Universidad Nacional de IngenieríaFacultad de Ingeniería Civil

CURSO DE CONCRETO ARMADO ICURSO DE CONCRETO ARMADO I

ING. SEBASTIAN JAIME ROMANI LOAYZA

TEMA: INTRODUCCION AL CONCRETO ARMADOTEMA: INTRODUCCION AL CONCRETO ARMADO

El concreto fue usado por primera vez en Roma alrededor de la tercera centuria antes de Cristo.Estaba constituido por agregados unidos mediante un aglomerante conformado por una mezcla de cal y ceniza volcánica. Este material podía sumergirse en agua manteniendo sus propiedades a diferencia de los morteros de cal usados siglos antes en la antigua isla de Creta. La obra másgrande eregida por los romanos fue el Panteón con su bóveda de 43.20 m. de diámetro. El uso de este material en la construcción paso al olvido con la caída del Imperio y no fue sino hasta mediados del siglo XVIII que su uso se extendió nuevamente.

Desarrollo Histórico

PANTHEON ROMANOPANTHEON ROMANO

Siglo XIX  El desarrollo del concreto como material  de construcción empezó poco después de la obtención de la patente del  cemento Portland por parte de Joseph  Aspdin (1824) y posteriormente se  afianzó con la invención del concreto  armado atribuidos a:el francés Joseph Monier y William Wilkinson.•La invención del hormigón armado se suele atribuir al constructor William Wilkinson, quien solicitó en 1854 la patente de un sistema que incluía armaduras de hierro para «la mejora de la construcción de viviendas, almacenes y otros edificios resistentes al fuego.

•Joseph Monier en la decada de 1860 presento varias patentes, conociéndose luego como El sistema Monier (armazones de hierro cubiertos en cemento)

•Siglo XXA inicios del siglo XX, se comienzan a introducir las innovaciones del concreto armado en la ingeniería ; y es a partir de este momento cuando alcanza un gran desarrollo en la sistematización de sus técnicas, métodos constructivos y cálculos.Hubieron mas investigaciones y es que se reconoce el uso de la relación agua/cemento  y el aumento de la durabilidad con  la inclusión de aire, marcaron dos significativos avances en la tecnología  del concreto. Con este crecimiento tecnológico nacen industrias relacionadas o derivadas del cemento; para controlar mejor su uso y para su empleo más eficiente, se crean industrias como: del concreto premezclado, de la prefabricación, del preesfuerzo, tubos, blocks, entre otros.

Frente a otros materiales como el acero, la madera, etc., el concreto presenta las siguientes ventajas y desventajas.

•Es durable a lo largo del tiempo y no requiere de una gran inversión para su mantenimiento. Tiene una vida útil extensa.•Tiene gran resistencia a la compresión en comparación con otros materiales.•Es resistente al efecto del agua.•En fuegos de intensidad media, el concreto armado sufre daños superficiales si se provee un adecuado recubrimiento al acero. Es más resistente al fuego que la madera y el aceroestructural.

Ventajas del concreto armado frente a otros materiales:

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL CONCRETO ARMADO FRENTE A OTROS MATERIALES

•Se le puede dar la forma que uno desee haciendo uso del encofrado adecuado.

•Le confiere un carácter monolítico a sus estructuras lo que les permite resistir más eficientemente las cargas laterales de viento o sismo.

•No requiere mano de obra muy calificada.•Su gran rigidez y masa evitan problemas de vibraciones en las estructuras erigidas con él.

•En la mayoría de lugares, es el material más económico.

•Por su gran peso propio, la influencia de las variaciones de cargas móviles es menor.

Ventajas del concreto armado frente a otros materiales:

•Tiene poca resistencia a la tracción, aproximadamente la décima parte de su resistencia a la compresión. Aunque el acero se coloca de modo que absorba estos esfuerzos, la formación de grietas es inevitable.

•Requiere de encofrado lo cual implica su habilitación, vaciado, espera hasta que el concreto alcance la resistencia requerida y desencofrado. con el tiempo que estas operacionesimplican. El costo del encofrado puede alcanzar entre un tercio y dos tercios del costo total de la obra.

•Su relación resistencia a la compresión versus peso está muy por debajo que la correspondiente al acero, el cual es más eficiente cuando se trata de cubrir grandes luces. El concreto requiere mayores secciones y por ende el peso propio es una carga muy importante en el diseño.

•Requiere de un permanente control de calidad, pues ésta se ve afectada por las operaciones de mezcla, colocación, curado, etc.

•Presenta deformaciones variables con el tiempo. Bajo cargas sostenidas, las deflexiones en los elementos se incrementan con el tiempo.

Desventajas del concreto armado frente a otros materiales:

El concreto es una mezcla de cemento, agregado grueso o piedra, agregado fino o arena y agua. El cemento, el agua y la arena constituyen el mortero cuya función es unir las diversas partículas de agregado grueso llenando los vacíos entre ellas. En teoría, el volumen de mortero sólo debería llenar el volumen entre partículas. En la práctica, este volumen es mayor por el uso de una mayor cantidad de mortero para asegurar que no se formen vacíos.

Para obtener un buen concreto no sólo basta contar con materiales de buena calidad mezclados en proporciones correctas. Es necesario también tener en cuenta factores como el proceso de mezclado, transporte, colocación o vaciado y curado.

EL CONCRETO Y SUS COMPONENTES

El cemento se obtiene de la pulverización del clinker, el cual es producido por la calcinación hasta la fusión incipiente de materiales calcáreos y arcillosos. Está constituido por los siguientes componentes:

•Silicato tricálcico, el cual le confiere su resistencia inicial y influye directamente en el calor de hidratación.•Silicato dicálcico, el cual define la resistencia a largo plazo y no tiene tanta incidencia en el calor de hidratación.•Aluminato tricálcico, es un catalizador en la reacción de los silicatos y ocasiona un fraguado violento. Para retrasar este fenómeno, es preciso añadirle yeso durante la fabricación del cemento.•Alumino-Ferrito Tetracálcico, influye en la velocidad de hidratación y secundariamente en el calor de hidratación.

Cemento:

Existen diversos tipos de cemento, los cuales están especificados en la norma ASTM-C- 150-99a.Ellos son:

•Tipo I, que es de uso general y sin propiedades especiales.•Tipo II, de moderado calor de hidratación y alguna resistencia al ataque de los sulfatos.•Tipo III, de resistencia temprana y elevado calor de hidratación.•Tipo IV, de bajo calor de hidratación.•Tipo V, de alta resistencia al ataque de sulfatos.

•Componentes menores: óxidos de magnesio, potasio, sodio, manganeso y titanio.

Agregado fino o arena:

Tanto el agregado fino como el grueso, constituyen los elementos inertes del concreto, ya queno intervienen en las reacciones químicas entre cemento y agua. El agregado fino debe serdurable, fuerte, limpio, duro y libre de materias impuras como polvo, limo, pizarra, álcalis ymaterias orgánicas. No debe tener más de 5% de arcilla o limos ni más de 1.5% de materiasorgánicas. Sus partículas deben tener un tamaño menor a 1/4" y su gradación debe satisfacerlos requisitos propuestos en la norma ASTM-C-33-99a, los cuales se muestran en la Tabla 2.1.

El agregado grueso está constituido por rocas graníticas, dioríticas y sieníticas. Puede usarse piedra partida en chancadora o grava zarandeada de los lechos de los ríos o yacimientos naturales. Al igual que el agregado fino, no deben contener más de un 5% de arcillas y finos ni más de 1.5% de materias orgánicas, carbón, etc. Es conveniente que su tamaño máximo sea menor que 115 de la distancia entre las paredes del encofrado, 314 de la distancia libre entre armaduras y 113 del espesor de las losas. Para concreto ciclópeo se puede emplear piedra de hasta 1 5 y 20 cm. Se puede usar tamaños mayores si a criterio del ingeniero, no inducirán la formación de vacíos.

Agregado grueso o piedra:

El agua empleada en la mezcla debe ser limpia, libre de aceites. ácidos, álcalis. sales y materias orgánicas. En general. el agua potable es adecuada para el concreto. Su función principal es hidratar el cemento. pero también se le usa para mejorar la trabajabilidad de la mezcla. Podrá emplearse agua no potable en la elaboración del concreto, siempre que se demuestre su idoneidad. Para ello se fabricarán cubos de mortero elaborados con ella y se ensayarán según la norma ASTM-C-1091109M-99. Si las resistencias obtenidas a los 7 y 28 días son por lo menos el 90% de las esperadas en morteros similares elaborados a base de agua potable el líquido es aceptable. Es conveniente verificar, adicionalmente, que no contenga agentes que puedan reaccionar negativamente con el refuerzo.

Agua:

Los aditivos son sustancias que añadidas al concreto, alteran sus propiedades tanto en estado fresco como endurecido. Por su naturaleza, se clasifican en aditivos químicos y aditivos minerales.

Aditivos:

RESISTENCIA DEL CONCRETO

Resistencia del concreto a la compresión:

Este parámetro es obtenido a través del ensayo de un cilindro estándar de 6" (15 cm) de diámetro y 12" (30 cm) de altura. El espécimen debe permanecer en el molde 24 horas después del vaciado y posteriormente debe ser curado bajo agua hasta el momento del ensayo. El procedimiento estándar requiere que la probeta tenga 28 días de vida para ser ensayada, sin embargo este periodo puede alterarse si se especifica. Durante la prueba, el cilindro es cargado a un ritmo uniforme de 2.45 kg/cm2/s. La resistencia a la compresión (f'c) se define como el promedio de la resistencia de, como mínimo, dos probetas tomadas de la misma muestra probadas a los 28 días. El procedimiento se describe en detalle en las normas ASTM-C-192M-95 y C-39-96.

Concretos convencionales usuales:

f’c = 175 kgf/cm2 f’c = 210 kgf/cm2 mínimo según el ACI -318f’c = 280 kgf/cm2f’c = 350 kgf/cm2f’c = 420 kgf/cm2

Resistencia del concreto a la tracción:

La resistencia del concreto a la tracción es mucho menor que su resistencia a la compresión constituyendo aproximadamente entre un 8% a 15% de ésta. Para la determinación de este parámetro no se suele usar ensayos directos debido a las dificultades que se presentan sobretodo por los efectos secundarios que generan los dispositivos de carga. Para estimarlo se ha diseñado dos métodos indirectos.

El primero, llamado prueba brasilera o split-test consiste en cargar lateralmente el cilindro estándar, a lo largo de uno de sus diámetros hasta que se rompa. El procedimiento está especificado en la norma ASTM-C-496-96. En la figura se muestra los esfuerzos que se generan a lo largo del diámetro cargado. La resistencia a la tensión es igual a:

donde: fct: Resistencia a la tracción del concreto.P: Carga de rotura.h: Longitud del cilindro.d: Diámetro del cilindro.

Distribución del esfuerzo horizontal en un cilindro cargado sobre un ancho igual a 1/12 del diámetro.

El segundo método consiste en evaluar la resistencia a la tracción a través de pruebas de flexión. Para este ensayo se usa una viga con sección transversal cuadrada de 6“ (15 cm) de lado y una longitud igual a 70 cm, con apoyos en los 60 cm. centrales, la cual se carga en los tercios de la luz entre apoyos. La falla se produce entre los puntos de aplicación de las cargas. fr parámetro obtenido recibe el nombre de módulo de ruptura y es igual a:

Para concretos normales el valor de fct oscila entre:

Pero generalmente se usa:

donde: fr: Módulo de ruptura.M: Momento flector en la sección de falla.c: Distancia del eje neutro al extremo de la sección.S: Módulo de sección de la viga.b: Ancho de la sección rectangular.h: Peralte de la sección rectangular.

El código del ACI sugiere:

Los resultados de ambas pruebas se han relacionado y se ha determinado que el módulo de ruptura, fr, es igual a 1.25 a 1.50 veces la resistencia a la tracción del concreto, fct. En general, para el diseño, la resistencia a la tracción del concreto es despreciada, excepto en el diseño de algunas estructuras de concreto simple, como cimientos o zapatas sin armar.

El esfuerzo cortante es una solicitación que se presenta individualmente en casos muy excepcionales y la mayor de las veces actúa en combinación con esfuerzos normales. La resistencia al corte es difícil de evaluar pues no se puede aislar este esfuerzo de la tensión diagonal. En el laboratorio, se han obtenido resistencias que varían de 0.2f'c a 0.85f'c. Este rango tan amplio es explicable dada la dificultad que se tiene para aislar esta solicitación de otras, en los ensayos utilizados para su determinación. En el diseño, los esfuerzos cortantes se limitan a valores bajos a fin de evitar fallas por tensión diagonal.

Resistencia del concreto al esfuerzo cortante:

RELACION ESFUERZO-DEFORMACION DEL CONCRETO A COMPRESION

Las gráficas de esfuerzo-deformación del concreto a compresión tienen una rama ascendente casi lineal cuya pendiente varía de acuerdo a la resistencia y se extiende hasta aproximadamente 1/3 a 1/2 de f'c. Posteriormente adoptan la forma de una parábola invertida cuyo vértice corresponde al esfuerzo máximo en compresión. La deformación correspondiente a este punto es mayor para los concretos más resistentes. Sin embargo, para los de menor resistencia es casi constante e igual 0.002. La rama descendente de las gráficas tiene una longitud y pendiente que varía de acuerdo al tipo de concreto. Para concretos de resistencias bajas tiende a tener menor pendiente y mayor longitud que para concretos de resistencias mayores. De ello se deduce que los concretos menos resistentes son los más dúctiles.

Curva esfuerzo-deformación del concreto en compresión

Módulo de Elasticidad

El concreto presenta un comportamiento elastoplástico y por ello los esfuerzos no son directamente proporcionales a la deformación.

El módulo tangente se define como la pendiente de la recta tangente a la curva esfuerzo-deformación en un punto de ella, no es fácil su determinación

El módulo secante es la pendiente de una recta secante a la curva, que une el punto de esfuerzo cero con otro cualquiera de la curva.

El módulo secante es más fácil de determinar que el módulo tangente, por ello, para determinar el módulo de Elasticidad se considera el módulo secante. EL ACI considera:

w= peso unitario del cocnreto en kg/m3

Para concretos normales:

)2/( '100,15 cmkgfcf Ec

VARIACIONES DEL VOLUMEN DEL CONCRETO

El volumen del concreto varía principalmente por tres causas:a.contracción de fragua.b.Deformación plástica o creep c.cambios de temperatura.

Variaciones de volumen por contracción de fraguaLa contracción de fragua se debe a la pérdida de humedad durante el endurecimiento y secado del concreto.Si éste puede deformarse libremente, disminuye su volumen, pero si contiene armadura o está fijo en alguno de sus extremos se raja.A la contracción originada por la pérdida de agua se suma la debida al enfriamiento del concretodespués de la fragua, pues como se sabe, este proceso es exotérmico. Estos cambios de temperaturaafectan también el volumen del concreto.Algunos de los factores que afectan la contracción del concreto son:- Relación agua/cemento: A mayor relación agua cemento, mayor cantidad de agua disponible para ser evaporada y por la tanto mayor posibilidad de contracción.-Relación volumen1superficie del elemento de concreto: El agua evapora a través de la superficie y por lo tanto mientras ésta sea mayor, las deformaciones por contracción se incrementarán.- Humedad del ambiente: El agua evapora por la diferencia de humedad entre dos medios.Si el medio ambiente es muy húmedo, entonces la evaporación será menor.- Porcentaje de refuerzo: El refuerzo restringe la contracción del concreto. Una cantidad de refuerzo elevada origina una pequeña contracción con la aparición de gran número de grietas.-

- Tipo de cemento utilizado: Los cementos de fragua rápida y los de bajo calor de hidratación generan concretos con mayor tendencia a la contracción.- Agregados: Los agregados restringen la contracción de la pasta de cemento. Los másásperos y con elevado módulo de elasticidad son los que más la limitan. Si el agregado espequeño, la contracción aumenta.- Aditivos: El cloruro de calcio y las puzolanas aumentan la contracción. Existen aditivosque expanden el concreto.- Cantidad de cemento en la mezcla: Las mezclas más ricas contraen más que las pobres.Tamaño de la pieza de concreto: La contracción disminuye con el aumento del volumen delelemento de concreto, pues, el proceso de desecación demora más tiempo ya que el aguadebe efectuar un recorrido mayor para llegar a la superficie.

Las deformaciones unitarias finales debidas a la contracción de fragua varían entre:

Variaciones de volumen por contracción de fragua (///..continua)

DEFORMACION PLASTICA O CREEP

Variaciones de volumen por temperatura

El concreto se expande con el incremento de temperatura y se contrae con su disminución.

El coeficiente de dilatación térmica varía con la calidad del concreto y con su edad. Su valor oscila entre:

ACEROEl acero es una aleación de diversos elementos entre ellos: carbono, manganeso, silicio, cromo, níquel y vanadio. El carbono es el más importante y el que determina sus propiedades mecánicas. A mayor contenido de carbono, la dureza, la resistencia a la tracción y el límite elástico aumentan. Por el contrario, disminuye la ductilidad y la tenacidad. El manganeso es adicionado en forma de ferro-manganeso. Aumenta la forjabilidad del acero, su templabilidad y resistencia al impacto. Así mismo, diminuye su ductilidad. El silicio se adiciona en proporciones que varían de 0.05% a 0.50%. Se le incluye en la aleación para propósitos de desoxidación pues se combina con el oxígeno disuelto en la mezcla. El cromo incrementa la resistencia a la abrasión y la templabilidad; el níquel, por su parte, mejora la resistencia al impacto y la calidad superficial. Finalmente, el vanadio mejora la temperabilidad.

Las varillas corrugadas son de sección circular y, como su nombre lo indica, presentan corrugaciones en su superficie para favorecer la adherencia con el concreto. Estas corrugaciones deben satisfacer requisitos mínimos para ser tomadas en cuenta en el diseño. Existen tres calidades distintas de acero corrugado: grado 40, grado 60 y grado 75 aunque en nuestro medio sólo se usa el segundo.

donde: fy: Esfuerzo de fluencia del acero.fs: Resistencia mínima a la tracción a la rotura.

Las varillas se denominan por números y sus características geométricas son:

donde: d: Diámetro nominal de la varilla.P: Perímetro de la varilla.As: Área de la sección transversal de la varilla.w: Peso lineal de la varilla.e: Máximo espaciamiento entre corrugaciones de la varilla.h: Altura mínima de las corrugaciones de la varilla.c: Cuerda de las corrugaciones de la varilla.NEMP: No existe en el mercado peruano.

Las varillas de la #3 a la #8 corresponden a un diámetro igual a su denominación en octavos de pulgada. Antiguamente las barras se hacían cuadradas y circulares. Las barras #9, #l0, #11, #14 y #18 tienen una sección transversal cuya área es igual a la de barras con sección cuadrada y lado de l", 1 1/8", 1 1/4", 1 112" y 2". Sus diámetros se calcularon en función a esta característica.En el Perú, las varillas #2 se comercializan en rollos y no presentan corrugaciones. Las varillas entre la #3 y #11 se expiden en largos de 30' o 9 m. pudiendo conseguirse en 6 m o 12 m bajo pedido. El alambre de refuerzo puede ser liso o corrugado y es fabricado bajo las normas ASTM-A-82-97a y A-496-97a, respectivamente. Se usa, principalmente, como refuerzo transversal en columnas.

RELACION ESFUERZO-DEFORMACION DEL ACERO

Se puede apreciar una porción de la curva esfuerzo-deformación para aceros de diversos grados. Como se observa, en la fase elástica, los aceros de distintas calidades tienen un comportamiento idéntico y las curvas se confunden. El módulo de elasticidad es definido como la tangente del ángulo alfa.

A diferencia del comportamiento inicial, la amplitud del escalón de fluencia varía con la calidad del acero. El acero grado 40 presenta una fluencia más pronunciada que los aceros grado 60 y 75.

METODOS DE DISEÑO

En la actualidad existen, básicamente, dos métodos de diseño en concreto armado: diseño elástico o por cargas de servicio y diseño a la rotura o por resistencia última.

Diseño por cargas de servicio:

El diseño elástico parte de la hipótesis que es posible predecir la distribución de esfuerzos en el refuerzo y el concreto, al ser sometidos a cargas de servicio. Asume un comportamiento elástico de ambos materiales. El diseño consiste en conseguir que los esfuerzos no excedan los esfuerzos admisibles que son una fracción de la resistencia del concreto y del esfuerzo de fluencia del acero.

En la actualidad, pruebas de laboratorio han permitido comprobar que el complejo comportamiento del concreto con el paso del tiempo conlleva a una constante redistribución de esfuerzos entre éste y el acero. En el diseño elástico sólo se considera una de éstas distribuciones. Con el tiempo, las condiciones no consideradas pueden ocasionar la falla.

Por otro lado, en el diseño de estructuras, es importante considerar el tipo de falla, dúctil o frágil, que presenta un elemento bajo determinadas solicitaciones y, en la medida de lo posible, orientar la falla según sea conveniente. El método elástico no considera este punto. El método elástico tampoco determina la carga que ocasiona la rotura de la pieza y por ello, su factor de seguridad no es conocido.

El diseño por rotura se fundamenta en la predicción de la carga que ocasiona la falla del elemento en estudio y analiza el modo de colapso del mismo. En pruebas de laboratorio se ha podido comprobar que es posible predecir estas cargas con precisión suficiente. Este método toma en consideración el comportamiento inelástico del acero y el concreto y por lo tanto, se estima mejor la capacidad de carga de la pieza.

Diseño por resistencia última:

Algunas de las ventajas de este procedimiento son:

•El diseño por rotura permite controlar el modo de falla de una estructura compleja considerando la resistencia última de las diversas partes del sistema. Algunos elementos se diseñan con menor margen de seguridad que otros para inducir su falla primero.

•Permite obtener un diseño más eficiente, considerando la distribución de esfuerzos que se presenta dentro del rango inelástico.•Este método no utiliza el módulo de elasticidad del concreto, el cual es variable con la carga. Esto evita introducir imprecisiones en torno a éste parámetro.•El método de diseño a la rotura permite evaluar la ductilidad de la estructura.•Este procedimiento permite usar coeficientes de seguridad distintos para los diferentes tipos de carga.

La desventaja de usar este método es que sólo se basa en criterios de resistencia. Sin embargo, es necesario garantizar que las condiciones de servicio sean óptimas, es decir, que no se presenten deflexiones excesivas, ni agrietamientos críticos. Con la mejora en la calidad del concreto y la obtención de secciones cada vez menores, se tiende a perder rigidez e incrementar las deflexiones y el ancho de fisuras. Por ello, es conveniente usar este método en combinación con otros procedimientos para verificar el adecuado comportamiento de las piezas bajo cargas deservicio.