GENERALIDADES Y ESPECIFICACIONES DEL CONCRETO REFORZADO PDF

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1.1 Antecedentes históricos del concreto y concreto armado
1.2. Propiedades físico-mecánicas del concreto armado
1.3 Criterios de diseño por Estados Límite
1.4 Características físicas y mecánicas del acero de refuerzo...

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MEXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CAMPECHE

INVESTIGACIÓN UNIDAD 1

ESTRUCTURAS DE CONCRETO

INDICE 1.

GENERALIDADES Y ESPECIFICACIONES DEL CONCRETO REFORZADO ....................... 3

1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL CONCRETO Y CONCRETO ARMADO ...................... 3 A.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS .................................................................................................. 3

B.

LÍNEA DEL TIEMPO SOBRE ANTECEDENTES DEL CONCRETO ........................................ 4

C.

CONCRETO .................................................................................................................................... 6

a.

Ventajas que se obtienen al reducir el contenido de agua: ............................................................... 7

b.

Aditivos usados comúnmente ........................................................................................................... 7

D.

CONCRETO ARMADO .................................................................................................................. 8

a.

Ventajas del concreto reforzado como material estructural ............................................................. 8

b.

Desventajas del concreto reforzado como material estructural ........................................................ 9

1.2. PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DEL CONCRETO ARMADO ..................................... 11 1.2 CRITERIOS DE DISEÑO POR ESTADOS LÍMITE ................................................................... 12 A.

CONCEPTO ................................................................................................................................... 12

a. Reglamento del Distrito Federal ......................................................................................................... 13 1.4 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL ACERO DE REFUERZO ...................... 15 A. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS .............................................................................................. 15 B.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS .................................................................................................... 17

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1. GENERALIDADES Y ESPECIFICACIONES DEL CONCRETO REFORZADO 1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL CONCRETO Y CONCRETO ARMADO A. ANTECEDENTES HISTÓRICOS

“El origen del concreto inicialmente esta también en el uso de la cal como cementante y aglomerante por parte de culturas precolombinas y del antiguo Egipto, imperio Romano y Mesoamérica hace más de 5000 años.” (Quimbay, Abascal, 2015, p. 15) La mayoría de la gente piensa que el concreto se ha estado usando durante muchos siglos, pero no es así. Los romanos utilizaron una especie de cemento, llamado puzolana, antes del nacimiento de Cristo. Encontraron grandes depósitos de ceniza volcánica arenosa cerca del Monte Vesubio y en otros lugares en Italia. Cuando mezclaron este material con cal viva y agua, además de arena y grava, dejando endurecer la mezcla, se produjo una sustancia rocosa que utilizaron como material de construcción. Se podría pensar que resultaría una especie de concreto relativamente pobre, en comparación con las normas actuales, pero algunas estructuras de concreto romanas siguen de pie hoy en día. Un ejemplo es el Panteón (un edificio dedicado a todos los dioses) que se encuentra en Roma y se terminó en el año 126 de nuestra era. El arte de hacer concreto puzolánico se perdió durante la Edad Media y fue resucitado hasta los siglos XVIII y XIX. El verdadero gran adelanto para el concreto ocurrió en 1824 cuando un albañil inglés llamado Joseph Aspdin, después de largos y laboriosos experimentos, obtuvo una patente para un cemento que él llamó cemento portland, debido a que su color era muy similar al de la piedra de una cantera en la isla de Portland, en la costa inglesa. Él hizo su cemento con ciertas cantidades de arcilla y piedra caliza que pulverizó y quemó en la estufa de su cocina, moliendo después la escoria resultante para obtener un polvo fino. En los primeros años tras su invención, ese cemento se usó principalmente en estucos.

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B. LÍNEA DEL TIEMPO SOBRE ANTECEDENTES DEL CONCRETO

LÍNEA DEL TIEMPO SIGLO IX AL XI

Posterior a la caída del imperio ro mano, el ar te de calcinar se pierde y los morteros o mezclas usa das en la construcción son de mala calidad. 1756

SIGLO XII AL XVII Comienzan a revivir se las técnicas de preparación del mortero, y gracias a la mejora de la calidad que se logra, se usa nuevamente en construcciones. 1796

En Inglaterra se patenta una mezcla de caliza dura, molida y calcinada con arcilla, a la que se le agregaba agua para producir una pasta que de nuevo se calcinaba, se molía y batía hasta producir un polvo fino que es el antecedente directo del cemento que conocemos actualmente. 1816

A principios del siglo XIX se crean numerosas patentes de cementos naturales, siendo una de las más importantes la del ingeniero Louis Vicat. 1848

El descubrimiento del concreto armado se le atribuye a Joseph-Louis Lambot, quien decidió incorporar acero al concreto para aumentar su resistencia. 1879

Comienza a usarse el concreto armado en los sistemas constructivos.

James Parker patenta el primer cemento hidráulico natural conocido como Cemento Parker. Se le llama cemento hidráulico debido a su característica endurecerse al ser combinado con agua. 1824

Joseph Aspdin patenta el cemento Portland, una mezcla obtenida de la cal y otros minerales, especialmente óxidos, que sirven como aglomerantes para la preparación del concreto y otorgan resistencia y durabilidad. 1867

Se crean las primeras losas con refuerzo metálico embebido en el concreto y empiezan a desarrollarse los estudios teóricos de la técnica del concreto armado o reforzado.

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1890 1903

Se alcanza un gran desarrollo en la sistematización de técnicas, métodos constructivos y cálculos, y se establecen industrias que fabrican el concreto premezclado. 1908

Se patenta el cemento aluminoso. En su elaboración se utilizó la bauxita, una roca que le otorga resistencia al ataque destructivo de sulfatos, como los que se encuentran en ambiente salinos. 1955

La empresa Simons emplea el sistema de concreto encofrado Steel Ply. 2005 Los ingenieros mexicanos Joel Sosa y Sergio Galván inventan el concreto traslúcido. 2017

Se introduce el yeso como retardante del fraguado y se utilizan altas temperaturas para obtener silicatos con alto contenido de óxido de calcio. 1904 La Americam Society for Testing and Materials, publica por primera vez sus estándares de calidad para el cemento. 1930 Se introducen agentes inclusores de aire para crear burbujas que mejoren la resistencia del concreto al daño por congelación. 1960 Comienzan a producirse los primeros poliméricos, que son creados cuando se sustituye parcial o totalmente el cemento Portland por un polímero. 2011 Se crea el bioconcreto o concreto autorreparable.

Debido a que el concreto es uno de los materiales más empleados en el mundo, la tendencia actual es crear concretos verdes o más amigables con el medio ambiente.

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C. CONCRETO El concreto es una mezcla de arena, grava, roca triturada u otros agregados unidos en una masa rocosa por medio de una pasta de cemento y agua. En ocasiones, uno o más aditivos se agregan para cambiar ciertas características del concreto, tales como la ductilidad, la durabilidad y el tiempo de fraguado. Los agregados generalmente se dividen en dos grupos: finos y gruesos. Los agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de partícula que pueden llegar hasta 10mm; los agregados gruesos son aquellos cuyas partículas se retienen en la malla No. 16 y pueden variar hasta 152 mm. El tamaño máximo de agregado que se emplea comúnmente es el de 19 mm o el de 25 mm. La pasta está compuesta de Cemento Portland, agua y aire atrapado o aire incluido intencionalmente. Ordinariamente, la pasta constituye del 25 al 40 % del volumen total del concreto. La figura” A” muestra que el volumen absoluto del Cemento está comprendido usualmente entre el 7 y el 15 % y el agua entre el 14 y el 21 %. El contenido de aire y concretos con aire incluido puede llegar hasta el 8% del volumen del concreto, dependiendo del tamaño máximo del agregado grueso. Como los agregados constituyen aproximadamente el 60 al 75 % del volumen total del concreto, su selección es importante. Los agregados deben consistir en partículas con resistencia adecuada, así como resistencias a condiciones de exposición a la intemperie y no deben contener materiales que pudieran causar deterioro del concreto. Para tener un uso eficiente de la pasta de cemento y agua, es deseable contar con una granulometría continua de tamaños de partículas. La calidad del concreto depende en gran medida de la calidad de la pasta. En un concreto elaborado adecuadamente, cada partícula de agregado está completamente cubierta con pasta y también todos los espacios entre partículas de agregado. Igual que la mayoría de los materiales pétreos, el concreto tiene una alta resistencia a la compresión y una muy baja resistencia a la tensión. Para cualquier conjunto especifico de materiales y de condiciones de curado, la cantidad de concreto endurecido está determinada por la cantidad de agua utilizada en la relación con la cantidad de Cemento.

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a. Ventajas que se obtienen al reducir el contenido de agua: 1. Se incrementa la resistencia a la compresión y a la flexión. 2. Se tiene menor permeabilidad, y por ende mayor hermeticidad y menor absorción. 3. Se incrementa la resistencia al intemperismo. 4. Se logra una mejor unión entre capas sucesivas y entre el concreto y el esfuerzo. 5. Se reducen las tendencias de agrietamientos por contracción. Entre menos agua se utilice, se tendrá una mejor calidad de concreto - a condición de que se pueda consolidar adecuadamente. Menores cantidades de agua de mezclado resultan en mezclas más rígidas; pero con vibración, a unas las mezclas más rígidas pueden ser empleadas. Para una calidad dada de concreto, las mezclas más rígidas son las más económicas. Por lo tanto, la consolidación del concreto por vibración permite una mejora en la calidad del concreto y en la economía. Las propiedades del concreto en estado fresco (plástico) y endurecido, se puede modificar agregando aditivos al concreto, usualmente en forma líquida, durante su dosificación. b. Aditivos usados comúnmente 1. Ajustar el tiempo de fraguado o endurecimiento. 2. Reducir la demanda de agua. 3. Aumentar la trabajabilidad. 4. Incluir intencionalmente aire. 5. Ajustar otras propiedades del concreto. Después de un proporciona miento adecuado, así como, dosificación, mezclado, colocación, consolidación, acabado, y curado, el concreto endurecido se transforma en un material de construcción resistente, no combustible, durable, resistencia al desgaste y prácticamente impermeable que requiere poco o nulo mantenimiento. El concreto también es un excelente material de construcción porque puede moldearse en una gran variedad de formas, colores y texturizados para ser usado en un número ilimitado de aplicaciones

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D. CONCRETO ARMADO También denominado como concreto reforzado; es una combinación de concreto y acero en la que el refuerzo del acero proporciona la resistencia a tensión de que carece el concreto. El acero de refuerzo es también capaz de resistir fuerzas de compresión y se usa en columnas, así como en otros miembros estructurales.

a. Ventajas del concreto reforzado como material estructural El concreto reforzado es probablemente el material disponible más importante para la construcción. Puede usarse en una u otra forma para casi todas las estructuras, grandes o pequeñas, en edificios, puentes, pavimentos, presas, muros de retención, túneles, instalaciones de drenaje e irrigación, tanques, etcétera. El gran éxito de este material universal en la construcción puede entenderse fácilmente si se consideran sus numerosas ventajas. Algunas de éstas son las siguientes:

1. Tiene una resistencia considerable a la compresión por unidad de costo en comparación con muchos otros materiales. 2. El concreto reforzado tiene gran resistencia a las acciones del fuego y el agua y, de hecho, es el mejor material estructural que existe para los casos en que el agua esté presente. Durante incendios de intensidad media, los miembros con un recubrimiento adecuado de concreto sobre las varillas de refuerzo sufren sólo daño superficial sin fallar. 3. Las estructuras de concreto reforzado son muy rígidas. 4. Requiere de poco mantenimiento. 5. Comparado con otros materiales, tiene una larga vida de servicio. Bajo condiciones apropiadas, las estructuras de concreto reforzado pueden usarse indefinidamente sin reducción en sus capacidades de carga. Esto puede explicarse por el hecho de que la resistencia del concreto no disminuye con el tiempo, sino que en realidad aumenta con los años, debido al largo proceso de solidificación de la pasta de cemento.

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6. Es prácticamente el único material económico disponible para zapatas, losas de piso, muros de sótano, pilares y construcciones similares. 7. Una característica especial del concreto es la posibilidad de colarlo en una variedad extraordinaria de formas que van desde simples losas, vigas y columnas, hasta grandes arcos y cascarones. 8. En muchas regiones, el concreto aprovecha para su elaboración la existencia de materiales locales baratos (arena, grava y agua) y requiere cantidades relativamente pequeñas de cemento y acero de refuerzo, las cuales puede ser necesario conseguir en otras regiones del país. 9. Se requiere mano de obra de baja calificación para su montaje, en comparación con otros materiales, como el acero estructural.

b. Desventajas del concreto reforzado como material estructural Para usar con éxito el concreto, el proyectista debe estar completamente familiarizado con sus puntos débiles, así como con sus puntos fuertes. Algunas de sus desventajas son las siguientes: 1. El concreto tiene una resistencia muy baja a la tensión, por lo que requiere el uso de un refuerzo de tensión. 2. Se requieren cimbras para mantener el concreto en posición hasta que se endurezca lo suficiente. Además, pueden requerirse obras falsas o apuntalamiento para apoyar la cimbra de techos, muros, pisos y estructuras similares hasta que los miembros de concreto adquieren suficiente resistencia para soportarse por sí mismos. La obra falsa es muy cara. Su costo (en EUA) es de uno a dos tercios del costo total de una estructura de concreto reforzado, con un valor promedio aproximado de 50%. Debe ser claro que cuando se trata de mejorar el costo de las estructuras de concreto reforzado, el factor principal reside en la reducción del costo de la cimbra. 3. La baja resistencia por unidad de peso de concreto conduce a miembros pesados. Esto se vuelve muy importante en estructuras de gran claro, en donde el gran peso muerto del

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concreto tiene un fuerte efecto en los momentos flexionantes. Pueden usarse agregados ligeros para reducir el peso del concreto, pero el costo del concreto aumenta. 4. Similarmente, la baja resistencia por unidad de volumen del concreto implica que los miembros serán relativamente grandes, lo que es de una considerable importancia en edificios altos y en estructuras de grandes claros. 5. Las propiedades del concreto varían ampliamente debido a las modificaciones en su proporción y mezclado. Además, el colado y curado del concreto no son tan cuidadosamente controlados como la producción de otros materiales; por ejemplo, el acero estructural y la madera laminada.

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1.2. PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DEL CONCRETO ARMADO

Las propiedades del concreto son sus características o cualidades básicas. Las cuatro propiedades principales del concreto son: a) Trabajabilidad b) Cohesividad c) Resistencia d) Durabilidad Las características del concreto pueden variar en un grado considerable, mediante el control de sus ingredientes. Por tanto, para una estructura específica, resulta económico utilizar un concreto que tenga las características exactas necesarias, aunque esté débil en otras.

1. Trabajabilidad Es una propiedad importante para muchas aplicaciones del concreto. En esencia, es la facilidad con la cual pueden mezclarse los ingredientes y la mezcla resultante puede manejarse, transportarse y colocarse con poca pérdida de la homogeneidad. 2. Cohesividad Es una importante propiedad del concreto que puede mejorarse, con frecuencia, reduciendo la cantidad de agua en la mezcla. 3. Resistencia Es una propiedad del concreto que, casi siempre, es motivo de preocupación. Por lo general se determina por la resistencia final de una probeta en compresión. Como el concreto suele aumentar

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su resistencia en un periodo largo, la resistencia a la compresión a los 28 días es la medida más común de esta propiedad. (Frederick, 1992) 4. Durabilidad El concreto debe ser capaz de resistir la intemperie, acción de productos químicos y desgastes, a los cuales estará sometido en el servicio.

1.2 CRITERIOS DE DISEÑO POR ESTADOS LÍMITE A. CONCEPTO También conocido como diseño de factor de carga y resistencia (LRFD), se refiere a un método de diseño utilizado en ingeniería estructural. Un estado límite es una condición de una estructura más allá de la cual ya no cumple los criterios de diseño relevantes. La condición puede referirse a un grado de carga u otras acciones en la estructura, mientras que los criterios se refieren a la integridad estructural, aptitud para el uso, durabilidad u otros requisitos de diseño. Una estructura diseñada por LSD tiene las proporciones necesarias para soportar todas las acciones que puedan ocurrir durante su vida útil de diseño y para mantenerse apta para su uso, con un nivel apropiado de confiabilidad. Para cada estado límite. Los códigos de construcción basados en LSD definen implícitamente los niveles apropiados de confiabilidad según sus prescripciones.

Figura 1. Acciones - Respuestas

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El método de diseño de estados límite, desarrollado en la URSS y basado en la investigación dirigida por el profesor NS Streletski, se introdujo en las regulaciones de construcción de la URSS en 1955. La mayoría de los reglamentos de construcción actuales, como el del Distrito Federal [1.111, el del Comité Euro-Internacional del Concreto [1.191, los Euro códigos usados en los países de la Unión Europea [1.22] y el de Canadá [1.271, establecen disposiciones para el diseño-de estructuras basadas en el concepto de estados Limites. a. Reglamento del Distrito Federal Los criterios de diseño estructural en que se basa este reglamento se presentan con detalle en la referencia 1.29. Se consideran dos categorías de estados Limites: los de falla y los de servicio. Los de falla corresponden al agotamiento definitivo de la capacidad de carga de la estructura o de cualquiera de sus miembros, o al hecho de que la estructura, sin agotar su capacidad de carga, sufra daños irreversibles que afecten su resistencia ante nuevas aplicaciones de carga. Los estados Limites de servicio tienen lugar cuando la estructura llega a estados de deformaciones, agrietamientos, vibraciones o daños que afecten su correcto funcionamiento, pero no su capacidad ...