Republica Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Extensión Barinas
Comportamiento del Concreto
Bachiller: Mena Mariesvi C.I 24.907.325 Arquitectura A7
Noviembre de 2014
1
INDICE Pp. Introducción
3
Indicadores del rendimiento del concreto armado
4
Coeficiente de dilatación, temperatura, adherencia al alcalino
5
Fundamento del calculo para elementos estructurales en concreto armado
6
Compresión axial tracción, flexión, corte tensión, flexo – compresión adherencia y anclaje
7
Vigas y pilares de concreto armado
11
Conclusión
14
Referencias Bibliográficas
15
2
INTRODUCCIÓN El hormigón armado consiste en la utilización de hormigón reforzado con barras o mallas de acero, llamadas armaduras. También se puede armar con fibras, tales como fibras plásticas, fibra de vidrio, fibras de acero o combinaciones de barras de acero con fibras dependiendo de los requerimientos a los que estará sometido. El hormigón armado se utiliza en edificios de todo tipo, caminos, puentes, presas, túneles y obras industriales. La utilización de fibras es muy común en la aplicación de hormigón proyectado o shotcrete, especialmente en túneles y obras civiles en general. El hormigón en masa es un material moldeable y con buenas propiedades mecánicas y de durabilidad, y aunque resiste tensiones y esfuerzos de compresión apreciables tiene una resistencia a la tracción muy reducida. Para resistir adecuadamente esfuerzos de torsión es necesario combinar el hormigón con un esqueleto de acero. Este esqueleto tiene la misión resistir las tensiones de tracción que aparecen en la estructura, mientras que el hormigón resistirá la compresión (siendo más barato que el acero y ofreciendo propiedades de durabilidad adecuadas). Por otro lado, el acero confiere a las piezas mayor ductilidad, permitiendo que las mismas se deformen apreciablemente antes de la falla. Una estructura con más acero presentará un modo de fallo más dúcil (y, por tanto, menos frágil), esa es la razón por la que muchas instrucciones exigen una cantidad mínima de acero en ciertas secciones críticas. En los elementos lineales alargados, como vigas y pilares las barras longitudinales, llamadas armado principal o longitudinal. Estas barras de acero se dimensionan de acuerdo a la magnitud del esfuerzo axial y los momentos flectores, mientras que el esfuerzo cortante y el momento torsor condicionan las características de la armadura transversal o secundaria.
3
INDICADORES DEL RENDIMIENTO DEL CONCRETO ARMADO Se le da este nombre al concreto simple + acero de refuerzo; básicamente cuando tenemos un elemento estructural que trabajará a compresión y a tracción (tensión). Ningún esfuerzo de tensión será soportado por el concreto, es por ello que se debe incluir un área de acero que nos asuma esta solicitación, dicho valor se traducirá en el número de varillas y su diámetro, así como su disposición. La técnica constructiva del concreto armado consiste en la utilización de hormigón reforzado con barras o mallas de acero, llamadas armaduras. También es posible armarlo con fibras, tales como fibras plásticas, fibra de vidrio, fibras de acero o combinaciones de barras de acero con fibras dependiendo de los requerimientos a los que estará sometido. El hormigón armado es de amplio uso en la construcción siendo utilizado en edificios de todo tipo, caminos, puentes, presas, túneles y obras industriales. La utilización de fibras es muy común en la aplicación de hormigón proyectado o shotcrete, especialmente en túneles y obras civiles en general. La utilización de acero cumple la misión de transmitir los esfuerzos de tracción y cortante a los que esta sometida la estructura. El hormigón tiene gran resistencia a la compresión pero su resistencia a tracción es pequeña. El uso de hormigón armado es relativamente reciente. Su descubrimiento se atribuye a Joseph-Louis Lambot en 1848. Sin embargo, la primera patente se debe al jardinero parisino Joseph Monier que lo usó en 1868, primero para usos relacionados con recipientes de jardinería, y más tarde para su uso en vigas y otras estructuras en obras de ferrocarriles. El primer edificio de hormigón armado que se construyó en Estados Unidos, en 1893, fue la refinería de la Pacific Coast Borax Company en Alameda, California. Existen varias características responsables del éxito del hormigón armado: El coeficiente de dilatación del hormigón es similar al del acero, siendo despreciables las tensiones internas por cambios de temperatura. Cuando el hormigón fragua se contrae y presiona fuertemente las barras de acero, creando además fuerte adherencia química. Las barras, o fibras, suelen tener resaltes en su superficie, llamadas corrugas o trefilado, que favorecen la adherencia física con el hormigón. Por último, el pH
4
alcalino del cemento produce la pasivación del acero, fenómeno que ayuda a protegerlo de la corrosión. El hormigón que rodea a las barras de acero genera un fenómeno de confinamiento que impide su pandeo, optimizando su empleo estructural.
COEFICIENTE DE DILATACIÓN, TEMPERATURA, ADHERENCIA AL ALCALINO Coeficiente de dilatación El hormigón armado consiste en la utilización de hormigón reforzado con barras o mallas de acero, llamadas armaduras. También es posible armarlo con fibras, tales como fibras plásticas, fibra de vidrio, fibras de acero o combinaciones de barras de acero con fibras dependiendo de los requerimientos a los que estará sometido. El hormigón armado se utiliza en edificios de todo tipo, caminos, puentes, presas, túneles y obras industriales. La utilización de fibras es muy común en la aplicación de hormigón proyectado o shotcrete, especialmente en túneles y obras civiles en general. El coeficiente de dilatación térmica, “α” del hormigón varía con el tipo de cemento y áridos, con la dosificación y con el rango de temperaturas; oscilando entre 9,2x10-6 y 11x10-6 para temperaturas comprendidas entre -15ºC y 50ºC.
Temperatura Los constructores usan más hormigón en una construcción que cualquier otro material hecho por el hombre en el mundo. La historia del hormigón se remonta a los antiguos egipcios. Hoy en día la mezcla de hormigón es una ciencia sobre materiales que juega un papel importante en la ingeniería civil. Los ingenieros diseñan mezclas de hormigón con refuerzo de acero para satisfacer los requisitos estructurales y de temperatura de cualquier proyecto en construcción.
Adherencia al alcalino La naturaleza alcalina del cemento, protege al acero de refuerzo de la oxidación y mejora la adherencia acero - pasta de cemento.
5
FUNDAMENTO DEL CALCULO PARA ELEMENTOS ESTRUCTURALES EN CONCRETO ARMADO El hormigón en masa es un material moldeable y con buenas propiedades mecánicas y de durabilidad, y aunque resiste tensiones y esfuerzos de compresión apreciables tiene una resistencia a la tracción muy reducida. Por eso se usa combinado con acero, que cumple la misión de cubren las tensiones de tracción que aparecen en la estructura. Por otro lado, el acero confiere a las piezas mayor ductilidad, permitiendo que las mismas se deformen apreciablemente antes de la falla. En los elementos lineales alargados, como vigas y pilares las barras longitudinales, llamadas armado principal o longitudinal. Estas barras de acero se dimensionan de acuerdo a la magnitud del esfuerzo axial y los momentos flectores, mientras que el esfuerzo cortante y el momento torsor condicionan las características de la armadura transversal o secundaria.
Cálculo vigas y pilares de hormigón armado La simple teoría de vigas de Euler-Bernoulli no es adecuada para el cálculo de
vigas o pilares de hormigón armado. Los elementos resistentes de hormigón armado presentan un mecanismo resistente más complejo debido a la concurrencia de dos materiales diferentes, hormigón y acero, con módulos de Young muy diferentes y los momentos de inercia son variables de acuerdo al tamaño de las fisuras de los elementos. Las diferentes propiedades mecánicas de hormigón y acero implican que en un elemento de hormigón armado la tensión mecánica de las armaduras y el hormigón en contacto con ellas sean diferentes, ese hecho hace que las ecuaciones de equilibrio que enlazan los esfuerzos internos inducidos por las fuerzas y tensiones en hormigón y acero no sean tan simples como las de secciones homogéneas, usadas en la teoría de Euler-Bernouilli.
Dimensionado de secciones El problema del dimensionado de secciones se refiere a dadas unas cargas y
unas dimensiones geométricas de la sección determinar la cantidad de acero mínima
6
para garantizar la adecuada resistencia del elemento. La minimización del coste generalmente implica considerar varias formas para la sección y el cálculo de las armaduras para cada una de esas secciones posibles, para calcular el coste orientativo de cada posible solución. Una sección de una viga sometida a flexión simple, requiere obligatoriamente una armadura (conjunto de barras) de tracción colocada en la parte traccionada de la sección, y dependiendo del momento flectorpuede requerir también una armadura en la parte comprimida.
Comprobación de secciones El problema de comprobación consiste en dada una sección completamente
definida, por sus dimensiones geométricas y un cierto número de barras con una disposición bien definida, comprobar mediante cálculo si dicha sección será capaz de soportar los esfuerzos inducidos en ella por la acción de cargas conocidas.
COMPRESIÓN AXIAL, TRACCIÓN, FLEXIÓN, CORTE TENSIÓN, FLEXOCOMPRESIÓN, ADHERENCIA Y ANCLAJE Compresión axial La manera más eficiente que tienen los elementos estructurales de resistir las solicitaciones se produce cuando tales solicitaciones tienen una orientación coincidente con el eje longitudinal de los elementos.
En este caso los elementos resisten a las solicitaciones mediante esfuerzos axiales (paralelos a las acciones) que pueden ser de tracción o compresión, dependiendo de las acciones externas.
7
El concreto es un material particularmente apto para resistir las fuerzas de compresión, pero tiene una limitada resistencia a la tracción (apenas alrededor del 10% de su resistencia a la compresión). El acero, por otra parte, es un material que se comporta eficientemente resistiendo las solicitaciones de tracción, pues alcanza toda su capacidad. El acero también puede llegar hasta el 100% de su resistencia ante solicitaciones de compresión, siempre
que
los elementos tengan dimensiones transversales
importantes. En Norteamérica, Europa y Japón, que poseen industrias de acero altamente competitivas, el costo de los perfiles de acero puede ser comparable, y en ocasiones inferior al de otros materiales estructurales. El concreto armado aprovecha la gran resistencia a la compresión del concreto y la capacidad de resistir solicitaciones de tracción del acero, integrándolas en un nuevo material compuesto. La manera más ineficiente que tienen los elementos, para resistir a las solicitaciones, se produce cuando esas solicitaciones tienen una orientación perpendicular al eje longitudinal de los elementos.
8
En este caso, los elementos resisten las solicitaciones mediante esfuerzos longitudinales (perpendiculares a las acciones) que generan momentos flexionantes internos, que equilibran a los momentos flexionantes externos.
Tracción En el concreto armado, el concreto no resiste a la tracción sino al acero.
Flexión Las cargas que actúan en una estructura, ya sean cargas vivas, de gravedad o de otros tipos, tales como cargas horizontales de viento o las debidas a contracción y temperatura, generan flexión y deformación de los elementos estructurales que la constituyen. La flexión del elemento viga es el resultado de la deformación causada por los esfuerzos de flexión debida a la carga externa. Conforme se aumenta la carga, la viga soporta deformación adicional, propiciando el desarrollo de las grietas por flexión a lo largo del claro de la viga. Incrementos continuos en el nivel de la carga conducen a la falla del elemento estructural cuando la carga externa alcanza la capacidad del elemento. A dicho nivel de carga se le llama estado límite de falla en flexión.
9
Corte Los elementos sometidos solo a torsión son muy escasos. Esta solicitación generalmente actua en combinación con flexión y corte y se presenta en vigas perimetrales, vigas curvas, vigas cargas excéntricamente, columnas exteriores en edificios sometidos a cargas laterales, escaleras h elicoidales, entre otros. La torsión se presenta en la mayoría de los casos, por compatibilidad de deformaciones en las estructuras continuas. En estos casos, la torsión no ocasiona el colapso de la estructura pero si puede generar un agrietamiento excesivo de sus elementos. Es imposible analizar de una manera exacta el efecto combinado de flexión, cortante y torsión debido al comportamiento inelástico del concreto, al estado de esfuerzos complejo que se presenta y al patrón impredecible de grietas.
Flexocompresion La mayor parte de los elementos estructurales sometidos a compresión también están solicitados por momentos flectores, por lo que en su diseño debe tomarse en consideración la presencia simultánea de los dos tipos de acciones En zonas sísmicas, el efecto flexionante usualmente domina el diseño con relación a las solicitudes axiales por los que, a pesar de que los momentos por cargas gravitacionales sean importantes, se suelen escoger columnas con armadura simetrica, dada la reversibilidad de los sismos.
Adherencia La adherencia es el principio básico del funcionamiento del hormigón armado como material estructural mediante la cual se transmiten los esfuerzos de tracción entre sus materiales constitutivos. Una de las hipótesis básicas a considerar en el cálculo de estructuras de hormigón es suponer que se produce la misma deformación para el hormigón y el acero, admitiendo por lo tanto que la adherencia entre ambos materiales es perfecta. Sin embargo, algunas circunstancias que se producen durante las diferentes fases del proceso constructivo, del período de utilización o de mantenimiento, pueden llegar a deteriorar los mecanismos de transferencia de
10
tensiones entre las armaduras y el hormigón y disminuir la capacidad portante y las condiciones de seguridad de las estructuras en servicio. Para caracterizar el fenómeno de la adherencia se emplean curvas tensión de adherencia local – deslizamiento que se obtienen de ensayos normalizados pull – out o beam test, en las que se pueden apreciar los diferentes mecanismos resistentes que intervienen en el fenómeno de la adherencia: adhesión química, rozamiento e interacción mecánica; dependiendo la importancia de cada uno de ellos de las características superficiales de la armadura. Por ejemplo, para barras lisas la adherencia depende fundamentalmente de la adhesión química y, tras el deslizamiento, del rozamiento, mientras que para barras corrugadas depende de la interacción mecánica existente entre las corrugas y el hormigón que las rodea
Anclaje A partir del sitio en que la barra de acero alcanza su esfuerzo máximo, se debe desarrollar un mecanismo de anclaje en el hormigón para asegurar su funcionamiento adecuado. Las alternativas utilizadas son:
Anclaje por desarrollo de la longitud de la varilla dentro del concreto.
Ganchos de anclaje dentro del hormigón en el extremo de la varilla
Anclaje mecánico de la varilla a través de dispositivos especiales.
Anclar una varilla de acero en el concreto es transferir el esfuerzo en barra al concreto.
VIGAS Y PILARES DE CONCRETO ARMADO Las vigas y columnas son elementos diseñados para formar estructuras para diversos propósitos como por ejemplo edificios. Aquí se consideran las que se construyen con concreto hidráulico y están reforzados con varillas de acero para favorecer la resistencia a las fuerzas de tensión y las fuerzas cortantes.
11
Vigas Las vigas son elementos estructurales de concreto armado, diseñado para sostener cargas lineales, concentradas o uniformes, en una sola dirección. Una viga puede actuar como elemento primario en marcos rígidos de vigas y columnas, aunque también pueden utilizarse para sostener losas macizas o nervadas. La viga soporta cargas de compresión, que son absorbidas por el concreto, y las fuerzas de flexión son contrarrestadas por las varillas de acero corrugado, las vigas también soportan esfuerzos cortantes hacia los extremos por tanto es conveniente, reforzar los tercios de extremos de la viga. Para lograr que este elemento se dimensione cabe tener en cuenta la resistencia por flexión, una viga con mayor peralte (altura) es adecuada para soportar estas cargas, pero de acuerdo a la disposición del proyecto y su alto costo hacen que estas no sean convenientes.
Columna Las columnas de concreto tienen como tarea fundamental transmitir las cargas de las losas hacia los cimientos, la principal carga que recibe es la de compresión, pero en conjunto estructural la columna soporta esfuerzos flexionantes también, por lo que estos elementos deberán contar con un refuerzo de acero que le ayuden a soportar estos esfuerzos. Especificaciones de diseño para columnas Para dimensionar columnas es conveniente seguir las siguientes especificaciones:
Las columnas deben dimensionarse conforme a todos los momentos flectores relacionados con una condición de carga.
En el caso de columnas situadas en esquina y de otras cargadas en forma desigual en lados opuestos de direcciones perpendiculares, deben tomarse en consideración los momentos flectores biaxiales.
Es necesario dimensionar todas las columnas para una excentricidad 0.6 + 0.03h por lo menos donde h es el espesor del elemento de la flexión, y para cargas axiales máximas no superiores a 0.80 P0 cuando las columnas son de estribos, o de 0.85 P0 cuando llevan esfuerzo en espiral o helicoidal, donde P0 esta dado por la siguiente ecuación: P0=0.85f ’ c(Ag – Ast) + fyAst Donde
12
Ag es el área bruta de la sección transversal de la columna. Ast es el área total del refuerzo longitudinal.
La cuantía mínima del área de las varillas longitudinales de refuerzo respecto al área transversal y total de la columna, Ag es e 0.01, la cuantía máxima es de 0.08. sin embargo, en el caso de columnas cuya área seccional sea mayor que la exigida por las cargas puede usarse un valor más pequeño para Ag, aunque nunca inferior a la mitad del área bruta de dichas columnas, para calcular la capacidad de carga y el área mínima de varillas longitudinales.
13
CONCLUSIÓN El concreto es un material particularmente apto para resistir las fuerzas de compresión, pero tiene una limitada resistencia a la tracción (apenas alrededor del 10% de su resistencia a la compresión). El concreto armado aprovecha la gran resistencia a la compresión del hormigón y la capacidad de resistir solicitaciones de tracción del acero, integrándolas en un nuevo material compuesto. Las estructuras de concreto armado son aquellas que se emplean en las modernas construcciones de edificios, lozas, complejos habitacionales y demás edificaciones que requieren una construcción rápida y económica con el fin de ahorrar costos tanto en materiales como en mano de obra y tiempo de terminación. Hay que considerar que por lo general la construcción con este tipo de sistema no requiere mucho acabado final ya que su empleo combinado con encofrados de acero, proporciona un producto liso al tacto, necesitándose retoques mínimos. Como señalamos anteriormente el concreto armado es la combinación del concreto y el acero en armadura para que juntos formen un material combinado e indivisible. La colocación de las armaduras depende de la ubicación de la zona de tracción, es decir del lugar donde las vigas, columnas, voladizos o demás componentes se flexionarán; asimismo en los cimientos tipo losa corrida, las varillas de acero longitudinal y transversal se ponen en la parte inferior de la losa con el fin de resistir los esfuerzos de tracción y evitar las rajaduras. Los materiales componentes de este tipo de estructuras son el concreto y la armadura de acero. El primer material y principal componente de las estructuras de concreto armado; es una mezcla de cemento, arena, piedra y agua en medidas proporcionales y establecidas de acuerdo al grado de resistencia que se persigue. La propiedad más importante de esta mezcla es su resistencia a la compresión (capacidad de un material para resistir esfuerzos que tienden a deformarlo), a la flexión (capacidad de un material para resistir esfuerzos que tienden a deformarlo, doblándolo), con la característica adicional de poseer poca tracción; asimismo combinado con refuerzos de acero adquiere propiedades anti cortantes.
14
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
https://sites.google.com/site/grupocmateriales
http://www.buenastareas.com/ensayos/Concreto-Armado/44690659.html
http://www.ehowenespanol.com/efectos-temperatura-hormigon
http://html.rincondelvago.com/hormigon_7.html
http://es.slideshare.net/wglo/fundamentos-estructurales
http://www.arqhys.com/construccion/vigas-de-concreto.html
15
