Hormigón armado
Hormigón con varillas de refuerzo

Hormigón armado
Una columna pesada de hormigón armado, vista antes y después de haber colocado el hormigón alrededor de su marco de barras de refuerzo.
Tipo de materialMaterial compuesto
Propiedades mecánicas
Resistencia a la tracción ( σ t )Más fuerte que el hormigón

El hormigón armado , también llamado hormigón armado , es un material compuesto en el que la resistencia a la tracción y la ductilidad relativamente bajas del hormigón se compensan con la inclusión de un refuerzo que tiene una resistencia a la tracción o una ductilidad más altas. El refuerzo suele ser, aunque no necesariamente, barras de refuerzo de acero (conocidas como varillas de refuerzo ) y suele estar incrustado de forma pasiva en el hormigón antes de que este fragüe. Sin embargo, también se emplea el postensado como técnica para reforzar el hormigón. En términos de volumen utilizado anualmente, es uno de los materiales de ingeniería más comunes. [1] [2] En términos de ingeniería de corrosión , cuando se diseña correctamente, la alcalinidad del hormigón protege las varillas de refuerzo de acero de la corrosión . [3]

Descripción

Los esquemas de refuerzo generalmente están diseñados para resistir tensiones de tracción en regiones particulares del hormigón que podrían causar grietas inaceptables y/o fallas estructurales. El hormigón armado moderno puede contener diversos materiales de refuerzo hechos de acero, polímeros o materiales compuestos alternativos junto con varillas de refuerzo o no. El hormigón armado también puede estar estresado permanentemente (hormigón en compresión, refuerzo en tracción), a fin de mejorar el comportamiento de la estructura final bajo cargas de trabajo. En los Estados Unidos , los métodos más comunes para hacer esto se conocen como pretensado y postensado .

Para una construcción fuerte, dúctil y duradera el refuerzo debe tener al menos las siguientes propiedades:

  • Alta resistencia relativa
  • Alta tolerancia a la tensión de tracción.
  • Buena adherencia al hormigón, independientemente del pH, la humedad y factores similares.
  • Compatibilidad térmica, no provocando tensiones inaceptables (como expansión o contracción) en respuesta a cambios de temperatura.
  • Durabilidad en el entorno del hormigón, independientemente de la corrosión o del estrés sostenido, por ejemplo.

Historia

La novedosa forma del Pabellón Philips construido en Bruselas para la Expo 58 se logró utilizando hormigón armado

François Coignet utilizó el hormigón reforzado con hierro como técnica para construir estructuras de edificios. [4] En 1853, Coignet construyó la primera estructura de hormigón reforzado con hierro, una casa de cuatro pisos en el 72 de la rue Charles Michels en los suburbios de París. [4] Las descripciones de Coignet sobre el hormigón reforzado sugieren que no lo hizo como medio para agregar resistencia al hormigón sino para evitar que las paredes en la construcción monolítica se vuelquen. [5] El edificio Pippen de 1872-1873 en Brooklyn es un testimonio de su técnica.

En 1854, el constructor inglés William B. Wilkinson reforzó el techo y los pisos de hormigón de la casa de dos pisos que estaba construyendo. Su colocación del refuerzo demostró que, a diferencia de sus predecesores, tenía conocimiento de las tensiones de tracción. [6] [7] [8] Entre 1869 y 1870, Henry Eton diseñaría, y los señores W & T Phillips de Londres construirían, el puente Homersfield Bridge reforzado con hierro forjado , con una luz de 50' (15,25 metros), sobre el río Waveney, entre los condados ingleses de Norfolk y Suffolk. [9]

En 1877, Thaddeus Hyatt publicó un informe titulado An Account of Some Experiments with Portland-Cement-Concrete Combined with Iron as a Building Material, with Reference to Economy of Metal in Construction and for Security against Fire in the Making of Roofs, Floors, and Walking Surfaces (Relato de algunos experimentos con hormigón de cemento Portland combinado con hierro como material de construcción, con referencia a la economía del metal en la construcción y a la seguridad contra incendios en la fabricación de techos, suelos y superficies de paso) , [10] en el que informaba de sus experimentos sobre el comportamiento del hormigón armado. Su trabajo desempeñó un papel importante en la evolución de la construcción con hormigón como ciencia probada y estudiada. Sin el trabajo de Hyatt, se podría haber recurrido a métodos de ensayo y error más peligrosos para el avance de la tecnología. [5] [11]

Joseph Monier , un jardinero francés del siglo XIX, fue pionero en el desarrollo de hormigón estructural, prefabricado y reforzado, ya que no estaba satisfecho con los materiales existentes disponibles para hacer macetas duraderas. [12] Se le concedió una patente para reforzar macetas de hormigón mediante la mezcla de una malla de alambre y una capa de mortero. En 1877, Monier recibió otra patente para una técnica más avanzada de refuerzo de columnas y vigas de hormigón, utilizando varillas de hierro colocadas en un patrón de cuadrícula. Aunque Monier sin duda sabía que reforzar el hormigón mejoraría su cohesión interna, no está claro si incluso sabía cuánto mejoraba la resistencia a la tracción del hormigón con el refuerzo. [13]

Antes de la década de 1870, el uso de hormigón en la construcción, aunque se remontaba al Imperio Romano y se había reintroducido a principios del siglo XIX, todavía no era una tecnología científica probada.

Ernest L. Ransome , ingeniero nacido en Inglaterra, fue uno de los primeros innovadores de las técnicas de hormigón armado a finales del siglo XIX. Utilizando el conocimiento del hormigón armado desarrollado durante los 50 años anteriores, Ransome mejoró casi todos los estilos y técnicas de los inventores anteriores del hormigón armado. La innovación clave de Ransome fue torcer la barra de acero de refuerzo, mejorando así su unión con el hormigón. [14] Ransome, que ganó cada vez más fama por sus edificios construidos con hormigón, pudo construir dos de los primeros puentes de hormigón armado de América del Norte. [15] Uno de sus puentes todavía se encuentra en Shelter Island, en el East End de Nueva York. Uno de los primeros edificios de hormigón construidos en los Estados Unidos fue una casa privada diseñada por William Ward , terminada en 1876. La casa fue diseñada especialmente para ser ignífuga.

GA Wayss fue un ingeniero civil alemán y pionero de la construcción con hormigón armado de hierro y acero. En 1879, Wayss compró los derechos alemanes de las patentes de Monier y, en 1884, su empresa, Wayss & Freytag, hizo el primer uso comercial del hormigón armado. Hasta la década de 1890, Wayss y su empresa contribuyeron en gran medida al avance del sistema de refuerzo de Monier y lo establecieron como una tecnología científica bien desarrollada. [13]

Uno de los primeros rascacielos construidos con hormigón armado fue el edificio Ingalls de 16 pisos en Cincinnati, construido en 1904. [8]

El primer edificio de hormigón armado en el sur de California fue el Anexo Laughlin en el centro de Los Ángeles , construido en 1905. [16] [17] En 1906, se informó que se emitieron 16 permisos de construcción para edificios de hormigón armado en la ciudad de Los Ángeles, incluido el Auditorio Temple y el Hotel Hayward de 8 pisos. [18] [19]

En 1906, un derrumbe parcial del Hotel Bixby en Long Beach mató a 10 trabajadores durante la construcción cuando se retiraron los puntales prematuramente. Ese evento impulsó un escrutinio de las prácticas de construcción con hormigón y las inspecciones de edificios. La estructura se construyó con marcos de hormigón armado con pisos de tejas huecas de arcilla acanaladas y paredes de relleno de tejas huecas de arcilla. Esa práctica fue fuertemente cuestionada por los expertos y se hicieron recomendaciones para la construcción con hormigón "puro", utilizando hormigón armado para los pisos y las paredes, así como para los marcos. [20]

En abril de 1904, Julia Morgan , una arquitecta e ingeniera estadounidense, pionera en el uso estético del hormigón armado, completó su primera estructura de hormigón armado, El Campanil, un campanario de 22 m (72 pies) en el Mills College , [21] que se encuentra al otro lado de la bahía de San Francisco . Dos años más tarde, El Campanil sobrevivió al terremoto de San Francisco de 1906 sin sufrir daños, [22] lo que ayudó a construir su reputación y lanzar su prolífica carrera. [23] El terremoto de 1906 también cambió la resistencia inicial del público al hormigón armado como material de construcción, que había sido criticado por su aparente aburrimiento. En 1908, la Junta de Supervisores de San Francisco cambió los códigos de construcción de la ciudad para permitir un uso más amplio del hormigón armado. [24]

En 1906, la Asociación Nacional de Usuarios de Cemento (NACU) publicó la Norma N° 1 [25] y, en 1910, las Normas de Construcción Estándar para el Uso de Hormigón Armado . [26]

Uso en construcción

Varillas del tejado de la Sagrada Familia en construcción (2009)
Estatua del Cristo Redentor en Río de Janeiro, Brasil. Está hecha de hormigón armado revestido con un mosaico de miles de teselas triangulares de esteatita . [27]

Se pueden construir muchos tipos diferentes de estructuras y componentes de estructuras utilizando elementos de hormigón armado, incluyendo losas , muros , vigas , columnas , cimientos , marcos y más.

El hormigón armado se puede clasificar como hormigón prefabricado o hormigón colado in situ .

Diseñar e implementar el sistema de piso más eficiente es fundamental para crear estructuras de edificios óptimas. Pequeños cambios en el diseño de un sistema de piso pueden tener un impacto significativo en los costos de los materiales, el cronograma de construcción, la resistencia máxima, los costos operativos, los niveles de ocupación y el uso final de un edificio.

Sin refuerzo no sería posible construir estructuras modernas con material de hormigón.

Elementos de hormigón armado

Cuando se utilizan elementos de hormigón armado en la construcción, estos presentan un comportamiento básico cuando se someten a cargas externas . Los elementos de hormigón armado pueden estar sujetos a tracción , compresión , flexión , esfuerzo cortante y/o torsión . [28]

Comportamiento

Materiales

El hormigón es una mezcla de agregados gruesos (piedras o trozos de ladrillo) y finos (generalmente arena y/o piedra triturada) con una pasta de material aglutinante (generalmente cemento Portland ) y agua. Cuando el cemento se mezcla con una pequeña cantidad de agua, se hidrata para formar redes cristalinas microscópicas opacas que encapsulan y fijan el agregado en una forma rígida. [29] [30] Los agregados utilizados para hacer hormigón deben estar libres de sustancias nocivas como impurezas orgánicas, limo, arcilla, lignito, etc. Las mezclas de hormigón típicas tienen alta resistencia a las tensiones de compresión (alrededor de 4000 psi (28 MPa)); sin embargo, cualquier tensión apreciable ( por ejemplo, debido a la flexión ) romperá la red rígida microscópica, lo que provocará el agrietamiento y la separación del hormigón. Por esta razón, el hormigón no reforzado típico debe estar bien soportado para evitar el desarrollo de tensión.

Si se coloca un material con alta resistencia a la tracción, como el acero , en el hormigón, entonces el material compuesto, el hormigón armado, resiste no solo la compresión sino también la flexión y otras acciones de tracción directa. Una sección compuesta donde el hormigón resiste la compresión y las barras de refuerzo resisten la tracción se puede fabricar en casi cualquier forma y tamaño para la industria de la construcción.

Características clave

Tres características físicas confieren al hormigón armado sus propiedades especiales:

  1. El coeficiente de expansión térmica del hormigón es similar al del acero, eliminando grandes tensiones internas debidas a diferencias en la expansión o contracción térmica .
  2. Cuando la pasta de cemento dentro del hormigón se endurece, se adapta a los detalles de la superficie del acero, lo que permite que cualquier tensión se transmita de manera eficiente entre los diferentes materiales. Por lo general, las barras de acero se vuelven rugosas o corrugadas para mejorar aún más la unión o cohesión entre el hormigón y el acero.
  3. El ambiente químico alcalino proporcionado por la reserva de álcali (KOH, NaOH) y la portlandita ( hidróxido de calcio ) contenida en la pasta de cemento endurecida hace que se forme una película pasivante en la superficie del acero, haciéndolo mucho más resistente a la corrosión de lo que sería en condiciones neutras o ácidas. Cuando la pasta de cemento se expone al aire y el agua meteórica reacciona con el CO 2 atmosférico , la portlandita y el hidrato de silicato de calcio (CSH) de la pasta de cemento endurecida se carbonatan progresivamente y el pH alto disminuye gradualmente de 13,5 – 12,5 a 8,5, el pH del agua en equilibrio con la calcita ( carbonato de calcio ) y el acero ya no está pasivado.

Como regla general, y solo para dar una idea de los órdenes de magnitud, el acero está protegido a un pH superior a ~11, pero comienza a corroerse por debajo de ~10, dependiendo de las características del acero y las condiciones físico-químicas locales, cuando el hormigón se carbonata. La carbonatación del hormigón, junto con la entrada de cloruros, se encuentran entre las principales razones de la falla de las barras de refuerzo del hormigón.

El área transversal relativa del acero necesaria para el hormigón armado típico suele ser bastante pequeña y varía entre el 1 % para la mayoría de las vigas y losas y el 6 % para algunas columnas. Las barras de refuerzo suelen tener una sección transversal redonda y un diámetro variable. Las estructuras de hormigón armado a veces tienen elementos como núcleos huecos ventilados para controlar la humedad.

La distribución de las características de resistencia del hormigón (a pesar del refuerzo) a lo largo de la sección transversal de elementos verticales de hormigón armado no es homogénea. [31]

Mecanismo de acción compuesta de la armadura y el hormigón

El refuerzo en una estructura de hormigón armado, como una barra de acero, tiene que sufrir la misma tensión o deformación que el hormigón circundante para evitar la discontinuidad, el deslizamiento o la separación de los dos materiales bajo carga. Mantener la acción compuesta requiere la transferencia de carga entre el hormigón y el acero. La tensión directa se transfiere del hormigón a la interfaz de la barra para cambiar la tensión de tracción en la barra de refuerzo a lo largo de su longitud. Esta transferencia de carga se logra por medio de la unión (anclaje) y se idealiza como un campo de tensión continuo que se desarrolla en la proximidad de la interfaz acero-hormigón. Las razones por las que los dos componentes materiales diferentes, el hormigón y el acero, pueden trabajar juntos son las siguientes: (1) El refuerzo puede estar bien unido al hormigón, por lo que pueden resistir conjuntamente cargas externas y deformarse. (2) Los coeficientes de expansión térmica del hormigón y el acero son tan cercanos (1,0 × 10 −5 a1,5 × 10 −5 para hormigón y1,2 × 10 −5 para el acero) que se puede prevenir el daño inducido por el estrés térmico a la unión entre los dos componentes. (3) El hormigón puede proteger el acero incrustado de la corrosión y el ablandamiento inducido por altas temperaturas.

Anclaje (adherencia) en hormigón: Códigos de especificaciones

Debido a que la tensión real de adherencia varía a lo largo de la longitud de una barra anclada en una zona de tensión, los códigos internacionales de especificaciones actuales utilizan el concepto de longitud de desarrollo en lugar de tensión de adherencia. El requisito principal para la seguridad contra fallas de adherencia es proporcionar una extensión suficiente de la longitud de la barra más allá del punto donde se requiere que el acero desarrolle su tensión de fluencia y esta longitud debe ser al menos igual a su longitud de desarrollo. Sin embargo, si la longitud real disponible es inadecuada para el desarrollo completo, se deben proporcionar anclajes especiales, como dientes o ganchos o placas mecánicas de extremo. El mismo concepto se aplica a la longitud de empalme traslapado [32] mencionada en los códigos donde se proporcionan empalmes (superpuestos) entre dos barras adyacentes para mantener la continuidad requerida de la tensión en la zona de empalme.

Medidas anticorrosión

En climas húmedos y fríos, el hormigón armado para carreteras, puentes, estructuras de estacionamiento y otras estructuras que pueden estar expuestas a la sal antihielo puede beneficiarse del uso de refuerzos resistentes a la corrosión, como barras de refuerzo de acero inoxidable , galvanizadas por inmersión en caliente, revestidas con epoxi y con bajo contenido de carbono/cromo (microcompuesto) . Un buen diseño y una mezcla de hormigón bien elegida proporcionarán protección adicional para muchas aplicaciones.

Las barras de refuerzo de bajo contenido de carbono/cromo sin revestimiento tienen un aspecto similar a las barras de refuerzo de acero al carbono estándar debido a su falta de revestimiento; sus características de alta resistencia a la corrosión son inherentes a la microestructura del acero. Se pueden identificar por la marca de fábrica única especificada por ASTM en su acabado liso y oscuro de color carbón. Las barras de refuerzo revestidas con epoxi se pueden identificar fácilmente por el color verde claro de su revestimiento de epoxi. Las barras de refuerzo galvanizadas por inmersión en caliente pueden ser de un gris brillante o mate según el tiempo de exposición, y las barras de refuerzo de acero inoxidable presentan un brillo metálico blanco típico que se distingue fácilmente de las barras de refuerzo de acero al carbono. Consulte las especificaciones estándar ASTM A1035/A1035M Especificación estándar para barras de acero deformadas y lisas con bajo contenido de carbono y cromo para refuerzo de hormigón, Especificación estándar A767 para barras de refuerzo galvanizadas por inmersión en caliente, Especificación estándar A775 para barras de refuerzo de acero revestidas con epoxi y Especificación estándar A955 para barras de acero inoxidable deformadas y lisas para refuerzo de hormigón.

Otra forma más económica de proteger las barras de refuerzo es recubrirlas con fosfato de zinc . [33] El fosfato de zinc reacciona lentamente con los cationes de calcio y los aniones hidroxilo presentes en el agua de los poros del cemento y forma una capa estable de hidroxiapatita .

Los selladores penetrantes generalmente deben aplicarse algún tiempo después del curado. Los selladores incluyen pintura, espumas plásticas, películas y papel de aluminio , fieltros o esteras de tela selladas con alquitrán y capas de arcilla bentonita , que a veces se utilizan para sellar las capas de las carreteras.

Los inhibidores de corrosión , como el nitrito de calcio [Ca(NO 2 ) 2 ], también se pueden agregar a la mezcla de agua antes de verter el hormigón. Generalmente, se necesita un 1–2 % en peso de [Ca(NO 2 ) 2 ] con respecto al peso del cemento para evitar la corrosión de las barras de refuerzo. El anión nitrito es un oxidante suave que oxida los iones ferrosos solubles y móviles (Fe 2+ ) presentes en la superficie del acero corroído y hace que precipiten como un hidróxido férrico insoluble (Fe(OH) 3 ). Esto provoca la pasivación del acero en los sitios de oxidación anódica . El nitrito es un inhibidor de corrosión mucho más activo que el nitrato , que es un oxidante menos potente del hierro divalente.

Refuerzo y terminología de vigas

Dos vigas que se cruzan y que forman parte integral de la losa del estacionamiento que contendrá tanto el acero de refuerzo como el cableado, las cajas de conexiones y otros componentes eléctricos necesarios para instalar la iluminación superior del nivel del estacionamiento debajo.
Un breve vídeo de la última viga que se coloca en una carretera elevada, parte de una nueva carretera cerca de la bahía de Cardiff , Gales

Una viga se dobla bajo un momento de flexión , lo que da como resultado una pequeña curvatura. En la cara exterior (cara de tracción) de la curvatura, el hormigón experimenta tensión de tracción, mientras que en la cara interior (cara de compresión) experimenta tensión de compresión.

Una viga simplemente reforzada es aquella en la que el elemento de hormigón solo está reforzado cerca de la cara de tensión y el refuerzo, llamado acero de tensión, está diseñado para resistir la tensión.

Una viga doblemente reforzada es la sección en la que, además del refuerzo de tracción, el elemento de hormigón también está reforzado cerca de la cara de compresión para ayudar al hormigón a resistir la compresión y absorber las tensiones. Este último refuerzo se denomina acero de compresión. Cuando la zona de compresión de un hormigón es inadecuada para resistir el momento de compresión (momento positivo), se debe proporcionar un refuerzo adicional si el arquitecto limita las dimensiones de la sección.

Una viga poco reforzada es aquella en la que la capacidad de tracción del refuerzo de tracción es menor que la capacidad combinada de compresión del hormigón y del acero de compresión (poco reforzada en la cara de tracción). Cuando el elemento de hormigón armado se somete a un momento de flexión creciente, el acero de tracción cede mientras que el hormigón no alcanza su condición de fallo último. A medida que el acero de tracción cede y se estira, un hormigón "poco reforzado" también cede de manera dúctil, presentando una gran deformación y advertencia antes de su fallo último. En este caso, la tensión de fluencia del acero rige el diseño.

Una viga sobre reforzada es aquella en la que la capacidad de tracción del acero de tracción es mayor que la capacidad combinada de compresión del hormigón y del acero de compresión (sobre reforzada en la cara de tracción). Por lo tanto, la viga de "hormigón sobre reforzado" falla por aplastamiento del hormigón de la zona de compresión y antes de que ceda el acero de la zona de tracción, lo que no proporciona ninguna advertencia antes de la falla, ya que la falla es instantánea.

Una viga reforzada en equilibrio es aquella en la que tanto la zona de compresión como la de tracción alcanzan su límite elástico con la misma carga impuesta sobre la viga, y el hormigón se aplastará y el acero de tracción cederá al mismo tiempo. Sin embargo, este criterio de diseño es tan riesgoso como el hormigón sobre reforzado, porque la falla es repentina ya que el hormigón se aplasta al mismo tiempo que el acero de tracción cede, lo que da muy poca advertencia de angustia en caso de falla por tracción. [34]

Los elementos de hormigón reforzado con acero que soportan momentos normalmente deberían diseñarse para que estén insuficientemente reforzados, de modo que los usuarios de la estructura reciban una advertencia de un colapso inminente.

La resistencia característica es la resistencia de un material donde menos del 5% de la muestra muestra una resistencia menor.

La resistencia de diseño o resistencia nominal es la resistencia de un material, incluido un factor de seguridad del material. El valor del factor de seguridad generalmente varía de 0,75 a 0,85 en Diseño de tensión admisible .

El estado límite último es el punto de falla teórica con una probabilidad determinada. Se expresa en cargas y resistencias factorizadas.

Las estructuras de hormigón armado se diseñan normalmente de acuerdo con las normas y reglamentos o las recomendaciones de un código como ACI-318, CEB, Eurocódigo 2 o similar. Los métodos WSD, USD o LRFD se utilizan en el diseño de elementos estructurales de hormigón armado. El análisis y diseño de elementos de hormigón armado se puede llevar a cabo utilizando enfoques lineales o no lineales. Al aplicar factores de seguridad, los códigos de construcción normalmente proponen enfoques lineales, pero para algunos casos enfoques no lineales. Para ver los ejemplos de una simulación numérica y un cálculo no lineal, visite las referencias: [35] [36]

Hormigón pretensado

El pretensado del hormigón es una técnica que aumenta considerablemente la resistencia de las vigas de hormigón a la carga. El acero de refuerzo de la parte inferior de la viga, que estará sometido a fuerzas de tracción cuando esté en servicio, se pone en tensión antes de verter el hormigón a su alrededor. Una vez que el hormigón se ha endurecido, se libera la tensión del acero de refuerzo, lo que genera una fuerza de compresión incorporada en el hormigón. Cuando se aplican cargas, el acero de refuerzo asume más tensión y la fuerza de compresión en el hormigón se reduce, pero no se convierte en una fuerza de tracción. Dado que el hormigón siempre está bajo compresión, está menos sujeto a agrietarse y fallar. [37]

Modos de fallo comunes del hormigón reforzado con acero

Desprendimiento de hormigón del techo de una unidad de oficinas ( interior ) en Singapur , posiblemente debido a la corrosión de las barras de refuerzo.

El hormigón armado puede fallar debido a una resistencia inadecuada, lo que provoca una falla mecánica, o debido a una reducción en su durabilidad. La corrosión y los ciclos de congelación/descongelación pueden dañar el hormigón armado mal diseñado o construido. Cuando las barras de refuerzo se corroen, los productos de oxidación ( óxido ) se expanden y tienden a descascararse, agrietando el hormigón y desprendiéndolo del mismo. A continuación se analizan los mecanismos típicos que conducen a problemas de durabilidad.

Falla mecánica

Es casi imposible prevenir el agrietamiento de una sección de hormigón; sin embargo, el tamaño y la ubicación de las grietas se pueden limitar y controlar mediante un refuerzo adecuado, juntas de control, metodología de curado y diseño de la mezcla de hormigón. El agrietamiento puede permitir que la humedad penetre y corroa el refuerzo. Esto es una falla de servicio en el diseño de estados límites . El agrietamiento normalmente es el resultado de una cantidad inadecuada de varillas de refuerzo o de varillas de refuerzo espaciadas a una distancia demasiado grande. El hormigón se agrieta ya sea por exceso de carga o debido a efectos internos como la contracción térmica temprana mientras se cura.

El fallo final que conduce al colapso puede ser causado por aplastamiento del hormigón, que ocurre cuando las tensiones de compresión exceden su resistencia, por fluencia o fallo de la barra de refuerzo cuando las tensiones de flexión o de corte exceden la resistencia del refuerzo, o por fallo de la adherencia entre el hormigón y la barra de refuerzo. [38]

Carbonatación

Agrietamiento de paredes de hormigón a medida que el acero de refuerzo se corroe y se hincha. El óxido tiene una densidad menor que el metal, por lo que se expande a medida que se forma, agrietando el revestimiento decorativo de la pared y dañando el hormigón estructural. La rotura del material de una superficie se denomina desconchado .
Vista detallada del desconchado probablemente causado por una capa demasiado delgada de hormigón entre el acero y la superficie, acompañado de corrosión por exposición externa.

La carbonatación, o neutralización, es una reacción química entre el dióxido de carbono del aire y el hidróxido de calcio y el silicato de calcio hidratado del hormigón.

Cuando se diseña una estructura de hormigón, es habitual especificar la cobertura de hormigón para las barras de refuerzo (la profundidad de las barras de refuerzo dentro del objeto). La cobertura mínima de hormigón normalmente está regulada por los códigos de diseño o de construcción . Si el refuerzo está demasiado cerca de la superficie, puede producirse una falla temprana debido a la corrosión. La profundidad de la cobertura de hormigón se puede medir con un medidor de cobertura . Sin embargo, el hormigón carbonatado incurre en un problema de durabilidad solo cuando también hay suficiente humedad y oxígeno para provocar corrosión electropotencial del acero de refuerzo.

Un método para comprobar si una estructura está carbonatada es perforar un nuevo orificio en la superficie y luego tratar la superficie cortada con una solución indicadora de fenolftaleína . Esta solución se vuelve rosada al entrar en contacto con el hormigón alcalino, lo que permite ver la profundidad de la carbonatación. No es suficiente utilizar un orificio ya existente porque la superficie expuesta ya estará carbonatada.

Cloruros

Los cloruros pueden favorecer la corrosión de las barras de refuerzo incrustadas si están presentes en concentraciones suficientemente altas. Los aniones de cloruro inducen tanto la corrosión localizada ( corrosión por picaduras ) como la corrosión generalizada de las armaduras de acero. Por este motivo, se debe utilizar únicamente agua dulce cruda o agua potable para mezclar el hormigón y asegurarse de que los áridos gruesos y finos no contengan cloruros, en lugar de aditivos que sí los contengan.

Varillas de refuerzo para cimentaciones y muros de una estación de bombeo de aguas residuales.
El viaducto Paulins Kill , en Hainesburg, Nueva Jersey, tiene 35 m (115 pies) de alto y 335 m (1100 pies) de largo y fue considerado la estructura de hormigón armado más grande del mundo cuando se completó en 1910 como parte del proyecto de la línea ferroviaria Lackawanna Cut-Off . El ferrocarril Lackawanna fue pionero en el uso de hormigón armado.

En el pasado, era común utilizar cloruro de calcio como aditivo para acelerar el fraguado del hormigón. También se creía erróneamente que evitaría la congelación. Sin embargo, esta práctica cayó en desuso cuando se conocieron los efectos nocivos de los cloruros. Debe evitarse siempre que sea posible.

El uso de sales antihielo en las carreteras, que se utilizan para reducir el punto de congelación del agua, es probablemente una de las principales causas de fallo prematuro de los tableros de puentes, carreteras y aparcamientos de hormigón armado o pretensado. El uso de barras de refuerzo revestidas de epoxi y la aplicación de protección catódica han mitigado este problema en cierta medida. También se sabe que las barras de refuerzo de FRP (polímero reforzado con fibra) son menos susceptibles a los cloruros. Las mezclas de hormigón diseñadas correctamente y que se han dejado curar adecuadamente son efectivamente impermeables a los efectos de los antihielo.

Otra fuente importante de iones cloruro es el agua de mar . El agua de mar contiene aproximadamente un 3,5% en peso de sales. Estas sales incluyen cloruro de sodio , sulfato de magnesio , sulfato de calcio y bicarbonatos . En el agua, estas sales se disocian en iones libres (Na + , Mg2 + , Cl− , SO2−
4, HCO−
3) y migran con el agua a los capilares del hormigón. Los iones cloruro, que constituyen aproximadamente el 50% de estos iones, son especialmente agresivos como causa de corrosión de las barras de refuerzo de acero al carbono.

En los años 1960 y 1970 también era relativamente común el uso de magnesita , un mineral de carbonato rico en cloruros , como material para pisos. Esto se hacía principalmente como capa niveladora y atenuadora del sonido. Sin embargo, ahora se sabe que cuando estos materiales entran en contacto con la humedad producen una solución débil de ácido clorhídrico debido a la presencia de cloruros en la magnesita. Con el tiempo (normalmente décadas), la solución provoca corrosión de las barras de refuerzo incrustadas . Esto se encontraba con mayor frecuencia en áreas húmedas o áreas expuestas repetidamente a la humedad.

Reacción de sílice alcalina

Esta es una reacción de la sílice amorfa ( calcedonia , sílex , caliza silícea ) a veces presente en los agregados con los iones hidroxilo (OH − ) de la solución de los poros del cemento. La sílice pobremente cristalizada (SiO 2 ) se disuelve y se disocia a un pH alto (12,5 - 13,5) en agua alcalina. El ácido silícico disociado soluble reacciona en el agua intersticial con el hidróxido de calcio ( portlandita ) presente en la pasta de cemento para formar un hidrato de silicato de calcio expansivo (CSH). La reacción álcali-sílice (ASR) causa una hinchazón localizada responsable de la tensión de tracción y el agrietamiento . Las condiciones requeridas para la reacción álcali-sílice son tres: (1) agregado que contiene un constituyente reactivo alcalino (sílice amorfa), (2) suficiente disponibilidad de iones hidroxilo (OH − ), y (3) suficiente humedad, por encima del 75% de humedad relativa (RH) dentro del hormigón. [39] [40] Este fenómeno se conoce popularmente como " cáncer del hormigón ". Esta reacción se produce independientemente de la presencia de varillas de refuerzo; las estructuras de hormigón de gran tamaño, como las presas, pueden verse afectadas.

Conversión de cemento con alto contenido de alúmina

Resistente a los ácidos débiles y especialmente a los sulfatos, este cemento cura rápidamente y tiene una durabilidad y resistencia muy altas. Se utilizó con frecuencia después de la Segunda Guerra Mundial para hacer objetos de hormigón prefabricado. Sin embargo, puede perder resistencia con el calor o el tiempo (conversión), especialmente si no se cura correctamente. Después del colapso de tres techos hechos de vigas de hormigón pretensado utilizando cemento con alto contenido de alúmina, este cemento fue prohibido en el Reino Unido en 1976. Investigaciones posteriores sobre el asunto mostraron que las vigas estaban fabricadas incorrectamente, pero la prohibición se mantuvo. [41]

Sulfatos

Los sulfatos (SO4 ) en el suelo o en las aguas subterráneas, en concentración suficiente, pueden reaccionar con el cemento Portland del hormigón y provocar la formación de productos expansivos, por ejemplo, etringita o taumasita , que pueden provocar un fallo prematuro de la estructura. El ataque más típico de este tipo se produce en losas de hormigón y muros de cimentación en niveles en los que el ion sulfato, mediante humectación y secado alternativos, puede aumentar en concentración. A medida que aumenta la concentración, puede comenzar el ataque al cemento Portland. En el caso de estructuras enterradas, como tuberías, este tipo de ataque es mucho más raro, especialmente en el este de los Estados Unidos. La concentración de iones sulfato aumenta mucho más lentamente en la masa del suelo y depende especialmente de la cantidad inicial de sulfatos en el suelo nativo. Se debe realizar un análisis químico de las perforaciones del suelo para comprobar la presencia de sulfatos durante la fase de diseño de cualquier proyecto que implique hormigón en contacto con el suelo nativo. Si se descubre que las concentraciones son agresivas, se pueden aplicar varios revestimientos protectores. Además, en los EE. UU. se puede utilizar cemento Portland ASTM C150 Tipo 5 en la mezcla. Este tipo de cemento está diseñado para ser particularmente resistente al ataque de sulfatos.

Construcción de placas de acero

En la construcción con placas de acero, los largueros unen placas de acero paralelas. Los conjuntos de placas se fabrican fuera del sitio y se sueldan entre sí en el lugar para formar paredes de acero conectadas por largueros. Las paredes se convierten en el molde en el que se vierte el hormigón. La construcción con placas de acero acelera la construcción de hormigón armado al eliminar los pasos manuales en el sitio que consumen mucho tiempo de atar las varillas de refuerzo y construir los moldes. El método da como resultado una excelente resistencia porque el acero está en el exterior, donde las fuerzas de tracción suelen ser mayores.

Hormigón reforzado con fibras

El refuerzo con fibras se utiliza principalmente en hormigón proyectado , pero también se puede utilizar en hormigón normal. El hormigón normal reforzado con fibras se utiliza principalmente para pisos y pavimentos, pero también se puede considerar para una amplia gama de piezas de construcción (vigas, pilares, cimientos, etc.), ya sea solo o con barras de refuerzo atadas a mano.

El hormigón reforzado con fibras (que suelen ser de acero, vidrio , plástico ) o fibra de polímero de celulosa es menos costoso que las barras de refuerzo atadas a mano. [ cita requerida ] La forma, dimensión y longitud de la fibra son importantes. Una fibra fina y corta, por ejemplo fibra de vidrio corta, con forma de cabello, solo es eficaz durante las primeras horas después de verter el hormigón (su función es reducir el agrietamiento mientras el hormigón se endurece), pero no aumentará la resistencia a la tracción del hormigón. Una fibra de tamaño normal para hormigón proyectado europeo (1 mm de diámetro, 45 mm de longitud, acero o plástico) aumentará la resistencia a la tracción del hormigón. El refuerzo de fibra se utiliza con mayor frecuencia para complementar o reemplazar parcialmente las barras de refuerzo principales y, en algunos casos, puede diseñarse para reemplazar completamente las barras de refuerzo. [42]

El acero es la fibra más resistente que se encuentra disponible en la actualidad [ cita requerida ] y se presenta en distintas longitudes (de 30 a 80 mm en Europa) y formas (ganchos en los extremos). Las fibras de acero solo se pueden utilizar en superficies que puedan tolerar o evitar la corrosión y las manchas de óxido. En algunos casos, una superficie de fibra de acero se reviste con otros materiales.

La fibra de vidrio es barata y resistente a la corrosión, pero no tan dúctil como el acero. Recientemente, la fibra de basalto hilada , disponible desde hace mucho tiempo en Europa del Este , se ha vuelto disponible en los EE. UU. y Europa Occidental. La fibra de basalto es más fuerte y menos costosa que el vidrio, pero históricamente no ha resistido el entorno alcalino del cemento Portland lo suficientemente bien como para ser utilizada como refuerzo directo. Los nuevos materiales utilizan aglutinantes plásticos para aislar la fibra de basalto del cemento.

Las fibras de primera calidad son fibras plásticas reforzadas con grafito , que son casi tan fuertes como el acero, más livianas y resistentes a la corrosión. [ cita requerida ] Algunos experimentos han tenido resultados iniciales prometedores con nanotubos de carbono , pero el material aún es demasiado caro para cualquier construcción. [ cita requerida ]

Refuerzo sin acero

Existe una superposición considerable entre los temas de refuerzo no de acero y refuerzo de fibra del hormigón. La introducción de refuerzo no de acero del hormigón es relativamente reciente; adopta dos formas principales: varillas de refuerzo no metálicas y fibras no de acero (generalmente también no metálicas) incorporadas a la matriz de cemento. Por ejemplo, existe un creciente interés en el hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC) y en varias aplicaciones de fibras poliméricas incorporadas al hormigón. Aunque actualmente no hay mucha sugerencia de que dichos materiales reemplazarán a las barras de refuerzo metálicas, algunos de ellos tienen ventajas importantes en aplicaciones específicas, y también hay nuevas aplicaciones en las que las barras de refuerzo metálicas simplemente no son una opción. Sin embargo, el diseño y la aplicación de refuerzos no de acero están plagados de desafíos. Por un lado, el hormigón es un entorno altamente alcalino, en el que muchos materiales, incluidos la mayoría de los tipos de vidrio, tienen una vida útil deficiente . Además, el comportamiento de dichos materiales de refuerzo difiere del comportamiento de los metales, por ejemplo en términos de resistencia al corte, fluencia y elasticidad. [43] [44]

Los plásticos reforzados con fibra de vidrio (FRP) y los plásticos reforzados con fibra de vidrio (GRP) están compuestos de fibras de polímero , vidrio, carbono, aramida u otros polímeros o fibras de alta resistencia colocadas en una matriz de resina para formar una varilla de refuerzo, una rejilla o una fibra. Estas varillas de refuerzo se instalan de forma muy similar a las varillas de refuerzo de acero. El coste es más elevado, pero, si se aplican adecuadamente, las estructuras tienen ventajas, en particular una reducción drástica de los problemas relacionados con la corrosión , ya sea por la alcalinidad intrínseca del hormigón o por los fluidos corrosivos externos que pueden penetrar en el hormigón. Estas estructuras pueden ser significativamente más ligeras y suelen tener una vida útil más larga . El coste de estos materiales ha disminuido drásticamente desde su adopción generalizada en la industria aeroespacial y por parte del ejército.

En particular, las varillas de FRP son útiles para estructuras donde la presencia de acero no sería aceptable. Por ejemplo, las máquinas de resonancia magnética tienen imanes enormes y, en consecuencia, requieren edificios no magnéticos . Nuevamente, las cabinas de peaje que leen etiquetas de radio necesitan hormigón armado que sea transparente a las ondas de radio . Además, cuando la vida útil de diseño de la estructura de hormigón es más importante que sus costos iniciales, el refuerzo sin acero a menudo tiene sus ventajas donde la corrosión del acero de refuerzo es una causa principal de falla. En tales situaciones, el refuerzo a prueba de corrosión puede extender sustancialmente la vida útil de una estructura, por ejemplo, en la zona intermareal . Las varillas de FRP también pueden ser útiles en situaciones en las que es probable que la estructura de hormigón se vea comprometida en los próximos años, por ejemplo, los bordes de los balcones cuando se reemplazan las balaustradas y los pisos de los baños en construcciones de varios pisos donde la vida útil de la estructura del piso es probable que sea muchas veces la vida útil de la membrana impermeabilizante del edificio.

El refuerzo de plástico suele ser más resistente o, al menos, tiene una mejor relación resistencia-peso que los aceros de refuerzo. Además, como resiste la corrosión, no necesita una capa protectora de hormigón tan gruesa como la del refuerzo de acero (normalmente de 30 a 50 mm o más). Por tanto, las estructuras reforzadas con FRP pueden ser más ligeras y durar más. En consecuencia, para algunas aplicaciones, el coste total de la estructura será competitivo en precio con el del hormigón reforzado con acero.

Las propiedades materiales de las barras de FRP o GRP difieren notablemente del acero, por lo que existen diferencias en las consideraciones de diseño. Las barras de FRP o GRP tienen una resistencia a la tracción relativamente mayor pero una rigidez menor, por lo que es probable que las deflexiones sean mayores que para las unidades equivalentes reforzadas con acero. Las estructuras con refuerzo interno de FRP suelen tener una deformabilidad elástica comparable a la deformabilidad plástica (ductilidad) de las estructuras reforzadas con acero. Es más probable que la falla en cualquiera de los casos ocurra por compresión del hormigón que por ruptura del refuerzo. La deflexión es siempre una consideración de diseño importante para el hormigón armado. Los límites de deflexión se establecen para garantizar que los anchos de grietas en el hormigón reforzado con acero estén controlados para evitar que el agua, el aire u otras sustancias agresivas lleguen al acero y provoquen corrosión. Para el hormigón reforzado con FRP, la estética y posiblemente la impermeabilidad serán los criterios limitantes para el control del ancho de grietas. Las varillas de FRP también tienen resistencias a la compresión relativamente menores que las barras de refuerzo de acero y, en consecuencia, requieren diferentes enfoques de diseño para las columnas de hormigón armado .

Una desventaja del uso de refuerzos de FRP es su limitada resistencia al fuego. Cuando la seguridad contra incendios es una consideración, las estructuras que emplean FRP tienen que mantener su resistencia y el anclaje de las fuerzas a las temperaturas que se esperan en caso de incendio. Para fines de protección contra incendios , es necesario un espesor adecuado de cubierta de hormigón de cemento o revestimiento protector. Se ha demostrado que la adición de 1 kg/ m3 de fibras de polipropileno al hormigón reduce el desconchado durante un incendio simulado. [45] (Se cree que la mejora se debe a la formación de vías de escape a partir de la masa del hormigón, lo que permite que se disipe la presión del vapor. [45] )

Otro problema es la eficacia del refuerzo de cortante. Los estribos de varilla de refuerzo de FRP formados por flexión antes del endurecimiento generalmente tienen un rendimiento relativamente bajo en comparación con los estribos de acero o las estructuras con fibras rectas. Cuando se deforman, la zona entre las regiones rectas y curvas está sujeta a fuertes tensiones de flexión, cortante y longitudinales. Se necesitan técnicas de diseño especiales para abordar estos problemas.

Existe un creciente interés en aplicar refuerzos externos a las estructuras existentes utilizando materiales avanzados como las barras de refuerzo compuestas (fibra de vidrio, basalto, carbono), que pueden impartir una resistencia excepcional. En todo el mundo, existen varias marcas de barras de refuerzo compuestas reconocidas por diferentes países, como Aslan, DACOT, V-rod y ComBar. El número de proyectos que utilizan barras de refuerzo compuestas aumenta día a día en todo el mundo, en países que van desde Estados Unidos, Rusia y Corea del Sur hasta Alemania.

Véase también

Referencias

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