Constructor Civil

sábado, 15 de enero de 2011

Concreto: Módulo de Elasticidad.

El concreto no es un material eminentemente elástico, esto se puede observar fácilmente si se somete a un espécimen a esfuerzos de compresión crecientes hasta llevarlo a la falla, si para cada nivel de esfuerzo se registra la deformación unitaria del material, se podría dibujar la curva que relaciona estos parámetros, la Figura 9.15 muestra la curva esfuerzo-deformación (expresada en ocasiones como la curva).

Figura 9.15. Curva Típica Esfuerzo-Deformación para el Concreto Bajo Compresión, y Puntos para Definir el Módulo de Elasticidad según ASTM C-469.

De la Figura 9.15, y de acuerdo a la norma ASTM C-469, el módulo de elasticidad (Ec) se obtiene calculando la pendiente del segmento de recta que pasa por los puntos A y B, para lo cual es necesario obtener del trazo de la curva (o en el transcurso de la prueba) la ordenada correspondiente a las 50 microdeformaciones y la abscisa correspondiente al esfuerzo 0.40f’c. De la figura se observa también que la deformación que corresponde a la resistencia del concreto es 0.002 cm/cm, que corresponde a 2,000 microdeformaciones. Aún después de que el concreto alcanza su resistencia máxima, y si la carga se sostiene (el esfuerzo disminuye) hasta lograr la falla total (el concreto truena), se puede medir la deformación última que soporta el material, ésta deformación es de 0.035 cm/cm.
Pruebas como la del módulo de elasticidad del concreto son bastante tediosas si se realizan con instrumentaciones anticuadas, ya que el factor humano es determinante para la toma secuencial de lecturas tanto de carga como de deformaciones, por ese motivo se aconseja emplear una instrumentación adecuada como la mostrada en la Figura 9.16, donde se observa que se han conectado al cilindro de prueba un medidor de deformaciones electrónico conocido LVDT (Linear Variable Differential Transformer) con el cual se miden las deformaciones verticales, estas deformaciones se registran automáticamente por medio de una computadora conectada al medidor, y por medio de un programa se puede graficar la curva σ -ε y calcular al mismo tiempo el módulo de elasticidad.

Figura 9.16. Determinación del Módulo de Elasticidad del Concreto.

El módulo de elasticidad es un parámetro muy importante en el análisis de las estructuras de concreto ya que se emplea en el cálculo de la rigidez de los elementos estructurales, en algunos lugares como en la ciudad de México y a raíz de los terremotos de 1985, se han echo cambios en el Reglamento de construcciones del Distrito Federal, estos cambios demandan valores mínimos para el módulo de elasticidad dependiendo del tipo de concreto que se emplee en la obra, por lo tanto ahora, además de la f’c se debe garantizar Ec. En algunos estructuristas existe la tendencia a suponer valores de Ec, para lo cual emplean fórmulas sugeridas por diversas instituciones, por ejemplo el Comité Aci-318 sugiere en su reglamento la siguiente ecuación para concretos de 90 a 155 lb/pie3:

Cualquiera que sea la expresión que se use, no se debe perder de vista que el valor que se obtenga es útil solamente a nivel de anteproyecto, para el proyecto final de una obra se debe emplear el módulo de elasticidad del concreto que realmente estará en la obra, esto sólo es posible si el estructurista tiene el cuidado de recabar la información del productor local del concreto, o en su defecto se deben cotizar las pruebas respectivas con cargo al trabajo de análisis y diseño. Es muy peligroso para la seguridad de la estructura emplear indiscriminadamente fórmulas cuando se desconocen las características elásticas del concreto que se puede fabricar en la zona donde se construirá la obra.

Concreto: Resistencia al Intemperismo.

Cuando el concreto va a estar expuesto a la intemperie, particularmente en climas extremosos (mucho calor y/o mucho frío), este sufre cambios volumétricos cíclicos (contracciones y expansiones) que van minando poco a poco la resistencia del concreto, los efectos de desgaste se acentúan aún más cuando el material se humedece y se seca. Para proteger al concreto contra los efectos del intemperismo se acostumbra a introducirle aire intencionalmente con ayuda de aditivos, el aire introducido, a manera de pequeñas burbujas de 0.025 a 0.1 mm en diámetro espaciadas uniformemente en la masa de concreto brindan una excelente protección contra los agentes de deterioro (las burbujas no se interconectan). En lugares donde el concreto se humedece y la temperatura baja hasta el punto de congelación se debe usar concreto con aire introducido. Las pequeñas burbujas en el concreto con aire introducido actúan como espacios disponibles para aliviar las fuerzas destructivas que se producen cuando el agua de los poros se congela (al congelarse el agua aumenta su volumen en un 10% aproximadamente).

La cantidad de aire necesaria para brindarle protección al concreto contra el deterioro provocado por el congelamiento y el deshielo varía entre 4 y 6% por volumen, este tipo de protección se debe dar al concreto en climas muy fríos durante el invierno, como el norte de Estados Unidos, parte de Canadá y algunos países europeos. La ASTM ha normalizado algunas pruebas para evaluar la resistencia del concreto al congelamiento y deshielo, las pruebas aunque no necesariamente se correlacionan bien con las condiciones reales de las estructuras de concreto, si permiten calificar de una manera rigorista la durabilidad del material, las pruebas normalizadas a las que se hará referencia son la ASTM C-666 Método A “Congelamiento y Descongelamiento en agua” y la ASTM C-666 Método B “Congelamiento al Aire y Descongelamiento en Agua”. En ambos casos el concreto se debe saturar en agua antes de proceder a bajar la temperatura hasta -
17.8 °C posteriormente y de acuerdo a la norma y para las condiciones de cada caso se va aumentando la temperatura en forma gradual hasta lograr 4.4 °C, descongelándose el material. Lo anterior constituiría un ciclo de prueba, se considera que el material tiene una excelente durabilidad cuando resiste 300 ciclos sin mostrar una baja menor al 60% en el módulo de elasticidad dinámico. Las Figuras 9.13 y 9.14 muestran el equipo empleado en las pruebas y el daño causado por las pruebas en vigas moldeadas especialmente para este tipo de ensayes.

Figura 9.13. Equipo Empleado en los Ensayos de Congelemiento-Deshielo.

Arriba se muestra un Refrigerador, Abajo la Prueba para checar la Reducción en el Módulo de

Elasticidad Dinámico.

Figura 9.14. Concretos Sometidos a Ciclos de Congelamiento-Deshielo ASTM C-666
Método.

Arriba un Concreto sin Aire Introducido (resistió 166 ciclos), Abajo un Concreto con Aire Introducido Después de 300 ciclos.

Concreto: Resistencia a la Fatiga.

El concreto al igual que otros materiales exhibe una resistencia a la fatiga, la resistencia se define como la capacidad del material para soportar un cierto número de repeticiones de carga, con niveles de esfuerzo menores a la resistencia última del material. Esta propiedad se ha estudiado ensayando especímenes tanto a compresión como a flexión. La Figura 9.12 ilustra el comportamiento a la fatiga de vigas probadas a la flexión, en ella se muestra la correlación que se obtiene entre la relación de esfuerzos (r), obtenida de dividir el esfuerzo debido a la carga aplicada entre el módulo de ruptura (resistencia última) y el número de ciclos de carga (n) que soporta el material.

Figura 9.12. Capacidad de Fatiga a la Flexión del Concreto Simple.

Concreto: Resistencia a la Flexión.

La capacidad del concreto simple a flexión se evalúa por medio del ensaye de vigas, durante este ensaye el concreto se ve sometido tanto a compresión como a tensión. La capacidad a la flexión del concreto se representa por el módulo de ruptura, el módulo de ruptura es esencial para el diseño y control de calidad de estructuras como las de los pisos y pavimentos de concreto. La prueba para este caso se rige por la norma ASTM C-78 donde se acostumbra probar vigas de 6x6x21 pulgadas, la Figura 9.10 ilustra esta prueba, en ella se observa la viga después de fallar, la viga se apoya libremente y se carga en los tercios medios.

Figura 9.10. Ensaye a la Flexión de una Viga de Concreto.

El módulo de ruptura del concreto se calcula por medio de la fórmula:

En el caso particular del ensayo de vigas de concreto, tal vez en aras de evitar desperdicios y de hacer un uso más eficiente de los materiales, la ASTM ha normalizado el ensaye a compresión de segmentos de vigas rotas a la flexión, la norma ASTM C-116 describe los detalles de la prueba, la Figura 9.11 ilustra la prueba de compresión.

Figura 9.11. Ensaye de una Porción de Viga a la Compresión.

Concreto: Resistencia a la Tensión.

El concreto se caracteriza por tener una excelente resistencia a la compresión, sin embargo su capacidad a la tensión es tan baja que se le desprecia para propósitos estructurales. La poca capacidad del concreto a la tensión le ayuda a disminuir los agrietamientos que se pueden producir por la influencia de tensiones inducidas por restricciones estructurales, cambios volumétricos u otros fenómenos, generalmente el valor de la capacidad a la tensión se encuentra alrededor del 9% de la capacidad a compresión en concretos de peso y resistencia normal. La capacidad a tensión no se obtiene probando al material en tensión directa, sino se acostumbra a obtenerlo en forma indirecta con pruebas como la Prueba Brasileña, que se puede realizar según la norma ASTM C-496 o su equivalente NMX-C-163 “Tensión por Compresión Diametral”, en la prueba se emplea un cilindro estándar colocándolo en la forma que se aprecia en la Figura 9.9.

Figura 9.9. Prueba Brasileña o de Tensión Indirecta.

La resistencia a la tensión indirecta se puede calcular con la fórmula:

Concreto: Resistencia a la Compresión

Como se ha mencionado la resistencia a compresión del concreto se obtiene por medio de ensayes de cilindros de 15 x 30 cm, al cilindro de este tamaño se le denomina cilindro estándar, el tamaño del cilindro corresponde a concretos estructurales con tamaños máximos de agregado que pueden variar de 6.4 mm (1/4 de pulgada) hasta 19.1 mm (3/4 de pulgada), aunque en pavimentos se llegan a emplear agregados hasta de 38.1 mm (1 1/ 2 pulgadas). En otros tipos de concretos, por ejemplo en los concretos masivos, los agregados pueden tener tamaños máximos mayores, entre 52.4 y 228.6 mm (6 y 9 pulgadas), por lo que los tamaños de los cilindros son mayores también.

Otro ejemplo real se presenta cuando es necesario extraer un corazón o núcleo de concreto de un elemento estructural para averiguar la resistencia que tiene el concreto del elemento (esto se tiene que hacer frecuentemente cuando no se cumple con la f’c de proyecto), en este caso por lo general se extraen núcleos con diámetros menores al del cilindro estándar, ver Figura 9.7.

En cada caso, cuando se prueba un cilindro de concreto se debe especificar el tamaño del cilindro y la relación que guardan la altura y el diámetro del espécimen, ya que esto afecta la resistencia reportada. En los cilindros de concreto se debe cumplir una relación de altura-diámetro igual a 2, de no ser así el resultado de la prueba se debe corregir por esbeltez (sí la relación es menor a 2 el resultado de la prueba se debe multiplicar por un factor menor a la unidad). Aún en el caso de que la relación altura-diámetro sea 2, el tamaño del diámetro afecta el resultado con respecto al cilindro estándar, véase la Figura 9.8.

La velocidad de ensaye de los cilindros también afecta los resultados de resistencia, la norma ASTM C-39 y la NMX-C-83 especifican velocidades de prueba similares, la norma mexicana señala que la velocidad debe estar dentro del intervalo de 84 a 210 kg/cm2/min, llegándose a permitir una velocidad mayor siempre y cuando no se rebase la mitad de la carga máxima esperada, para el resto de la carga se cumplirá con lo especificado. Entre más rápido se aplique la carga al cilindro mayor será la resistencia reportada, por el contrario, entre más lenta sea la aplicación de la carga menor será la resistencia reportada.

Los resultados de una prueba de compresión mal ejecutada pueden oscilar desde una disminución de un 20% en la f’c real hasta un aumento del 60%.