Propiedades del Hormigón

Densidad: La densidad del hormigón se define como el peso por unidad de volumen. Depende de la densidad real y de la proporción en que participan cada uno de los diferentes materiales constituyentes del hormigón. Para los hormigones convencionales, formados por materiales granulares provenientes de rocas no mineralizadas de la corteza terrestre su valor oscila entre 2.35 y 2.55 Kg. La densidad normalmente experimenta ligeras variaciones con el tiempo, las que provienen de la evaporación del agua de amasado hacia la atmósfera y que en total puede significar una variación de hasta alrededor de un 7% de su densidad inicial. Los hormigones livianos se obtienen por medio de la incorporación de aire, ya sea directamente en la masa del hormigón o incorporada en los áridos utilizando áridos livianos. Su densidad puede alcanzar valores tan bajos como 0.5 kg/dm3 y se utilizan principalmente cuando se desea obtener aislaciones térmicas y acústicas mayores que las del hormigón convencional. Los hormigones pesados se obtienen mediante el uso de áridos mineralizados, cuya densidad real es mayor que la de los áridos normales. Su densidad puede

alcanzar valores hasta de 5.0 kg/dm3 y se utilizan principalmente cuando se desea obtener aislamiento contra las partículas radiactivas.

CARACTERISTICAS DE MATERIALES CONSTITUYENTES Y DISEÑO DE ELEMENTOS

ESTRUCTURALES

Resistencia

La resistencia es una de las propiedades más importantes del hormigón, principalmente cuando se le utiliza con fines estructurales. El hormigón, en su calidad de constituyente de un elemento estructural, queda sometido a las tensiones derivadas de las solicitaciones que actúan sobre éste. Si sobrepasan su capacidad resistente se producirán fracturas, primero de origen local y posteriormente generalizadas, que podrán afectar la seguridad de la estructura.

Por este motivo, los elementos estructurales deben ser dimensionados de manera que las tensiones producidas no sobrepasen la capacidad resistente del material constituyente, lo cual muestra la importancia de conocer esa característica.

Resistencia a la Compresión (f’c)

La resistencia a la compresión se puede definir como la máxima resistencia medida de un espécimen de concreto o de mortero a carga axial. Generalmente se expresa en kilogramos por centímetro cuadrado (Kg/cm2) a una edad de 28 días se le designe con el símbolo f’ c.

La resistencia a la compresión del hormigón, la cual define su calidad, depende de varios factores:

1. la relación agua/cemento (a/c = 0.5 a 0.7)2. la dosificación3. la forma de curado4. la calidad de sus componentes (cemento y áridos)

Los valores promedios entre los que se encuentran los concretos convencionales se encuentran en el rango de 120 a 240 Kg/cm2

Resistencia a la Tracción

La resistencia del hormigón a la tracción es relativamente pequeña. Varía de 3 a 4 Kg/cm2. En los cálculos de hormigón armado no se toma en cuenta su resistencia a la tracción.

Resistencia al corte y resbalamiento

El corte del hormigón se manifiesta en los apoyos de la viga y sus cercanías, bajo la acción de fuerzas transversales, como cuando se corta una plancha de hierro con tijera.

El resbalamiento es efecto de esfuerzos de tracción, que tratan de hacer resbalar (deslizar) horizontalmente una capa de hormigón con respecto a la otra. El coeficiente de trabajo del hormigón al corte normalmente es de 4 Kg/cm2.

Adherencia

Hay una notable unión entre el hormigón y el hierro, que se llama adherencia y es de 25 Kg/cm2. Para el cálculo, se admite 4,5 Kg/cm2. La adherencia no tiene mayor interés, ya que todas las barras deben terminar con ganchos reglamentarios en sus ambas extremidades; estos evitan que ellas sean arrancadas del hormigón.

Alargamiento

El hormigón admite un pequeñísimo alargamiento que es alrededor de 0,15mm. Por cada metro de longitud de la pieza, antes de que se produzcan fisuras

Elasticidad

El coeficiente de elasticidad del hormigón, sin armar, varía de 120.000 Kg/cm2 a 160.000 Kg/cm2. Término medio: Eh = 140.000 Kg/cm2.

El hormigón armado en vigas varía de E = 280.000 Kg/cm2 al iniciarse la carga, hasta E = 210.000 Kg/cm2 antes de originarse las grietas y decrece (al romperse la pieza) a 130.000, 110.000, 100.000 75.000, y 40.000 Kg/cm2.- en relación al porcentaje o cuantía de la armadura metálica respectivamente de 1,5 - 1,2 - 0,9 - 0,6 - 0,3 % de la sección de hormigón (Sh) de la viga.

DEFORMACIONES

Deformaciones elásticas El conocimiento de las propiedades elásticas del hormigón son necesarias para establecer la relación entre tensiones y deformaciones, aspecto que adquiere gran importancia en algunos problemas de tipo estructural, particularmente cuando el cálculo de deformaciones es determinante. La relación entre tensiones y deformaciones se establece a través del módulo de elasticidad. Para los materiales totalmente elásticos, el módulo de elasticidad es constante e independiente de la tensión aplicada, acostumbrando a designársele con el nombre de módulo de Young. En otros materiales, designados inelásticos en cambio, el módulo de elasticidad depende del valor de la tensión aplicada.

Lo más frecuente, sin embargo, es que los materiales presenten una combinación de ambos comportamientos, inicialmente elástico y posteriormente inelásticos al aumentar la tensión aplicada. Este es el caso del hormigón, cuya curva de relación esfuerzo deformación tiene la forma indicada en la figura 10, en la cual pueden observarse tres tramos característicos:

Un primer tramo recto, en que el comportamiento es elástico y queabarca no más de un 20 % del desarrollo total de la curva

Un segundo tramo curvo, ascendente hasta el valor máximo de la curvaesfuerzo – deformación.

Un tercer tramo curvo, descendente hasta la tensión de rotura

En efecto, la forma recta se mantiene en tanto el hormigón se mantenga como un material homogéneo. Esta forma se pierde al aparecer las primeras micro fisuras, normalmente en el contacto mortero - árido grueso, pues, en esta situación, aun cuando el hormigón es capaz de seguir aceptando carga, su deformabilidad aumenta. Finalmente, al fracturarse el mortero del hormigón, desaparece su capacidad de tomar carga, pero continúa deformándose hasta llegar a la rotura total.

Figura No. 10. Relación Esfuerzo Deformación del concreto

Deformaciones Plásticas

A pesar del carácter frágil señalado para el hormigón para las cargas de velocidad normal de aplicación, éste presenta un comportamiento plástico cuando una determinada carga permanece aplicada un largo tiempo, produciéndose en este caso una deformación denominada fluencia del hormigón. El conocimiento de la fluencia es necesaria para el análisis estructural en el caso del cálculo de deformaciones en elementos de hormigón armado, determinar la pérdida de la tensión aplicada en una estructura de hormigón pretensado o para el cálculo de tensiones a partir de la medición de deformaciones. El mecanismo que genera la fluencia en el hormigón no es bien conocido, estimándose actualmente que es causado por la combinación de dos tipos de fenómenos: uno derivado de la acomodación de la estructura cristalina de la pasta de cemento, que se denomina fluencia básica, y otro proveniente de la migración interna de la humedad, que se traduce en una retracción hidráulica adicional. Los principales factores que condicionan la fluencia del hormigón son las características del hormigón, principalmente el tipo y la dosis de cemento, la humedad ambiente, la magnitud de la tensión aplicada y la edad del hormigón en el momento de su aplicación.

Deformaciones Laterales

Cuando al concreto se le comprime en una dirección, al igual que ocurre con otros materiales, éste se expande en la dirección transversal a la del esfuerzo aplicado.

La relación entre la deformación transversal y la longitudinal se conoce como relación de Poisson. La relación de Poisson varía de 0.15 a 0.20 para concreto.

Deformaciones por contracción

Las mezclas para concreto normal contienen mayor cantidad de agua que la que se requiere para la hidratación del cemento. Esta agua libre se evapora con el tiempo, la velocidad y la terminación del secado dependen de la humedad, la temperatura ambiente, y del tamaño y forma del espécimen del concreto. El secado del concreto viene aparejado con una disminución en su volumen, ocurriendo este cambio con mayor velocidad al principio que al final.

De esta forma, la contracción del concreto debida al secado y a cambios químicos depende solamente del tiempo y de las condiciones de humedad, pero no de los esfuerzos. La magnitud de la deformación de contracción varía por muchos factores. Por un lado, si el concreto es almacenado bajo el agua o bajo condiciones muy húmedas, la contracción puede ser cero. Puede haber expansiones para algunos tipos de agregados y cementos. Por otro lado, para una combinación de ciertos agregados y cemento, y con el concreto almacenado bajo condiciones muy secas, puede esperarse una deformación grande del orden de 0.001.

La contracción del concreto es algo proporcional a la cantidad de agua empleada en la mezcla. De aquí que si se quiere la contracción mínima, la relación agua cemento y la proporción de la pasta de cemento deberá mantenerse al mínimo.

Para propósitos de diseño, un valor promedio de deformación por contracción será de 0.0002 a 0.0006 para las mezclas usuales de concreto empleadas en las construcciones presforzadas.

ACERO DE REFUERZO

Características Físicas

El acero de refuerzo empleado en estructuras de concreto reforzado, se puede dividir por su forma en corrugado y liso. Por la reglamentación dada en la NSR—10, C.3.5.1. (El refuerzo debe ser corrugado. El refuerzo liso solo puede utilizarse en estribos, espirales o tendones, y refuerzo de repartición y temperatura. Además, se puede utilizar cuando el Titulo C del Reglamento NSR-10 asi lo permita.

El acero debe cumplir con las normas de calidad NTC 2289 (ASTM A 706). No se permite el uso de acero corrugado de refuerzo fabricado bajo las norma

NTC 245, ni ningún otro tipo de acero que haya sido trabajado en frio ó trefilado, a menos que esté explícitamente permitido por la norma bajo la cual se fabrica cualquiera de los materiales permitidos por el Reglamento NSR-10

Ductilidad

La deformación del acero a partir de la fluencia es denominada ductilidad. Esta es una cualidad muy importante en el acero como material estructural y es la base de los métodos de diseño plástico. Permite, que la estructura absorba grandes cantidades de energía por deformación, circunstancia muy importante en zonas sísmicas, en las cuales es necesario que la estructura libere la energía introducida en su base por los terremotos.

Elongación (alargamiento)

Es el incremento en la longitud entre marcas de un cuerpo sometido a una fuerza de tracción, con referencia a una longitud entre marcas en el cuerpo. El alargamiento (elongación) se suele expresar como un porcentaje de la longitud entre marcas original.

Estricción

Es la reducción de área localizada de la sección transversal de una probeta, lo cual puede ocurrir durante el estiramiento.

Elasticidad

Las características esfuerzo—deformación del acero estructural, en pruebas a tensión uniaxial, son como la mostrada en la figura No. 11. Hasta el punto de fluencia, la relación es prácticamente lineal. Independientemente de la

resistencia a la fluencia y del proceso de producción el módulo de elasticidad para el acero de refuerzo se puede considerar 2.00x106 Kg/cm2. Posteriormente sigue una planicie de fluencia donde el acero tiene un comportamiento plástico; luego sigue la zona en la que para deformaciones unitarias entre 0.5 y 2% se conoce como endurecimiento por deformación aumentando la resistencia del acero,

Mallas electrosoldadas

Las mallas electrosoldadas se consideran acero de refuerzo corrugado. Las mallas deben cumplir con las siguientes normas para respetar el NSR—98:

La malla electrosoldada de alambre liso debe cumplir con la norma NTC1958 excepto que para alambre con una resistencia a la fluencia nominalsuperior a 420 Mpa, fy, debe ser el esfuerzo que corresponda a unadeformación unitaria del 0.35%. Las intersecciones soldadas no estarespaciadas a más de 300mm en la dirección del esfuerzo calculado,excepto cuando la malla electrodoldada se utiliza como estribos.

Figura No. 11. Curva esfuerzo—deformación típica de los aceros de refuerzo

La malla electrosoldada de alambre corrugado debe cumplir con lanorma NTC 2310, excepto que para alambre con una resistencia a lafluencia nominal, fy, superior a 420 MPa, debe ser el esfuerzo quecorresponde a una deformación unitaria del 0.35%. Las interseccionessoldadas no deben estar espaciadas a más de 400mm en la direccióndel esfuerzo calculado, excepto cuando la malla electrosoldada se utilizacomo estribos.

La malla electrosoldada con recubrimiento epóxico debe cumplir con losrequisitos de la norma ASTM A 884

FUNCION ESTRUCTURAL DEL ACERO

Se define como hormigón armado o concreto reforzado, al material resultante de la unión del hormigón o concreto y las armaduras o barras de acero de refuerzo, combinados de tal forma que constituyan un elemento sólido, monolítico y único desde el punto de vista de sus características físicas, para aprovechar así las cualidades individuales que presentan ambos materiales. El hormigón por sí solo, asegura una gran resistencia a las solicitaciones de compresión, pero muy escasa o frágil a los esfuerzos de flexión y tracción, por lo que no es conveniente su uso para estructuras sometidas a estas exigencias. Sin embargo, si son debidamente instaladas barras de acero de refuerzo en las zonas apropiadas, se habrá cumplido con tal requerimiento, obteniéndose un elemento capaz de resistir esfuerzos o tensiones combinadas. En consecuencia, podemos decir que, en general, las compresiones son resistidas por el hormigón, y las tracciones y flexiones por el acero.

CON

CRETOS I Figura No. 12. Ejemplo de comportamiento de una viga con y sin refuerzo

Propiedades físicas

Las varillas para el refuerzo de estructuras de concreto reforzado, se fabrican en forma tal de cumplir con los requisitos de las Especificaciones ASTM: A-615 "Varillas de Acero de Lingotes Corrugadas y Lisas Para Concreto Reforzado", A- 616 "Varillas de Acero de Riel Relaminado Corrugadas y Lisas para Refuerzo de Concreto", o la A-617 "Varillas de Acero de Eje Corrugado y Lisas Para concreto Reforzado". Las varillas se pueden conseguir en diámetros nominales que van desde 3/8 de pulg. hasta 1 3/8 de pulg., con incrementos de 1/8 de pulg., y también en dos tamaños más grandes de mas a menos 1 ¾ y 2 ¼ de pulg. Es importante que entre el acero de refuerzo y el concreto exista adherencia suficientemente resistente entre los dos materiales. Esta adherencia proviene de la rugosidad natural de las corrugaciones poco espaciadas en la superficie de las varillas.

Las varillas se pueden conseguir en diferentes resistencias. Los grados 40, 50 y 60 tienen resistencias mínimas especificadas para la fluencia de 276, 345 y 414 N/mm2 respectivamente. La tendencia actual es hacia el uso de varillas del grado 60.

Reconocimiento físico del acero

(1) País de origen (2) Logo de la fábrica productora (3) No. De diámetro nominal (4) Tipo de acero (S = estructural, W= soldable) (5) Resistencia a la fluencia fy en Mpa

II. BIBLIOGRAFIAComisión Asesora Permanente par el Régimen de Construcciones Sismorresistentes, 1998, NORMA COLOMBIANA DE DISEÑO Y CONSTRUCCION SISMO RESISTENTE NSR—98.

ASTUDILLO PASTOR RAFAEL, 2002. Propiedades técnicas de los materiales. CEDEX Laboratorio

LLOPIZ CARLOS RICARDO, 2001. Características mecánicas del hormigón armado. Facultad de Ingeniería Universidad del Cuyo Mendoza

CONCRETOS I