CURSO DE CALCULO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGN ARMADO

CURSO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON. MATERIALES

CURSO DE CALCULO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGN ARMADO

BLOQUE I: MATERIALES Y CONTROL DE CALIDAD

MATERIALESINDICE1.ANTECEDENTES HISTORICOS DEL HORMIGON ARMADO

1.1.INTRODUCCIN

1.2.COMIENZOS DEL HORMIGN ARMADO

2.CEMENTOS

2.1.ORIGEN

2.2.TIPOS

2.2.1.CEMENTO PORTLAND (CEM I Y CEM II).

2.2.2.OTROS CEMENTOS

2.3.SELECCIN

3.ARIDOS

3.1.INTRODUCCION

3.2.TAMAO DEL ARIDO

3.3.PRESCRIPCIONES

4.AGUA

4.1.GENERALIDADES

4.2.TIPOS DE AGUA

4.3.ANALISIS DEL AGUA

5.ADITIVOS

6.PROPIEDADES Y CARACTERSTICAS DEL HORMIGON

6.1.PROPIEDADES DEL HORMIGON FRESCO

6.1.1.CONSISTENCIA

6.1.2.DOCILIDAD

6.1.3.HOMOGENEIDAD

6.1.4.PESO ESPECIFICO

6.2.PROPIEDADES DEL HORMIGN ENDURECIDO

6.2.1.PESO ESPECFICO

6.2.2.COMPACIDAD

6.2.3.PERMEBILIDAD

6.2.4.DIAGRAMAS TENSIN DEFORMACION

6.2.5.RESISTENCIA DE PROYECTO Y DE CLCULO

6.2.6.MODULO DE ELASTICIDAD

6.2.7.RETRACCION

6.2.8.FLUENCIA

6.2.9.DURABILIDAD

6.3.DESIGNACION DE LOS TIPOS DE HORMIGONES

7.ARMADURAS.CARACTERISTICAS MECANICAS

7.1.GENERALIDADES

7.2.DIAGRAMA TENSIN-DEFORMACIN

7.3.ADHERENCIA

7.4.CARACTERISTICAS MECANICAS

7.5.IDENTIFICACIN

BIBLIOGRAFA

ANEJO 1. INSTRUCCIN PARA LA RECEPCION DE CEMENTOS RC-97

1. ANTECEDENTES HISTORICOS DEL HORMIGON ARMADO

1.1. INTRODUCCIN

El hormign armado es la asociacin de dos materiales de caractersticas muy diferentes: el hormign, una roca artificial formada a partir de materiales ptreos unidos por un conglomerante hidrulico, y el acero, obtenido en altos hornos a partir del hierro y carbono. Este resiste por igual esfuerzos de traccin y de compresin, mientras que el hormign resiste bien los esfuerzos de compresin, no as los de traccin.

Las diferencias se manifiestas ya en los diferentes medios de elaboracin: el acero necesita altas temperaturas, y por tanto unas instalaciones especiales y sofisticadas. Para moldear el hormign se utilizan unos recipientes (encofrados) sencillos e inmediatos que permiten que la masa, una vez endurecida, adopte la forma deseada.

En los pases latinoamericanos la palabra que lo designa es concreto, en los sajones "concrete, que tienen en comn la raz latina concretus. Etimolgicamente, concreto es sinnimo de concrecionado, y concrecin es, segn el diccionario de la lengua, la acumulacin de diversas partculas que se unen para formar la masa.

La palabra hormign viene de frmicus, que se refiere a todo aquello que es susceptible de ser moldeado para darle la forma deseada.

As pues, las dos voces empleadas para designar este material resaltan dos cualidades distintas del mismo: concreto se refiere al aspecto exterior, hormign, a la capacidad de adaptacin a la forma del recipiente que lo contenga.

Al incorporar acero, el hormign adquiere capacidades antes inexistentes, heredadas de este, pero sin perder la facultad de adaptarse a la forma de los encofrados que lo envuelven. Los esfuerzos de traccin quedan canalizados al conjunto de barras que componen la armadura, que extiende su influencia en el hormign que la rodea incluso en zonas en la que no sigue el trazado de las isostticas de traccin. La colaboracin entre ambos para mejorar la capacidad resistente del conjunto se consigue por la adherencia entre los dos materiales: por esta razn las barras que constituyen la armadura presentan unos resaltes o estras sobre la superficie cilndrica que mejoran con la rugosidad creada en la superficie, la adherencia y rozamiento con la masa de hormign.

Esta adherencia es la que coarta los deslizamientos relativos entre ambos materiales, comportndose en el mbito resistente y de deformacin como si de un cuerpo nico se tratara.

1.2. COMIENZOS DEL HORMIGN ARMADO

Parece que fue el jardinero Monier, sobre 1848, el que, harto de que las macetas se rompieran al apretar la tierra en el interior de la misma, coloc unos alambres anulares en el interior y a diferentes alturas para contener los esfuerzos de traccin que intua. Es muy probable que Monier conociese la utilidad de los flejes metlicos de los barriles de madera. La novedad es la colocacin a distancias regulares en el permetro y, adems, los recubre con mortero para impedir la oxidacin del acero. Deben transcurrir varios decenios hasta que el propio Monier y Hennebique, conscientes de las diversas propiedades del nuevo material, se planteen su comercializacin como procedimiento constructivo, que ofrece como propiedad ms notoria su incombustibilidad, siendo Freyssinet a principios de siglo el que realiz las construcciones ms atrevidas.

2. CEMENTOS

2.1. ORIGEN

Se denominan conglomerantes hidrulicos a aquellos productos que amasados con agua, fraguan y endurecen mantenindose inalterables en contacto posterior con dicho lquido, siendo el cemento uno de los ms importantes. En Espaa, su uso est regulado por la Instruccin para la Recepcin de Cementos RC97.

El variado campo de aplicacin de este material da lugar a su subdivisin en cementos portland, siderrgicos, puzolnicos, aluminosos, etc., teniendo cada tipo unas caractersticas propias.

2.2. TIPOS

2.2.1. CEMENTO PORTLAND (CEM I Y CEM II).

Se obtiene por la mezcla en polvo de clnker (residuo obtenido de calcinar una mezcla de arcilla y caliza) y piedra de yeso natural. Si estos son los nicos componentes, se denomina portland y se corresponde con el tipo de cemento CEM I. Si se sustituye una parte del cknker por escoria siderrgica, humo de slice, puzolana, ceniza volante, caliza, se obtienen los cementos con adiciones, tipo CEM II, seguido de dos letras: la segunda especifica el tipo de adicin (S, escoria; D, humo de slice; P, puzolana; V, ceniza volante; L, caliza; M, mixto, con puzolana ms ceniza) y la primera, que puede ser A o B, la cantidad.

Los potenciales constituyentes del cemento portland son:

El silicato triclcico, que es el compuesto activo del clnker y desarrolla un elevado calor de hidratacin. Aparece en cantidades importantes en los cementos de alta resistencia inicial.

El silicato biclcico, que proporciona la resistencia a largo plazo.

El aluminato triclcico, de elevado calor de hidratacin. Si su presencia es importante acelera el fraguado, origina altas retracciones, influyendo en las resistencias a corto plazo

El aluminoferrito tetraclcico. Proviene de los fundentes que contienen hierro, se utilizan en el horno en la fabricacin del clnker y no participa en la resistencia mecnica del cemento.

La hidratacin de los silicatos produce cal libre, cuya elevada alcalinidad proporciona la proteccin qumica de las armaduras de hormign armado, pero que en ambientes con presencia de sulfatos da lugar al sulfoaluminato triclcico hidratado (conocido como sal de Candlot) en un proceso muy expansivo que deteriora los hormigones.

Las propiedades mecnicas y fsicas ms importantes de los cementos son:

Fraguado. La RC-97 prescribe que, en funcin de la clase resistente del cemento, el principio de fraguado empiece despus de un valor que va de 60 a 45 minutos, debiendo finalizar antes de 12 horas.

Expansin, con un lmite mximo de 10 mm.

Resistencia mecnica. Se refieren a un mortero normalizado con relacin agua cemento igual a 0,5. Las probetas son prismticas de 4 x 4 x 16 cm. Se rompen primero a flexotraccin, con carga centrada, y cada una de las mitades, se rompe a compresin sobre las superficies de 4 por 4 cm, en plazos de 2, 7 y 28 das, debiendo cumplir los valore de la tabla 2 de la RC-97.

2.2.2. OTROS CEMENTOS

Cemento de horno alto (CEM III). Contiene escoria siderrgica y se le denomina cemento fro por su bajo calor de hidratacin. Presentan baja retraccin, los hormigones son poco trabajables. Las bajas temperaturas retardan sensiblemente su endurecimiento, debiendo efectuarse ste en un ambiente constantemente hmedo durante dos semanas al menos.

Cemento puzolnico (CEM IV). Endurecen ms lentamente y requiere ms agua de amasado que el portland, y da lugar a hormigones de gran compacidad. Cemento compuesto (CEM V). Se utiliza en confeccin de mortero y otras obras de albailera sin finalidad resistente.

Cemento aluminoso. El clnker se obtiene a partir de mezcla de materiales calcreos y aluminosos (bauxita), para originar aluminato de calcio. Alcanzan grandes resistencias iniciales (20 N/mm2 a las 6 horas y 40 N/mm2 a las 24 horas). Existen circunstancias que originan prdidas muy importantes de la resistencia.

Cementos con caractersticas especiales. Mediante adiciones, los cementos pueden presentar adems resistencia a los sulfatos (SR), al agua de mar (MR), o bajo calor de hidratacin (BC).

Cementos para usos especiales (ESP). La resistencia requerida lo es no a 28 das sino a 90.

Cementos blancos (BL). El aspecto final depende del color depende sobre todo de los ridos. Adems de para hormigones, es de aplicacin en morteros y trabajos de albailera vistos.

2.3. SELECCIN

(Recomendaciones generales para la utilizacin de los cementos especificados en la Instruccin para la Recepcin de Cementos RC-97.Anejo 3 EHE 98)

La eleccin del tipo cemento se realiza en funcin de las aplicaciones (CUADRO 1), las circunstancias del hormigonado (CUADRO 2) y clase de exposicin (CUADRO 3).

La seleccin del tipo de cemento se realiza de la siguiente manera:

Aplicaciones. Cuadro 1: se valora la utilizacin de cada tipo de cemento en funcin de la aplicacin. Se efectuar la eleccin inicial del cemento para lo cual se considerarn las valoraciones de 3 a 0, en funcin de las aplicaciones. De esta eleccin resultarn uno o varios cementos de uso preferible.

Circunstancias del hormigonado. Cuadro 2: en los casos en que sea necesario tener en cuenta las circunstancias del hormigonado porque sean previsibles retraso o alteraciones en los tiempos de fraguado como hormigonado en tiempo fro, o bien desecaciones en la masa del hormign que puedan producir fisuraciones, como los hormigonados en tiempo caluroso, como fuerte insolacin, viento, etc. (Artculos 72 y 73 de EHE-98), se realizar una segunda valoracin considerndose, entonces, ambas valoraciones para la seleccin de los cementos de uso preferible. En los casos en que las circunstancias de hormigonado sean normales, no se realizar valoracin en este apartado.

La posibilidad de que los cementos tengan caractersticas adicionales SR (resistencia a los sulfatos), MR (resistencia al agua de mar) o BC (bajo calor de hidratacin) se valorar independientemente en los cuadros 1 y 2.

Clase de exposicin en servicio. Cuadro3: se indican en este cuadro los cementos recomendables para las clases de exposicin. De acuerdo con el Artculo 8 de la norma, el tipo de ambiente viene definido por la combinacin de una clase general de exposicin frente a la corrosin de armaduras (tabla 8.2.2) y en algunos casos, una clase de exposicin especfica (tabla 8.2.3.b). Estas clases de exposicin tienen una gran incidencia en las caractersticas del hormign, condicin primordial para una buena durabilidad. De nada vale una correcta eleccin del tipo de cemento si la fabricacin del hormign no es adecuada.

En las clases generales de exposicin relativas a la corrosin de armaduras (tabla 8.2.2) se contemplan, adems de la clase de exposicin no agresiva (I), dos tipos de ataque:

Corrosin de origen diferente a los cloruros, clase de exposicin (II).

Corrosin por cloruros, clases de exposicin (III) y (IV).

La incidencia que en estos procesos puede tener el tipo de cemento para evitar la corrosin de las armaduras consiste fundamentalmente en impedir la difusin del CO2 o los cloruros, as como aportar la llamada reserva alcalina, que pasiva a las armaduras de la corrosin.

En la clase de exposicin I (no agresiva) todos los tipos y subtipos de cementos pueden ser utilizables, sin que el ambiente condicione su empleo.

En la clase de exposicin II (corrosin de armaduras de origen diferente de los cloruros), los factores determinantes son la susceptibilidad de carbonatarse de los compuestos formados en la hidratacin del cemento y la facilidad de difusin del CO2. Se debe utilizar cementos que aporte elevada reserva alcalina capaz de neutralizar la accin del dixido de carbono. Por ello, los ms recomendables son los cementos tipo CEM I, tipo CEM II (preferentemente los CEM II/A), tipo BL I y tipo BL II (caso de ser necesario por condicionantes estticos). Pueden utilizarse tambin los cementos tipos CEM III/A, CEM IV/A y CEM V.

En la clase de exposicin III, (corrosin de las armaduras por cloruros de origen marino), la seleccin de los cementos debe atender a dos fenmenos diferentes: evitar la difusin de cloruros y dotar al hormign de resistencia suficiente a los sulfatos contenidos en el agua de mar.

Por un lado los cementos con adicin de puzolana y los de adicin de escoria presentan una mayor resistencia a la difusin de cloruros.

Por otra parte cuanto mayor sea el contenido de aluminatos en el clinker del cemento y mayor la proporcin de ste, mayor ser la capacidad de retencin de cloruros. Sin embargo, en estos ambientes, dependiendo de la incidencia que puedan tener los sulfatos, en alguno casos se recomienda, aun cuando no sea preceptivo de acuerdo con el apartado 37.3.5 de la Instruccin EHE 98, que el cemento sea resistente al agua de mar (MR). En estos cementos se limita la cantidad de aluminato y ferrito aluminato del clinker, con el fin de evitar la formacin de compuestos expansivos que pueda dar lugar a la fisuracin y deterioro del hormign y por tanto favorecer la corrosin de armaduras por la facilidad de acceso de los cloruros.

Por tanto los cementos ms recomendables sern:

- CEM III

- CEM II/S

- CEM II/V (preferentemente II/B-V)

- CEM II/P (preferentemente II/B-P)

- CEM II/A-D

- CEM IV (preferentemente IV/A)

- CEM V

- CEM I (con caractersticas adicionales MR segn el caso)

En la clase de exposicin IV (corrosin de las armaduras por cloruros de origen no marino), con inexistencia de otras sales, se recomienda el empleo de cementos CEM I y BL I (si es necesario condicionantes estticos), con capacidad de fijar los cloruros, siendo tambin adecuados los cementos con adicin de escoria o puzolana, pues presentan una mayor resistencia a la difusin de cloruros, es decir, los mismos cementos recomendados para el caso de cloruros de origen marino, pero en la caracterstica adicional MR.

En las clases especficas de exposicin (tabla 8.2.3.a, 8.2.3.b), se incluyen tres tipos de procesos:

Agresividad qumica (Q).

Heladas (hielo-deshielo) (H, F).

Erosin.

En los casos que la agresividad se deba a aguas o a suelos con sulfatos, se recomiendan los mimos cementos que para la clase III, con la caracterstica adicional de resistencia a sulfatos (SR), en los casos de agresividad fuerte (Qc) y agresividad media (Qb), siendo suficiente la resistencia al agua de mar (MR) en el caso de agresividad dbil (Qa).

En el caso de aguas puras, cidas, o con CO2 agresivo, se recomienda el empleo de cementos e adicin puzolnica, pues mediante esta adicin se fija la portlandita, que es el compuesto ms sensible a estas acciones. As, los cementos de usos preferibles sern:

CEM IV

CEM V

CEM III

CEM II/V

CEM II/P

CEM II/A-D

CEM II/S

En cuanto a las clases de exposiciones con heladas y erosin, lo que influye bsicamente y casi en exclusividad es la calidad del hormign: densidad, compacidad, porosidad y permeabilidad, por lo cual la influencia del cemento es escasa.

Ejemplo de seleccin de cementosAplicacin: Hormign Armado

Circunstancias de hormigonado: Tiempo caluroso.

Clase de exposicin: Ambiente marino areo. Estructura marina por encima del nivel del mar en la proximidad de la costa (IIIa)

Valoracin del tipo de cemento (cuadro 1): Todos los cementos excepto CEM III/B, CEM IV/B y BLV, obtienen una valoracin 2 (adecuado).

Valoracin por las circunstancias del hormigonado (cuadro 2): Los cementos CEM II/A-S, CEM II/B-S, CEM II/A-P, CEM II/B-P, CEM II/A-V, CEM II/BVM CEM II/A-L, CEM II/A-M, CEM II/B-M, CEM III/A, CEM IV/A, Y BL II obtienen una valoracin 2 (adecuado).

Valoracin de la clase de exposicin (cuadro 3): De los cementos seleccionados previamente para esta clase de exposicin, son recomendables: CEM II/A-S, CEM II/B-S, CEM II/A-P, CEM II/B-P, CEM II/A-V, CEM IIB-V, CEM III/A, CEM IV/A, CEM V/A. Al tratarse de clase de exposicin marina, podra ser recomendable segn la incidencia de los iones sulfato, en funcin de la mayor o menor proximidad al mar, la utilizacin de cemento con la caracterstica adicional MR. En este caso, al tratarse de un ambiente marino areo (IIIa) esta caracterstica pierde importancia.

Comentarios y conclusin: Cualquiera de los cementos de la relacin anterior, con la caracterstica MR en funcin de su situacin particular, resultan adecuados para esta utilizacin, es decir: CEM II/A-S, CEM II/B-S, CEM II/A-P, CEM II/B-P, CEM II/A-V, CEM II/B-V, CEM III/A, CEM IV/A, CEM V/A

3. ARIDOS

3.1. INTRODUCCION

Para la fabricacin de hormigones se pueden emplear arenas y gravas existentes en yacimientos naturales, rocas machacadas o escorias siderrgicas apropiadas, siempre que renan en igual o superior grado las caractersticas de resistencia y durabilidad que se le exijan al hormign.

Los ridos pueden ser:

Rodados: proporcionan hormigones dciles, y trabajables, requieren menos agua.

Machacados: ofrecen ms dificultad en la puesta en obra del hormign, pero proporcionan una mayor trabazn que se refleja en una mayor resistencia.

Antes de su empleo en el amasado, tanto uno como deben estar desprovistos de polvo, pues el aumento de finos incrementara el agua necesaria de amasado, originando una menor resistencia y mayor riesgo de fisuras en las primeras edades.

Cuando se utilicen escorias siderrgicas, se comprobar previamente que no contienen silicatos inestables ni compuestos ferrosos.

No se pueden emplear ridos que contengan sulfuros oxidables.

3.2. TAMAO DEL ARIDO

Los ridos se designan por su tamao mnimo d y mximo D en mm (rido d/D).

Cuando el tamao es superior a 4 mm se le denomina rido grueso o grava (es una de las novedades, pues en la anterior instruccin era 5 mm). Cuando es inferior a 4 mm, arena o rido fino. Si es superior a 2 mm, arena gruesa, si es inferior a 2 mm arena fina. Si es inferior a 0.08, polvo o finos.

Para evitar la formacin de huecos y coqueras en las piezas de hormign armado, la EHE establece unas restricciones en las dimensiones del tamao mximo de un rido, debiendo ser menor que:

a) 0.8 con la distancia horizontal libre entre armaduras que no formen grupo, o entre un borde de la pieza y una armadura que forme un ngulo mayor que 45 con la direccin del hormigonado.

b) 1.25 de la distancia entre un borde de la pieza y una armadura que forme un ngulo no mayor de 45 con la direccin del hormigonado.

c) 0.25 de la dimensin mnima de la pieza, excepto en los casos siguientes:

Losa superior de los forjados, donde el tamao mximo del rido ser menor que 0.4 veces el espesor mnimo.

Piezas de ejecucin muy cuidada (caso de prefabricacin en taller) y aquellos elementos en los que el efecto pared del encofrado sea reducido (forjados que se encofran por una sola cara), en cuyo caso ser menor que 0.33 veces el espesor mnimo.

3.3. PRESCRIPCIONES

La norma EHE obliga a que los ridos cumplan unos requisitos en cuanto a su composicin fisico-qumica (tabla 28.3.1) para evitar los efectos perniciosos que para la durabilidad del hormign pueden tener la presencia de sulfatos, azufres y finos arcillosos, as como la de cloruros en la corrosin de las armaduras, apareciendo como nueva respecto a la norma anterior, la limitacin a presencia de sulfatos solubles en cido y cloruros (0,8 y 0,05 % del peso total).

Por otra parte existen una serie de ensayos para comprobar que se satisfacen unas limitaciones fisico-mecnicas: friabilidad (hace referencia a la capacidad de desmenuzarse), desgaste, absorcin de agua y resistencia a las heladas.

Sobre la granulometra y forma del rido, la norma da unas prescripciones que se refleja en la tabla 28.3.3.a (Contenido mximo de finos en el rido) y en la tabla 28.3.3.b (Huso granulomtrico del rido fino) o su equivalente en la figura 28.3.3, que constituyen una novedad respecto a la norma anterior. La forma del rido grueso se expresa mediante el coeficiente de forma (( 0.2) o ndice de lajas ( 3246.66

Se establece la necesidad de la certificacin de la adherencia para las barras corrugadas de las partidas de armaduras suministradas (art. 31.5.1 y 90.1), que supone una novedad respecto a la Instruccin anterior.

7.4. CARACTERISTICAS MECANICAS

Las caractersticas ms importantes son el lmite elstico, la carga de rotura y el alargamiento en rotura. Los tipos de barras corrugadas aparecen en la tabla siguiente:

La geometra de la corruga para los tres tipos de acero es la indicada en la figura siguiente:

El ensayo de doblado exigido a las barras corrugadas tiene por objeto comprobar la plasticidad del acero para as prevenir roturas frgiles durante la manipulacin. En la tabla 31.2.b se indica el dimetro de los mandriles para la realizacin de este ensayo, no debiendo aparecer grietas.

El acero tipo B 400 SD es el que cumple los requisitos establecidos por la EHE para zonas ssmicas (Anejo 12 Requisitos especiales recomendados para estructuras sometidas a acciones ssmicas) y que tiene caractersticas suplementarias de ductilidad (capacidad de deformarse sin romper)

7.5. IDENTIFICACIN

Los aceros llevarn unas marcas de identificacin establecidas en la 36068:94, relativas al tipo de acero, pas de origen, y marca del fabricante como se indica en la siguiente figura:

A continuacin se presentan las marcas de identificacin para diferentes fabricante:

BIBLIOGRAFA

EHE 98. INSTRUCCIN DE HORMIGN ESRUCTURAL. Ministerio de Fomento.

Hormign Armado. Universidad Nacional de Educacin a Distancia. Escuela de la Edificacin. Garca Meseguer, Alvaro.

Hormign Armado. Editorial Gustavo Gili. Jimnez Montoya, Garca Meseguer, Morn Cabr.

Hormign Armado. Editorial Revert. Pez, Alfredo.

Proyecto y Clculo de Estructuras de Hormign. INTEMAC. Calavera Ruiz, Jos.

Gua Per LUs de la Instruccin EHE. Institut de Tecnologa de la Construcci de Catalunya.

Rc-97. Instruccin Para La Recepcin De Cementos.

ANEJO 1. INSTRUCCIN PARA LA RECEPCION DE CEMENTOS RC-97

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22

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