empleados en Bruselas, Bélgica en 1892 como consultor profesional y “otorgó licencias de su sistema de construcción, sólo a los contratistas más confiables y prestigiosos, para asegurarse un éxito continuo y ganar más prestigio.

Dos años más tarde mudó sus oficinas a Paris y en 1897 ya tenía 17 oficinas-sucursales en Europa con 56 ingenieros. “En 1909, tenía 62 oficinas-sucursales; 43 en Europa y 12 en los Estados Unidos, Africa y Asia. En los primeros siete años realizó más de 3,000 proyectos y 700 puentes; su éxito tan grande se debió entre otras cosas a un programa de entrenamiento para sus licenciatarios e ingenieros sobre su sistema de construcción y a la eficacia de su invento.

El Sistema Hennebique fue introducido en México por el Ing. Miguel Rebolledo (1868-1962) y su socio Ángel Ortíz Monasterio. Realizaron numerosas obras con el sistema Hennebique como Ingenieros y como contratistas de Arquitectos de la época, entre las obras realizadas por ellos destacan en la Ciudad de México: La Iglesia de la Sagrada Familia, los Cimientos y la Estructura del Monumento a Benito Juárez, la Fundación Mier y Pesado, etc. El Ing. Rebolledo editó el libro: “Cincuentenario del Concreto Armado en México (1902-1952) una de las escasas obras de la época publicadas en México que da cuenta del uso del concreto armado en los primeros cincuenta años del siglo XX.

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En los Estados Unidos, el Ingeniero inglés Ernest L. Ransome (1852-1917) patenta una maquinaria para torcer la varilla originalmente de hierro y después de acero en 1884; el objetivo del torcido era hacerla más resistente a la tensión y que se utilizara para reforzar elementos colados de concreto.

Ransome desarrolló y patentó en 1902 y 1909, dos métodos de construcción de concreto armado idénticos a los actuales: En el primer método llamado “Concreto Monolítico Ransome, el concreto se deposita en moldes (con las estructuras de varilla terminadas) colocados en sus posiciones definitivas; en el segundo método llamado Sistema de Unidad Ransome, en donde las vigas, columnas, paredes y losas de entrepiso de concreto armado, son precoladas a nivel piso y después ya terminadas son colocadas para ensamblarse en su sitio definitivo por medio de grúas.

Este método de construcción fue un éxito y se utilizó principalmente para la construcción de fábricas, bodegas y edificios industriales principalmente en el este de los Estados Unidos. El primer rascacielos construido en los Estados Unidos de América con el Sistema Unitario Ransome, es decir, enteramente de concreto armado, fue el edificio Ingalls de 14 niveles, en la ciudad de Cincinnati, Ohio en 1903, bajo un proyecto de los arquitectos Elzner & Anderson.

Ransome fue uno de los primeros innovadores en los EUA que exploraron a fondo el potencial del concreto armado y sus precolados como materiales de construcción, introdujo este material a los constructores norteamericanos como un sistema de estructura para edificios. Su obra estableció al concreto armado como una tecnología práctica y de bajo costo. En 1912 Ransome, publica junto con Alexis Saurbrey el libro “Reinforced Concrete Buildings”, editado por McGraw-Hill.

En Europa el Arquitecto francés Auguste Perret (1874-1954) crea el primer edificio de departamentos en la ciudad de París en 1902, construido con concreto armado. Este pequeño edificio de departamentos, “constituye la primera vez que se utiliza el concreto armado como un medio de expresión arquitectónica.

Perret es un pionero en la búsqueda de distintas maneras de “explorar las características visuales y estructurales del concreto armado, dejándolo sin recubrimientos y expuesto, mostrando incluso la huella de la cimbra utilizada. Su obra es una influencia muy importante en el Movimiento Moderno de la Arquitectura, iniciado con la fundación de la Bauhaus en Alemania en 1932.

Construyó una iglesia completamente de concreto aparente en 1923 que demostraba el dominio que tenía del material: La iglesia de Notre-Dame en el pueblo de Le Raincy cercano a París.  La iglesia tiene una nave de 60 mts. de largo por 20 mts. de ancho con una sencilla bóveda de cañón y pasillos laterales con secciones de bóvedas de cañón transversales, todo ello parece estar suspendido en el aire ya que las paredes laterales no tienen muros de carga sino vitrales.

La nave es sostenida por 28 delgadas columnas sin base ni adornos. “Perret es uno de los más importantes exponentes del concreto armado. El Ing. Norteamericano John E. Conzelman desarrolla un sistema prefabricado que lo denomina como “Unit Construction”, en español: Construcción Unitaria y lo patenta en 1916.

Este sistema consistía en un conjunto de precolados arquitectónicos de concreto armado, que podían adaptarse para construir toda clase de construcciones ya que abarcaba todos los elementos estructurales posibles de un edificio. En un discurso que dió ante la Asociación de Empresas de Ingeniería de EUA en San Luis Misurí el 13 de enero de 1913, Conzelman comentó refiriéndose a sus precolados arquitectónicos: “En muchos tipos de edificios la Construcción Unitaria es obviamente la forma más elegante y lógica de construir.

Para los que estamos familiarizados con estos métodos, la construcción normal nos parece burda y engorrosa”, refiriéndose al armado en obra de trabes, columnas y losas y al colado con concreto de las mismas “In Situ”. Conzelman aplicó su incipiente tecnología constructiva principalmente en edificios para industrias y para la infraestructura de los ferrocarriles en los EUA.

El Ingeniero francés Eugène Freysinnet (1879-1962) descubrió la forma de obtener mayor resistencia a la tensión del concreto, tensando acero de refuerzo de alta resistencia previo al colado (Pretensado) ó posterior al colado (Postensado). Obtuvo su primera patente de concreto pretensado en 1928 y fundó una compañía para comercializar elementos prefabricados pretensados de concreto como viguetas, columnas y losas en 1943 que se convertiría al paso del tiempo en una de las firmas especializadas -en obras de gran tamaño- de ingeniería civil más importantes del mundo vigente al día de hoy.

Con el concreto pretensado, Freysinnet en sus propias palabras afirmaba que “había iniciado una revolución en el arte de construir”. “El concreto pretensado es una evolución del concreto armado, que otorgaba al Ingeniero una libertad de acción y pensamiento como no había existido hasta entonces en la Ingeniería Estructural.

Los grandes maestros de la Arquitectura como Le Corbusier, Frank Lloyd Wright, Rietveld, Eric Mendeslsohn, etc., así como los que les siguieron entre ellos, Eero Saarinen, Jorn Utzon, Félix Candela, Tadao Ando, Santiago Calatrava, etc. se apropiaron de este material y realizaron obras que se convirtieron en íconos. Posterior a la Segunda Guerra Mundial, el concreto pretensado se convirtió en el material de las grandes obras de ingeniería como presas, puentes de enormes claros, depósitos de agua, así como en precolados para viaductos y carreteras, estacionamientos, viviendas, fábricas, etc.

Los Productos Arquitectónicos manufacturados con concreto armado forman parte de lo que se conoce como Arquitectura Prefabricada ó Precolados Arquitectónicos y normalmente son pretensados ya que esta técnica permite reducir los espesores de las piezas y su peso, así como la cantidad de material y por lo tanto el precio, al mismo tiempo que aumenta su resistencia a la tensión y compresión.

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