Concreto reforzado - Reinforced concrete

Concreto reforzado
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Una columna de hormigón armado pesado, visto antes y después de que el hormigón se haya colocado en su lugar alrededor de su jaula de barras de refuerzo
Escribe Material compuesto
Propiedades mecánicas
Resistencia a la tracciónt ) Más fuerte que el hormigón

El hormigón armado ( RC ), también llamado hormigón de cemento reforzado ( RCC ), es un material compuesto en el que la resistencia a la tracción y la ductilidad relativamente bajas del hormigón se compensan mediante la inclusión de un refuerzo que tiene una mayor resistencia a la tracción o ductilidad. El refuerzo es generalmente, aunque no necesariamente, barras de acero (barras de refuerzo ) y generalmente se incrusta pasivamente en el concreto antes de que fragüe. En todo el mundo, en términos de volumen, es un material de ingeniería absolutamente clave.

Descripción

Los esquemas de refuerzo generalmente están diseñados para resistir tensiones de tracción en regiones particulares del concreto que podrían causar grietas inaceptables y / o fallas estructurales. El hormigón armado moderno puede contener diversos materiales de refuerzo hechos de acero, polímeros o material compuesto alternativo junto con barras de refuerzo o no. El hormigón armado también puede someterse a tensiones permanentes (hormigón en compresión, armadura en tracción), para 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 fuerza relativa
  • Alta tolerancia a la tensión de tracción.
  • Buena adherencia al hormigón, independientemente del pH, la humedad y factores similares.
  • Compatibilidad térmica, que no causa tensiones inaceptables (como expansión o contracción) en respuesta a cambios de temperatura.
  • Durabilidad en el entorno del hormigón, independientemente de la corrosión o la tensión sostenida, por ejemplo.

Historia

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

François Coignet fue el primero en utilizar hormigón armado con hierro como técnica para la construcción de estructuras de edificios. En 1853, Coignet construyó la primera estructura de hormigón armado con hierro, una casa de cuatro pisos en 72 rue Charles Michels en los suburbios de París. Las descripciones de Coignet del hormigón armado sugieren que no lo hizo por un medio de añadir resistencia al hormigón, sino para evitar que las paredes de la construcción monolítica se volcaran. En 1854, el constructor inglés William B. Wilkinson reforzó el techo y los pisos de concreto de la casa de dos pisos que estaba construyendo. Su posicionamiento del refuerzo demostró que, a diferencia de sus predecesores, tenía conocimiento de las tensiones de tracción.

Joseph Monier , un jardinero francés del siglo XIX, fue un pionero en el desarrollo de hormigón estructural, prefabricado y reforzado, al no estar satisfecho con los materiales existentes disponibles para hacer macetas duraderas. Se le otorgó una patente para el refuerzo de macetas de hormigón mediante la mezcla de una malla de alambre y una coraza de mortero. En 1877, a Monier se le otorgó 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 indudablemente sabía que el hormigón armado mejoraría su cohesión interna, no está claro si siquiera sabía cuánto mejoraba la resistencia a la tracción del hormigón con el refuerzo.

Antes de la década de 1870, el uso de la construcción de hormigón, aunque se remonta al Imperio Romano y se reintrodujo a principios del siglo XIX, aún no era una tecnología científica probada. Thaddeus Hyatt , publicó un informe titulado Un relato de algunos experimentos con cemento Portland combinado con hierro como material de construcción, con referencia a la economía del metal en la construcción y para la seguridad contra incendios en la fabricación de techos, pisos y superficies para caminar. , en el que relata sus experimentos sobre el comportamiento del hormigón armado. Su trabajo jugó un papel importante en la evolución de la construcción de hormigón como ciencia probada y estudiada. Sin el trabajo de Hyatt, se podría haber dependido de métodos de prueba y error más peligrosos para el avance de la tecnología.

Ernest L. Ransome , un ingeniero de origen inglés, 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 primeros inventores del hormigón armado. La innovación clave de Ransome fue torcer la barra de acero de refuerzo, mejorando así su unión con el hormigón. Ganando una fama cada vez mayor por sus edificios construidos con hormigón, Ransome pudo construir dos de los primeros puentes de hormigón armado en América del Norte. 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 a prueba de fuego.

GA Wayss fue un ingeniero civil alemán y pionero en la construcción de hormigón 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, lo establecieron como una tecnología científica bien desarrollada.

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

El primer edificio de hormigón armado en el sur de California fue el anexo Laughlin en el centro de Los Ángeles , construido en 1905. En 1906, según los informes, se emitieron 16 permisos de construcción para edificios de hormigón armado en la ciudad de Los Ángeles, incluido el Temple Auditorium y Hayward de 8 pisos. Hotel.

En 1906, un colapso parcial del Hotel Bixby en Long Beach mató a 10 trabajadores durante la construcción cuando se retiraron prematuramente los apuntalamientos. Ese evento estimuló un escrutinio de las prácticas de construcción de concreto y las inspecciones de edificios. La estructura se construyó con pórticos de hormigón armado con piso nervado de teja hueca de arcilla y paredes de relleno de teja hueca. Esa práctica fue fuertemente cuestionada por los expertos y se formularon recomendaciones para la construcción de hormigón "puro", utilizando hormigón armado para los pisos y paredes, así como los marcos.

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 72 pies (22 m) en Mills College , que se encuentra frente a la bahía de San Francisco . Dos años más tarde, El Campanil sobrevivió al terremoto de San Francisco de 1906 sin ningún daño, lo que ayudó a construir su reputación y lanzar su prolífica carrera. El terremoto de 1906 también cambió la resistencia inicial del público al hormigón armado como material de construcción, que había sido criticado por su percepción de 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.

En 1906, la Asociación Nacional de Usuarios de Cemento (NACU) publicó el Estándar No. 1 y, en 1910, el Reglamento de Construcción Estándar para el Uso de Concreto Armado .

Uso en construcción

Barras de la cubierta de la Sagrada Familia en construcción (2009)

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

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

Diseñar e implementar el sistema de piso más eficiente es clave para crear estructuras de construcción óptimas. Los pequeños cambios en el diseño de un sistema de piso pueden tener un impacto significativo en los costos de 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.

Comportamiento del hormigón armado

Materiales

El concreto es una mezcla de agregados gruesos (piedra o ladrillos) y finos (generalmente arena 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 opacas microscópicas que encapsulan y bloquean el agregado en una estructura rígida. Los agregados utilizados para la fabricación de hormigón deben estar libres de sustancias nocivas como impurezas orgánicas, limo, arcilla, lignito etc. mezclas típicas de hormigón tienen alta resistencia a la compresión tensiones (alrededor de 4000 psi (28 MPa)); sin embargo, cualquier tensión apreciable ( por ejemplo, debido a la flexión ) romperá la celosía rígida microscópica, lo que provocará el agrietamiento y la separación del hormigón. Por esta razón, el hormigón no reforzado típico debe estar bien apoyado para evitar el desarrollo de tensiones.

Si un material con alta resistencia a la tracción, como el acero , se coloca 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 la " barra de refuerzo" de refuerzo resiste la tensión se puede fabricar en casi cualquier forma y tamaño para la industria de la construcción.

Caracteristicas claves

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, permitiendo que cualquier tensión se transmita de manera eficiente entre los diferentes materiales. Por lo general, las barras de acero están 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 alcalina (KOH, NaOH) y la portlandita ( hidróxido de calcio ) contenida en la pasta de cemento endurecido hace que se forme una película pasivante en la superficie del acero, haciéndolo mucho más resistente a la corrosión de lo que sería. estar 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 silicato de calcio hidratado (CSH) de la pasta de cemento endurecida se carbonatan progresivamente y el pH alto disminuye gradualmente de 13,5 a 12,5 a 8,5, el pH del agua en equilibrio con calcita ( carbonato de calcio ) y el acero ya no está pasivado.

Como regla general, solo para dar una idea en 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 cloruro se encuentran entre las principales razones del fallo de las barras de refuerzo en el hormigón.

El área de la sección transversal relativa de acero requerida para el hormigón armado típico suele ser bastante pequeña y varía del 1% para la mayoría de las vigas y losas al 6% para algunas columnas. Las barras de refuerzo son normalmente redondas en sección transversal y varían en diámetro. Las estructuras de hormigón armado a veces tienen disposiciones como núcleos huecos ventilados para controlar su humedad y humedad.

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

Mecanismo de acción compuesta de armaduras y hormigón.

El refuerzo en una estructura RC, como una barra de acero, tiene que sufrir la misma deformación 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 mediante unión (anclaje) y se idealiza como un campo de tensión continuo que se desarrolla en las proximidades de la interfaz acero-hormigón. Las razones por las que los dos componentes de material diferentes, el hormigón y el acero, pueden trabajar juntos son las siguientes: (1) El refuerzo puede estar bien adherido 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 ~ 1,5 × 10-5 para el hormigón y 1,2 × 10-5 para el acero) que el daño inducido por la tensión térmica en la unión entre los dos los componentes pueden prevenirse. (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 de adherencia real varía a lo largo de la longitud de una barra anclada en una zona de tensión, los códigos de especificaciones internacionales 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 límite 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 de extremo mecánicas. El mismo concepto se aplica a la longitud del empalme traslapado mencionado en los códigos donde los empalmes (superposición) se proporcionan entre dos barras adyacentes para mantener la continuidad requerida de 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 descongelante pueden beneficiarse del uso de refuerzos resistentes a la corrosión como sin recubrimiento, con bajo contenido de carbono / cromo (microcompuesto), recubierto con epoxi. , varilla de acero galvanizado en caliente o acero inoxidable . Un buen diseño y una mezcla de hormigón bien elegida proporcionarán protección adicional para muchas aplicaciones. Las varillas corrugadas con bajo contenido de carbono / cromo sin recubrimiento tienen un aspecto similar a las varillas de acero al carbono estándar debido a la falta de recubrimiento; sus características altamente resistentes a la corrosión son inherentes a la microestructura del acero. Se puede identificar por la marca de molino especificada por ASTM única en su acabado liso y oscuro de carbón. Las barras de refuerzo revestidas con epoxi se pueden identificar fácilmente por el color verde claro de su revestimiento epoxi. Las barras de refuerzo galvanizadas en caliente pueden ser de color gris brillante o opaco dependiendo de la duración de la exposición, y las barras de acero inoxidable exhiben un brillo metálico blanco típico que se distingue fácilmente de las barras de refuerzo de acero al carbono. Consulte las especificaciones de la norma ASTM A1035 / A1035M Especificación estándar para barras de acero deformadas y sencillas con bajo contenido de carbono, cromo para refuerzo de concreto, Especificación estándar A767 para barras de refuerzo galvanizadas por inmersión en caliente, Especificación estándar A775 para barras de refuerzo de acero con recubrimiento epoxi y Especificación estándar A955 para barras de acero deformadas y barras lisas de acero inoxidable para refuerzo de hormigón.

Otra forma más económica de proteger las barras de refuerzo es recubrirlas con fosfato de zinc . 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 tapetes de tela sellados con alquitrán y capas de arcilla bentonita , que a veces se usa para sellar el lecho de las carreteras.

Los inhibidores de la corrosión , como el nitrito de calcio [Ca (NO 2 ) 2 ], también se pueden agregar a la mezcla de agua antes de verter el concreto. Generalmente, 1 a 2 en peso. Se necesita un % de [Ca (NO 2 ) 2 ] con respecto al peso del cemento para evitar la corrosión de las varillas. 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 se precipiten como hidróxido férrico insoluble (Fe (OH) 3 ). Esto provoca la pasivación del acero en los sitios de oxidación anódica . El nitrito es un inhibidor de la 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 integrales a la losa del garaje de estacionamiento que contendrán tanto el acero de refuerzo como el cableado, las cajas de conexiones y otros componentes eléctricos necesarios para instalar la iluminación del techo para el nivel del garaje debajo de ella.
Un breve video de la última viga colocada en una carretera elevada, parte de una nueva carretera cerca de la bahía de Cardiff , Gales

Una viga se dobla bajo un momento flector , lo que resulta en 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 de refuerzo simple es aquella en la que el elemento de hormigón solo se refuerza cerca de la cara de tracción y el refuerzo, llamado acero de tracción, 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 se refuerza cerca de la cara de compresión para ayudar al hormigón a resistir la compresión y soportar tensiones. Este último refuerzo se llama 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 con refuerzo insuficiente es aquella en la que la capacidad de tracción del refuerzo de tracción es menor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero de compresión (refuerzo deficiente en la cara de tracción). Cuando el elemento de hormigón armado está sujeto a un momento de flexión creciente, el acero de tensión cede mientras que el hormigón no alcanza su condición de falla final. A medida que el acero de tensión cede y se estira, un concreto "sub-reforzado" también cede de manera dúctil, exhibiendo una gran deformación y advertencia antes de su falla final. En este caso, el límite elástico del acero gobierna el diseño.

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

Una viga reforzada equilibrada es aquella en la que las zonas de compresión y tracción llegan a ceder 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 arriesgado como el concreto sobrearmado, porque la falla es repentina ya que el concreto se aplasta al mismo tiempo que el acero de tracción cede, lo que da una pequeña advertencia de angustia en la falla por tensión.

Los elementos portadores de momentos de hormigón reforzado con acero normalmente deben diseñarse para estar reforzados de manera que los usuarios de la estructura reciban una advertencia de un colapso inminente.

La resistencia característica es la resistencia de un material en el que 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 el diseño de tensión admisible .

El estado límite último es el punto de falla teórico con una cierta probabilidad. Se indica en cargas factorizadas y resistencias factorizadas.

Las estructuras de hormigón armado normalmente se diseñan de acuerdo con las reglas y regulaciones o la recomendación de un código como ACI-318, CEB, Eurocode 2 o similares. Los métodos WSD, USD o LRFD se utilizan en el diseño de miembros estructurales RC. El análisis y el diseño de miembros RC se pueden llevar a cabo utilizando enfoques lineales o no lineales. Al aplicar factores de seguridad, los códigos de construcción normalmente proponen enfoques lineales, pero en algunos casos enfoques no lineales. Para ver los ejemplos de una simulación y cálculo numérico no lineal, visite las referencias:

Hormigón pretensado

El hormigón pretensado es una técnica que aumenta en gran medida la resistencia de carga de las vigas de hormigón. El acero de refuerzo en la parte inferior de la viga, que estará sujeto a fuerzas de tracción cuando esté en servicio, se coloca en tensión antes de verter el hormigón a su alrededor. Una vez que el hormigón se ha endurecido, se libera la tensión sobre el acero de refuerzo, colocando una fuerza de compresión incorporada sobre el hormigón. Cuando se aplican cargas, el acero de refuerzo adquiere 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 está siempre bajo compresión, está menos sujeto a grietas y fallas.

Modos de falla comunes del hormigón armado con acero

El hormigón armado puede fallar debido a una resistencia inadecuada, provocando fallas mecánicas o debido a una reducción de su durabilidad. Los ciclos de corrosión y congelación / descongelación pueden dañar el hormigón armado mal diseñado o construido. Cuando la barra de refuerzo se corroe, los productos de oxidación ( óxido ) se expanden y tienden a escamarse, agrietando el hormigón y despegando la barra de refuerzo del hormigón. Los mecanismos típicos que conducen a problemas de durabilidad se analizan a continuación.

Falla mecánica

El agrietamiento de la sección de hormigón es casi imposible de prevenir; sin embargo, el tamaño y la ubicación de las grietas pueden limitarse y controlarse mediante el refuerzo adecuado, las juntas de control, la metodología de curado y el diseño de la mezcla de hormigón. El agrietamiento puede permitir que la humedad penetre y corroa el refuerzo. Este es un fallo de capacidad de servicio en el diseño de estado límite . El agrietamiento es normalmente el resultado de una cantidad inadecuada de barras de refuerzo, o barras de refuerzo espaciadas a una distancia demasiado grande. Luego, el concreto se agrieta bajo una carga excesiva o debido a efectos internos, como una contracción térmica temprana mientras se cura.

La falla máxima que conduce al colapso puede ser causada por aplastamiento del concreto, que ocurre cuando los esfuerzos de compresión exceden su resistencia, por ceder o falla de la barra de refuerzo cuando los esfuerzos de flexión o cortante exceden la resistencia del refuerzo, o por falla de la unión entre el concreto y el barra de refuerzo.

Carbonatación

El muro de hormigón se agrieta cuando el refuerzo de acero se corroe y se hincha. El óxido tiene una densidad más baja 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 de material de una superficie se llama desconchado .
Vista detallada del desconchado probablemente causado por una capa demasiado delgada de concreto 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 en el aire y el hidróxido de calcio y el silicato de calcio hidratado en el hormigón.

Cuando se diseña una estructura de hormigón, es habitual especificar la cubierta de hormigón para la barra de refuerzo (la profundidad de la barra de refuerzo dentro del objeto). La cobertura mínima de hormigón normalmente está regulada por los códigos de diseño o construcción . Si el refuerzo está demasiado cerca de la superficie, puede ocurrir una falla prematura 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 sólo cuando también hay suficiente humedad y oxígeno para provocar la corrosión electropotencial del acero de refuerzo.

Un método para probar una estructura para la carbonatación es perforar un nuevo agujero en la superficie y luego tratar la superficie cortada con una solución indicadora de fenolftaleína . Esta solución se vuelve rosa cuando entra en contacto con el hormigón alcalino, lo que permite ver la profundidad de la carbonatación. Usar un agujero existente no es suficiente porque la superficie expuesta ya estará carbonatada.

Cloruros

Los cloruros pueden promover la corrosión de las barras de refuerzo incrustadas si están presentes en una concentración suficientemente alta. Los aniones cloruro inducen corrosión localizada (corrosión por picadura ) y corrosión generalizada de los refuerzos de acero. Por esta razón, solo se debe usar agua fresca cruda o agua potable para mezclar el concreto, asegúrese de que los agregados gruesos y finos no contengan cloruros, en lugar de aditivos que puedan contener cloruros.

Varilla para cimientos y paredes de una estación de bombeo de aguas residuales.
El viaducto Paulins Kill , Hainesburg, Nueva Jersey, tiene 115 pies (35 m) de altura y 1,100 pies (335 m) de largo, y fue anunciado como la estructura de hormigón armado más grande del mundo cuando se completó en 1910 como parte de Lackawanna. Proyecto de vía de corte . El ferrocarril Lackawanna fue pionero en el uso de hormigón armado.

Alguna vez fue común que el cloruro de calcio se usara como un aditivo para promover un fraguado rápido del concreto. También se creyó erróneamente que evitaría la congelación. Sin embargo, esta práctica cayó en desgracia una vez que se conocieron los efectos nocivos de los cloruros. Debe evitarse siempre que sea posible.

El uso de sales de deshielo en las carreteras, utilizadas para reducir el punto de congelación del agua, es probablemente una de las principales causas de fallas prematuras de las cubiertas de los puentes, las carreteras y los estacionamientos de concreto reforzado o pretensado. El uso de barras de refuerzo revestidas con epoxi y la aplicación de protección catódica ha mitigado este problema hasta cierto punto. También se sabe que las varillas de FRP (polímero reforzado con fibra) son menos susceptibles a los cloruros. Las mezclas de concreto diseñadas adecuadamente que se han dejado curar adecuadamente son efectivamente impermeables a los efectos de los descongeladores.

Otra fuente importante de iones de cloruro es el agua de mar . El agua de mar contiene en peso aproximadamente un 3,5% 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 + , Mg 2+ , Cl - , SO 4 2− , HCO 3 - ) y migran con el agua a los capilares del hormigón. Los iones cloruro, que constituyen aproximadamente el 50% de estos iones, son particularmente agresivos como causa de la corrosión de las barras de refuerzo de acero al carbono.

En las décadas de 1960 y 1970 también era relativamente común que la magnesita , un mineral de carbonato rico en cloruro , se utilizara como material para cubrir pisos. Esto se hizo principalmente como capa de nivelación y atenuación 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. Durante un período de tiempo (generalmente décadas), la solución provoca la corrosión de las barras de refuerzo incrustadas . Esto se encontró más comúnmente en áreas húmedas o áreas expuestas repetidamente a la humedad.

Reacción de sílice alcalina

Esta reacción una de amorfo de sílice ( calcedonia , pedernal , silíceo piedra caliza ) a veces presentes en los agregados con las hidroxilo iones (OH - ) de la solución de los poros del cemento. La sílice (SiO 2 ) poco cristalizada se disuelve y disocia a un pH alto (12,5 - 13,5) en agua alcalina. El ácido silícico disociado soluble reacciona en el agua de los poros 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) provoca un hinchamiento localizado responsable de la tensión de tracción y el agrietamiento . Las condiciones requeridas para la reacción de la sílice alcalina son tres: (1) agregado que contiene un constituyente reactivo con álcali (sílice amorfa), (2) suficiente disponibilidad de iones hidroxilo (OH - ) y (3) suficiente humedad, por encima del 75% de humedad relativa (RH) dentro del hormigón. Este fenómeno a veces se conoce popularmente como " cáncer concreto ". Esta reacción ocurre independientemente de la presencia de barras de refuerzo; Las estructuras de hormigón masivas, 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 fabricar objetos prefabricados de hormigón. Sin embargo, puede perder fuerza con el calor o el tiempo (conversión), especialmente cuando no se cura adecuadamente. Después del colapso de tres techos hechos de vigas de hormigón pretensado con cemento de alto contenido de alúmina, este cemento fue prohibido en el Reino Unido en 1976. Investigaciones posteriores sobre el asunto mostraron que las vigas estaban mal fabricadas, pero la prohibición se mantuvo.

Sulfatos

Los sulfatos (SO 4 ) en el suelo o en las aguas subterráneas, en concentración suficiente, pueden reaccionar con el cemento Portland en el hormigón provocando la formación de productos expansivos, por ejemplo, etringita o taumasita , que pueden conducir a una falla temprana de la estructura. El ataque más típico de este tipo es en losas de concreto y muros de cimentación en los grados donde el ion sulfato, a través de humedecimiento y secado alternos, puede aumentar en concentración. A medida que aumenta la concentración, puede comenzar el ataque al cemento Portland. Para estructuras enterradas como tuberías, este tipo de ataque es mucho más raro, especialmente en el este de 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 verificar la presencia de sulfatos durante la fase de diseño de cualquier proyecto que involucre concreto en contacto con el suelo nativo. Si las concentraciones resultan agresivas, se pueden aplicar varios recubrimientos protectores. Además, en los EE. UU., El cemento Portland ASTM C150 Tipo 5 se puede usar en la mezcla. Este tipo de cemento está diseñado para ser particularmente resistente al ataque de sulfatos.

Construcción de placa de acero

En la construcción de 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 sitio para formar paredes de acero conectadas por largueros. Las paredes se convierten en la forma en la que se vierte el hormigón. La construcción con placas de acero acelera la construcción de hormigón armado al eliminar los laboriosos pasos manuales en el lugar de atar barras de refuerzo y encofrados de construcción. El método da como resultado una resistencia excelente porque el acero está en el exterior, donde las fuerzas de tracción suelen ser mayores.

Hormigón reforzado con fibra

El refuerzo de fibra se utiliza principalmente en hormigón proyectado , pero también se puede utilizar en hormigón normal. El hormigón normal reforzado con fibras se utiliza principalmente para suelos 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 generalmente son de acero, vidrio , fibras plásticas ) o fibra de polímero de celulosa es menos costoso que las varillas de refuerzo atadas a mano. La forma, dimensión y longitud de la fibra son importantes. Una fibra delgada y corta, por ejemplo fibra de vidrio corta con forma de cabello, solo es efectiva 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 usa con mayor frecuencia para complementar o reemplazar parcialmente la barra de refuerzo primaria y, en algunos casos, puede diseñarse para reemplazar completamente la barra de refuerzo.

El acero es la fibra más resistente comúnmente disponible y viene en diferentes longitudes (30 a 80 mm en Europa) y formas (ganchos de extremo). Las fibras de acero solo se pueden usar en superficies que pueden tolerar o evitar la corrosión y las manchas de óxido. En algunos casos, una superficie de fibra de acero se enfrenta con otros materiales.

La fibra de vidrio es económica 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 Estados Unidos y Europa Occidental. La fibra de basalto es más fuerte y menos costosa que el vidrio, pero históricamente no ha resistido el ambiente alcalino del cemento Portland lo suficientemente bien como para usarse como refuerzo directo. Los nuevos materiales utilizan aglutinantes plásticos para aislar la fibra de basalto del cemento.

Las fibras premium son fibras plásticas reforzadas con grafito , que son casi tan fuertes como el acero, más livianas y resistentes a la corrosión. Algunos experimentos han tenido resultados iniciales prometedores con nanotubos de carbono , pero el material sigue siendo demasiado caro para cualquier edificio.

Refuerzo sin acero

Existe una superposición considerable entre los temas de refuerzo no metálico y refuerzo de fibra de hormigón. La introducción del refuerzo de hormigón sin acero es relativamente reciente; toma dos formas principales: varillas de refuerzo no metálicas y fibras no metálicas (generalmente también no metálicas) incorporadas a la matriz de cemento. Por ejemplo, existe un interés creciente en el hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC) y en diversas aplicaciones de fibras poliméricas incorporadas al hormigón. Aunque actualmente no hay mucha sugerencia de que dichos materiales reemplazarán a las barras de refuerzo de metal, algunos de ellos tienen ventajas importantes en aplicaciones específicas, y también hay nuevas aplicaciones en las que las barras de refuerzo de metal simplemente no son una opción. Sin embargo, el diseño y la aplicación de armaduras no metálicas están plagados de desafíos. Por un lado, el hormigón es un entorno muy alcalino, en el que muchos materiales, incluida 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.

El plástico / polímero reforzado con fibra (FRP) y el plástico reforzado con vidrio (GRP) consisten en fibras de polímero , vidrio, carbono, aramida u otros polímeros o fibras de alta resistencia fijadas en una matriz de resina para formar una varilla de refuerzo o una rejilla. o fibras. Estas barras de refuerzo se instalan de la misma manera que las barras de acero. El coste es más elevado pero, aplicadas adecuadamente, las estructuras tienen ventajas, en particular una reducción drástica de los problemas relacionados con la corrosión , ya sea por alcalinidad intrínseca del hormigón o por fluidos corrosivos externos que puedan penetrar en el hormigón. Estas estructuras pueden ser significativamente más ligeras y suelen tener una vida útil más larga . El costo de estos materiales se ha reducido drásticamente desde su adopción generalizada en la industria aeroespacial y por el 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, por lo tanto, requieren edificios no magnéticos . Una vez más, 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 cuando la corrosión del acero de refuerzo es una de las principales causas de fallas. En tales situaciones, el refuerzo a prueba de corrosión puede prolongar 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 años futuros, 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 su vida útil sea muchas veces superior a la de la membrana de impermeabilización del edificio.

El refuerzo de plástico a menudo es más fuerte , o al menos tiene una mejor relación resistencia / peso que los aceros de refuerzo. Además, debido a que resiste la corrosión, no necesita una cubierta protectora de concreto tan gruesa como lo hace el refuerzo de acero (típicamente de 30 a 50 mm o más). Por tanto, las estructuras reforzadas con FRP pueden ser más ligeras y duraderas. En consecuencia, para algunas aplicaciones, el costo de vida útil será competitivo en precio con el concreto reforzado con acero.

Las propiedades del material de las barras de PRFV o PRFV 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 más alta pero una rigidez menor, por lo que es probable que las deflexiones sean más altas que las de las unidades reforzadas con acero equivalentes. Las estructuras con refuerzo interno de FRP suelen tener una deformabilidad elástica comparable a la deformabilidad plástica (ductilidad) de las estructuras reforzadas con acero. En cualquier caso, es más probable que la falla ocurra por compresión del concreto que por ruptura del refuerzo. La deflexión es siempre una consideración importante en el diseño del hormigón armado. Los límites de deflexión se establecen para garantizar que el ancho de las grietas en el hormigón reforzado con acero se controle 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 estanqueidad serán los criterios limitantes para el control del ancho de la fisura. Las varillas de FRP también tienen resistencias a la compresión relativamente más bajas que las varillas de acero y, en consecuencia, requieren diferentes enfoques de diseño para las columnas de hormigón armado .

Un inconveniente del uso de refuerzo de FRP es su limitada resistencia al fuego. Cuando la seguridad contra incendios es una consideración, las estructuras que emplean FRP deben mantener su resistencia y el anclaje de las fuerzas a las temperaturas esperadas en caso de incendio. Para propósitos de ignifugación , es necesario un espesor adecuado de revestimiento de hormigón de cemento o revestimiento protector. Se ha demostrado que la adición de 1 kg / m 3 de fibras de polipropileno al hormigón reduce el desconchado durante un incendio simulado. (Se cree que la mejora se debe a la formación de vías fuera de la mayor parte del hormigón, lo que permite que la presión del vapor se disipe).

Otro problema es la eficacia del refuerzo de cortante. Los estribos de varilla de FRP formados por flexión antes del endurecimiento generalmente tienen un desempeño relativamente pobre en comparación con los estribos de acero o estructuras con fibras rectas. Cuando se tensa, la zona entre las regiones recta y curva está sujeta a fuertes esfuerzos de flexión, cizallamiento y longitudinales. Se necesitan técnicas de diseño especiales para hacer frente a estos problemas.

Existe un interés creciente en aplicar refuerzo externo a las estructuras existentes utilizando materiales avanzados como barras de refuerzo compuestas (fibra de vidrio, basalto, carbono), que pueden impartir una resistencia excepcional. En todo el mundo, hay una serie de 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.

Ver también

Referencias

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