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MINISTERIO DE INSTRUCCION PUBLICA y BELLAS ARTES ESCUELA ESPEOIAL DE INGENIEROS DE CAMINOS, OANALES y PUERTOS CURSILLO SOBRE "CEMENTO" dado en la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. ABRIL - MAYO DE 1934 Resistencia del hormigón y formas de ensayo Conferencia dada por D. Carlos Fernández Casado, ingeniero de Caminos de la Sociedad Huarte y Compaftía, el día 11 ! de abril de 1934 MADRID REVISTA DE OBRAS PÚBLICAS 1935

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MINISTERIO DE INSTRUCCION PUBLICA y BELLAS ARTES

ESCUELA ESPEOIAL DE INGENIEROS DE CAMINOS, OANALES y PUERTOS

CURSILLO SOBRE "CEMENTO" dado en la Escuela de Ingenieros de Caminos,

Canales y Puertos.

ABRIL - MAYO DE 1934

Resistencia del hormigón y formas de ensayo

Conferencia dada por D. Carlos Fernández Casado, ingeniero de Caminos de la Sociedad Huarte y Compaftía, el día 11! de abril de 1934

MADRID REVISTA DE OBRAS PÚBLICAS

1935

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Resistencia del hormigón y formas de ensayo

Conferencia dada por D. Carlos Fernández Casa= do, ingeniero de Caminos de la Sociedad Huaríe

y Compañía, el día II de abril de 1934.

Considero que el tema que me ha correspondido en este cursillo, es uno de los 'de mayor emoción y vitalidad que pue­den plantearse al ingeniero, En efecto, el ingeniero proyeda y construye estructuras que resistan; al proyectar prevé la estructura resistiendo y al construir lleva esta visión a realidad.

N aturalmente, para ello necesita conocimientos, conoci­mientos técnicos, a los que es perfectamente apli.cable .la fór­mula del pragmatismo: sa'lJoir pour prevoir, prevoir po'ur prevenir.

Disponemos de varios caminos para llegar a ese saber, es decir, podemos considerar distintos modos de ver la es­tnlctura,

En primer lugar, la visión · directa por intuición del fenó­meno físico, Es el ideal a que debe aspirarse; ser sensibles a los acontecimientos entre moléculas, presentirlos y ante una función a cumplir, teniendo en cuenta las posibilidades del material, instruir la pura morfología de la estructura.

Otra visión la obtenemos por el camino de la experiencia, bien en j'a esfera de la propia vida profesional, o a lo largo del desarrollo histórico. En realidad, como el número de fun­ciones a cumplir es muy limitado, las estructuras correspon­dientes se agrupan en series, y al plaI1tearse una vez el proble­ma, todas las anteriores sirven de experiencia preliminar. Así va perfeccionándose automáticamente el tipo.

Modernamente al lado de esta experiencia de tipo mera­mente comprobativo, a posteriori, ha adquirido extraordi-

•.

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naria importancia la de iniciativa, por investigación directa sobre modelos de las estructoraS a escala reducida, habién­dose llegado en este aspeclo a un modo independiente de visión.

Por último. la tercera vía es el -cálculo; tercera en orden valbrativo y cronológico; no posee fuerza inventiva; va siem­pl~e a posteriori .: en un momento dado resume, cristaliza cien­tíficamente todo el desarrollo intuitivo y experimental ante­rior. Pero no aporta nada nuevo. Tiene el valor de organizar científicamente la técnica, dando continuidad a su desarrollo y permitiendo llegar en todo instante al fondo de sus posibili­dades implídlas.

No hay que dejarse arrastrar por el cálculo; en su apli­cación extrema puede llevar al contrasentido de una visión ciega; podemos proyectar una estructura a fuerza de fórmu­las y operaciones, divorciados los dos mundos de la realidad física y la abstracción matemática, separación siempre repro­bable, pero sobre todo en este caso dado su carúcter concreto, casi pudiéramos decir accesible al tacto':

. Estos conocimientos forman cue!-po agrupados en una "Teoría de las Estructuras", dando a la palabra teoría su sentido más amplio y sencillo: Visión, en armonía con lo que acabarnos de decir y separando por completo ese sentido pe­yorativo que lo teórico tiene aplicado al ingeniero. Por el contrario, como acabo de exponer, para mí el teórico puro sería aquel que sin necesidad de cálculo alguno proyectara la estructura.

Esta Teoría de las Estructuras se apoyará en su parte científica sobre la lVlecánica, empezando j)or la racional y des­pués la de las deformaciones, y por otro lado en un conoci­miento directo de los materiales en sus propiedades que inte­resan para las estructuras, es decir, en una "Resistencia de los Materiales", circunscrito su tema a lo que simplemente enuncian las palabras, pero inscrito siempre en el horizonte total de la Teoría. Desde este punto de vista vamos a enfocar nuestro tema concreto: Resistencia del hormigón.

En toda estructura hay un traslado de ·esfuerzos desde los lugares en que están aplicad03 hasta los ele sustentación. Esto se consigue mediante deformaciones, aproximación y separa­ción ·de las moléculas, produciéndose Ull eslabonamiento entre ellas que encadena los esfuerzos en todas direcciones. El equilibrio macroscópico ele los esfuerzos exteriores se elesme-

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nuza en el equilibrio microscópico de las tensiones internas. La organización de este encadenamiento, es decir, el dotar

de una dimensión mecánica al espacio geométrico ocupado por la estrudura, es la misión de la Resistencia de los Materiales. A través de los métodos de cálculo podemos seguir las suce­sivas etapas de la organización del espacio mecánico. En un principio era la organización fibrosa, con tensiones exclusiva­mente de compresión y tracción en las fibras, hasta que Cou­lomb empieza a tener en cuenta las tensiones tangenciales y secciona el cuerpo por un plano con respecto al cual estudia la reacción molecular correspondiente, que considera descom­puesta en sus dos componentes normal y situada en él, los cuales se denominan tensión normal y tagencial, adquiriendo arbitrariamente una existencia independiente. Este análisis subsiste en la teoría de las p.ieza~ prismáticas, pero ha queda­do anulada en la organización que pudiéramos llamar crista­lina, debida a la Teoría de la Elasticidad. En ésta se realiza un análisis más profundo, subdividiendo el cuerpo en elemen­tos paralelopipédicos infinitamente pequeños; los componentes de las tensiones se sustituyen por las tensiones principales, y en lugar de considerar la distribución con arreglo a direc­trices geométricas (eje y planos normales de las piezas pris­máticas), se consideran normas puramente mecánicas y el cuerpo queda atravesado por series de curvas isostáticas, de igual tensión, de deslizamiento máximo, etc.

Se ha avanzado desde la discontinuidad que supone la comprobación de la junta material de las estructuras ele fá­brica, hasta la continuidad de suponer el cuerpo virtualmente desi!ltegrado en familias ele curvas.

El problema a que se reduce en la práctica el estudio de la distribución de las tensiones, consiste en determinar para cada punto los valores en posición y magnitud de las tensio­nes principales. Los métodos ,ele cálculo válidos hasta hace pocos años eran los derivados ele la Teoría ele la Elasticidad, pero hoy no lo son para el hormigón, pL¡eS no tienen en cuenta una propiedad importante de éste, no descubierta, pero sí tomada recientemente en consideración: su plasticidad. es decir, la capacidad de aumentar la deformación sin variación de los esfuerzos. A la actuación de un esfúerzo corresponde una deformación elástica que desaparece con el esfuerzo; la plasticidad hace que de continuar éste, el hormigón ceda, deformándose más y en razón de la intensidad de las tensio-

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nes. Fluye amoldándose a los esfuerzos, cambiando de forma para lograr una distribución más conveniente de las tensiones.

Hasta ahora, y a pesar de los intentos que se han hecho, no ha surgido un método de cálculo que tenga en cuenta am­bas propiedades, pero esto no quiere decir que no tengamos teoría. Existen numerosas experiencias sobre plasticidad, y además tenemos una visión del fenómeno físico; por consi­guiente, al proyecto de una estructura podemos llevar la visión cuantitativa que da el cálculo elástico, complementada por una visión, cualitativa en general, y en ciertos casos también cuantitativa; de la infiuencÍa de la plasticidad.

Así ya, en lo que se refiere a los esfuerzos, ha conducido a una clasificación más categórica entre las cargas y sobre­cargas; para las primeras, de actuación continua, infiuye la plasticidad; en cambio para. las segundas, de actuación ins­tantánea, no interviene. También en las variaciones lentas de volumen, por ejemplo, en los cambios de temperatura, que pueden considerarse integrados por un ciclo de larga duración con las estaciones y otro más corto de días próximos, las pri­mera~ afectan poco al hormigón, siendo más dignas de tener en cuenta las segundas. .

Las alteraciones más importantes ocurren en el hormigón armado, donde la presencia de esta propiedad del hormigón trastorna U11 poco esa perfecta armonía que parecía existir entre hormigón y hierro. Así, por ejemplo, en lo que se refiere al trabajo de .compresión para esfuerzos permanentes, a la actuación inicial del esfuerzo se producirán deformaciones en el hormigón y en el hierro, que darán lugar a una repartición del .esfuerzo en razón de sus coeficientes de elasticidad, pero si continúa actuando, como el hormigón sigue deformándose y el hierro no, va pasando paulatinamente a éste la carga de aquél, y así hasta que este incremento produzca el rebasamiento del límite elástico, a partir del cual, como las deformaciones del acero crecen muy deprisa 'con los incrementos de carga, se llegará a un nuevo equilibrio en la repartición de los esfuerzos.

Esto ha llevado a un cambio radical de criterio en lo que se refiere a las armaduras comprimidas, en las que parecía que el hierro estaba poco aprovechado, pues trabajaba por bajo de 700 u 800 k./cm. 2

, y resulta que en muchos casos trabaja más allá de su límite elástico. Y esto se traduce en variación de normas para el proyecto de las armaduras de compresión: conveniencia de emplear aceros de alta resistencia, cuantía im-

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portante en las armaduras di simétricas, estudio más cuida.doso de la disposición de las extremidades de las barras, etc.

También es importante, en 10 que se refiere a distribución de esfuerzos debidos a cambios de volumen, puesto que afec­tando poco al hormigón las variaciones lentas, los esfuerzos se concentran en el hierro, que resulta así extraordinariamente sobrecargado.

Otra de las lagunas que presentan los métodos de cálculo del hormigón armado, se refiere a la consideración de la resis­tencia del hormigón en tracción. Realmente, el hormigón re­siste hasta una tensión de tracción relativamente importante, a la que no se llega en muchas construcciones corrientes, apor-

o tando una gran ayuda a las armaduras, como se comprueba en experiencias sobre construcciones llevadas hasta la rotura. Pero no debemos contar prácticamente con esta resistencia; ya o

que puede quedar consideríü>lemente disminuí da por roturas parciales en la primera época de su vida, al retraerse durante el fraguado. Así, los reglamentos no la tienen en cuenta para el cálculo de las tensiones, pero sí generalmente para la deter­minación de los momentos de inercia de las secciones utilizadas en el cálculo de las reacciones hiperestéticas y flechas.

Otros defectos tienen los métodos de cálculo ante las pro­piedades del hormigón, que son casi las de un ser vivo, así, como hace resaltar Freyssinet, el comportamiento resistente no depende exclusivamente de los esfuerzos que 10 provocan, sino de toda la historia pasada; el material tiene memoria de los esfuerzos anteriores, facultad para reparar las heridas y una adaptabilidad, casi inteligente a los esfuerzos, amoldándose de modo que le perjudiquen 10 menos. Pero estas propiedades se pierden con el tiempo, y al cabo de dos o tres años el material llega a adquirir rigidez definitiva. Lossier llama la atención sobre el hecho de que las propiedades que varían con e1 tiempo, en general, dan lugar a efectos que se contrarrestan. Por ejem­plo, el coeficiente de elasticidad aumenta y, por consiguiente, el esfuerzo que le corresponde en una distribución hiperestá­tica; pero como al mismo tiempo crece la resistencia, existe compensación.

Hasta ahora Vemos cómo el cuerpo resiste, pero si los es,. fuerzos exteriores aumentan, las tensiones y deformaciones crecientes tendrán un cierto límite, pasado el cuaLse rompe el encadenamiento de las moléculas y sobreviene la rotura parcial o total del cuerpo. Estos dos momentos de la resistencia y de

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Fig, r." - Curva,s de l'es istCllcia intrínseca, del hormigón obtmidas por la

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Comisión de redacción del Reglamento para Co'nstnlcciones de Ho'/'migón armado, establecida 1)01' la Cámara Sindical de CO'll-slrt.cto'/'es f rmlceses.

Se representan tres curvas: dos experimentales, la marcada ele trazo y punto, series 47 y 48, correspondiente a un hormigón ele características de rotura: 450 (compresión simple) y 30 (tracción simple), y la de trazo y cruz, series. 30 y 31., cuyas características son 300 y 35, respectivamente. La de trazo lleno es una curva teórica deducida de todas las experiencias llevadas a cabo, y su eCl1ación es v + () = Tal., elonele v y T son los valo­¡'es ele Jos componentes normal y tangencial de la tensión ele rotura, y () un valor que define la situación elel origen ele tensiones con respecto al vérti­ce de la curva y que elepenele inmeeliatamcnte ele la relación de caracterís­ticas de rotura.

En Jos ejes se han tomaelo los valores ele T y V + 8, pero en valores proporcionales a los corresponelientes a rotura por compresión simple.

Para obtener ele esta curva general la correspondiente a un hormigón particular, elefinido por sus características ele rotura (tensiones ele rotura a tracción y compresión simple), es preciso : L° Fi'j al' el puntó ele origen de las tensiones. 2 .° Determinar la escala de coordenadas .

Para lo primero se han trazaelo una serie de ordenadas, anotadas con los valores de la relación de características desde I6 as; Y así, al hormi-

450 gón ele las series 47 y 48, cuya relación es --- = IS, le corresponde el

3° punto A,.

Para lo segunelo existe una curva auxiliar, CJue da la escala de la mi­tad de la característica de compresión, en la ordenaela elel punto A corres­pondiente, es decir, que una vez fijaelo el origen ele tensiones, su ordenaela en la curva auxiliar ela el segmento representativo ele la tensión ele rotura a compresión sencilla,y como ésta es conocida, se deduce la escala.

En la figura aparecen aelemas los círculos ele Mohr corresponelientes a los experimentos ele rotura, CJue han servielo para el trazaelo ele las curvas, . Así, los que ticnen por centro A, y A son los de tensión tangencial simple, los que pasan por elichos pL1ntos los de compresión sencilla y los demás casos distintos de compresión doble y uno de compresión y tracción.

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la rotura están Íntimamente unidos; un material resiste hasta que se rompe. Y es digno de notar cómo la idea de rotura do­mina desde el principio de los métodos de cálculo; así, en la definición de la tensión para estudiar cómo resiste el cuerpo, tenemos que suponerlo previamente roto. Es pura intuición de origen.

Se comprende inmediatamente que este problema de la rotura ha de abordarse por vía experimental, pues se refiere a un fenómeno cuya realidad no puede ser más brutal. Pero como ocurre siempre, la experiencia no es puramente observa­ción de hechos, sino más bien comprobación de hipótesis pre­viamente elaboradas, entre las cuales podemos agrupar las si­guientes:

Máxima tensión principal (Rankine, Lamé), cuando una de las tensiones principales de compresión o tracción iguala a la tensión de rotura en compresión o tracción sencilla.

M áx'ima dilatación transver s>::tl (Sain t V enan t), cuando la dilatacÍón o contracción en dirección de una tensión principal llega a alcanzar el valor correspondiente al de rotura en trac-ción o compresión sencilla. .

11-1 áxima tensión tnngencial (Coulomb, Guest), cuando la tensión tangencial máxima alcanza el valor de la. correspon­diente a rotura por tracción simple. En la de Coulomb, para ciertos casos especiales, se tiene en cuenta el rozamiento in­terno.

Máx'Ímo trabajo de deformación (Beltrami, Haig), cuan­do se emplea en trabajo de deformación la cantidad corres­pondiente a rotura por tracción sencilla.

Ninguna ele ellas parece que cumple de modo completo, pues realmente existen muchos tipos de rotura, según el mate­rial, según la solicitación, según el modo ele aplicación de los esfuerzos, etc. Desde luego el cuerpo se rompe por separación de sus moléculas, la compresión hidrostática no conduce a la rotura, pero no hay razón para decidirse por una' dilatación o por una tensión determinada.

El modo más completo de abordar el problema es determi­nar mediante experimentación directa las condiciones de ro­tura para unos cuantos modos de solicitación y llevarlas a cur­vas que definan los correspondientes a todos los casos posibles. Así se obtienen las curvas de resistencia intrínseca, una para cada material, representándose en la figura 1.a la del hormigón. Como vemos, se han nevado a partir de un punto los vectores

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que representan las tensiones de rotura, habiendo determinado directamente (por medición de magnitud y ángulo de rotura) las correspondientes a compresión sencilla, compresión doble (zunchado) y .esfuerzoconstante simple.

Utilizando la clásica representación de Mohr (figura 2.n)

para distribución de las tensiones máximas alrededor del pun­to (NI y N2 son las dos tensiones principales e~tremas en el caso de solicitación triple), la interpretación de la rotura para un caso especial de solicitación se obtiene llevando la represen­tación correspondiente al origen de tensiones de la curva

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-;f----·N2-----+~

Fig. 2.' - Representación de Mohr para distribución de tensiones alrededor de UJl punto.

de resistencia intrínseca y aumentando gradualmente los valo­res de los esfuerzos exteriores, hasta que el círculo de Mohr, sucesivamente agrandado, llegue a ser tangente a la curva, en un punto que define el vector de la tensión de rotura. En las figuras 3.n

, 4." y s.n se representan los casos de rotura por compresión, tracción y tensión tangencial simple, y en las 6.n y 7." los de compresión doble y los de compresión y tracción. Comparando las figuras 6.n y 3.n

, vemos las condiciones más favorables en que se encuentra el material para el primer caso, pues las tensiones principales pueden ser mayores, ya que si la diferencia entre ellas es pequeña, el círculo de Mohr extremo se aleja mucho del origei1 y en el límite, si fueran iguales, su radio se hace cero,· y esto cualquiera que sea el valor del es-

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fuerzo; por consiguiente, el cuerpo no se rompería nunca (caso de compresión hidrostática).

Por el contrario, en el caso de la figura 7. 8, compresión y

tracción,Jas tensiones principales admisibles han de ser meno­res que las de los casos respectivos de solicitación sencilla.

Vemos, pues, que no sólo es inadmisible en la comptoba­ción ele secciones considerar independientemente los compo­nentes tangencial o normal de las tensiones, sino que tampoco es válido tener en . cuenta las tensiones principales separaela­ménte.

N,- o

Fig. 3: - Rotura por comprcsión scncilla.

El estudio de la rotura e1el hormigón es muy importante, pues el comportamiento de este material está definido exclusi­vamente por su relación más o menos remota con el momento ele la rotura; no así en el acero, donde existe una discontinui­dad ele actuación al pasar el límite elástico; por consiguiente, el problema práctico consiste en determinar a qué distancia nos debemos quedar de este momento, pues hay que prever por un lado la posible inferioridad local del material con respecto a aquél que sirvió en las experiencias, y por otro lado, un margen de error en el cálctÍlo <le las tensiones internas.

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CURSILI,O SOBRE "CEMENTO" 211

Esta separación la definen los reglamentos mediante el coe­fIciente de seguridad, que depende del tipo de estructura, de los esfuerzos tenidos en cuenta, del método de cálculo utilizado y del procedimiento constru.ctivo a adoptar.

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Fig. 4." - Rotura por tracción sencilla.

Como segÍtll ya hemos indicado en el Cálculo de Estruc­turas, se cuenta sólo con la resistencia del hormigón a la com­presión, el único dato que interesa es la tensión de rotura para este modo de solicitación, y esto se realiza sometiendo probe­tas del material a ensayos ele rotura, de modo a <:onseguir las condiciones más próximas a las ele compresión sencilla.

Los tipos de probetas más utilizados son: Probeta cúbica de 15, 20 ó 30 cm. de lado, que es la más

corriente en Europa, y especialmente en nuestro país. Probeta prismática de sección cuadrada de 15 ó 20 cm. de

lado y altura <joble o triple. .

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Probeta cilíndrica, muy usada por los norteamericanos, que han llegado hasta dimensiones de 1,50 metros de altura (expe­riencias presa Boulder), siendo el tamaño corriente 12 X 6 pul­gadas (aproximadamente 30 X 15 cm.).

En todas ellas los esfuerzos se ejercen exialmente.

Fig. 5.· - Ho tl1ra por esfl1erzo cortante simple.

plYobeta fJyis11'tática de fle_1:ión, con secciones y longitudes variables y sin armar, utilizada por los norteamericanos para ensayos ele obras ele hormigón en masa, especialmente carre­teras. La Cámara Sindical de Constructores ele Hormigón armado france sa, propone también el empleo de probeta pris­mática 'para romper primero por flexión, determinando la característica ele rotura por tracción y rompiendo nuevamente los pedazos a compresión para obtener también la caracterís­tica correspondiente.

Probeta Emperger, para romp'er también por flexión senci­lla (mediante dos fuerzas iguales situadas a los tercios de la ]uz), pero la longitud es relativamente grande, 1,50 ó 2 metros, y va armada inferiormente para impedir la rotura por tracción.

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CURSILLO SOBRE" CEMENTO" 213

De todas ellas, la que mejor cumple las condiciones de ro­tura por compresión simple es la cilíndrica, con la ventaja de que además puede utilizarse para la determinación del módulo de elasticidad. Tiene, sin embargo, el inconveniente de que es preciso disponer las cabezas de modo que resulten perfecta­mente planas, y normales al eje, pues dada su esbeltez resulta muy afectada por los descentramientos del esfuerzo, pudiendo obtenerse cargas de rotura inferiores en un 20 por 100 a. las reales.

Fig. 6." - Rotura por compresión doble.

La probeta cúbica no se rompe por compresión simple, como claramente demuestran los planos de rotura en pirámides opuestas por el vértice, pues el rozamiento de las caras en con­tacto con los platillos impide la dilatadón transversal de estas secciones, obteniéndose un estado de solicitación por compre­

' sión doble. Esta influencia se aminora, dándole mayor altura, doble o triple de la base, pues la sección de rotura queda más libre al estar a mayor distancia de las bases, y esta es la razón de la superioridad de las probetas pi'ismáticas o cilíndricas.

La probeta Emperger tiene el inconveniente de que· la de­ducción de la carg-a de rotura ha de efectuarse suponiendo un valor del coeficiente m Jrelación de módulos de elasticidad ace-

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ro-hormigón), lo que puede dar lugar a discusiones. También resulta demasiado enojosa y frágil para transporte al Labora­ría, pero en cambio puede improvisarse un sencillo dispositivo de ensayo, cuando la rotura se hace en la obra.

Fig. 7." - Rotura por compresión y tracción.

He tenido ocasión de utilizar las tres probetas antes des­critas, en el control del hormigón de algunas construcciones de la Ciudad Universitaria, obras proyectadas y dirigidas por el señor Ton"oja, en cuyos pliegos de condiciones se exige una comprobación periódica del hormigón ejecutado. Disponiendo, como ingeniero de la contrata de un gran número de probetas, he podido llevar a cabo estudios comparativos en el L,abora­torio de obra ·de la Sociedad Huarte, al mismo tiempo que en el Laboratorio de la Escuela de Caminos, cuyos resultados pienso ordenar y publicar. Las cargas de rotura que se obtie­nen con dichas probetas son para la cilíndrica inferiores en 1 S a 20 por 100 ele los resultados ele la cúbi ca, mientras que en Emperger los attmenta en un 20 a 30 por 100.

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Realmente, lo interesante en este aspecto es que se adopte definitivamente un tipo de probeta, con objeto de que los resul­tados de distintas experiencias sean comparables y poder llegar a establecer una clasificación de hormígones con arreglo al índice de rotura. El momento es ahora oportuno, ya que se empieza a adoptar el procedimiento de fabricación de hormi­gón con resistencia controlada.

y a propósito de la fabricación controlada del hormigón, creo sería muy conveniente llevarla a efecto en las obras co­rrientes de la Administración (en las de gran importancia, co­mo presas, ya se. sigue este sistema), para lo cual deberían exis­tir en las capitales de provincia pequeños Laboratorios al ser­vicio común de Jefaturas ele Obras públicas, Divisiones Hi­dráulicas, etc., en los que además de la fiscalización de obras. se podrían hacer ensayos ele los áridos y cementos disponibles, con objeto de proyectar racionalmente los hormigones. Son volúmenes relativamente pequeños en caela obra, pero que integrados a lo largo de un gran número, suponen una ci fra importante, en la que podría obtenerse economía mediante un tratamiento más racional.

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TIPOGRAFIA ARTISTICA ALAMEDA, NÚM. 12 - MADRID.