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El Efecto de Columna Corta en las Escuelas
Sin lugar a dudas que uno de los problemas fundamentales que poseen una gran cantidad
de escuelas en República Dominicana y Latinoamericana en sentido general en el diseño
estructural, es el denominadoefecto de Columna Corta, el cual es el problema que se
presenta en el elemento estructural cuando la interaccióntabique-columna no fue considerado
en su diseño y por ende la columna recibe una mayor carga horizontal y durante una fuerza
sísmica esta la absorbe y falla por cortante.
Como se muestra en la imagen siguiente, la columna esta sujeta a las ventanas y allí se produce
este fallo estructural.
En un
90% y cuidado si mas de las construcción de escuelas en República Dominicana y los
países Latinoamericanos, tienden a tener esta falla estructural y se han puesto en evidencia
en los diferentes sismos ocurridos en los últimos años y el colapso de las mismas.
Una mayor rigidez lateral de una columna implica mayor resistencia a la deformación, por
tanto mientras mayor es la rigidez, mayor será la fuerza necesaria para deformarla. Si una
columna corta no está diseñada adecuadamente para resistir esta fuerza, va a sufrir daño
durante el evento telúrico. A este comportamiento se le ha llamado “Efecto de Columna Corta”.
El daño en este tipo de elemento se presenta a menudo en una grieta en forma de X, como lo
muestra la figura siguiente, debido a fuerzas bi-dimensionales ocasionando fallas en cortante.
Dentro de los motivos fundamentales para que el diseño de una escuela quede con esos
fallos de Columna Corta, están para ganar una mejor iluminación y ventilacion en las
aulas, como también una mejor iluminación, esto a su vez no garantiza que la estructura
quede intacta durante la ocurrencia de un sismo de cierta magnitud considerable, ya que al fallar
las columnas tiene una gran posibilidad de colapsar.
El efecto de columna corta se conoce también como columna cautiva y se presenta por tres
razones principales,la primera a causa del confinamiento de parte de la columna por muros
no estructurales como la mampostería; la segunda debido a acoplamientos de
elementos estructurales o no estructurales en medio de la columna, como las vigas y
losas de los descansos de escaleras; y la tercera por la ubicación de los edificios en
terrenos inclinados.
En la actualidad, se puede apreciar tanto en edificios, como en las escuelas que se han
construido en los últimos años una mejora en este sistema, en donde se coloca una línea de
block, para separar la Columna con la ventana, así se puede tener un elemento estructural
trabajando acorde a como fue diseñado en los cálculos.
Gracias a Dios que con los diferentes concursos que se han venido realizado en el país, para
construir nuevas escuelas y reconstruir las ya construidas, los ingenieros encargados de las
mismas tendrá la tarea de arreglar ese fallo estructural y así tener una estructura que pueda
soportar y quedar intacta después de la ocurrencia de un sismo de una considerable magnitud.
A continuación les dejamos algunas imágenes de diversas edificaciones con este fallo
estructural de Columna Corta:
PATRONES A EVITAR PARA UN ADECUADO
DISENO SISMORRESISTENTE…(I): COLUMNA CORTA
El Estado del Arte de la Ingeniería Sismo resistente se ha enriquecido sobremanera de la
observación de las Patologías estudiadas posteriormente a los eventos sísmicos,
especialmente en los últimos anos. Se ha logrado entender que muchas tradiciones en el uso
de ciertas “practicas” en zonas donde no existe amenaza sísmica no pueden ser trasladadas
a zonas con riesgo sísmico. Esto así porque en las zonas sin riesgo sísmico la estructura
trabajara por gravedad con fuerzas verticales mientras que en las zonas de riesgo sísmico la
estructura debe estar preparada para poder deformarse lateralmente (y verticalmente) debido
a las oscilaciones de la excitación sísmica.
Lo anterior le confiere una importancia vital a la capacidad de deformación lateral a las
edificaciones en zonas sísmicas.
Si recuerdan los artículos escritos los días 19 y 23 de Agosto: Idealización desde el punto…. y
Oscilaciones Armónicas, teoría e historia, verán que toda estructura sometida a una oscilación
tiene un periodo T de oscilación, una frecuencia de oscilación (inversa al periodo, f=1/T) así
como K, su rigidez, que también llamamos constante de resorte.
K representa la capacidad del sistema de oponerse al movimiento o deformación. Sabemos
que para una columna dependiendo de las condiciones de apoyo Ki = nE.I/L³.
Ya con esta pequeña introducción introduciremos el tema a tratar que será el de Columna
Corta:
Podemos llamar Columna Corta a aquella que por su tamaño relativo a las demás del
sistema al que pertenece o relativo a su diseño, en el cual fue diseñada con una longitud, pero
ya construida trabajara como más corta, por lo cual tendrá mayor rigidez relativa que la que
fue diseñada, podrá demandar mayores fuerzas, pero sin poder responder satisfactoriamente,
por no haber sido diseñadas para esas demandas (Definición JRC).
En el primer caso de la definición veamos dos columnas de diferentes longitudes unidas al
mismo Diafragma. Este último al moverse aplicara el mismo desplazamiento a las dos
columnas, pero, la de menor longitud tiene mayor rigidez y se opone más al movimiento que
la mas, pero en su diseño no se tomó en cuenta esto. Por tal razón fallara.
Cola Corta colapsada por aplastamiento
El segundo caso de la definición es el típico de apartamentos y escuelas porticados que se les
añade un muro debajo de las ventanas, entre columnas, rellenando el espacio, es decir
pegado a las columnas. Cuando la estructura es excitada por un sismo el muro empotra la
parte de la columna a la que está conectado y la columna queda libre solo por encima del
alfeizar lo que ocasiona que cuando el Diafragma le transfiere desplazamiento se crea una
distorsión angular ya que el muro es más rígido y la columna fallara por cortante al ser
golpeada en la zona del alfeizar. Luego del movimiento de la columna esta quedara
degradada en su rigidez y las cargas verticales quedaran excéntricas y harán fallar por
aplastamiento la columna.
Veamos varios ejemplos para una mejor y más profunda comprensión:
En la gráfica tenemos dos columnas iguales de sección y longitud. Cuando el Diafragma
recibe la excitación lateral se desplaza horizontalmente y empuja las dos columnas que se
desplazaran igual.
Recordemos que de la Física, F=K.x à x =F/K como K= nEI/L³ (Para simplificar tomaremos
n=1).
x = F.L³/E.I como F,E e I son Iguales nos queda x=L³, o sea que el desplazamiento aumentara
en proporción a la longitud.
Si ahora tomamos una de las columnas y la enterramos, una parte de su longitud que está
enterrada funcionara como empotramiento y entonces la longitud de la columna será una
fracción de la original. Si enterramos la ¾ partes nos quedara una longitud de columna de ¼.L
por lo que la nueva rigidez será K=nEI/(0.25L)³ = 64EI/L³. Esto último significa que la rigidez
aumenta 64 veces para la misma sección de columna al ser enterrada ¾ veces su longitud.
Creo que con este ejemplo quedara claro el concepto de Columna Corta. Sin embargo
mostraremos otro ejemplo para que quede claro como la diferencia de rigidez afecta
el desplazamiento.
Tomemos las mismas columnas con la misma longitud pero ahora una tendrá sección de
1.00x1.00 m2 y la otra 0.50x0.50 m2.
La inercia de la primera será: 1x1³/12 = 0.0833 m4
La inercia de la segunda será: 0.50x0.50³/12 = 0.0052 m4
Si dividimos la mayor inercia entre la menor veremos que la inercia de la mayor es 2E4 =
2x2x2x2 = 16 veces o 0.0833/0.0052 = 16.
Como las longitudes son iguales las cambiaran igual.
¿Que son las juntas de concreto y para sirven?
¿QUÉ son las juntas? El concreto (hormigón) se expande y se contrae con los cambios de humedad y de
temperatura. La tendencia ge- neral es a contraerse y esto causa el agrietamiento a edad
temprana. Las grietas irregulares son feas y difíciles de manejar, pero generalmente no
afectan la integridad del concreto. Las juntas son simplemente grietas planificadas
previamente. Las juntas en las losas de concreto pueden ser creadas mediante moldes,
herramientas, aserrado y con la colocación de formadores de juntas.
Algunas formas de juntas son:
1. Juntas de contracción – que pretenden crear planos débiles en el concreto y regular
la ubicación de grietas que se formarán como resultado de cambios dimensionales.
2. Juntas de aislamiento o expansión – que separan o aíslan las losas de otras partes
de la estructura, tales como paredes, cimientos, o columnas, así como las vías de
acceso y los patios, de las aceras, las losas de garaje, las escaleras, luminarias y otros
puntos de restricción. Ellas permiten los movimientos independientes verticales y
horizontales entre las partes adjuntas de la estructura y ayudan a minimizar las grietas
cuando estos movimientos son restringidos.
3. Juntas de construcción – Son superficies donde se encuentran dos vaciados
(vertidos) sucesivos de concreto. Ellas se realizan por lo general al final del día de
trabajo, pero pueden ser requeridas cuando el vaciado del concreto es paralizado por
un tiempo mayor que el tiempo de fraguado inicial del concreto. En las losas ellas
pueden ser diseñadas para permitir el movimiento y/o para transferir cargas. La
ubicación de las juntas de construcción debe ser planificada. Puede ser deseable
lograr la adherencia y la continuidad del refuerzo a través de una junta de
construcción.
¿POR QUÉ se construyen juntas? Las grietas en el concreto no se pueden prever completamente, pero pueden ser controladas y
minimizadas mediante juntas adecuadamente diseñadas.
El concreto se agrieta porque:
1. El concreto es frágil frente a cargas de tracción y por lo tanto, si su tendencia natural a
retraerse es restringida, pueden desarrollarse esfuerzos de tracción que excedan su
resistencia a esta fuerza, dando como resultado el agrietamiento.
2. A edades tempranas, antes de que el concreto se seque, la mayoría de las grietas son
causadas por cambios de temperatura o por la ligera contracción que tiene lugar
cuando el concreto fragua y endurece. Mas tarde, cuan- do el concreto se seca, el se
retraerá adicionalmente y cualquier grieta adicional puede formarse o las grietas
preexistentes pueden hacerse más anchas. Las juntas atenúan las tensiones de
tracción, son fáciles de manejar y son menos objetables que las grietas descontro-
ladas e irregulares.
¿CÓMO construir las juntas? Las juntas deben ser cuidadosamente diseñadas y adecuadamente construidas si se quiere
evitar el agrietamiento descontrolado del acabado del concreto. Se deben seguir las siguientes
prácticas recomendadas:
1. El espaciamiento máximo de las juntas debe ser de 24 a 36 veces el espesor de la
losa. Por ejemplo, en una losa fina de 4 pulgadas (100 mm) el espaciamiento de las
juntas debe ser de unos 10 pies (3 m). Se recomienda además que el espaciamiento
de las juntas se limite a un máximo de 15 pies (4.5 m).
2. Todos los paneles o paños deben ser cuadrados o de for- ma similar. La longitud no
deberá exceder de 1.5 veces el ancho. Evite los paneles en forma de L.
3. Para las juntas de contracción, la ranura de la junta debe tener una profundidad
mínima de ¼ el espesor de la losa, pero nunca menos de 1 pulgada (25 mm). El
tiempo de construcción de las juntas depende del método utilizado:
o Se pueden insertar tiras de juntas preformadas plásticas o tableros duros
dentro de la superficie del concreto a la profundidad requerida antes de darle el
acabado.
o Las juntas elaboradas con herramientas se hacen tempranamente en el
proceso de acabado y se vuelven a repasar más tarde para asegurar que no
ocurra adherencia en la ranura.
o El corte de las juntas en fresco se ejecuta generalmente de 1 a 4 horas
después de completarse el allanado, dependiendo de las características de
fraguado del concreto. Estas juntas son típicamente no tan profundas como las
obtenidas mediante el proceso de aserrado convencional, pero deben ser
como mínimo de 1 pulgada (25 mm) de profundidad.
o El aserrado convencional de las juntas se hace entre las 4 y las 12 horas
después de que el concreto ha sido acabado.
4. La rotura de los bordes durante el aserrado de las juntas está afectado por la
resistencia del concreto y las características de los agregados. Si los bordes de la
junta se rompen durante el aserrado, éste debe ser retrasado, sin embargo si se
retrasa demasiado puede hacerse muy difícil y pueden ocurrir grietas descontroladas.
5. Utilice relleno de juntas premoldeados como por ejemplo láminas de fibra impregnada
con asfalto, una banda de espuma compresible, u otros materiales similares para
juntas de aislamiento que separen las losas de los muros de la edificación o de los
cimientos. Como mínimo deben preverse unas 2 pulgadas (50 mm) de arena sobre la
parte superior de los cimientos para evitar la adherencia con el mismo
6. Para aislar las columnas de las losas, se forman aberturas circulares o cuadradas, que
no se llenen hasta que el piso haya endurecido. Las juntas de contracción de las losas
deben intersectar las aberturas para las columnas. Si se han utilizado aberturas
cuadradas alrededor de las columnas, el cuadrado debe estar ubicado a 45 grados, de
manera que las juntas de contracción intersecten los vértices del cuadrado.
7. Si la losa contiene malla de alambre, corte los alambres de forma alterna o
preferiblemente discontinúe la malla a lo largo de las juntas de contracción. Note que
la malla de alambre no evitará el agrietamiento. La malla tiende a mantener las grietas
y las juntas apretadamente cerradas.
8. Las juntas de construcción en forma de llave (machih- embriada) en los bordes de la
losa permiten transferir las cargas o ayudan a prever el alabeo de los bordes
adyacentes. Algunas veces se utilizan llaves de metal galvanizado para losas en
interiores, sin embargo se puede utilizar una banda (tira) biselada de 1 a 2 pulga- das
(25 a 50 mm), clavada al encofrado (formaleta), en losas que son de 5 pulgadas (125
mm) como mínimo de espesor, para formar una unión que resistirá las cargas
verticales y los movimientos. Las juntas en forma de llave no son recomendables para
los pisos industriales. Deben utilizarse barras metálicas pasantes (pasadores de
carga) en losas que soportarán cargas pesadas. Las barras metálicas pasantes deben
ser cuidadosamente alineadas y paralelas o de lo contrario pueden inducir
restricciones y causar agrietamiento aleatorio al final de la barra.
9. Las juntas en los pisos industriales sujetos al tráfico pesado, requieren de especial
atención para evitar rotu- ras en los bordes de las juntas. Tales espacios entre los
elementos deben llenarse con un material capaz de dar soporte a los extremos de las
losas. Deberán comprobarse las recomendaciones de los fabricantes y las
evaluaciones y estadísticas de desempeño antes de su utilización.
Siga estas reglas para hacer las juntas adecuadamente
1. Planee la ubicación exacta de todas las juntas antes de la construcción, incluyendo el momento del aserrado de la junta de contracción.
2. Provea juntas de aislamiento entre las losas y las columnas, muros y cimientos y uniones de las vías de acceso de vehículos, con las aceras, curvas u otras obstrucciones.
3. Prevea juntas de contracción y materiales de llenado de juntas como en las especiicaciones suministradas.
Lechadas de relleno (Grouts)
El ACI define el grout (lechada de relleno), como una “mezcla de material cementicio
(cementante) y agua, con o sin agregados, dosificada para obtener una consistencia que
permita su colocación sin que se produzca la segregación de los constituyentes”.
Los términos “grout” y “mortero” son utilizados indistintamente de forma frecuente pero tienen
diferencias bien claras. El grout no necesita tener agregados, mientras que el mortero contiene
agregado fino. El grout se suministra con una consistencia que permite su colocación,
mientras que el mortero no. El grout se utiliza para rellenar espacios vacíos, mientras que el
mortero se utiliza para generar adherencia entre elementos, como en el caso de la
construcción de albañilería (mampostería). El grout se identifica frecuentemente por sus
aplicaciones. Algunos ejemplos son: Grout adherente para los cables de pretensado, grout
para el barrenado de los pilotes excavadas fundidos en sitio, grout de mampostería y grout
para prefabricados. El material de baja resistencia controlada (relleno luido) es un tipo de
grout.
¿POR QUÉ se emplea el grout? El grout se utiliza para llenar espacios o cavidades y garantiza la continuidad entre los
elementos de la ediicación. En algunas aplicaciones, el grout actúa con capacidad estructural.
En proyectos donde se requieran pequeñas cantidades de grout, estas son dosiicadas y
mezcladas en el lugar. Generalmente cuando se necesitan grandes cantidades de este
producto se solicita la asesoría del proveedor de concreto premezclado.
¿CÓMO se especiica el grout? La Norma ASTM C476 para los grouts de mampostería, establece las dosificaciones por
volumen lo cual resulta conveniente para pequeñas cantidades de grout mezcladas en la obra.
Estos grout tienen un alto contenido de cemento y tienden a producir resistencias mucho más
altas que las especiicadas en el ACI 5305 o los Códigos que se utilizan como patrón.
Cuando el grout se le solicita a un productor de concreto premezclado, las especificaciones
deberán estar basadas en la resistencia a compresión y la consistencia. La conversión de la
dosificación por volumen en dosiicación por peso para cada yarda o metro cúbico está sujeta a
errores y puede conducir a controversias en el trabajo.
Las especiicaciones deben incluir la adición de cualquier aditivo que sea requerido para el
grout. Las condiciones de entrega, tales como la temperatura, los límites de tiempo y la
regulación sobre la adición de agua en el lugar, deben ser especiicados. La frecuencia de
ensayos y los métodos de aceptación también deben estar detallados en las especificaciones.
¿CÓMO se ensaya el grout? La consistencia de los grouts afecta su resistencia y otras propiedades. Es en extremo
importante que la consistencia del grout permita el completo llenado de los espacios vacíos sin
segregación de sus ingredientes.
La consistencia del grout de mampostería puede ser medida con un cono de asentamiento
(ASTM C 143), y se sugieren los asentamientos de 8 a 11 pulgadas (20 a 28 cm). Esto es
particularmente aplicable para grouts que contienen agregado grueso de ½ pulgada (12,5
mm), o más pequeños.
Para los grouts sin agregados, o sólo con agregado fino que pasa por el tamiz No. 8, la
consistencia se determina mejor con un cono de luidez (ASTM C 939). Para valores de luidez
que excedan los 35 segundos, utilice la mesa de luidez según la ASTM C 109, modificada de
manera que emplee 5 caídas en 3 segundos.
El grout de mampostería (relleno de bloques) para los ensayos de resistencia de los
especímenes, debe ser vaciado en moldes formados por unidades de albañilería que tengan
las mismas características de absorción y contenido de humedad que las unidades empleadas
en la construcción de la obra (ASTM C 1019). Nunca utilice moldes cúbicos o cilíndricos no
absorbentes para este propósito.
La resistencia de otros tipos de grout se determina utilizando cubos de 2 pulgadas de lado
(5cm), según la ASTM C 942. El Método C 942 es el indicado para la preparación en el
campo, distingue la consistencia luida y además proporciona un medio para determinar la
resistencia a compresión de pastas de relleno que contienen agentes expansivos o grouts no
luidicados . Esto es extremadamente importante partiendo de que los grouts “expansivos”
pueden perder sustancialmente resistencia a compresión si los cubos no están coninados. Sin
embargo los especímenes cilíndricos de 6 x 12 in (150 x 300 mm) ó 4 x 8 in (100 x 200 mm),
pueden dar resultados más coniables para grouts que contienen agregado grueso.
Los grouts de aplicaciones especiales frecuentemente requieren modiicación de los
procedimientos de ensayo normalizados. Todas estas modiicaciones deben ser indicadas en
las especiicaciones y discutidas antes de comenzar el trabajo.
Los aditivos para hormigón, mortero y pastas
Son productos incorporados en el momento del amasado del hormigón en una cantidad no
mayor del 5% en masa, con relación al contenido de cemento en el hormigón, con objetivo de
modificar las propiedades de la mezcla en estado fresco y/o endurecido.
Reductores de agua (fluidificantes): aquellos cuya función principal es la de disminuir el
contenido de agua para una trabajabilidad dada, aumentar la trabajabilidad para un mismo
contenido de agua sin producir segregación u obtener ambos efectos simultáneamente.
Superfluidificantes (Superplastificantes): definidos con los mismos efectos que los anteriores,
pero con unas características más considerables.
Acelerantes de fraguado: cuya función principal es reducir o adelantar el tiempo de fraguado del
cemento (principio y final), que se encuentra en el hormigón, mortero o pasta.
Retardadores de fraguado: aquellos que retrasan el tiempo de fraguado (principio y final) del
cemento, que se encuentra en el hormigón, mortero o pasta.
Aceleradores de endurecimiento: utilizados para aumentar o acelerar el desarrollo de las
resistencias iniciales de los hormigones, morteros o pastas.
Hidrófugos (Repulsores de agua): cuya fución principal es disminuir la capacidad de absorción
capilar o la cantidad de agua que pasa a través de un hormigón, mortero o pasta, saturado y
sometido a un gradiente hidráulico.
Además de otros como: Inclusores de aire, generadores de gas, generadores de espuma,
desaireantes o antiespumantes, generadores de expansión, aditivos para bombeo, aditivos para
hormigones y morteros proyectados, aditivos para inyecciones, colorantes, inhibidores de corrosión
y modificadores de la reacción álcali-áridos.
Calidad
También existen ya publicadas normas para el perfecto seguimiento de las características
analíticas de estos aditivos como:
Determinación del residuo seco, pérdida de masa, pérdida por calcinación, contenido de
halogenuros, densidad aparente, determinación del PH, obtención del espectro infrarrojo, etc.
Todo ello es necesario para dar a los usuarios de estos aditivos todas las garantías precisas
para un perfecto control de los mismos.
Reductores de agua
Los reductores de agua, también llamados fluidificantes o plastificantes, consiguen aumentar
la fluidez de las pastas de cemento, y con ello la de los morteros y hormigones, de forma que
para una misma cantidad de agua, se obtienen hormigones más dóciles y trabajables, que
permiten una puesta en obra mucho más fácil y segura.
La composición de estos aditivos reductores de agua puede ser variable, aunque en ella
suelen aparecer sustancias de origen natural, como los lignosulfonatos o las sales de ácidos
hidroxicarboxílicos.
El efecto fluidificante suele permitir una reducción de agua del orden de un 8 o un 10 % frente
al hormigón patrón.
El uso de los aditivos fluidificantes se efectúa adicionando éstos junto con el último agua de
amasado, para que esta arrastre el aditivo hacia el hormigón y asegure el mezclado
homogéneo. Inmediatamente se produce un efecto dispersante que aumenta la trabajabilidad
del hormigón o del mortero. Este efecto se mantiene durante un tiempo limitado, hasta que las
partículas de cemento empiezan a aglomerarse.
La dosis de aditivos fluidificantes suele oscilar entre un 0,2 y un 0,8 %, en peso sobre el
cemento. Con esta adición se obtiene un buen efecto dispersante que mejora la trabajabilidad
del hormigón durante un tiempo cercano a una hora.
Un efecto secundario que suele aparecer con la adición de este tipo de aditivos es un ligero
retraso en el inicio del fraguado. Esto supone una ventaja en cuanto a que prolonga el tiempo
abierto para la puesta en obra, especialmente cuando se trata de elementos difíciles de
hormigonar o cuando las temperaturas elevadas reducen el tiempo abierto de los morteros u
hormigones.
Los hormigones aditivados con fluidificantes alcanzan mejor compactación y con ello, mayor
durabilidad y más elevadas resistencias.
Algunas de las ventajas del uso de aditivos fluidificantes:
- Mejora de la trabajabilidad
- Puesta en obra más fácil
- Menor riesgo de zonas mal compactadas
- Mejora de la durabilidad
- Acabados más estéticos
- Compensan la presencia de áridos poco idóneos
- Prolongan el tiempo de puesta en obra
En el mercado se encuentran aditivos fluidificantes-reductores de agua de muy buen efecto
con la práctica totalidad de los cementos. En muchas ocasiones se recurre al uso de aditivos
de efecto combinado, en los que además del efecto reductor de agua, se obtiene un efecto
retardante, acelerante, oclusor de aire, etc.
En todos los casos, cuando se diseña un hormigón o mortero, es aconsejable efectuar
ensayos previos, para ajustar la composición a las propiedades previstas, tanto en estado
fresco como en estado endurecido.
Superfluidificantes
Los superfluidificantes, o reductores de agua de alta actividad, son productos que al ser
incorporados al hormigón aumentan, significativamente su trabajabilidad, para una misma
relación agua/cemento, o producen una considerable reducción de esta relación si se
mantiene su trabajabilidad.
Las formulaciones de estos productos están basadas en dos materias primas, de tipo
polimérico:
a) sales de melamina formaldehido sulfonada.
b) sales de naftaleno formaldehido sulfonado.
Estas moléculas pueden actuar sobre el cemento de forma tensio-activa, reconduciendo el
agua por la pasta del hormigón, haciéndola más fluida, y neutralizando las cargas
electrostáticas de los gránulos de cemento, produciendo su defloculación, lo cual favorece su
hidratación. Ya que esta comienza por la parte exterior de los granos de cemento y los
cristales formados crean una membrana que dificulta la progresión de esta hidratación hacia el
interior del grano, cuanto más pequeños sean, mayor cantidad de cemento se hidratará.
Como vemos, los superfluidificantes actúan sobre el cemento, por tanto, su eficacia esta en
función de la composición del cemento, sobre todo su contenido en C3A y alcalinos.
Las ventajas que aportan al hormigón este tipo de productos son importantes, ya sea en su
estado fresco o endurecido.
Para el hormigón fresco podemos citar:
- Facilidad de bombeo.
- Facilidad de rellenar encofrados muy armados.
- Desarrollo rápido de las resistencias.
- Ausencia de segregación.
- Mayor compacidad.
- Pasta cementante más densa y homogénea.
Una vez endurecido, su estructura tendrá:
- Menos fisuraciones.
- Menos porosidad.
- Mayor impermeabilidad.
- Mejor adherencia en la interfase pasta-árido y pasta-armadura.
- Superficie exterior y de ruptura más lisa, menos descarnamiento de los áridos.
Todas las características del hormigón mejorarán, en especial tendrán:
- Mayores resistencias mecánicas.
- Menores deformaciones.
- Mayor durabilidad
-Mayor resistencia a los ciclos hielo-deshielo.
-Menor permeabilidad al agua y gases (menos ataques de cloruros, carbonatación, . . .)
-Mayor resistencia a la abrasión.
- Mejora de la resistencia al fuego.
Para su utilización, los superfluidificantes han de adicionarse al hormigón junto al agua de
amasado o, preferentemente, después de esta, siendo necesario, en este caso, un amasado
suplementario de un par de minutos.
La composición del hormigón a fluidificar ha de tener un mayor contenido en finos que un
hormigón normal, ya que su cantidad influye en el buen funcionamiento del aditivo, aumento
de cono, cohesividad, etc.
La cantidad a poner oscila entre el 1% y el 3%, en relación al peso de cemento, en función de
los resultados requeridos. No obstante, y teniendo en cuenta que estos productos no retrasan
el fraguado y endurecimiento del hormigón, hay casos en los que puede subirse esta
dosificación hasta el 5%, sobre todo para fabricar hormigones de altas resistencias o
prestaciones especiales.
En cualquier caso, y esto podemos citarlo como su único inconveniente, ha de tenerse en
cuenta que el tiempo de mantenimiento de la trabajabilidad que le proporciona es
relativamente corto, y dependerá del cono de partida, antes de la adición del aditivo, del
cemento y áridos empleados, la temperatura ambiente, etc.
Esta perdida de consistencia es debida, principalmente, a la coagulación física de las
partículas de cemento, aparte de su hidratación química.
Cuando se desee mantener el cono fluido durante más tiempo, pueden redosificarse
pequeñas cantidades del aditivo o usarse superfluidifilcantes-retardadores.
Se recomienda el uso de aditivos superfluidificantes para hormigones bombeados, de altas
resistencias, pretensados, estructuras muy armadas, prefabricados, pavimentación y, en
general hormigones de gran durabilidad.
Acelerantes de fraguado
Los aditivos acelerantes son aquellos cuya función principal es reducir o adelantar el tiempo
de fraguado del cemento.
La utilización del acelerante de fraguado está principalmente indicada en aquellos hormigones
donde es necesario tener resistencias elevadas a temprana edad.
Las aplicaciones principales de un acelerante de fraguado están en aquellos hormigones que:
- Necesitan un desencofrado rápido.
-Hormigones sumergidos o en presencia de agua para evitar el lavado.
-Necesitan ponerse en servicio rápidamente.
- Favorecer el desarrollo de resistencias en tiempo frío.
Los acelerantes de fraguado se dividen en dos grupos, aquellos que su composición base son
cloruros y los exentos de cloruros. Los primeros pueden atacar a las armaduras con la mínima
presencia de humedad, por lo que sólo se deben emplear en hormigones en masa.
La dosificación de aditivo acelerante de fraguado debe hacerse junto con el agua de amasado
y no hacerlo directamente sobre el hormigón, de esta forma se evita que el aditivo quede sólo
en una porción del hormigón, endureciendo rápidamente ésta, mientras que el resto tenga un
fraguado normal.
Debido a la gran cantidad de factores que influyen en el proceso de fraguado del cemento,
como son dosificaciones y tipo de cemento, temperatura de los componentes del hormigón,
temperatura ambiente, masa de hormigón, dosificación del acelerante, etc. no se puede saber
a priori cuánto es el aceleramiento obtenido con una dosificación de aditivo acelerante, por lo
que es necesario hacer un ensayo previo con los mismos componentes y condiciones que se
tengan en obra y de esta forma poder determinar la dosificación óptima para la aceleración de
fraguado que queremos.
Debido a que la reacción del aditivo acelerante con el cemento es exotérmica y ésta se
produce en un espacio de tiempo corto, la elevación de la temperatura del hormigón puede ser
considerable por lo que se debe extremar el curado de dicho hormigón y evitar de esta forma
las fisuras que se podrían producir debido a la retracción térmica.
Retardadores de fraguado
Los aditivos retardadores de fraguado son aquellos cuya función principal es retrasar el tiempo
de fraguado del cemento (inicio y final).
Las aplicaciones principales del retardador del fraguado están en aquellos hormigones que:
- Se coloquen en grandes volúmenes: evita una elevación considerable de la temperatura debida al
calor de hidratación.
-Tengan que ser transportados a largas distancias: aumenta el tiempo de puesta en obra del
hormigón y su manejabilidad.
- Las condiciones de colocación sean lentas: por dificultades de acceso o encofrados con formas
complicadas.
- Se coloquen con temperaturas ambientales altas: compensa la caída rápida de trabajabilidad.
- Tengan que revibrarse: para evitar fisuras debidas a deformaciones del encofrado o unir distintas
tongadas.
- Etc.
La dosificación del aditivo retardador debe hacerse junto con el agua de amasado y no hacerlo
directamente sobre el hormigón, de esta forma se evita que el aditivo quede sólo en una
porción del hormigón, teniendo ésta un retraso considerable mientras que otra parte de dicho
hormigón tenga un fraguado normal.
Una sobredosificación accidental del aditivo retardador trae consigo un retraso del fraguado
considerable tanto más acusado cuanto mayor sea la sobredosificación, así mismo las
resistencias iniciales serán bajas, aunque las finales no se vean afectadas por ello.
Debido a la gran cantidad de factores que influyen en el proceso del fraguado del cemento,
como son cantidad y tipo de cemento, temperatura de los componentes del hormigón,
temperatura ambiente, volumen del hormigón, dosificación del retardador, etc. no se puede
determinar a priori el retraso que vamos a tener, por lo que es necesario hacer un ensayo con
los mismos componentes y condiciones que se tengan en obra, y de esta forma poder
determinar la dosificación óptima para el retraso de fraguado que queremos.
Aireantes
Los aditivos aireantes, u oclusores de aire, son aquellos cuya función principal es producir en
el hormigón un número elevado de finas burbujas de aire, de diámetros comprendidos entre
25 y 200 micras, separadas y repartidas uniformemente. Estas burbujas deben permanecer
tanto en la masa del hormigón fresco como en el endurecido.
Principalmente los aireantes están basados en resinas Vinsol, jabones sintéticos y jabones
minerales.
Los aireantes confieren al hormigón dos propiedades principales, una en su estado fresco
dándole mayor fluidez, y otra en el hormigón endurecido dándole mayor durabilidad. La
primera propiedad es debida a que el aire ocluido actúa como fino que no absorbe agua, y
como rodamiento de bolas elástico, que mejora el deslizamiento entre los áridos. La segunda
propiedad, darle mayor durabilidad al hormigón endurecido, es el motivo principal de la
utilización de los aireantes en la actualidad. Esta mayor durabilidad se produce al cortar la red
capilar y por otra actuando de cámara de descompresión en el caso de helarse el agua del
capilar, o de las sales expansivas debidas a sales de deshielo.
Los aditivos aireantes se emplean generalmente en aquellos hormigones que:
- Pueden estar sometidos a ciclos de hielo-deshielo (pavimientos o presas de alta montaña, etc.)
- Tengan un bajo contenido en finos.
La dosificación de los aditivos aireantes debe hacerse junto con el agua de amasado, ya que
la cantidad a aditivar generalmente es muy pequeña y no se produciría un buen reparto en la
masa del hormigón.
La cantidad del aire ocluido en el hormigón mediante un aditivo aireante depende de la
dosificación de éste, de la cantidad de cemento, tipo de cemento y finura de molido de éste,
de la cantidad de finos, de la granulometría, consistencia del hormigón y tiempo de amasado,
por lo que se debe hacer ensayos con los mismos componentes del hormigón y condiciones
de la obra para determinar la dosificación óptima de aireante para obtener la cantidad de aire
ocluido requerido a las necesidades de la obra.
Comparación entre flujo en tuberías y flujo en canales abiertos
El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. Estas dos
clases de flujo son similares en muchos aspectos pero se diferencian en un aspecto
importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo
en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el
conducto. Una superficie libre está sometida a la presión atmosférica. El flujo en tubería, al
estar confinado en un conducto cerrado, no está sometido a la presión atmosférica de manera
directa sino sólo a la presión hidráulica.
El flujo de un fluido en un canal se caracteriza por la exposición de una superficie libre a la
presión atmosférica. El agua que fluye en un canal se ve afectada por todas las fuerzas que
intervienen en el flujo dentro de un tubo, con la adición de las fuerzas de gravedad y de
tensión superficial que son la consecuencia directa de la superficie libre.
Las dos clases de flujo se comparan en la Figura 1.6. A la izquierda de ésta se muestra el flujo
en tubería. Dos piezómetros se encuentran instalados en las secciones (1) y (2) de la tubería.
Los niveles de agua en estos tubos se mantienen por acción de la presión en la tubería en
elevaciones representadas por la línea conocida como línea de gradiente hidráulico. La
presión ejercida por el agua en cada sección del tubo se indica en el tubo piezométrica
correspondiente, mediante la altura d de la columna de agua por encima del eje central de la
tubería. La energía total del flujo en la sección con referencia a una línea base es la suma de
la elevación Z del eje central de la tubería, la altura piezométrica (d) y la altura de velocidad
V²/2g, donde V es la velocidad media del flujo (aquí se supone que la velocidad del canal está
uniformemente distribuida a través de la sección del conducto.
En la figura la energía está representada por la línea conocida como línea de energía. La
pérdida de energía que resulta cuando el agua fluye desde la sección (1) hasta la sección (2)
está representada por hf. Un diagrama similar para el flujo en canal abierto se muestra en la
parte derecha de la Figura 2-1. Se supone que el flujo es paralelo y que tiene una distribución
de velocidades uniforme y que la pendiente del canal es pequeña. En este caso, la superficie
de agua es la línea de gradiente hidráulico, y la profundidad del agua corresponde a la altura
piezométrica.
Figura 1.6 comparación entre flujo en tubería y flujo en canales abiertos.
Se considera que el flujo uniforme tiene las siguientes características principales:
La profundidad, el área mojada, la velocidad y el caudal en la sección del canal son
constantes.
La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos; es decir,
sus pendientes son todas iguales, o Sf = Sw = Sc = S
Se considera que el flujo uniforme es sólo permanente, debido a que el flujo uniforme no
permanente prácticamente no existe. En corrientes naturales, aún el flujo uniforme
permanente es raro, debido a que en ríos y corrientes en estado natural casi nunca se
experimenta una condición estricta de flujo uniforme. A pesar de esto, a menudo se supone
una condición de flujo uniforme para el cálculo de flujo en corrientes naturales.
El flujo uniforme no puede ocurrir a velocidades muy altas, ya que atrapa aire y se vuelve muy
inestable.
Conceptos y elementos de un canal
Después del aire que respiramos, el agua es el elemento más esencial para el hombre. Sin el
agua, la vida animal o vegetal sería imposible. También es un medio eficiente de transferencia
de calor y energía y es el solvente más universal que se conoce.
Desde hace por lo menos 5000 años el hombre ha inventado y construido obras para el
aprovechamiento del agua; entre las más antiguas están los CANALES, usados para llevar el
agua de un lugar a otro.
Definición
Los canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el agua circula debido a la acción
de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con
la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presión atmosférica y de su
propio peso. (Figura 1.1).
Figura 1.1. Flujo en conductos.
Clasificación de los canales
De acuerdo con su origen los canales se clasifican en:
a) Canales naturales: Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la
tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta
quebradas, ríos pequeños y grandes, arroyos, lagos y lagunas. Las corrientes subterráneas
que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales
abiertos naturales. La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy
irregular y variable durante su recorrido (Fig.1.2a, b y c), lo mismo que su alineación y las
características y aspereza de los lechos.
Figura 1.2a Sección transversal irregular.
Figura 1.2b. Sección transversal irregular.
Figura 1.2c. Sección transversal irregular río “Matamba”, Cuicatlan.
b) Canales artificiales: Los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados
mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de navegación,
control de inundaciones, canales de centrales hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario,
canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de
drenaje agrícola y canales de modelos construidos en el laboratorio. Los canales artificiales
usualmente se diseñan con forma geométricas regulares (prismáticos), un canal construido
con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como
canal prismático. El término sección de canal se refiere a la sección transversal tomado en
forma perpendicular a la dirección del flujo. (Fig.1.3). Las secciones transversales más
comunes son las siguientes:
Sección trapezoidal: Se usa en canales de tierra debido a que proveen las pendientes
necesarias para estabilidad, y en canales revestidos.
Sección rectangular: Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se
utiliza para canales construidos con materiales estables, acueductos de madera, para canales
excavados en roca y para canales revestidos.
Sección triangular: Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de
tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo. También se emplean revestidas,
como alcantarillas de las carreteras.
Sección parabólica: Se emplea en algunas ocasiones para canales revestidos y es la forma
que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra. (Fig.1.3, 1.4
y 1.4.a).
SECCIONES CERRADAS
Sección circular: El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de
tamaños pequeño y mediano.
Sección parabólica: Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas
importantes.
Fig. 1.4a canal artificial de Secciones transversales trapecial.
La selección de la forma determinada de la sección transversal, depende del tipo de canal por
construir; así, la trapecial es muy común en canales revestidos, la rectangular en canales
revestidos con material estable como concreto, mampostería, tabique, madera, etc., la
triangular en canales pequeños como las cunetas y contracunetas en las carreteras, y la
circular en alcantarillas, colectores y túneles. Existen secciones compuestas como las
anteriores que encuentran utilidad en la rectificación de un río que atraviesa una ciudad.
Canales de riego por su función
Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:
Canal de primer orden.- Llamado también canal principal o de derivación y se le traza
siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el
otro lado da con terrenos altos (cerros).
Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que salen del
canal principal y el gasto que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el
área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.
Canal de tercer orden.- Llamados también sub-laterales y nacen de los canales
laterales, el gasto que ingresa a ellos es repartido hacia las parcelas individuales a
través de las tomas granjas.
Elementos geométricos de los canales:
Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser
definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos
elementos son muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo. Para
secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse
matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección.
La forma mas conocida de la sección transversal de un canal es la trapecial, como se muestra
en la fig.1.5.
Fig. 1.5. Elementos geométricos más importantes.
Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: Es la distancia vertical desde el punto más bajo
de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en
el canal.
Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en m.
Talud “m”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama
también talud de las paredes laterales del canal). Es decir “m” es el valor de la proyección
horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la cotangente del
ángulo de reposo del material (Θ) , es decir m=x/d y depende del tipo de material en que se
construya el canal, a fin de evitar derrumbes (ver Tabla 1). Por ejemplo, cuando se dice que
un canal tiene talud 1.5:1, quiere decir que la proyección horizontal de la pared lateral es 1.5
veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el talud m = 1.5, esto resulta de
dividir la proyección horizontal que vale 1.5 entre la vertical que vale 1.
Coeficiente de rugosidad (n): depende del tipo de material en que se aloje el canal (ver Tabla
2).
Pendiente (S) : es la pendiente longitudinal de la rasante del canal.
Área hidráulica (A) : es la superficie ocupada por el agua en una sección transversal normal
cualquiera (Fig. 6), se expresada en m2.
Perímetro mojado (P) : es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y
las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6), expresado en m.
Radio hidráulico (R) : es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado. R=A/P, en m.
Ancho de la superficial o espejo del agua (T): es el ancho de la superficie libre del agua,
expresado en m.
Tirante medio (dm) : es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del agua
. dm=A/T, se expresa m.
Libre bordo (Lb) : es la distancia que hay desde la superficie libre del agua hasta la corona del
bordo, se expresa en m.
Gasto (Q) : es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del canal en la unidad
de tiempo, y se expresa en m3/s.
Velocidad media (V) : es con la que el agua fluye en el canal, expresado en m/s.
Factor de sección para el cálculo de flujo crítico: Es el producto del área mojada y la raíz
cuadrada de la profundidad hidráulica.
Tabla 1. Taludes apropiados para distinto tipos de materiales en el diseño de canales.
Material Talud Valor de
Roca ligeramente alterada 0.25:1 75º 58’
Mampostería 0.4:1 y 0.75:1 68º 12’
Roca sana y tepetate duro 1:1 45º
Concreto 1:1 ó 1.25:1 45º y 38º 40’
Tierra arcillosa, arenisca, tepetate blando 1.5:1 33º
Material poco estable, arena, tierra arenisca. 2:1 26º
Tabla 2. Valores del coeficiente de rugosidad de Manning para ser aplicado en su ecuación.
Tipo de Material Valores
Mínimo Normal Máximo
Roca (con saliente y sinuosa) 0.035 0.040 0.050
Tepetate (liso y uniforme) 0.025 0.035 0.040
Tierra 0.017 0.020 0.025
Mampostería seca 0.025 0.030 0.033
concreto 0.013 0.017 0.020
Polietileno (PVC) 0.007 0.008 0.009
Clasificación del flujo en canales abiertos
El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y describirse de varias
maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio de los parámetros
profundidad, velocidad, área etc. del flujo con respecto al tiempo y al espacio.
La clasificación del flujo en canales abiertos se resume de la siguiente manera:
A. Flujo permanente
1. Flujo uniforme
2. Flujo variado
a. Flujo gradualmente variado
b. Flujo rápidamente variado
B. Flujo no permanente
1. Flujo uniforme no permanente (raro)
2. Flujo variado no permanente
a. Flujo gradualmente variado no permanente
b. Flujo rápidamente variado no permanente
a) Flujo permanente y flujo no permanente.
El flujo es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con
respecto al tiempo, es decir, en una sección del canal en todos los tiempos los elementos del
flujo permanecen constantes. Matemáticamente se pueden representar:
Si los parámetros cambian con respecto al tiempo el flujo se llama no permanente, es decir:
En la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el
comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo, si el cambio en la
condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no
permanente.
b) Flujo uniforme y flujo variado.- Esta clasificación obedece a la utilización del espacio
como variable. El flujo es uniforme si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no
cambian con respecto al espacio, es decir, en cualquier sección del canal los elementos del
flujo permanecen constantes. Matemáticamente se pueden representar:
Si los parámetros varían de una sección a otra, el flujo se llama no uniforme o variado, es
decir:
Un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad
con respecto al tiempo.
Flujo uniforme permanente: La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de
tiempo bajo consideración, es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de
canales abiertos.
Figura 1.7 Flujo uniforme permanente.
Flujo uniforme no permanente: El establecimiento de un flujo uniforme no permanente
requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo
paralela al fondo del canal, como esta es una condición prácticamente imposible, Flujo
uniforme no permanente es poco frecuente (raro).
Figura 1.8 Flujo Uniforme no permanente
El flujo variado puede clasificarse como rápidamente variado o gradualmente variado.
Flujo rápidamente variado: El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia
de manera abrupta en distancias comparativamente cortas, como es el caso del resalto
hidráulico.
Figura 1.9 Flujo Rápidamente Variado.
Flujo gradualmente variado: El flujo gradualmente variado es aquel en el cual los
parámetros cambian en forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de una curva de
remanso.
Figura 1.10 Flujo Gradualmente Variado.
Figura 1.11 Flujo Variado
Fig. 1.13 Flujo gradualmente acelerado
Fig. 1.12 Flujo gradualmente retardado
El flujo gradualmente variado puede ser acelerado o retardado. El primero se presenta cuando
los tirantes en la dirección del escurrimiento van disminuyendo (figura 1.12) y el segundo,
llamado también remanso (fig.1.13) existe cuando sucede el fenómeno contrario. Un caso
muy típico de remanso es aquel que se presenta aguas arriba de un vertedor o cualquier
obstrucción semejante, como se indica en la (figura 1.14).
Figura 1.14 Canal con flujo de retraso gradual llamado curva de remanso.
Alabeo de losas de concreto
El alabeo es la distorsión que sufre una losa tomando una forma curvada hacia arriba o hacia
abajo encorvando sus bordes. Esta distorsión puede levantar los bordes de la losa respecto a
la base, dando lugar a un borde o esquina sin apoyo que puede agrietarse cuando se aplican
cargas pesadas. Algunas veces el alabeo es evidente a edad temprana. En otros casos, las
losas pueden alabearse durante un período de tiempo mayor.
¿POR QUÉ se alabean las losas de concreto? Típicamente, el alabeo hacia arriba de los bordes de la losa es provocado por el encogimiento
debido al secado o contracción relativa de la parte superior respecto a la base de la misma.
Cuando una supericie de la losa cambia en magnitud más que la otra, la losa se arquea por
sus bordes en la dirección del acortamiento relativo. Este alabeo es más perceptible en los
lados y las esquinas.
Los cambios en las dimensiones de la losa que conducen al alabeo son más frecuentemente
relacionados con los gradientes de humedad y temperatura en la losa. Una característica
primaria del concreto que afecta el alabeo es la retracción por secado. El caso más común de
alabeo es cuando la parte superior de la losa se seca y se retrae con respecto a la base de la
misma. Los bordes de la losa se alabean hacia arriba (Figura 1A). El alabeo inmediato de una
losa es más frecuentemente relacionado con un pobre curado y un secado rápido de la
supericie; y cualquier factor que incremente la retracción por secado, tal como un aditivo,
tenderá a incrementar el alabeo.
En las losas, una exudación (sangrado) y un curado pobres tienden a producir un concreto en
la supericie con mayor riesgo de contracción por secado que el concreto en la parte inferior de
la misma. La exudación se acentúa en losas sobre polietileno o mezclas colocadas encima de
losas existentes de concreto; y las diferencias de contracción de la parte superior con respecto
a la parte inferior en estos casos son mayores que para las losas sobre sub-bases
absorbentes.
Las losas delgadas y los espaciamientos muy largos de las juntas tienden a incrementar el
alabeo. Por esta razón, las losas de remate no adheridas a losas existentes necesitan tener un
espaciamiento de juntas bastante menor.
En pisos industriales, las juntas espaciadas muy cerradamente pueden no ser muy
aconsejables ya que un número elevado de juntas presentará también mayores problemas de
mantenimiento. No obstante, esto debe balancearse contra la probabilidad de grietas
aleatorias intermedias e incremento de alabeo en las juntas.
El otro factor que puede causar alabeo son las diferencias de temperatura entre las partes
superior e inferior de la losa. La parte superior de la losa expuesta al sol se expandirá en
relación con la porción inferior menos caliente provocando un alabeo hacia abajo de los
bordes (Figura 1B). Alternativamente, bajo temperaturas frías durante la noche cuando
la parte superior se contrae con respecto a la parte subyacentecálida, el alabeo debido a este
diferencial de temperatura seañadirá al alabeo hacia arriba provocado por los diferencialesde
humedad.
¿CÓMO minimizar el alabeo de las losas? Los factores primarios que controlan los cambios dimensionales del concreto y que conducen
a su vez al alabeo, son la contracción por secado, las prácticas de construcción, las sub-bases
mojadas o húmedas y los ciclos de temperatura en el día y la noche. Las siguientes prácticas
ayudarán a minimizar el alabeo potencial:
1. Utilice el asentamiento (revenimiento) más bajo posible en la mezcla y evite añadir
agua de retemplado, particularmente en clima caliente.
2. Utilice el mayor tamaño máximo de agregado y/o el más alto contenido de agregado
(árido) grueso posible, para minimizar la contracción por secado.
3. Tome precauciones para evitar una exudación excesiva. Utilice una sub-base
humedecida, pero con baja absorción, de manera que el agua de exudación no esté
forzada a subir a la superficie de la losa.
4. Evite utilizar barreras de vapor de polietileno a menos que las haya cubierto como
mínimo con dos pulgadas de espesor de arena húmeda.
5. Evite un contenido de cemento más alto que el necesario si la sub-base estará en
servicio bajo condiciones húmedas. Un concreto denso e impermeable producirá
diferenciales de temperatura más grandes entre la supericie y la base y se alabeará
más. En vez de un muy alto contenido de cemento es preferible utilizar mezclas con
ceniza volante y en este caso deben tomarse consideraciones adecuadas para
especiicar la resistencia a 56 ó 90 días.
6. Cure el concreto cuidadosamente, incluyendo las juntas y los bordes. Si se emplean
materiales de curado que formen película o membrana, aplíquelos duplicando la
cantidad recomendada en dos aplicaciones en ángulo recto respecto a la otra.
7. Para áreas de pisos donde el alabeo tiende a ser un problema, cure el concreto con un
compuesto de sellado de cera pesada para pisos, del mismo tipo que se utiliza sobre
terrazo. (Nota: los adhesivos utilizados para colocar pisos de mosaico o loseta no se
adhieren a estos materiales de curado).
8. Utilice un espaciamiento de junta medido en pies igual a dos veces el espesor de la
losa en pulgadas (recomendación de la Asociación de Cemento Portland, PCA, para
un tamaño máximo de agregado menor que ¾ de pulgada).
9. Para recubrimientos de poco espesor, limpie la losa base para asegurar su adherencia
y considere la utilización de barras y cables pasantes alrededor de los bordes y
particularmente en las esquinas de la losa.
10. Utilice un mayor espesor de losa.
11. La utilización de un refuerzo adecuadamente diseñado y colocado para la losa puede
ayudar a reducir el alabeo.
Evaluación de control de calidad y mejoramiento de
pavimentos asfálticos
El comportamiento típico de todo pavimento ya sea de nueva construcción o después de una
reparación, es que sus características iniciales se van degradando con el transcurso del
tiempo. En muchos casos los pavimentos son dañados desde el mismo proceso constructivo
por lo tanto se debe prestar atención tanto a los procesos mecánicos como térmicos que
forman parte de la construcción del pavimento. Si un pavimento asfáltico es sometido al paso
repetido de vehículos pesados, sufre una serie de deformaciones en la carpeta de rodadura
los cuales se transforman en esfuerzos de tracción.
Mejoramiento de Carpeta Asfaltica
La acumulación de estos esfuerzos en dicha capa, dan origen a las microfisuras que con el
tiempo fracturan todo el espesor de la carpeta de rodadura,debilitando la estructura del
pavimento y permitiendo el paso del agua a las capas inferiores, todo esto viene a repercutir
en la capacidad soporte y permite laaparición de deformaciones permanentes en dichas
capas.Son diversos los factores que inciden y determinan este proceso de deterioro, para una
fácil comprensión se dividirán en 2 tipos :
FACTORES PASIVOS: SON AQUELOS QUE están directamente ligados con las
características propias del pavimento, como pueden ser los espesores, los materiales usados
en la conformación de cada capa de la estructura de pavimento y hasta el mismo proceso de
construcción.
FACTORES ACTIVOS: son los principales responsables del deterioro en el pavimento, estos
van desde el tránsito que circula en el pavimento, hasta los factores ambientales que reinan
en el lugar.Tanto los factores pasivos y activos de deterioro aceleran la aparición y Posterior
propagación de diversos tipos de fallas en los pavimentos.
Es de suma importancia reconocer las dos clases de fallas que pueden Presentarse en un
pavimento: La primera es la falla estructural en ella se produce Un colapso de la estructura del
pavimento o de uno o más de sus componentes lo que los hace incapaces de soportar las
cargas impuestas por el tránsito. La segunda es la falla funcional este tipo de falla puede estar
o no acompañada de la falla estructural, pero es tal, que causa grandes esfuerzos sobre los
vehículos que transitan por el pavimento, ocasionando incomodidad al usuario debido a la alta
rugosidad que presenta.
El deterioro en los pavimentos está relacionado con la insuficiente capacidad de los materiales
que los conforman para soportar sin rotura las tensiones y deformaciones que originan las
cargas del tránsito, cambios de temperatura y cambios de volumen de la sub-rasante como lo
son asentamientos e hinchamientos.El tipo de falla que se presentará en un pavimento
asfáltico dependerá de cómo se conjuguen los factores siguientes: los efectos del tránsito, las
características mecánicas de los materiales utilizados en la conformación de cada capa del
pavimento, y el tipo de apoyo que la sub-rasante le proporcione a las capas superiores del
pavimento asfáltico.
Entre las principales fallas que se originan en un pavimento asfáltico están las siguientes:
Agrietamientos o Fisuras
Deformaciones
Desintegración
Exudación
PROCEDIMIENTOS A SEGUIR EN LA EVALUACIÓN DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO
EXISTENTE
A la hora que se requiera evaluar el estado actual de un pavimento asfáltico existente, con el
fin de establecer si en la actualidad cumple con los parámetros con el que fue diseñado, o
para determinar el tiempo de vida del mismo con el objeto de definir el tipo de mantenimiento
que necesita, hay varios procedimientos que se deben de realizar.Estos procedimientos van
desde la recolección de toda la información acerca de los parámetros de diseño del
pavimento; visita de campo donde se hace un recorrido total del tramo para determinar el tipo
y cantidad de fallas que se presentan en el pavimento; identificación de los aspectos negativos
que influyen en la disminución de la capacidad soporte de cada capa del pavimento asfáltico
como lo son: la presencia de humedad, falta de drenaje o en algunos casos sub drenajes,
aumento del tránsito en mayor número que el proyectado en el diseño,etc.; toma de muestras
de los materiales de las distintas capas del pavimento existente para ser analizadas en
laboratorio y determinar sus propiedades físico mecánicas; y si el costo del proyecto lo permite
realización de ensayos no destructivos (no obligado) para determinar las deflexiones y el
número estructural que actualmente aporta el pavimento, esto puede realizarse mediante un
deflectómetro por impacto (Falling Weight Deflectometer, FWD).
A continuación se detallan algunos procedimientos útiles a seguir en laevaluación de un
pavimento asfáltico existente.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA DE TESTIGOS CON DIAMANTINA
Este estudio se realiza la fase de exploración, para detallar un zona de interés geológico de la
estructura del Pavimento en sus diferentes estratos,
Los resultados de perforación permiten conocer de manera mas precisa la estructura
geológica de la zona que se esta estudiando.
Cabe de señalar que en la fase de prospección se pueden realizar algunos sondeos para
delimitar la zona.
FALLA DEL PAVIMENTO ASFALTICO (GRIETA LONGUITUDINAL) EXTRACCION DE
TESTIGO EXTRACCIÓN DE TESTIGO CON DIAMANTINA
Este estudio se realiza la fase de exploración, para detallar un zona de interés geológico de la
estructura del Pavimento en sus diferentes estratos,
¿Por qué no dura nuestro asfalto? ¿Cómo remediarlo?
La mayoría de las personas no técnicas y algunos técnicos siempre piensan que las razones
de que nuestras carreteras se dañen es porque no usamos las maquinarias correctas, no
sabemos aplicarlo bien, el contratista uso materiales no adecuados, el contratista no aplico la
cantidad de asfalto que se contrato, en fin pueden hacerse muchas conjeturas sobre la
aplicación del asfalto en nuestras carreteras. Puede que algunas de esas explicaciones
expuesta anteriormente se cumpla, pero los técnicos que están a la vanguardia de lo que esta
ocurriendo en el mundo de las carreteras explican y dan respuesta; una de las discusiones en
los foros internacional es sobre la calidad de los asfaltos y sus consecuencias.
En los países desarrollados a través de la PIARC (Asociación Mundial de Carreteras) en los
comités técnicos que trabajan en todo el mundo, se descubrió que el problema radica en la
calidad del cemento asfáltico extraído del crudo del petróleo.
El proceso de producción de los derivados del Crudo del petróleo cada día es más sofisticado
y deja menos desperdicios de Viscosidad en el producto AC-30.
Hoy en día el AC-30 que usamos no tiene los componentes químicos para obtener una
adherencias con los agregados, provocando que nuestras carreteras ya no duren según el
diseñó.
Diseños que deben durar entre 9 a 12 años solo duran 3 a 6 años.
Hoy en día es obligatorio cumplir con la calidad del asfalto que cada país exige a los
contratistas, en tal sentido ya existen gran cantidad de productos químicos que se le agrega a
la mezcla asfáltica para suplir la deficiencia que deja como consecuencia la tecnología de
hacer cada día un combustible más liviano, dejando como resultado un cemento asfáltico poco
viscoso.
Control de la Temperatura
El hormigón asfáltico caliente depende del control de la temperatura 150 a 170 grado C°.
En laboratorio control de la humedad de los materiales
Control de la Contaminación
• La cantidad de co2
• Controles del polvillo
• Controles residuos
• Controles en la transportación
• Tina con agua y polvillo de la torre.
Características o Propiedades del Asfalto
» Consistencia
» Pureza
» Seguridad
Consistencia
Consistencia es el término usado para describir el grado de fluidez o plasticidad del asfalto a
cualquier temperatura dada. Para poder comparar la consistencia de un cemento asfáltico con
la de otro, es necesario fijar una temperatura de referencia.
Pureza
Los asfaltos refinados son, generalmente, más del 99,5 % solubles en bisulfuro de carbono y
por lo tanto, casi betunes puros.
Las impurezas son inertes o insolubles, si existieran. Normalmente el cemento asfáltico,
cuando sale de la refinería, está libre de humedad, pero puede haberla en los tanques de
transporte. Si hay agua inadvertida, ésta provoca espumas cuando se calienta por encima de
los 100 ºC (212 ºF).
Seguridad
La espuma puede constituir un riesgo para la seguridad, por lo tanto las normas requieren que
el asfalto no forme espuma hasta temperaturas de 175 ºC (347 ºF). El AC, si se le somete a
temperaturas suficientemente elevadas, despide vapores que arden en presencia de una
chispa o llama. Sin embargo, para tener la certeza de que existe un adecuado margen de
seguridad, se debe conocer el punto de inflamación del asfalto
Transporte del Asfalto
• Debe transportarse en camiones en buen estado para evitar el enfriamiento del asfalto.
• Los camiones deben usar lonas especiales impermeables
Aplicación del asfalto
• Verificar la temperatura de la mezcla asfáltica al llegar
• Verificar la temperatura de la mezcla en el momento de la aplicación.
El agua afecta el pavimento por todos los lados
• El agua superficial entra a través de grietas y/o fisuras.
• El agua entra por un asfalto mal compactado. Por medio de un drenaje inadecuado.
• Y por medio del subsuelo.
Como salvar el AC?
• Supervisar los componentes químicos antes del mezclado,
• La fuerza de la adherencia del asfalto a la resina se mide usando una prueba llamada TSR
(Tensile Strength Ratio). En las cuales, la muestras asfálticas primero se compactan, una
muestra se mantiene como tal, mientras que se condiciona la otra (una serie de calefacción y
de congelación). Un equipo de fractura se utiliza para medir la cantidad de presión requerida
para romper la muestra.
• La mayoría de las agencias requieren un mínimo de TSR del 80%.
• Los aditivos de adherencias son recomendados para utilizarse dentro de todos los niveles de
la capa de asfalto formando una barrera contra los ataques de la humedad.
Existen dos ventajas importantes para utilizar los aditivos (resinas)
1- El incremento de adherencia mejora el funcionamiento, lo cual aumenta la vida util del
pavimento, ahorrando dinero en los mantenimientos de los mismos.
2-Otra ventaja relativa es que se permite el uso de agregados menos costosos. La capacidad
de utilizar agregados menos costoso reduce el costo total por tonelada de mezcla, lo cual
proporciona ahorros significativos.
La de laminación
La de laminación se conoce por varios nombres:
• Efectos de humedad,
• Pérdida de adherencia,
• Desprendimiento, etc.
Métodos para prevenir la de laminación
• Aditivos Líquidos
• Cal Hidratada
• Aditivo Anti-delaminante
Aditivo-resina-mejoramiento asfáltico
• El daño de la humedad o delaminación es un tema importante que se efectúa por la falta
prematura del enlace entre el agregado y el cemento líquido del asfalto.
• Una prueba básica es la del agua hervida (ASTM D 3625) demuestra que una mezcla
asfáltica que es susceptible a la de laminación es visible sobre las muestras en cuanto el
liquido asfáltico se separa del agregado y expone el agregado a plena vista.
• Los requerimientos actuales recomiendan probar el nivel delaminación causado por la
humedad usando el método AASHTO T-283.
• Esta prueba utiliza la fuerza tensil en mezcla compactadas para indicar si el
condicionamiento de las muestras se delaminaran. Si la mezcla se despega, el aditivo o
mejoramiento de asfalto se utiliza para demostrar que si evita la de laminación y aumenta la
resistencia de una mezcla débil o de una mezcla que deslaminara.
DIFERENCIAS Y COMPORTAMIENTOS DE
DIAFRAGMAS RIGIDOS Y FLEXIBLES
DIAFRAGMAS RIGIDOS Y FLEXIBLES
Realmente me sorprende la forma en que se escriben los libros de texto y las Normas, al
menos en el área Estructural. En cuanto a los libros de texto porque a veces debes tener
mucha paciencia para desenmarañar los conceptos que el autor quiere transmitir. En el caso
de las Normas, cuando nos vamos al Capítulo 21 del ACI considero muy vaga e insuficiente la
explicación sobre el tema de los diafragmas en particular.
También en las Universidades dan por valido que el estudiante sabe cosas que muchas veces
no aparecen fácilmente o simplemente no aparecen y se van acumulando creando dudas en el
profesional.
Por esa razón vamos a tocar el tema de los diafragmas, losas y placas de cimentación.
Vamos a dividir el tema en 4 partes:
1.-Que es un diafragma y que es una losa.
2.-Que es un diafragma o losa rígido y flexible.
3.-Que implicaciones estructurales tiene cada uno.
4.-Como podemos saber cuándo un diafragma o una losa funciona como rígido y cuando
funciona como flexible.
Demás está decir que, como en los artículos anteriores que he publicado, expreso en todos
ellos mi punto de vista personal sobre el tema. Es decir que es posible que exprese criterios
diferentes a textos o criterios que no aparezcan en textos. Por lo que aceptare cualquier
observación contraria, en función de llegar a la verdad. Pero mientras no lleguemos a la
verdad estaremos en discusión.
En este primer artículo abordaremos el tema desde el punto de vista cualitativo y
En el segundo, desde el punto de vista del análisis estructural.
Comenzaremos por las definiciones:
Losa es un elemento de geometría tridimensional que recibe las cargas en un plano
bidimensional, pero cuyas deformaciones ocurren en el eje de menor dimensión que es la
direccion de las cargas . O sea que esta cargada en el plano de menor inercia. La palabra losa
la podemos asociar con cargas estaticas.
La losa tiene mayor rigidez con respecto a los ejes de las dimensiones grandes y, viceversa,
tiene menor rigidez con respecto al eje de deformación que es el de dimensión menor (Puede
parecer capcioso o redundante decirlo, pero es necesario).
Un diafragma es un elemento tridimensional que recibe la solicitación en un “plano” uniaxial
que es uno de los de mayor rigidez.
Un diafragma rígido es el que se considera que solo se desplaza en dos direcciónes que son
las de sus dimensiones grandes en el caso de diafragmas horizontales y tiene una rotacion
sobre la otra direccion. Cuando el diafragma es vertical, como los muros, igualmente tiene dos
desplazamientos pero uno de ellos es en el eje de la dimension menor. La rotacion ocurre
sobre uno de los ejes de la dimension mayor. Las cargas estan en la direccion de una de las
dos inercias mayores.
El diafragma flexible en cambio puede curvearse.
En el caso de las losas o placas sobre el terreno por igual.
Las implicaciones estructurales que tienen cada cual son:
-El diafragma rígido y la losa o placa al desplazarse igual puede trasmitir el desplazamiento a
otros elementos como muros los cuales lo harán todos a la vez y de igual forma.
-El Diafragma flexible al curvearse tiene diferentes desplazamientos, deformaciones y
rotaciones lo cual complica el análisis. También al ser poco rígido no es capaz de transmitir
con eficiencia ni totalmente las solicitaciones.
Sin calcularlo sabemos que un techo de láminas como el zinc, madera, etc. no es rígido, por
lo que es necesario conectar los muros a través de vigas (En zonas sísmicas).
Igualmente cuando tenemos losas inclinadas, el plano de la geometria no coincide con el de la
accion de la carga. Recuerden que en el caso sismico esa carga es ficticia porque lo que
sucede es una aceleracion del terreno que sacude al edificio y usamos el concepto de carga
para simplificar y las concentramos en los diafragmas. Pero en articulos nuevos veremos que
eso tiene implicaciones, cuando les hable del metodo de desplazamiento directo. Igualmente
que en el caso de los diafragmas flexibles en las losas inclinadas deberemos usar vigas
perimetrales rigidas que conecten todos los elementos que participen para mantener el criterio
de desplazamientos iguales.
En el caso de placas de cimentación, si es flexible posibilitara la ocurrencia de asentamientos
diferenciales. O sea, que en las distintas partes de la losa podrá ocurrir asentamientos
diferentes, pero también rotaciones en los distintos ejes.
En el caso de placas rígidas todos los desplazamientos serán iguales y solo habrá una
rotación. Es decir, que el análisis se simplifica.
En un segundo artículo hablaremos de los métodos para decidir o saber cuándo la
Placa o losa es rígida o flexible y veremos la parte analítica ademas de .que pondremos mas
graficas para entender el fenomeno.
DIAFRAGMAS RÍGIDOS Y FLEXIBLES
Formas de Desplazamiento y giro de un Diafragma Rigido
Lo que nos viene a la mente desde que mencionan las palabras Diafragma Rígido es pensar
en losas bien peraltadas, no? Sin embargo existen otros factores a tomar en cuenta.
Aunque cumplamos los requerimientos de diafragma rígido existen otras condiciones a cumplir
como son las condiciones de conexión que deben garantizar la transferencia de las cargas
desde el diafragma a los elementos portantes.
FEMA exige una relación entre los lados de las losas no mayor de 5. Otras escuelas asignan
4. En caso de que sea mayor debe realizarse el cálculo que demuestre que su
comportamiento es rígido. Tambien cuando existen formas no rectangulares recomendaciones
de hasta donde se puede permitir (Ver Reglamentos sismicos locales).
Se ha notado en los diferentes sismos ocurridos en los últimos anos que si esto no se cumple
se generan fuerzas que alabean la losa, por lo que es preferible colocar juntas de separación.
Igualmente para los muros.
Tener cuidado con la presencia de huecos (Ver Estructuraciones Recomendadas para
Zonas Sísmicas).
El espesor en losas planas y nervadas no debe preocupar mucho ya que comúnmente los
espesores de las planas son mayores o igual a 10 cm y en las nervadas el equivalente es
también mayor de 10 cm.
Un criterio tambien es considerar diafragma como flexible si la deformacion del mismo es
mayor que 2 veces el desplazamiento lateral diferencial del piso, usando las cargas del
analisis de cargas laterales equivalentes.
Muchos autores dicen que las losas en colaboración se considere como flexible y hemos
leído investigaciones comparativas (Miguel Rodríguez, Oscar López, Universidad Andrés
Bello, Venezuela: Modelo matemático para incorporar la flexibilidad de losas compuestas…).
Este estudio arrojo una diferencia de datos desde 6% hasta 23% en las comparaciones de 18
edificios.
Sin embargo, muchas personas, a pesar de lo anterior, modelan las losas compuestas en los
programas como diafragmas rigidos.
Cuando el diafragma horizontal es rígido todas las transferencias de cargas ocurren en función
de las rigideces de los elementos portantes como vemos en el grafico superior.
En cambio cuando es flexible si las deformaciones que ocurren en el no garantizan esa
repartición que se logra de forma periférica en los elementos verticales relativamente rígidos.
Esperamos que con este ultimo de las 3 presentaciones realizadas quede entendido el
concepto tanto para los entrepisos, techos, muros y cimientos tal como hemos explicado
PLACAS DE CIMENTACION RIGIDAS vs PLACAS
FLEXIBLES: COMO DIFERENCIARLAS
Seguiremos el tema de losas y diafragmas rígidos o flexibles por partes para poder insertar
gráficos.
En este artículo veremos cómo podemos diferenciar una losa o placa de cimentación.
Podemos tener diferentes configuraciones de columnas y muros sobre el terreno, pero como
saber si la placa es rígida o flexible?.
Para que una placa de cimentación sea rígida:
-Debe predominar el Diseño por Corte o Punzonado. Esto es lógico porque cuando diseñamos
por flexión el elemento adquiere resistencia pero sigue siendo deformable.
-El espesor de la placa debe ser lo suficiente grande como para que la placa soporte los
esfuerzos tangenciales sin la participación del acero de corte.
-Columnas adyacentes no deben variar en más de 20% en sus cargas.
-El espaciamiento entre columnas adyacentes no sea mayor de 20% y sea inferior a: S ≤
π.Le/2 + b
Donde b es el ancho de la columna y Le = Raiz cuarta(4Ec.I/KB)
Debemos darnos cuenta que es incorrecto decir que una placa es rígida o flexible. Lo son con
respecto al terreno. Por esa razón en el cálculo de Le aparece la constante elástica del suelo.
En las zonas sismicas es preferible que las placas y cimientos sean rigidos para que integren
los elementos portantes y compatibilicen los desplazamientos laterales. Esto ultimo significa
que al estar acoplados los elementos estructurales a un cimiento que no puede alabearse,
solo desplazarse, dichos elementos se desplazaran en su base todos al tiempo. El cimiento
sera el
autobus y los elementos estructurales, los pasajeros.
