Curso de Elementos de concreto 1 Prof. Roberto Loo Castro

CAPITULO I 1. CONCEPTOS BSICOS DEL CONCRETO - INTRODUCCIN 1.1. Breve Resea Histrica del Concreto Desde los tiempos de los romanos y etruscos se han venido usando morteros cementantes, siendo el romano Vitrubio el primer autor conocido, cuyos escritos sobre el tema nos han sido transmitidos a travs de los siglos. Uno de los ms notables ejemplos del trabajo con cales cementantes y que an existe es el Panten, cuya cpula con 43.46 metros de dimetro fue colada de concreto slido. Como formaletas se usaron tablas de madera cuyas marcas an pueden verse claramente estampadas en la superficie del concreto, a pesar del tiempo transcurrido.

En la preparacin de este tipo de concreto rudimentario, se usaron cementos calcreos provenientes de piedra caliza de caliza apropiada y calcinada en horno, o podan ser tambin mezclas de cal y material puzolanico que combinados produzcan un concreto ligeramente duro y resistente al intemperismo. Posteriormente esto ser conocido como cemento puzolanico, cuyo nombre se debe a que cerca del Vesubio haba un pueblo llamado Puzzolli, donde se encontraron por primera vez esas cenizas Volcnicas. En la Edad Media hubo una disminucin general en la calidad y el uso del cemento, pero en el siglo XVIII, comienzan los adelantos en la ciencia del cemento. - En 1756, John Smeaton un famoso ingeniero civil ingls, encontr que el mejor mortero se obtena cuando se mezclaba "puzolana" con caliza que contena una alta cantidad de material arcilloso. Con la identificacin de la arcilla como un material que mejoraba las caractersticas del cemento, Smeaton fue el primero en conocer las propiedades de la cal hidrulica. - En 1796, James Parker introdujo el "cemento romano " que tambin se conoci como "cemento Parker". Se obtena a partir de la calcinacin de ndulos de caliza arcillosa. Este cemento fue registrado bajo la patente 2120. - En 1822, James Frost patent el "cemento Britnico".

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- En 1824, Joseph Aspdin, un constructor de Leeds, patent el "cemento Portland". Aspdin descubri que mezclando piedra caliza triturada y calcinada con arcilla y un poco de yeso, se produca al mezclar este polvo con agua una piedra artificial. Desde luego no conoca los detalles de la reaccin qumica que se produce al hidratarse el cemento, pero si saba que era una reaccin qumica, porque generaba calor durante el proceso de endurecimiento para formar la piedra artificial. La temperatura a la cual se calcinaba el producto era mucho ms baja que la necesaria para la formacin del Clinker, en la actualidad. El inventor dio el nombre de Portland por la similitud que existe en el color y calidad entre el cemento fraguado y la piedra de Portland. - En 1845, Isaac Johnson, obtiene el prototipo del cemento moderno, este quemo una mezcla de arcilla y caliza hasta la formacin del Clinker, con esto logro la reaccin necesaria para la formacin de un compuesto fuertemente cementante. - En el siglo XIX, el concreto se colocaba casi seco y era compactado mediante la ayuda de apisonadores pesados, con la adicin en ese tiempo de casi ningn acero de refuerzo. - En la primera parte del siglo XX, se desarrolla y aumenta el uso del acero en el concreto, se hacen populares las mezclas casi liquidas para facilitar la colocacin del material y el concreto fue literalmente chorreado en las formaletas, teniendo este poca resistencia y durabilidad. Esta prctica peligrosa contino as, hasta que las investigaciones sobre la materia demostraron la importancia de calcular con ms precisin las dosificaciones del hormign, con el objeto de lograr garantizar la produccin de un material tan uniforme como fuera posible y con una mejor trabajabilidad, durabilidad y resistencia. El ms notable aporte en esta direccin, se lo debemos a ABRAMS y su conocida y probada ley de "la relacin agua cemento" mediante la cual demostr la importancia de restringir a su mnima expresin, siendo consistente con la trabajabilidad requerida del concreto en particular. El desarrollo de los vibradores de todo tipo para consolidar el concreto una vez colocado en las formaletas, ayudo al manejo de las mezclas con un menor revenimiento. Eliminando as el uso de mezclas excesivamente liquidas de antao y permitindole sacar mayor provecho a la formulacin de Abrams. - En 1938, sale al mercado por primera vez un aditivo para mezcla de hormign, a diferencia de lo que se pensaba hasta el momento, de que el concreto ms denso tena garantizado al mximo todas las caractersticas deseables en el material, ahora se reconoce que la mayor densidad no necesariamente significa durabilidad, as pues sale aditivo incorporador de aire, el cual incorpora microburbujas de aire en la mezcla de hormign fresco. Cada da se utilizan ms una gran variedad de aditivo de toda clase, o como algunos llaman aditivos para concreto, en el mercado actual existen toda una gama de aditivos, siendo los ms populares en nuestro pas, los aditivos controladores de fraguado o retardadores de fraguado inicial, Acelerantes , reductores de agua, impermeabilizantes... etc. Actualmente en el mbito mundial y local se implementa el uso de concretos de Alto Rendimiento (High Performance Concrete) y los concretos de Alta Resistencia (High Strength Concrete), lo cual se ha logrado con el uso de admixturas tales como sper reductores de agua, microfsica, cenizas

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volantes,... etc. El uso de estos concretos conduce a investigar el comportamiento fsico del concreto de alta resistencia, encontrando que existe variacin en el mdulo de elasticidad y que esto debe ser considerado por los diseadores de elementos de hormign.

1.2. Concreto simple 1.2.1. Propiedades Las propiedades del concreto terminado, incluyendo su resistencia, peso, color, porosidad, estn sujetas a variaciones. Las variables incluyen: tipo de cemento, relacin agua-cemento, el tipo, tamao cantidad de agregados, la realizacin de diversas acciones al mismo tiempo que se mezcla y se deposita la mezcla fresca, y las condiciones que se presentan mientras el concreto se endurece (es decir antes del fraguado).

1. Es probable que de todas las propiedades mecnicas, la resistencia sea la ms importante. El concreto es ms fuerte cuando se carga en compresin, se denomina fc la resistencia que este alcanza a los 28 dias mediante prueba a la falla de cilindros de concreto de 6 de dimetro por 12 de alto a una velocidad especificada de carga, se permitieron cilindros de 4 de dimetro por 8 de alto a partir del cdigo 2008 en lugar de usar cilindros ms grandes.

La resistencia ltimas a los 28 dias van desde 2500 psi1 hasta 10,000 psi a 20,000 psi, la mayora de los concretos usados en la practica tienen una resistencia de entre 3,000 psi y 7,000 psi. Para aplicaciones comunes se usan concretos de 3,000 psi y 4,000 psi, mientras que en estructuras presforzadas se emplean de 5,000 y 6,000 psi. Para ciertas aplicaciones, como columnas de pisos inferiores de edificios altos, se han utilizados concretos con resistencia de hasta 9,000 o 10,000 psi que son suministrados por fabricantes de concreto premezclado. El Two Union Square en Seattle2 utiliz concretos hasta de 19,000 psi. Los costos de produccin de los concreto aumentan a medida que aumenta su resistencia, por ejemplo para pasar de 3,000 a 5,000 psi se incrementa aproximadamente de 15 a 20%, sin embargo para pasar de 5,000 a 6,000 psi se requieren cuidados adicionales en la produccin y en la colocacin y curado, esto conduce a un incremento adicional. Cuando se requieren resistencia por encima de los 6,000 psi, es decir, concreto de Alto desempeo o Alta resistencia, los costo se incrementan a valores mayores y el control de calidad de este producto requiere mayor atencin que los otros.

2. La resistencia a la flexin se establece una relacin entre la resistencia a la compresin y

resistencia a la flexin a travs de formulacin

2

2

KRf c =

Donde fc = Resistencia en compresin en libras por pulgadas cuadradas R = Modulo de ruptura en libras / pulgadas cuadradas K = Constante usualmente entre 8 y 10

La resistencia a la flexin tiene una gran importancia en las losas sobre suelo. Bajo cargas de flexin, el concreto tiende a fallar en la superficie en tensin, ya que su resistencia a tensin es

1 Pound per square inch (psi) = libra por pulgada cuadrada y en el sistema mtrico 1 kg/cm2 = 14.19 psi 2 Jack C McCormac-Russell H. Brown,Diseo de Concreto Reforzado, Editorial Alfaomega, 8 Edicin, 2011, pag. 12

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menor que la que tiene en compresin. Con el fin e compensar esa debilidad inherente del concreto se colocan barras de acero en las reas de tensin.

3. La resistencia a la tensin del concreto tiene un valor de slo una dcima parte de la

resistencia a la compresin. Difcilmente sometemos al concreto a resistir tensin directa. Este tipo de falla produce resquebrajamientos.

4. La resistencia a la fatiga del concreto, para un tipo particular de carga, es de aproximadamente

la mitad de la resistencia esttica final correspondiente. Los perodos de reposo, entre los ciclos de carga, le permitan al concreto una recuperacin parcial, lo que da como resultado un ligero aumento de resistencia a la fatiga.

5. Las curvas esfuerzo-deformacin unitaria para los diferentes concretos deben estudiarse con atencin

La curva son aproximadamente rectas, mientras la carga crece de cero a poco ms o menos

un tercio a un medio de la resistencia ltima del concreto. Ms all de este intervalo, el comportamiento del concreto es no lineal. La falta de

linealidad de las curvas esfuerzo deformacin ocasiona algunos problemas en anlisis estructural de las estructuras de concreto porque el comportamiento de estas tampoco es lineal bajo esfuerzos mayores.

Imporante reconocer que todos los concretos alcanzan sus resistencias ltimas bajo deformacin unitaria de aproximadamente 0.002

El concreto no tiene una resistencia a la fluencia plstica definida, las curvas se comportan suavemente hasta sus puntos de ruptura bajo deformaciones unitarias de enre 0.003 y 0.004. Para fines de clculos futuros supondremos que el concreto falla a 0.003 (ACI 318, 10.2.3). Cuando el concreto tiene resistencia mayores a los 8,000 psi el valor de 0.003 no es conservador. Algunos cdigos europeo utilizan 0.002 para vigas y 0.0035 para columnas con carga excntrica.

6. El mdulo de elasticidad del concreto corresponde habitualmente a un valor que encuentra entre 2.5 x 106 y 5.5 x 106 libras por pulgadas cuadradas. Conforme avanza el curado, aumenta el mdulo de elasticidad, asimismo, se ha determinado que el mdulo de elasticidad mejora, como otra propiedades mecnicas, al disminuir la relacin agua-cemento. Para concreto el cdigo ACI establece las siguientes relacin:

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= 1.5 Ecuacion para concretos que pesan entre 90 y 155 lb/pie3 = 57,000 Ecuacion para concretos que pesan 145 lb/pie3

Las ecuaciones cambian cuando la resistencia de los concretos son mayores de 6,000 y hasta de 12,000 psi, tambin si se trata de concretos ligeros.

7. Es probable que las propiedades fsicas importante del concreto sean la impermeabilidad al

agua, la incombustibilidad y el volumen especfico. La impermeabilidad al agua y la durabilidad estn estrechamente asociadas a la relacin agua-cemento. Por su parte la durabilidad est relacionad tambin a la solidez de los agregados.

8. El coeficiente de dilatacin del concreto es aproximadamente el mismo que el del acero, lo

cual es una consideracin importante para la seleccin de una sustancia de proteccin contra el fuego. Los miembros no protegido de acero estn sujetos a calentamientos localizado durante los incendios, lo cual provoca distorsiones estructurales. El coeficiente de dilatacin trmica del concreto es de 5.5 x 10-6 pulg/pulg/F aproximadamente.

9. La contraccin plstica cuando el concreto comienza a fraguar el agua en exceso agregada para lograr la manejabilidad, que es aproximadamente el doble de la requerida para la hidratacin del cemento se sale a la superficie y se evapora. Como consecuencia el concreto se contrae y agrieta. Las grietas resultante tienden a disminuir la resistencia al cortante de los miembros y pueden daar la estructura, por el aumento en la corrosin. Medidas para minimizar la contraccin: 1) Mantener en un minimo la cantidad de agua para el mezclado. 2) Curar bien el concreto. 3) Colar el concreto para muros, pisos y otros elementos constructivos grandes en secciones pequeas, esto permite que la contraccin ocurra antes de que se coloque la siguiente seccin. 4) Intercalar juntas constructivas para controlar la posicin de la grietas. 5) Usar refuerzo por contraccin. 6) Emplear agregados apropiadamente densos y no porosos.

10. La fluencia plstica o cedencia ocurre bajo cargas de compresin sostenidas, el concreto continuar deformndose durante largos periodos. Despus que ocurre la deformacin inicial, la deformacin adicional se llama cedencia o fluencia plstica. Si se aplica una carga de comprsion a un miembro de concreto, se presenta un acortamiento inmediato o instantneo elstico. Si la carga se deja en su lugar por mucho tiempo, el miembro continuar acortndose durante varios aos y la deformacin final usualmente ser igual a aproximadamente dos o tres veces la deformacin inicial, esto implica que las deflexiones a largo plazo tambin pueden ser dos o tres veces las deflexiones iniciales. Importante saber que el 75% de fluencia plstica total ocurrir durante el primer ao. Si la carga a largo plazo se retira, el miembro recobrar la mayor parte de su deformacin elstica y algo de su deformacin plstica. Si la carga vuele a actuar. Tanto la deformacin elstica como la plstica se desarrollan nuevamente. .

1.3. Concreto reforzado El concreto reforzado es una combinacin de concreto y acero en la que el refuerzo proporciona la resistencia a la tensin de que carece el concreto. El acero de refuerzo es tambin capaz de resistir fuerzas de compresin y se usa en columnas, as como en otros miembros estructurales como vigas, fundaciones, etc.

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1.4. Ventajas del uso del Concreto reforzado El concreto reforzado es usado en casi todas las estructuras grandes y pequeas (edificios, pavimentos, represas, muros de contencin, tanques de almacenamiento de agua o combustible, etc). Alguna de las ventajas que podemos mencionar:

1) Tiene una resistencia considerable a la compresin por unidad de costo en comparacin con muchos otros materiales. 2) Tiene gran resistencia al fuego y al agua. (ej. represa de hormign; resistencia a incendio de intensidad media el efecto sobre varillas recubierto de concreto son slo dao superficial) 3) Las estructuras de concreto reforzado son muy rgidas. 4) Requiere poco mantenimiento comparado con otros materiales. 5) Larga vida til, bajo condiciones apropiadas las estructuras de concreto pueden usarse indefinidamente sin reduccin en sus capacidades de carga. 6) El material ms econmico disponible para utilizar en zapatas, losas de pisos, muros, pilares y construcciones similares. 7) Tiene una aplicacin que permite construir una gran variedad de formas, desde muy simple hasta las ms complejas. 8) Su colocacin tiene menor costo en la mano de obra comparado con otros materiales.

1.5. Desventajas del uso del Concreto reforzado Algunas desventajas que deben conocerse para una apropiada seleccin al momento de decidir su uso.

1. Tiene baja resistencia a la tensin, por lo que requiere el uso de un refuerzo a la tensin. 2. Se requiere encofrado para colarlo y cimbras para mantenerlo en posicin hasta que el concreto

endurezca. Los costos de la obra falsa son altos, su incidencia depende analizarse al decidir. 3. La baja resistencia por unidad de peso conduce a miembros muy pesados, este factor es crtico

en obras de luces grandes, donde el peso propio aumenta la carga muerta. 4. La baja resistencia por unidad de volumen conduce a miembros de gran tamao, lo cual es

importante en edificios altos y en estructura de grandes claros.

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