Concreto reforzado

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El hormigón armado ( alemán :  Stahlbeton ) es un material de construcción que consta de hormigón y acero [1] . Patentado en 1867 por Joseph Monnier [2] como material para fabricar jardineras para plantas.

Historia

En 1895, con el fin de acelerar el proceso de construcción de la Iglesia en honor de la Asunción de la Santísima Virgen María en San Petersburgo en la isla Vasilyevsky, el arquitecto civil V. A. Kosyakov decidió utilizar hormigón armado en lugar de ladrillo para la construcción de la arcos principales, y ya el 18  (30) de diciembre de  1897, la nave principal

En 1912 se construyó la primera estructura de hormigón armado en Rusia, la Torre Rybinsk .

El desarrollo de la teoría del hormigón armado en Rusia en la primera mitad del siglo XX está asociado con los nombres de A. F. Loleit , A. A. Gvozdev , V. V. Mikhailov , M. S. Borishansky, A. P. Vasiliev, V. I. Murashev, P L. Pasternak , Ya. V Stolyarov , O. Ya. Berg y otros.

En el siglo XX, el hormigón armado se convirtió en el material más común en la construcción (ver Pietro Nervi ) y desempeñó un papel importante en el desarrollo de tendencias arquitectónicas como el modernismo y el funcionalismo .

Características

Las cualidades positivas de las estructuras de hormigón armado incluyen:

  1. durabilidad ;
  2. bajo costo: las estructuras de hormigón armado son mucho más baratas que las de acero;
  3. resistencia al fuego en comparación con el acero;
  4. capacidad de fabricación: es fácil obtener cualquier forma de la estructura al hormigonar;
  5. estabilidad química y biológica;
  6. Alta resistencia a cargas estáticas y dinámicas.

Las desventajas de las estructuras de hormigón armado incluyen:

  1. baja resistencia con una gran masa: la resistencia a la compresión del hormigón es, en promedio, 10 veces menor que la resistencia del acero. En estructuras grandes, el hormigón armado "transporta" más de su masa que de su carga útil .

Hay hormigón armado prefabricado (las estructuras de hormigón armado se fabrican en la fábrica y luego se montan en una estructura terminada) y hormigón armado monolítico (el hormigonado se realiza directamente en el sitio de construcción), así como prefabricados-monolíticos (las estructuras prefabricadas se utilizan como se dejó un encofrado: se combinan las ventajas de las estructuras monolíticas y prefabricadas).

Principios básicos de diseño y cálculo de estructuras de hormigón armado

En Rusia, es costumbre calcular elementos de hormigón armado: según el primer y segundo grupo de estados límite:

  1. por capacidad de carga (resistencia, estabilidad, falla por fatiga);
  2. idoneidad para un uso normal (resistencia a la fractura, deflexiones y movimientos excesivos).

Las tareas de cálculo de estructuras de hormigón armado para el 1er grupo de estados límite incluyen:

  1. comprobar la resistencia de las estructuras (secciones normales, inclinadas, espaciales);
  2. verificación de la resistencia de la estructura (bajo la acción de múltiples cargas repetidas);
  3. comprobar la estabilidad de las estructuras (forma y posición).

El refuerzo de las estructuras se lleva a cabo, por regla general, con varillas de acero o mallas separadas, marcos. El diámetro de las varillas y la naturaleza de su ubicación se determinan mediante cálculos. En este caso, se observa el siguiente principio: el refuerzo se instala en zonas estiradas de hormigón o en zonas comprimidas con resistencia insuficiente de este último, así como por razones estructurales.

Al calcular los elementos de flexión de hormigón armado, el objetivo principal es determinar el área requerida del refuerzo de trabajo de acuerdo con las fuerzas dadas (problema directo) o determinar la capacidad de carga real del elemento de acuerdo con los parámetros geométricos y de resistencia dados. (problema inverso).

Por la naturaleza del trabajo, se distinguen los elementos de flexión ( vigas , losas), elementos comprimidos central y excéntricamente ( columnas , comprimidos central y excéntricamente, elementos estirados (elementos de armadura)).

Elementos a flexión (vigas, losas)

Cuando se dobla cualquier elemento, aparece en él una zona comprimida y estirada (ver figura), un momento flector y una fuerza transversal. Los elementos de hormigón armado doblados, por regla general, se calculan de acuerdo con la resistencia de los siguientes tipos de secciones:

  1. a lo largo de secciones normales: secciones perpendiculares al eje longitudinal, por la acción de un momento de flexión,
  2. a lo largo de secciones inclinadas: bajo la acción de fuerzas transversales (cortando o aplastando la zona comprimida del concreto), a lo largo de una franja inclinada entre secciones inclinadas (grietas), por la acción de un momento en una sección inclinada.

En un caso típico, el refuerzo de la viga se realiza mediante refuerzo longitudinal y transversal (ver figura).

Elementos de diseño:

  1. Refuerzo superior (comprimido)
  2. Refuerzo inferior (estirado)
  3. Refuerzo transversal
  4. Accesorios de distribución

El refuerzo superior se puede estirar y el inferior se puede comprimir si la fuerza externa actúa en la dirección opuesta.

Principales parámetros de diseño:

  1. L es la luz de una viga o losa, la distancia entre dos apoyos. Suele oscilar entre 3 y 25 metros.
  2. H es la altura de la sección. Al aumentar la altura, la fuerza de la viga aumenta en proporción a H²
  3. B - ancho de sección
  4. a - capa protectora de hormigón. Sirve para proteger los accesorios de las influencias ambientales.
  5. s es el paso del refuerzo transversal.

El refuerzo (2), instalado en la zona de tensión, sirve para reforzar el elemento de hormigón armado, el hormigón en el que, debido a sus propiedades, se derrumba rápidamente cuando se estira. El refuerzo (1) generalmente se instala en la zona comprimida sin cálculo (debido a la necesidad de soldarle un refuerzo transversal), en casos raros, el refuerzo superior refuerza la zona de hormigón comprimido. La armadura de tracción y la zona de hormigón comprimido (ya veces la armadura de compresión) proporcionan la resistencia del elemento en secciones normales (ver figura).

El refuerzo transversal (3) se utiliza para asegurar la resistencia de secciones inclinadas o espaciales (ver figura).

El inducido de distribución (4) tiene un propósito constructivo. Al hormigonar, une el refuerzo en un marco.

La destrucción del elemento en ambos casos se produce por la destrucción del hormigón por los esfuerzos de tracción. El refuerzo se instala en la dirección de los esfuerzos de tracción para fortalecer el elemento.

Se pueden diseñar vigas y losas de pequeña altura (hasta 150 mm) sin instalar refuerzo superior y transversal.

Las losas se refuerzan según el mismo principio que las vigas, solo el ancho B en el caso de una losa supera significativamente la altura H, hay más varillas longitudinales (1 y 2), se distribuyen uniformemente en todo el ancho de la sección.

Además del cálculo de la resistencia, para vigas y losas, se realiza el cálculo de la rigidez (se normaliza la flecha en el centro del vano bajo la acción de una carga) y la resistencia a la fisuración (se normaliza el ancho de la abertura de la fisura en la zona traccionada).

Elementos comprimidos (columnas)

Cuando se comprime un elemento largo, se caracteriza por una pérdida de estabilidad (ver figura). En este caso, la naturaleza del trabajo del elemento comprimido recuerda un poco al trabajo de un elemento doblado, sin embargo, en la mayoría de los casos, no aparece una zona estirada en el elemento.

Si la flexión del elemento comprimido es significativa, entonces se calcula como comprimido excéntricamente. El diseño de una columna comprimida excéntricamente es similar al de una comprimida centralmente, pero en esencia estos elementos funcionan (y se calculan) de diferentes maneras. Además, el elemento se comprimirá excéntricamente si, además de la fuerza vertical, actúa sobre él una fuerza horizontal significativa (por ejemplo, viento, presión del suelo sobre el muro de contención).

En la figura se muestra un refuerzo de columna típico.

en la imagen:

1 - refuerzo longitudinal
2 - refuerzo transversal

En el elemento comprimido toda la armadura longitudinal (1) está comprimida, percibe compresión junto con el hormigón. La armadura transversal (2) asegura la estabilidad de las armaduras y evita que se pandeen .

Las columnas se consideran masivas si el lado de la sección transversal mínima es mayor o igual a 400 mm. Las secciones masivas tienen la capacidad de aumentar la resistencia del concreto durante mucho tiempo, es decir, teniendo en cuenta el posible aumento de cargas en el futuro (e incluso la amenaza de destrucción progresiva: ataques terroristas, explosiones, etc.), tienen una ventaja sobre las columnas no masivas. Que. ahorros momentáneos hoy no tienen sentido en el futuro, y, además, las pequeñas secciones no están tecnológicamente avanzadas en la fabricación. Se necesita un equilibrio entre economía, masa de la estructura, etc. construcción que afirma la vida (construcción sostenible).

Fabricación de estructuras de hormigón armado

La producción de estructuras de hormigón armado incluye los siguientes procesos tecnológicos:

  1. preparación de la armadura
  2. encofrado
  3. Reforzamiento
  4. hormigonado
  5. Cuidado del concreto curado

Fabricación de estructuras prefabricadas de hormigón

La esencia de las estructuras prefabricadas de hormigón armado, frente a las monolíticas, es que las estructuras se fabrican en las fábricas de productos de hormigón armado (productos de hormigón armado), y luego se entregan al sitio de construcción y se montan en la posición de diseño. La principal ventaja de la tecnología de prefabricados de hormigón es que los procesos tecnológicos clave tienen lugar en la planta. Esto permite alcanzar altas tasas en términos de tiempo de producción y calidad de las estructuras. Además, la fabricación de estructuras de hormigón armado pretensado es posible, por regla general, solo en la fábrica.

La desventaja del método de fabricación en fábrica es la incapacidad de producir una amplia gama de diseños. Esto es especialmente cierto para la variedad de formas de estructuras fabricadas, que se limitan al encofrado estándar. De hecho, en las fábricas de hormigón armado sólo se fabrican estructuras que requieren aplicación en masa. Ante esta circunstancia, la introducción generalizada de la tecnología de los prefabricados de hormigón hace que surjan un gran número de edificios de la misma tipología, lo que, a su vez, se traduce en una reducción de los costes de construcción. Tal fenómeno se observó en la URSS durante el período de construcción en masa.

En la planta de productos de hormigón se presta mucha atención al esquema tecnológico de fabricación. Se utilizan varios esquemas tecnológicos:

  1. tecnología de transportadores. Los elementos se fabrican en moldes que se mueven de una unidad a otra. Los procesos tecnológicos se realizan secuencialmente a medida que se mueve la forma.
  2. Tecnología de agregado de flujo Las operaciones tecnológicas se llevan a cabo en los departamentos apropiados de la planta, y la forma con el producto se mueve de una unidad a otra mediante grúas.
  3. Tecnología de soporte. Los productos en el proceso de fabricación permanecen inmóviles y los agregados se mueven a lo largo de formas fijas.

En las tecnologías de transportadores y agregados de flujo, se utiliza el método de encofrado.

Para la fabricación de estructuras pretensadas, se utilizan dos métodos de creación de pretensado: tensión sobre topes y tensión sobre hormigón, así como dos métodos principales de tensión del refuerzo: electrotérmico y electrotermomecánico. Una variación de la tecnología de banco es la tecnología de moldeo sin forma ( BOF ) que utiliza pretensado. El equipo de la línea de encofrado incluye:

Se utilizan máquinas formadoras para moldeo sin forma, tecnología de formación deslizante, tecnología de vibrocompresión y extrusión.

Fabricación de estructuras monolíticas de hormigón armado

En la fabricación de estructuras monolíticas de hormigón armado, se debe tener en cuenta que las características físicas y mecánicas del refuerzo son relativamente estables, pero las mismas características del hormigón cambian con el tiempo. Siempre es necesario encontrar un compromiso entre las reservas en el diseño y el diseño (la elección de formas y secciones - la elección entre fiabilidad, "vida", pero la severidad de estructuras masivas y entre elegancia, delicadeza, ligereza, pero "muerte " de estructuras con un módulo de superficie grande), el costo y la calidad de las materias primas, el costo de fabricación de estructuras monolíticas de hormigón armado, el fortalecimiento del control operativo por parte de los trabajadores de ingeniería y técnicos en todas las etapas, la asignación de medidas para cuidar el hormigón, protegiéndolo en el tiempo (creando condiciones para aumentar sus características en el tiempo, lo que puede ser necesario en el momento en que la operación comienza a resistir la destrucción progresiva), controlando la dinámica de un conjunto de características básicas de resistencia y deformación del hormigón [5] [6] . Es decir, mucho depende de desde qué posición se diseñen las estructuras y la tecnología, se realice y controle el trabajo y qué se ponga en primer plano: confiabilidad y durabilidad, economía, fabricabilidad, seguridad operativa, la posibilidad de una mayor aplicación a través de refuerzos y reconstrucciones. , el llamado enfoque racional, es decir, diseñar desde lo contrario (primero pensamos en cómo las próximas generaciones lo desarmarán y lo reutilizarán) [7] .

Protección de estructuras de hormigón armado con materiales poliméricos

Para proteger las estructuras de hormigón armado, se utilizan composiciones poliméricas especiales para aislar la capa superficial de hormigón armado de las influencias ambientales negativas (agentes químicos, influencias mecánicas). Para proteger la base de hormigón armado, se utilizan varios tipos de estructuras protectoras que permiten modificar las propiedades operativas de la superficie mineral: aumentar la resistencia al desgaste, reducir la separación de polvo, impartir propiedades decorativas (color y brillo) y mejorar la resistencia química. Los revestimientos poliméricos aplicados sobre bases de hormigón armado se clasifican por tipos: impregnaciones de desempolvado, revestimientos en capa fina, suelos autonivelantes , revestimientos de alto relleno.

Otro método para proteger las estructuras de hormigón armado es recubrir el refuerzo con fosfato de zinc [8] . El fosfato de zinc reacciona lentamente con un producto químico corrosivo (p. ej., álcali) para formar una capa permanente de apatito .

Para proteger las estructuras de hormigón armado de los efectos del agua y de los ambientes agresivos, también se utiliza la impermeabilización penetrante , que modifica la estructura del hormigón, aumentando su resistencia al agua, lo que evita la destrucción de las estructuras de hormigón y la corrosión de las armaduras .

Refuerzo y rehabilitación de estructuras de hormigón armado con materiales compuestos

El uso de materiales compuestos para reforzar estructuras de hormigón armado

El refuerzo con materiales compuestos se utiliza para el refuerzo longitudinal y transversal de elementos de barra, para crear armaduras de refuerzo en columnas y soportes de puentes, pasos elevados, consolas de columnas, para reforzar losas, armazones, elementos de armadura y otras estructuras.

Historial de aplicaciones

La primera gran instalación en Rusia donde se utilizó refuerzo con materiales compuestos (en particular, plástico reforzado con fibra - refuerzo FAP) fue el paso elevado del tercer anillo de transporte en Moscú en 2001 [9] .

El uso de materiales compuestos tiene las siguientes ventajas:

  • previene el agrietamiento;
  • ayuda a evitar la aparición de corrientes de inducción (refuerzo de la subestación transformadora sin el uso de metal en la central de bombeo de Stausee Kaprun);
  • resistencia a la corrosión;
  • sin interferencia con la transmisión de señales en el ferrocarril;
  • falta de calentamiento debido a flujos de inducción cerca de los interruptores de desvío;
Ejemplos
  • estribos de la estructura principal del canal de desvío de la HPP Kondopoga, a lo largo del cual pasa el ferrocarril San Petersburgo-Murmansk;
  • ferrocarriles en el complejo hidroeléctrico de la sección Volga de la central hidroeléctrica de Rybinsk, en las presas de las centrales hidroeléctricas de Saratov y Bratsk.
Construcción

El grado racional de refuerzo con la ayuda del sistema FAP es el rango de 10-60% de la capacidad portante inicial de la estructura reforzada [10] . La resistencia a la adherencia del material de refuerzo es en la gran mayoría de los casos superior a la resistencia a la tracción de los hormigones estructurales más comunes (hasta la clase B60).

El uso de materiales y tecnologías modernas para pegar el refuerzo externo, con un control de calidad adecuado del trabajo de construcción, elimina prácticamente la posibilidad de delaminación de la estructura a lo largo del límite de hormigón de FAP.

Un experimento numérico, donde se mostró el trabajo del concreto usando el criterio de resistencia de William y Warnke, mostró que la contribución del FRP a la resistencia total de la sección inclinada depende en gran medida de la presencia y porcentaje de refuerzo con refuerzo transversal de acero. Con un aumento en el porcentaje de refuerzo con refuerzo de acero, la efectividad del sistema de refuerzo disminuye. El principal tipo de destrucción de la viga armada es el pinchazo del hormigón base, a partir de los puntos de máximas tensiones principales de tracción en los extremos libres de las grapas exteriores de la armadura [11] .

Refuerzo exterior de estructuras de hormigón armado con fibra de carbono

Los sistemas de refuerzo exterior  son conjuntos de materiales de carbono, ligantes poliméricos, imprimaciones especiales, masillas y mezclas reparadoras destinados al refuerzo estructural de estructuras de edificación: hormigón armado, ladrillo, piedra o madera. La esencia de este método es aumentar la resistencia de los elementos que perciben cargas durante la operación de edificios y estructuras, utilizando tejidos, láminas y rejillas de carbono. El refuerzo de estructuras de edificios con fibra de carbono aumenta la capacidad de carga sin cambiar el esquema estructural del objeto.

Beneficios del refuerzo estructural con fibra de carbono
  • Reducir el costo total de reparación y fortalecimiento de estructuras de edificios;
  • Reducción de costos de tiempo;
  • Reducir los costos de mano de obra;
  • Capacidad para realizar el trabajo sin detener el funcionamiento de la instalación;
  • Aumento del período de revisión;
  • Bajo peso propio y espesor de refuerzo;
  • Requisitos mínimos de espacio para el trabajo;
  • Resistencia a medios agresivos ya la corrosión;
  • Altas características mecánicas de los materiales de carbono y alta adherencia a la estructura reforzada;
  • Sin trabajos de soldadura.
Inconvenientes del refuerzo estructural con fibra de carbono
  • Alto costo de los materiales;
  • Adhesivos (adhesivos) no resistentes a los rayos UV (decididos pulverizando con arena de cuarzo sobre material recién colocado);
  • Se requiere protección contra incendios de las estructuras.

Véase también

Notas

  1. El hormigón no es un compuesto, sino un material compuesto.
  2. Hormigón armado // Kazajistán. Enciclopedia Nacional . - Almaty: Enciclopedias kazajas , 2005. - T. II. — ISBN 9965-9746-3-2 .  (CC POR SA 3.0)
  3. 1 2 3 Salamahin PM, Popov V.I. . Puentes de carreteras y ciudades en Rusia . — M .: MADI , 2017. — 124 p.  - S. 34.
  4. Sobory.ru  (enlace inaccesible)
  5. "Análisis de los factores tecnológicos que surgen de la construcción de estructuras verticales de edificios monolíticos de estructura" Copia de archivo fechada el 23 de septiembre de 2015 en Wayback Machine , Bulavitsky M.S.
  6. Heterogeneidad de la distribución de las propiedades del hormigón pesado sobre el volumen de elementos monolíticos verticales . Consultado el 1 de julio de 2010. Archivado desde el original el 23 de septiembre de 2015.
  7. Sitio de trabajos experimentales y teóricos de M. Bulavytskyi . Consultado el 5 de mayo de 2010. Archivado desde el original el 28 de mayo de 2013.
  8. ^ "Efecto del recubrimiento de conversión química de fosfato de zinc sobre el comportamiento a la corrosión del acero dulce en medio alcalino: protección de barras de refuerzo en hormigón armado" Sci. Tecnología Adv. mater 9 (2008) 045009 descarga gratuita
  9. Yushin A. V. Resistencia de secciones inclinadas de estructuras de hormigón armado de varios tramos reforzadas con plásticos reforzados con fibra. Resumen dis. … cand. aquellos. Ciencias: 23.05.01 / Yushin, Alexey Vladimirovich; SpbGASU. - San Petersburgo, 2014. - 17 p. Resumen dis. …candó. tecnología nauk : 23.05.01 / Jushin, Aleksej Vladimirovich; SpbGASU. - SPb., 2014. - 17 s
  10. párrafo 1.4. STO NOSTROY 2.6.90-2013. Aplicación en la construcción de estructuras geotécnicas y de hormigón de refuerzo compuesto no metálico. M.: Sucursal de JSC TsNIIS "Centro de Investigación "Túneles y Metros"", 2012. 130 p. // STO Nostroy - 43. Primenenie v stroitel'nyh betonnyh i geotekhnicheskih konstrukciyah nemetallicheskoy kompozitnoy armatury. Moscú: Filial OAO CNIIS "NIC "Tonneli i metropoliteny"", 2012. 130 s.
  11. Yushin A. V., Morozov V. I. // Análisis del estado de tensión-deformación de vigas de hormigón armado de dos vanos reforzadas con materiales compuestos a lo largo de una sección inclinada, teniendo en cuenta la no linealidad / Problemas modernos de la ciencia y la educación - No. 5 2014.

Literatura

Literatura de referencia

Literatura normativa

  • SP 63.13330.2012 Estructuras de hormigón y hormigón armado. Disposiciones básicas. Edición actualizada de SNiP 52-01-2003.
  • SP 27.13330.2011 Estructuras de hormigón y hormigón armado diseñadas para operar a temperaturas elevadas y elevadas. Edición actualizada de SNiP 2.03.04-84.
  • SP 41.13330.2012 Estructuras de hormigón y hormigón armado de estructuras hidráulicas. Edición actualizada de SNiP 2.06.08-87.
  • SP 52-101-2003 Estructuras de hormigón y hormigón armado sin refuerzo de pretensado.
  • SNiP 52-01-2003 Estructuras de hormigón y hormigón armado. Disposiciones básicas.
  • SP 52-110-2009 Estructuras de hormigón y hormigón armado sometidas a proceso de elevadas y altas temperaturas.
  • SNiP 2.03.02-86 Estructuras de hormigón y hormigón armado hechas de hormigón de silicato denso.
  • GOST 28570-90 Hormigón. Métodos para determinar la resistencia de muestras tomadas de estructuras.
  • GOST 17625-83 Diseño y productos de hormigón armado. Método de radiación para determinar el espesor de la capa protectora de hormigón, el tamaño y la ubicación del refuerzo.
  • GOST 22904-93 Estructuras de hormigón armado. Método magnético para determinar el espesor de la capa protectora de hormigón y la ubicación del refuerzo.