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Hormigón armado

El hormigón armado , también llamado ferrohormigón , es un material compuesto en el que la resistencia a la tracción y la ductilidad relativamente bajas del hormigón se compensa...

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El hormigón armado , también llamado ferrohormigón , 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 armaduras con mayor resistencia a la tracción o ductilidad. La armadura suele ser, aunque no necesariamente, de barras de acero (conocidas como corrugaciones ) y generalmente se embeben pasivamente en el hormigón antes de que fragüe. Sin embargo, el postensado también se emplea 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 barras de acero de la corrosión . [ 3 ]

Descripción

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

Los sistemas de refuerzo se diseñan generalmente para resistir esfuerzos de tracción en regiones específicas del hormigón que podrían causar fisuras inaceptables o fallos estructurales. El hormigón armado moderno puede contener diversos materiales de refuerzo, como acero, polímeros o materiales compuestos alternativos, junto con barras de refuerzo o no. El hormigón armado también puede someterse a esfuerzos permanentes (hormigón a compresión y refuerzo a tracción) para mejorar el comportamiento de la estructura final bajo cargas de trabajo. En Estados Unidos , los métodos más comunes para lograrlo 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 deformación por tracción
  • Buena adherencia al hormigón, independientemente del pH, la humedad y factores similares.
  • Compatibilidad térmica, que no provoque tensiones inaceptables (como expansión o contracción) en respuesta a los cambios de temperatura.
  • Durabilidad en el entorno del hormigón, independientemente de la corrosión o de las tensiones sostenidas, por ejemplo.

Historia

El desarrollo inicial del hormigón armado tuvo lugar en paralelo en Inglaterra y Francia a mediados del siglo XIX. [ 4 ]

Casa de François Coignet en 72 rue Charles-Michels, Saint Denis

El constructor francés François Coignet fue el primero en utilizar el hormigón armado como técnica constructiva. [ 5 ] Entre 1853 y 1855, Coignet construyó para sí mismo la primera estructura de hormigón armado, una casa de cuatro plantas en el número 72 de la rue Charles Michels, en las afueras de París , conocida como la Casa François Coignet . [ 6 ] Las descripciones de Coignet sobre el refuerzo del hormigón sugieren que no lo hacía para aumentar su resistencia, sino para evitar que los muros de la construcción monolítica se derrumbaran. [ 7 ] El edificio Pippen de Brooklyn , construido entre 1872 y 1873 , aunque no fue diseñado por Coignet, es un testimonio de su técnica.

Casa construida por Coignet para los trabajadores de su fábrica en la calle Charles-Michels 59-61, Saint Denis.

En 1854, el constructor inglés William B. Wilkinson reforzó el techo y los pisos de hormigón de la casa de dos plantas que estaba construyendo. Su colocación del refuerzo demostró que, a diferencia de sus predecesores, tenía conocimiento de las tensiones de tracción. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Entre 1869 y 1870, Henry Eton diseñaría, y los señores W & T Phillips de Londres construirían el puente Homersfield reforzado con hierro forjado , con una luz de 50' (15,25 metros), sobre el río Waveney, entre los condados ingleses de Norfolk y Suffolk. [ 11 ]

Joseph Monier , jardinero francés del siglo XIX, fue pionero en el desarrollo del hormigón estructural, prefabricado y reforzado, al no estar satisfecho con los materiales existentes para la fabricación de macetas duraderas. [ 12 ] En 1867, obtuvo una patente para reforzar macetas de hormigón mediante la mezcla de una malla metálica y una capa de mortero. [ 13 ] En 1877, Monier obtuvo otra patente para una técnica más avanzada de refuerzo de columnas y vigas de hormigón, utilizando varillas de hierro dispuestas en forma de cuadrícula. Si bien Monier sin duda sabía que el refuerzo del hormigón mejoraría su cohesión interna, no está claro si siquiera sabía cuánto mejoraba la resistencia a la tracción del hormigón con dicho refuerzo. [ 14 ]

En 1877, Thaddeus Hyatt publicó un informe titulado «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 para la seguridad contra incendios en la fabricación de techos, pisos y superficies transitables» [ 15 ] , en el que describió sus experimentos sobre el comportamiento del hormigón armado. Su trabajo desempeñó un papel fundamental en la evolución de la construcción con hormigón como una 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. [ 7 ] [ 16 ]

Antes de la década de 1870, el uso de la construcción con hormigón aún no era una tecnología científicamente probada, aunque se remontaba al Imperio Romano y se había reintroducido a principios del siglo XIX. [ 17 ]

Ernest L. Ransome , un ingeniero nacido en Inglaterra, fue uno de los primeros innovadores en técnicas de hormigón armado a finales del siglo XIX. Utilizando el conocimiento sobre hormigón armado desarrollado durante los 50 años anteriores, Ransome mejoró casi todos los estilos y técnicas de los inventores anteriores. La innovación clave de Ransome fue torcer la barra de acero de refuerzo, mejorando así su adherencia al hormigón. [ 18 ] [ 19 ] Ganando cada vez más fama por sus edificios construidos con hormigón, Ransome pudo construir entre 1886 y 1889 dos de los primeros puentes de hormigón armado en Norteamérica. [ 18 ] 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 Estados Unidos fue una casa particular diseñada por William Ward , terminada en 1876. La casa fue diseñada especialmente para ser ignífuga.

G. A. Wayss fue un ingeniero civil alemán y pionero de la construcción con hormigón armado. En 1879, Wayss adquirió los derechos alemanes de las patentes de Monier y, en 1884, su empresa, Wayss & Freytag , realizó el primer uso comercial del hormigón armado. Hasta la década de 1890, Wayss y su empresa contribuyeron significativamente al desarrollo del sistema de refuerzo de Monier, consolidándolo como una tecnología científica avanzada. [ 14 ]

El puente Lamington fue el primer gran puente de carretera de hormigón armado de Australia. Fue diseñado por Alfred Barton Brady , arquitecto del gobierno de Queensland en el momento de su construcción en 1896. [ 20 ] Tiene once tramos de 15,2 metros (50 pies) y una longitud total de 187 metros (614 pies) , más grande que cualquier puente comparable conocido en el mundo en ese momento. [ 21 ]  

Uno de los primeros rascacielos construidos con hormigón armado fue el edificio Ingalls de 16 pisos en Cincinnati, construido en 1904. [ 10 ]

El primer edificio de hormigón armado en el sur de California fue el Anexo Laughlin en el centro de Los Ángeles , construido en 1905. [ 22 ] [ 23 ] En 1906, se emitieron 16 permisos de construcción para edificios de hormigón armado en la ciudad de Los Ángeles, incluyendo el Auditorio Temple y el Hotel Hayward de 8 pisos. [ 24 ] [ 25 ]

En 1906, un derrumbe parcial del Hotel Bixby en Long Beach causó la muerte de 10 trabajadores durante la construcción, cuando se retiró prematuramente el apuntalamiento. Este suceso impulsó un análisis exhaustivo de las prácticas de construcción con hormigón y las inspecciones de edificios. La estructura se construyó con marcos de hormigón armado, pisos de losas de arcilla huecas y muros de relleno de las mismas. Esta práctica fue fuertemente cuestionada por expertos, quienes recomendaron la construcción con hormigón "puro", utilizando hormigón armado tanto para los pisos y muros como para los marcos. [ 26 ]

En abril de 1904, Julia Morgan , 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 metros (72 pies) en Mills College , [ 27 ] ubicado al otro lado de la bahía de San Francisco . Dos años después, El Campanil sobrevivió al terremoto de San Francisco de 1906 sin sufrir daños, [ 28 ] lo que contribuyó a consolidar su reputación e impulsar su prolífica carrera. [ 29 ] El terremoto de 1906 también modificó la resistencia inicial del público al hormigón armado como material de construcción, que había sido criticado por su supuesta falta de atractivo. En 1908, la Junta de Supervisores de San Francisco modificó los códigos de construcción de la ciudad para permitir un uso más amplio del hormigón armado. [ 30 ] 

En 1906, la Asociación Nacional de Usuarios de Cemento (NACU) publicó la Norma N.° 1 [ 31 ] y, en 1910, el Reglamento de Construcción Estándar para el Uso de Hormigón Armado . [ 32 ]

Uso en la construcción

Varillas del tejado de la Sagrada Familia en construcción (2009)
Estatua del Cristo Redentor en Río de Janeiro , Brasil. El monumento está hecho de hormigón armado revestido con un mosaico de miles de baldosas triangulares de esteatita . [ 33 ]

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

El hormigón armado se puede clasificar en hormigón prefabricado o hormigón vertido 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 final, los costos operativos, los niveles de ocupación y el uso final del edificio.

Sin refuerzo, la construcción de estructuras modernas con material de hormigón no sería posible.

Elementos de hormigón armado

Cuando se utilizan elementos de hormigón armado en la construcción, estos elementos exhiben un comportamiento básico al ser sometidos a cargas externas . Los elementos de hormigón armado pueden estar sujetos a tracción , compresión , flexión , cortante y/o torsión . [ 34 ]

Comportamiento

Materiales

El hormigón es una mezcla de agregados gruesos (trozos de piedra o 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 opacas microscópicas que encapsulan y fijan el agregado en una forma rígida. [ 35 ] [ 36 ] 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 una 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 dará como resultado el agrietamiento y la separación del hormigón. Por esta razón, el hormigón típico sin armar debe estar bien apoyado para evitar el desarrollo de tensión.  

Si se coloca un material con alta resistencia a la tracción, como el acero , en el hormigón, 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 el refuerzo ( barras de acero ) resiste la tracción puede fabricarse 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 dilatación térmica del hormigón es similar al del acero, lo que elimina las grandes tensiones internas debidas a las diferencias de dilatación o contracción térmica .
  2. Cuando la pasta de cemento del hormigón se endurece, se adapta a la superficie del acero, permitiendo que las tensiones se transmitan eficazmente entre los diferentes materiales. Generalmente, las barras de acero se texturizan o corrugan para mejorar aún más la adherencia o cohesión entre el hormigón y el acero.
  3. El entorno químico alcalino proporcionado por la reserva de álcalis (KOH, NaOH) y la portlandita ( hidróxido de calcio ) contenida en la pasta de cemento endurecida provoca la formación de una película pasivante en la superficie del acero, haciéndolo mucho más resistente a la corrosión que en condiciones neutras o ácidas. Cuando la pasta de cemento se expone al aire y el agua meteórica reacciona con el CO₂ atmosférico , se forma ácido carbónico . El ácido carbónico reacciona entonces con la portlandita y el silicato de calcio hidratado (CSH) de la pasta de cemento endurecida para carbonatarlos progresivamente, reduciendo gradualmente el pH elevado de 13,5-12,5 a 8,5, el pH del agua en equilibrio con la calcita ( carbonato de calcio ), y el acero deja de estar pasivado.

Como regla general, y solo para dar una idea de la 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 fisicoquímicas locales cuando el hormigón se carbonata. La carbonatación del hormigón, junto con la penetración de cloruros , se encuentran entre las principales causas de la falla de las barras de refuerzo en el hormigón.

La sección transversal relativa de acero requerida para el hormigón armado típico suele ser bastante pequeña y varía del 1 % para la mayoría de vigas y losas al 6 % para algunas columnas. Las barras de refuerzo suelen tener sección transversal redonda y su diámetro varía. Las estructuras de hormigón armado a veces incorporan 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 los elementos verticales de hormigón armado es inhomogénea. [ 37 ]

Mecanismo de acción compuesta del refuerzo y el hormigón

El refuerzo en una estructura de hormigón armado, como una barra de acero, debe 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 adherencia (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 materiales diferentes, hormigón y acero, pueden trabajar juntos son las siguientes: (1) El refuerzo puede estar bien adherido al hormigón, por lo que pueden resistir conjuntamente las cargas externas y deformarse. (2) Los coeficientes de expansión térmica del hormigón y del acero son muy similares (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 en la unión entre los dos componentes. (3) El hormigón puede proteger el acero embebido 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 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 insuficiente para el desarrollo completo, se deben proporcionar anclajes especiales, como dientes, ganchos o placas de extremo mecánicas. El mismo concepto se aplica a la longitud de empalme por solape [ 38 ] mencionada en los códigos, donde los empalmes (solapamiento) se proporcionan entre dos barras adyacentes para mantener la continuidad de tensión requerida en la zona de empalme.

Medidas anticorrosión

En climas húmedos y fríos, el hormigón armado para carreteras, puentes, aparcamientos y otras estructuras expuestas a la sal descongelante puede beneficiarse del uso de refuerzos resistentes a la corrosión, como barras de acero inoxidable o galvanizado en caliente, sin recubrimiento, con bajo contenido de carbono/cromo (microcompuestos), con recubrimiento epoxi . Un buen diseño y una mezcla de hormigón adecuada proporcionarán protección adicional en muchas aplicaciones.

Las barras de refuerzo sin recubrimiento, de bajo contenido de carbono/cromo, tienen una apariencia similar a las barras de refuerzo de acero al carbono estándar debido a la falta de recubrimiento; 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 de color carbón oscuro. Las barras de refuerzo con recubrimiento epoxi se pueden identificar fácilmente por el color verde claro de su recubrimiento epoxi. Las barras de refuerzo galvanizadas por inmersión en caliente pueden ser de color gris brillante u opaco según el tiempo de exposición, y las barras de refuerzo 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 estándar ASTM A1035/A1035M Especificación estándar para barras de acero al cromo, de bajo contenido de carbono y lisas, deformadas para refuerzo de concreto, A767 Especificación estándar para barras de refuerzo galvanizadas por inmersión en caliente, A775 Especificación estándar para barras de refuerzo de acero con recubrimiento epoxi y A955 Especificación estándar para barras de acero inoxidable, deformadas y lisas, para refuerzo de concreto.

Otra forma más económica de proteger las barras de refuerzo es recubriéndolas con fosfato de zinc . [ 39 ] 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. Entre los selladores se incluyen pinturas, 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 la calzada.

Los inhibidores de corrosión , como el nitrito de calcio [Ca(NO₂ ) ₂ ] , también pueden añadirse a la mezcla de agua antes de verter el hormigón. Generalmente, se necesita entre un 1 y un 2  %  en peso de [Ca(NO₂ ) ₂ ] con respecto al peso del cemento para prevenir la corrosión de las barras de refuerzo. El anión nitrito es un oxidante suave que oxida los iones ferrosos solubles y móviles (Fe²⁺ ) presentes en la superficie del acero corroído y provoca su precipitación como hidróxido férrico insoluble (Fe(OH) ₃ ). Esto causa 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, integradas en la losa del estacionamiento, contendrán 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 que se encuentra debajo.
Un breve vídeo muestra la colocación de la última viga en una carretera elevada, parte de una nueva vía cerca de Cardiff Bay , Gales.

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

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

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

Una viga con armadura insuficiente es aquella en la que la capacidad de tracción del refuerzo es menor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero de compresión (con armadura insuficiente en la cara de tracción). Cuando el elemento de hormigón armado se somete a un momento flector creciente, el acero de tracción cede mientras que el hormigón no alcanza su condición de fallo final. A medida que el acero de tracción cede y se estira, un hormigón con armadura insuficiente también cede de forma dúctil, mostrando una gran deformación y una señal de advertencia antes de su fallo final. 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 refuerzo es mayor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero de refuerzo (sobre-reforzada en la cara de tracción). Por lo tanto, la viga de hormigón sobre-reforzado falla por aplastamiento del hormigón en la zona de compresión y antes de que el acero de refuerzo en la zona de tracción ceda, lo que no proporciona ninguna advertencia previa a la falla, ya que esta es instantánea.

Una viga reforzada equilibrada es aquella en la que tanto la zona de compresión como la de tracción alcanzan la fluencia bajo la misma carga aplicada, y el hormigón se aplasta y el acero de tracción cede simultáneamente. Sin embargo, este criterio de diseño es tan arriesgado como el hormigón sobrearmado, ya que la falla es repentina, pues el hormigón se aplasta al mismo tiempo que cede el acero de tracción, lo que proporciona muy poca advertencia de daños en caso de falla por tracción. [ 40 ]

Los elementos portantes de hormigón armado deben diseñarse normalmente con un refuerzo insuficiente para que los usuarios de la estructura reciban una advertencia de un colapso inminente.

La resistencia característica es la resistencia de un material cuando menos del 5% de la muestra muestra una resistencia inferior.

La resistencia de diseño o resistencia nominal es la resistencia de un material, incluyendo un factor de seguridad del material. El valor del factor de seguridad generalmente oscila entre 0,75 y 0,85 en el diseño de esfuerzos admisibles .

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

Las estructuras de hormigón armado se diseñan normalmente según las normas y reglamentos o las recomendaciones de un código como ACI-318, CEB, Eurocódigo 2 o similares. 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 realizar mediante enfoques lineales o no lineales. Al aplicar factores de seguridad, los códigos de construcción suelen proponer enfoques lineales, pero en algunos casos se utilizan enfoques no lineales. Para ver ejemplos de simulación y cálculo numérico no lineal, consulte las referencias: [ 41 ] [ 42 ]

Hormigón pretensado

El pretensado del hormigón es una técnica que aumenta considerablemente la resistencia a la carga de las vigas de hormigón. El acero de refuerzo en la parte inferior de la viga, que estará sometido a fuerzas de tracción durante su uso, se coloca a 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, generando una fuerza de compresión interna en el hormigón. Al aplicarse las cargas, el acero de refuerzo soporta mayor 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, es menos propenso a agrietarse y fallar. [ 43 ]

Modos de fallo comunes del hormigón armado

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

El hormigón armado puede fallar debido a una resistencia insuficiente, lo que conlleva 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 desprenderse en escamas, agrietando el hormigón y desprendiendo las barras de refuerzo. A continuación, se describen los mecanismos típicos que provocan problemas de durabilidad.

Fallo mecánico

Es casi imposible prevenir el agrietamiento de la sección de concreto; sin embargo, el tamaño y la ubicación de las grietas pueden limitarse y controlarse mediante un refuerzo adecuado, juntas de dilatación, una metodología de curado apropiada y un diseño de mezcla de concreto apropiado. El agrietamiento puede permitir que la humedad penetre y corroa el refuerzo. Esto constituye una falla de servicio en el diseño de estado límite . El agrietamiento suele ser el resultado de una cantidad insuficiente de barras de refuerzo o de barras de refuerzo espaciadas a una distancia excesiva. El concreto se agrieta bajo cargas excesivas o debido a efectos internos como la retracción térmica prematura durante el curado.

La falla final que conduce al colapso puede ser causada por el aplastamiento del hormigón, que ocurre cuando las tensiones de compresión superan su resistencia, por la fluencia o falla de la barra de refuerzo cuando las tensiones de flexión o cortante superan la resistencia del refuerzo, o por falla de adherencia entre el hormigón y la barra de refuerzo. [ 44 ]

Carbonatación

El agrietamiento de la pared de hormigón se produce por la corrosión e hinchazón del acero de refuerzo. El óxido tiene menor densidad que el metal, por lo que se expande al formarse, agrietando el revestimiento decorativo de la pared y dañando el hormigón estructural. El desprendimiento de material de una superficie se denomina desconchamiento .
Vista detallada del desconchamiento, probablemente causado por una capa de hormigón demasiado fina entre el acero y la superficie, acompañada de corrosión por exposición externa.

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

Al diseñar una estructura de hormigón, es habitual especificar el recubrimiento de hormigón para las armaduras (la profundidad de las armaduras dentro de la estructura). El recubrimiento mínimo de hormigón suele estar regulado por las normas de diseño o construcción . Si el refuerzo está demasiado cerca de la superficie, puede producirse una falla prematura por corrosión. La profundidad del recubrimiento de hormigón se puede medir con un medidor de recubrimiento . Sin embargo, el hormigón carbonatado presenta problemas de durabilidad solo cuando existe suficiente humedad y oxígeno para provocar corrosión electroquímica del acero de refuerzo.

Un método para comprobar la carbonatación de una estructura consiste en perforar un nuevo orificio en la superficie y tratar la zona de corte con una solución indicadora de fenolftaleína . Esta solución se torna rosa al entrar en contacto con el hormigón alcalino, lo que permite observar la profundidad de la carbonatación. No basta con utilizar un orificio ya existente, puesto que la superficie expuesta ya estará carbonatada.

cloruros

Los cloruros pueden favorecer la corrosión de las barras de refuerzo embebidas si se encuentran en una concentración suficientemente alta. Los aniones cloruro inducen tanto corrosión localizada ( corrosión por picaduras ) como corrosión generalizada de las armaduras de acero. Por este motivo, para la mezcla del hormigón se debe utilizar únicamente agua cruda o potable, asegurándose de que los áridos gruesos y finos no contengan cloruros, en lugar de aditivos que puedan contenerlos.

Varillas de refuerzo para los cimientos y muros de una estación de bombeo de aguas residuales.
El viaducto de Paulins Kill , en Hainesburg, Nueva Jersey, tiene 35 metros de altura y 335 metros de longitud, y fue aclamado como 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 del hormigón armado.

Antiguamente, era común usar 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 una vez que se conocieron los efectos nocivos de los cloruros. Debe evitarse siempre que sea posible.

El uso de sales descongelantes en las carreteras, empleadas para reducir el punto de congelación del agua, es probablemente una de las principales causas de la falla prematura de los tableros de puentes, carreteras y estacionamientos de hormigón armado o pretensado. El uso de barras de refuerzo recubiertas de epoxi y la aplicación de protección catódica han mitigado este problema en cierta medida. Asimismo, se sabe que las barras de refuerzo de polímero reforzado con fibra (PRF) son menos susceptibles a los cloruros. Las mezclas de hormigón diseñadas adecuadamente y curadas correctamente son prácticamente impermeables a los efectos de los descongelantes.

Otra fuente importante de iones cloruro es el agua de mar . El agua de mar contiene aproximadamente un 3,5 % de sales en peso. 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⁻, SO₄²⁻, HCO₃⁻ ) y migran con el agua hacia los capilares del hormigón . Los iones cloruro , que constituyen aproximadamente el 50 % de estos iones, son particularmente agresivos como causa de corrosión de las barras de refuerzo de acero al carbono.

En las décadas de 1960 y 1970, también era relativamente común utilizar magnesita , un mineral carbonatado rico en cloruros , como material de revestimiento de pisos. Esto se hacía principalmente como capa niveladora y aislante acústico. 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 (generalmente décadas), esta solución provoca la corrosión de las barras de refuerzo embebidas . Esto se observaba con mayor frecuencia en áreas húmedas o expuestas repetidamente a la humedad.

Reacción de sílice alcalina

Esta es una reacción de sílice amorfa ( calcedonia , sílex , caliza silícea ) a veces presente en los agregados con los iones hidroxilo ( OH⁻ ) de la solución de poros del cemento. La sílice poco cristalizada (SiO₂ ) 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 poros con el hidróxido de calcio ( portlandita ) presente en la pasta de cemento para formar un silicato de calcio hidratado (CSH) expansivo. La reacción álcali-sílice (RAS) causa hinchamiento localizado 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 a los álcalis (sílice amorfa), (2) disponibilidad suficiente de iones hidroxilo (OH⁻ ) y (3) humedad suficiente, por encima del 75% de humedad relativa (HR) dentro del hormigón. [ 45 ] [ 46 ] Este fenómeno a veces se conoce popularmente como " cáncer del hormigón ". Esta reacción ocurre independientemente de la presencia de barras de refuerzo; estructuras de hormigón masivo como las presas pueden verse afectadas.

Conversión de cemento de alta alúmina

Resistente a ácidos débiles y especialmente a sulfatos, este cemento fragua rápidamente y posee una gran durabilidad y resistencia. Se utilizó con frecuencia después de la Segunda Guerra Mundial para la fabricación de objetos de hormigón prefabricado. Sin embargo, puede perder resistencia con el calor o el paso del tiempo (conversión), sobre todo si no se cura adecuadamente. Tras el derrumbe de tres cubiertas construidas con vigas de hormigón pretensado que utilizaban cemento de alto contenido en alúmina, este cemento fue prohibido en el Reino Unido en 1976. Las investigaciones posteriores demostraron que las vigas se habían fabricado incorrectamente, pero la prohibición se mantuvo. [ 47 ]

Sulfatos

Los sulfatos (SO₄ ) presentes en el suelo o en el agua subterránea, en concentraciones suficientes, pueden reaccionar con el cemento Portland del hormigón, provocando la formación de productos expansivos, como la etringita o la taumasita , que pueden causar fallos prematuros en la estructura. El ataque más común de este tipo se produce en losas de hormigón y muros de cimentación en terrenos donde la concentración de iones sulfato, debido a ciclos alternos de humectación y secado, puede aumentar. A medida que aumenta la concentración, puede comenzar el ataque al cemento Portland. En estructuras enterradas, como tuberías, este tipo de ataque es mucho menos frecuente, especialmente en el este de Estados Unidos. La concentración de iones sulfato aumenta mucho más lentamente en la masa de suelo y depende principalmente 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 involucre hormigón en contacto con el suelo nativo. Si se detectan concentraciones agresivas, se pueden aplicar diversos recubrimientos protectores. Asimismo, en Estados Unidos se puede utilizar cemento Portland tipo 5 ASTM C150 en la mezcla. Este tipo de cemento está diseñado para ser especialmente resistente al ataque de sulfatos.

Construcción con placas de acero

En la construcción con placas de acero, las vigas longitudinales unen placas paralelas. Los conjuntos de placas se fabrican fuera de la obra y se sueldan en ella para formar muros de acero conectados por vigas longitudinales. Estos muros sirven de encofrado para el vertido del hormigón. La construcción con placas de acero acelera la construcción con hormigón armado al eliminar los laboriosos pasos manuales en obra de atar las barras de refuerzo y construir los encofrados. Este método proporciona una excelente resistencia, ya que el acero se encuentra 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 puede emplearse en hormigón convencional. El hormigón convencional reforzado con fibras se utiliza sobre todo en suelos y pavimentos, pero también puede considerarse para una amplia gama de elementos constructivos (vigas, pilares, cimentaciones, etc.), ya sea solo o con barras de refuerzo atadas a mano.

El hormigón reforzado con fibras (generalmente de acero, vidrio o plástico ) o con fibras de polímero de celulosa es menos costoso que el refuerzo con barras atadas a mano. La forma, las dimensiones y la longitud de la fibra son importantes. Una fibra delgada y corta, por ejemplo, una fibra de vidrio corta con forma de cabello, solo es efectiva durante las primeras horas después del vertido del 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, de acero o plástico) aumentará la resistencia a la tracción del hormigón. El refuerzo con fibras se utiliza con mayor frecuencia para complementar o reemplazar parcialmente las barras de refuerzo primarias y, en algunos casos, puede diseñarse para reemplazarlas por completo. [ 48 ]  

El acero es la fibra más resistente disponible en el mercado [ 49 ] y se presenta en diferentes longitudes (de 30 a 80  mm en Europa) y formas (con ganchos en los extremos). Las fibras de acero solo pueden utilizarse en superficies que toleren o eviten la corrosión y las manchas de óxido. En algunos casos, una superficie de fibra de acero se recubre 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 tiempo en Europa del Este , se ha introducido en Estados Unidos y Europa Occidental. La fibra de basalto es más resistente y menos costosa que la de vidrio, pero históricamente no ha resistido lo suficiente el ambiente alcalino del cemento Portland como para utilizarse como refuerzo directo. Los nuevos materiales emplean aglutinantes plásticos para aislar la fibra de basalto del cemento.

Las fibras de alta calidad son fibras plásticas reforzadas con grafito , que son casi tan resistentes como el acero, más ligeras y resistentes a la corrosión. Algunos experimentos con nanotubos de carbono han arrojado resultados iniciales prometedores , pero el material aún es demasiado caro para cualquier construcción.

Refuerzo no metálico

Existe una considerable superposición entre los temas de refuerzo no metálico y refuerzo con fibras del hormigón. La introducción del refuerzo no metálico en el hormigón es relativamente reciente; se presenta en dos formas principales: barras de refuerzo no metálicas y fibras no metálicas (generalmente también no metálicas) incorporadas a la matriz de cemento. Por ejemplo, existe un creciente interés en el hormigón reforzado con fibra de vidrio (HRFV) y en diversas aplicaciones de fibras poliméricas incorporadas al hormigón. Si bien actualmente no hay muchos indicios de que estos materiales vayan a reemplazar las barras de refuerzo metálicas, algunos de ellos presentan importantes ventajas en aplicaciones específicas, y también existen nuevas aplicaciones en las que las barras de refuerzo metálicas simplemente no son una opción. Sin embargo, el diseño y la aplicación del refuerzo no metálico están plagados de desafíos. Por un lado, el hormigón es un entorno altamente alcalino, en el que muchos materiales, incluyendo la mayoría de los tipos de vidrio, tienen una vida útil corta . Además, el comportamiento de estos materiales de refuerzo difiere del de los metales, por ejemplo, en términos de resistencia al corte, fluencia y elasticidad. [ 50 ] [ 51 ]

Los plásticos/polímeros reforzados con fibra (FRP) y los plásticos reforzados con vidrio (GRP) consisten en fibras de polímero , vidrio, carbono, aramida u otros polímeros o fibras de alta resistencia incrustadas en una matriz de resina para formar una barra, rejilla o fibra de refuerzo. Estas barras se instalan de forma muy similar a las barras de acero. Su coste es mayor, pero cuando se aplican correctamente, las estructuras presentan ventajas, en particular una drástica reducción de los problemas relacionados con la corrosión , ya sea por la alcalinidad intrínseca del hormigón o por fluidos corrosivos externos que puedan penetrar en él. Estas estructuras pueden ser significativamente más ligeras y, por lo general, tienen una vida útil más larga . El coste de estos materiales ha disminuido drásticamente desde su adopción generalizada en la industria aeroespacial y en el ámbito militar.

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 . Asimismo, las cabinas de peaje que leen etiquetas de radio necesitan hormigón armado transparente a las ondas de radio . Además, cuando la vida útil de la estructura de hormigón es más importante que su coste inicial, el refuerzo sin acero suele tener ventajas cuando la corrosión del acero de refuerzo es una causa importante de fallo. En tales situaciones, el refuerzo resistente a la 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 donde es probable que la estructura de hormigón se vea comprometida en el futuro, por ejemplo, los bordes de los balcones cuando se reemplazan las barandillas , y los suelos de los baños en construcciones de varias plantas donde la vida útil de la estructura del suelo probablemente sea muchas veces mayor que la de la membrana impermeabilizante del edificio.

El refuerzo plástico suele ser más resistente , o al menos presenta una mejor relación resistencia-peso que el acero de refuerzo. Además, gracias a su resistencia a la corrosión, no requiere un recubrimiento de hormigón tan grueso como el del acero (normalmente de 30 a 50  mm o más). Por lo tanto, las estructuras reforzadas con FRP pueden ser más ligeras y duraderas. En consecuencia, para algunas aplicaciones, el coste total del ciclo de vida será competitivo con el del hormigón armado.

Las propiedades del material 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. En ambos casos, es más probable que la falla ocurra por compresión del hormigón que por rotura del refuerzo. La deflexión es siempre una consideración importante en el diseño del hormigón armado. Los límites de deflexión se establecen para asegurar que el ancho de las fisuras en el hormigón armado con acero se controle para evitar que el agua, el aire u otras sustancias agresivas alcancen el acero y causen corrosión. Para el hormigón armado con FRP, la estética y posiblemente la estanqueidad serán los criterios limitantes para el control del ancho de las fisuras. Las varillas de FRP también tienen resistencias a la compresión relativamente menores que las barras de acero, y por lo tanto requieren enfoques de diseño diferentes 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 un factor importante, las estructuras que emplean FRP deben mantener su resistencia y el anclaje de las fuerzas a las temperaturas previstas en caso de incendio. Para la protección contra incendios , es necesario un recubrimiento de hormigón o revestimiento protector de espesor adecuado. Se ha demostrado que la adición de 1  kg/m³ de fibras de polipropileno al hormigón reduce el desprendimiento durante un incendio simulado. [ 52 ] (Se cree que la mejora se debe a la formación de vías de escape desde el interior del hormigón, lo que permite la disipación de la presión del vapor. [ 52 ] )

Otro problema radica en la eficacia del refuerzo a cortante. Los estribos de FRP formados por doblado antes del endurecimiento suelen tener un rendimiento relativamente inferior al de los estribos de acero o a las estructuras con fibras rectas. Al someterse a tensión, la zona entre las regiones rectas y curvas está sujeta a fuertes esfuerzos de flexión, cortante y longitudinales. Se requieren técnicas de diseño especiales para abordar estos problemas.

Existe un creciente interés en aplicar refuerzo externo a estructuras existentes mediante materiales avanzados como las barras de refuerzo compuestas (fibra de vidrio, basalto, carbono), que proporcionan una resistencia excepcional. A nivel mundial, existen diversas marcas de barras de refuerzo compuestas reconocidas en 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 como Estados Unidos, Rusia, Corea del Sur y Alemania.

Véase también

Referencias

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