Cemento y concreto Desde el tiempo de los antiguos romanos, se

Cemento y concreto Desde el tiempo de los antiguos romanos, se tiene información fehaciente del uso del concreto como material de construcción. Tenemos de esa época numerosos datos que lo comprueban. El proceso para la preparación de cemento fue descubierto en tiempo del antiguo Egipto y la Mesopotamia. En aquella época se quemaba la roca caliza hasta obtener un polvo conformado por cal. Este material era mezclado con arena y agua en proporciones ideales hasta alcanzar un mortero con el cual se fijaban los ladrillos de arcilla. Un método similar se utilizaba para la conformación de concreto, mezclando cemento, arena, grava y agua. Posteriormente los romanos descubren la Puzolana, la cual le proporciona una característica muy importante al cemento, que es la durabilidad. Este nombre viene de la ciudad de Pozzolani, ciudad de la bahía de Nápoles cercana al volcán Vesubio donde fue descubierto, y es un polvo fino conformado por cenizas volcánicas que otorga dos propiedades esenciales a la mezcla, alta resistencia y durabilidad contra los agentes externos como la erosión. Los romanos rápidamente mejoraron el material de concreto, con lo cual fabricaban las bases de los puentes. Más tarde se convierte en un material fundamental para la construcción de los famosos acueductos romanos, de los cuales algunos sobreviven hasta nuestros días; finalmente es utilizado en la construcción de edificaciones. Vitruvio, ingeniero y arquitecto de la época, escribió 10 libros de ingeniería y arquitectura de la época, le dedica un capítulo completo a este novedoso material, definiendo al cemento como cierto tipo de polvo que por causas naturales produce resultados asombrosos. Esta sustancia al ser mezclada con arcillas y limos, no solo otorga resistencia a los diferentes elementos de las edificaciones, sino que incluso en la construcción de pilas sumergidas en el mar. En su momento, Vitruvio se refería a las cenizas volcánicas, de las que los romanos tenían gran abundancia en las cercanías de Roma y Nápoles. Los grandes ingenieros romanos utilizaron eficientemente este material y prueba de ello, es que en la actualidad aún se mantienen erigidos, y en algunos casos particulares en Roma existen puentes que todavía prestan servicio, y que hace dos milenios eran vías de comunicación tanto para Cesar y Trajano. El Coliseo (75‐80 DC) y el Panteón (118‐126 DC), son obras emblemáticas construidas con este maravilloso material llamado concreto, y que han sobrevivido al paso del tiempo, soportando guerras, sismos, y otros embates de la naturaleza, sufriendo poco o ningún deterioro. Estos dos ejemplos de la construcción de aquella época tienen dimensiones monumentales, consistiendo el primero en una construcción oval de cuatro niveles con base en arcos y con unas dimensiones de 188 por 156 metros, para una capacidad aproximada de 45.000 espectadores. Por su parte, el Panteón consiste en una cúpula semiesférica de 43.2 m de diámetro que se ubica sobre un cilindro conformado por muros de mampostería de 6 m de altura. Esta cúpula fue la más grande
e en el mund
do hasta que
e Filippo Bru
unelleschi (1 377 ‐ 15 dee abril de 14
446) arquiteccto, esculto
or y orfebre rrenacentista italiano, consstruyó la cúp ula de la cattedral de Florrencia entre los años de 1420 al 1436, que la su
upera por algo
o más de 3 m de diámetro
o. Como detalle curio
oso en esta edificación, e
lo
os ingenieross ya consientes del enorm
me peso que se debía ssoportar, con
nstruyeron la cúpula de se
ección variabl e, disminuyeendo el espesor del casqueete en la m
medida que se
e acercaba al centro del domo, donde se encuentraa el óculo. D
De igual maneera, aligeraron el peso m
mediante el u
uso progresivo de cada veez mayores po
orcentajes dee piedra pómez, tambié
én volcánica yy extremadam
mente liviana.. El conccreto nos ha d
dejado un leggado de estru
ucturas que a ún hoy en díaa se encuentrran en pie y ccon una ressistencia que es comparab
ble a la resiste
encia originall. Se ha comp
probado que este material, a pesar d
del paso del tiempo, ha m
mantenido sus propiedadees mecánicas cuando se lee elabora en las condiciones adecuaadas. Fig. 1 V
Vista exterior del Coliseo R
Romano Fig. 2 a) En la imagen su
uperior vista interior de lla cúpula del Panteón de Roma. b) A la izquiierda imagen exterior del Panteón dee Roma. Siglos más tarde a la dominació
ón romana se
e exploraron numerosas fformas de co
onstrucción q
que ndo dieron origen a unaa gran cantidaad de edificaciones que h oy día aún esstán operativvas, cumplien
la funcción para lo cual c
fueron concebidas. c
Es el caso d e las edificacciones religio
osas que fuerron constru
uidas durantte la edad media, m
diseñaadas según ppatrones arquitectónicos en los que se utilizan
n materiales ccapaces de re
esistir y transsmitir esfuerzzos de comprresión como principal med
dio de sop
portar grande
es cargas. En el continente
e europeo see encuentran multitud de construccion
nes de este
e tipo que a pesar de la edad y los embates e
natuurales, permaanecen en servicio, con leeve deterio
oro o incluso
o en perfecto
o estado de cconservación.. Los ejemp
plos más desttacados de esste tipo de
e construcción son las cate
edrales góticaas, compuesttas casi en su
u totalidad po
or elementos de piedra unidos con aalgún compue
esto cementante. Luego de cuatro siglos, el britániico Joseph Asspdin inventa el cemento llamado Portlland en 1824,, el cual se
e constituye rápidamente en el princip
pal ingrediennte del concreeto utilizado hasta nuestrros días. Genera
alidades del C
Concreto. El con
ncreto es un
n material pétreo p
artificcial que se obtiene al mezclar en
n determinad
das proporrciones: ceme
ento, agregad
dos gruesos y finos con aagua. El cem
mento y el aggua forman u
una pasta que aglutina a los agregados, a
manteniéndo
m
los en susp
pensión, quee al fraguarr y durecerse da como resulttado un mateerial de gran durabilidad, incrementan
ndo posteriormente end
su resisstencia con el tiempo. El material cementante es el cemento Portland y algunas veces los cementos de alúmina, los cuales gozan de la propiedad de endurecerse al cabo de algún tiempo de ser mezclados con agua. El concreto, tal como lo usamos hoy en día se conoce desde 1756 cuando John Sweton lo usó para la construcción del faro de Eddystone, empleando cemento natural (puzzolana) y el uso de cemento Portland se remonta a 1824, fecha en que John Aspdin patentó su proceso de fabricación. Desde esa fecha hasta el presente los materiales cementantes han mejorado notablemente en resistencia y uniformidad. De los ensayos de carga efectuados con el concreto se deduce que éste se comporta como material agrio, y no elástico, en el cual las deformaciones aun para esfuerzos muy pequeños son permanentes. Su diagrama de esfuerzos – deformaciones asume una forma parabólica, sin ningún tramo recto y en él no existe límite elástico propiamente dicho; sin embargo para esfuerzos entre el 40 y 60% de la carga de ruptura la aplicación de cargas repetidas no produce deformaciones acumulativas, por lo que se ha convenido en llamar a este valor “límite elástico del concreto” La principal característica mecánica del concreto que reviste importancia para la construcción es su resistencia a la compresión e incluso esta propiedad define la calidad del concreto. Sin embargo esta no es la única característica que reviste importancia; con el uso del concreto en pavimentos rígidos cobra importancia también su resistencia a la flexión y al desgaste. Al utilizar este material en estructuras masivas como el caso de las represas, otras características resultan importantes, tales como su impermeabilidad, resistencia a la abrasión o niveles de retracción. Existen además otras características que no citaremos en este texto, tales como su resistencia al fuego, conductividad térmica o resistencia a la tensión. En general, mejorar la resistencia a la compresión del concreto incidirá positivamente en las demás características y propiedades de este material. Seguidamente examinaremos con más detalles algunos de los aspectos importantes del concreto para su utilización en la industria de la construcción. Módulo de elasticidad El módulo de elasticidad es un aspecto importante a considerar, en cualquier texto de resistencia de materiales encontramos que al construir una curva que relacione los esfuerzos internos de un material metálico con la deformación unitaria que éste experimenta, podemos obtener gráficas como la curva esquemática mostrada en la siguiente figura. En esta curva se puede apreciaar que existe
en tres comp ortamientos diferentes: u
un rango iniccial elástico
o, en el que a deformacio
ones unitarias bajas existee una relació
ón lineal o casi lineal con los esfuerzzos internos; un segundo rrango conocido como plásstico en el que las deformaaciones pued
den aumen
ntar pero los esfuerzos aso
ociados al maaterial no varrían significattivamente; y un tercer ran
ngo en el que q deformaaciones muy altas, el matterial aumentta nuevamen
nte sus esfueerzos asociad
dos mostraando el fenóm
meno de end
durecimiento por deformaación. En el caso de materiales metáliccos estas tres t
etapas de d comportaamiento se encuentran e
c laramente definidas, sittuación distin
nta cuando
o se ensaya u
un cilindro de concreto ya que estas etaapas se confu
unden, no hayy claridad enttre ellas. Analizaando el ranggo elástico te
enemos que existe una rrelación lineaal entre los esfuerzos y las deform
maciones; esta relación esstudiada por Thomas Younng en 1807, se conoce co
omo Módulo de Elasticiidad o Módulo de Young yy es una característica de cada materiaal, que en el ccaso de much
hos materiales como loss metálicos ess un valor con
nstante, peroo en el caso deel concreto n
no lo es. Revisando la figuraa que siguen
n notamos laas dos difereencias esenciales entre el concreto y la generaalidad de loss materiales. En ella se muestra unna curva esfu
uerzo‐deform
mación para un concre
eto típico, en la cual se puede apreciar que no existte un rango d
de comportam
miento elástico, claram
mente lineal, n
ni existe un raango plástico definido, lo qque indica qu
ue no es un co
omportamien
nto como e
el de los materiales metállicos. No hayy una relaciónn constante eesfuerzo‐defo
ormación ni aaún para laa etapa inicial de comportaamiento, por lo que no se puede definiir plenamentee un módulo de elasticiidad real. Variaciión del módu
ulo de elasticiidad en funciión de la resisstencia del co
oncreto En la ffigura siguiente se muestrran las curvass esquemáticcas esfuerzo‐d
deformación para concrettos de dife
erentes resistencias. De la figura anteriior se despre
enden otras (02) dos differencias: el módulo de elasticidad d
del eto depende d
de la resisten
ncia del mismo, por lo quee los concreto
os de alta resistencia poseeen concre
módulo
os de elasticiidad mayoress que aquello
os concretos de baja resisstencia. Asimismo se tieene que un
na vez alcanzzado el esfue
erzo máximo, que se obti ene para defformaciones ε alrededor de 0.002 cuando no hay confinaamiento, los concretos dde alta resisstencia se d
deterioran m
más os de baja ressistencia, lo ccual hace a loos de baja resistencia máss aptos para las rápidamente que lo
uellas situacio
ones donde sse puedan alccanzar grandees esfuerzos en zonas altamente síssmicas o aqu
onfinamiento del concretoo aumenta la capacidad dee deformación
n a forma repetida. El efecto del co
m
pero este efectoo es común en todos los concretos sin la cuall se alcanza el esfuerzo máximo, importtar su resisten
ncia, siempre
e los concreto
os de menor rresistencia see degradan m
más suavemen
nte que loss de alta resisstencia, que sson relativamente frágiles.. Deterio
oro de la resiistencia ante cargas repettidas De igual manera, laa figura siguie
ente nos mue
estra otra carracterística im
mportante deel concreto, q
que a
cargas repetidas r
com
mo el caso qque se presenta en las zo
onas altamen
nte consistte en que ante sísmicaas, las ramaas ascendenttes de la cu
urva esfuerzoo‐deformació
ón nos mueestran con u
una pendie
ente cada vezz menor, el de
eterioro de laa rigidez del cconcreto con la consiguien
nte disminuciión del mó
ódulo de elassticidad del material, m
a la vez que noss muestra un
n deterioro p
progresivo dee la resistencia, represe
entado por esfuerzos e
mááximos cada vez menoress, lo que nos indica que el o de elasticiidad del con
ncreto al mo
omento de ssu puesta en
n servicio es mayor que el módulo
corresp
pondiente al mismo conccreto una ve
ez haya sido sometido a repetidos cicclos de cargaa y descarga. Propiedades más relevantes del concreto El concreto es un material con fricción y cohesión y ésta aumenta o disminuye con el contenido de cemento. Los agregados proporcionan fricción únicamente. Compresión: es el esfuerzo que mejor soporta el concreto. El esfuerzo unitario máximo del concreto f´c en compresión uni‐axial, se utiliza como índice de su calidad y se obtiene utilizando probetas cilíndricas normalizadas de 6” de diámetro y 12” de altura, a los 28 días. La resistencia del concreto depende de: 1. La relación agua cemento (a menor A/C mayor resistencia) 2. La calidad y dosificación de los materiales. 3. Los procedimientos de mezclado, transporte, colocación y compactación. 4. El curado. 5. La edad. Concreto Armado ‐ Generalidades ‐ A mediados del siglo diecinueve el señor Lambot observó el aumento de la resistencia del concreto al introducirle refuerzos metálicos. En 1855 Francisco Coignet publica un líbro sobre aplicaciones del concreto armado. Monier (1867) logra la reducción de los espesores del concreto al colocar el refuerzo adecuadamente en la masa del hormigón. Emperger, Melán, Morsch, Hennebique, Marcus, Probst y otros, investigan y estudian analíticamente el concreto armado, utilizando la teoría de los esfuerzos de trabajo o teoría de la Línea Recta. A comienzos del siglo XX, Seunson, Whitney y otros, desarrollan la Teoría de la Rotura que actualmente se emplea para el cálculo del concreto armado. En Venezuela, el Ingeniero Manuel Felipe Herrera Tovar construye en 1912 el primer edificio de concreto armado, de dos niveles, donde funcionó el Archivo General de la Nación. Por esa época se tienden varios puentes de losa de concreto sobre perfiles metálicos en la carretera de La Guaira. A partir de 1940 se generaliza en nuestro país el empleo del concreto armado en toda clase de obras de ingeniería, pudiendo afirmarse que hoy se utiliza en todas las construcciones civiles: tubos, losas, vigas, columnas, fundaciones, etc. Definición: el Concreto Armado es aquel que contiene refuerzos metálicos, dispuestos adecuadamente y dentro de ciertos límites. El concreto soporta bien los esfuerzos de compresión pero es débil en tracción; los esfuerzos de tracción serán resistidos por el acero, que también colabora con el concreto para resistir corte, torsión y compresión. La unión del concreto y el acero, concreto armado, es un material más liviano que el concreto en masa, resiste a todo tipo de esfuerzos, es de gran duración aún con poco o ningún mantenimiento. Todo esto es posible gracias a los hechos siguientes:  La gran adherencia entre el concreto y el acero.  Los dos materiales tiene casi igual coeficiente de dilatación: Concreto = 0.000010 Acero = 0.000012  Otro aspecto importante, es que, el concreto protege al acero contra la corrosión y la acción del fuego. Algunas consideraciones: 


Si no hubiera adherencia entre el acero y el concreto, no sería posible transmitir los esfuerzos de uno a otro material. Si los coeficientes de dilatación fueran muy diferentes, un cambio de temperatura produciría esfuerzos considerables, incluyendo tracción en el concreto. La resistencia del acero a la corrosión es baja, por esta razón, las estructuras construidas con solo este material deben protegerse con pintura periódicamente. Además, la resistencia del acero disminuye mucho con el aumento de temperatura. Al recubrir el acero con capa de concreto (recubrimiento) de 2.5 cm de espesor, se necesita un fuego de 1000 °C durante una hora para que el acero de refuerzo alcance una temperatura de 500 °C. Ubicación de la armadura El acero se coloca en la zona adecuada para resistir:  La totalidad de los esfuerzos de tracción, directa o por flexión.  La diferencia entre los esfuerzos cortantes, de torsión o de compresión debidos a las cargas y los admisibles por el concreto. La armadura principal, que resiste tracción (As) o parte de la compresión (A´s) se coloca longitudinalmente: horizontal en las vigas y vertical en las columnas, lo más cerca posible del borde más traccionado o más comprimido, siempre con un recubrimiento adecuado. La armadura transversal (estribos en vigas o ligaduras o zunchos en columnas) se colocan en planos perpendiculares al plano neutro del elemento. Alguno
os ejemplos d
de colocación
n de acero de refuerzo.
Especifficaciones so
obre el refue
erzo El refuerzo está con
nstituido por barras con re
esaltes (corruugadas), perm
mitiéndose tam
mbién el uso de ura. barras lisas en zunchos helicoidaales de columnas o pilotes y en acero por retracción y temperatu
Tambié
én se permite el refuerzo en forma de perfiles de aacero, forman
ndo seccioness mixtas. El acerro corrugado es usualmen
nte laminado en caliente oo trabajado een frio. Los d
diferentes tip
pos de acero se caracterizan por su límite de cedencia fy com
mo muestra la figura. El acero dulce
e común, indicad
do como ace
ero grado estructtural, evide
encia un marcad
do escalón de
e cedencia y una considerable dad. En los aceros de ductilid
alta re
esistencia no existe un límite de ceden
ncia bien do y para detterminarlo definid
se traza una paralela al tramo recto del diagrrama de esfuerzzo deformación desde el valor de deformación unitaria εs = 0..02 hasta la cortar pondiente. corresp
curva A los efectos de diseño, en flexió
ón se utilizaráá una resistenncia de la arm
madura no maayor a fy = 56
600 2
Kgf/cm
m . En columnas, la resiste
encia cedente
e fy de la arm
madura helico
oidal no será mayor a 42
200 2
Kgf/cm
m . En todo tipo de acero, el módulo
o de elasticidaad es: Es = 2.11 x106 Kgf/cm
m2 En los ejemplos ilusstrativos de esstructuras de
e concreto arm
mado que esttudiaremos, sse asume quee el acero d
de refuerzo tiiene comporttamiento elassto‐plástico.