Introducción a las estructuras de hormigón

Estructuras de Hormigón Miguel Troyano Moreno CONTENIDO: 1. Introducción .................................................................................................................................. 2 2. Estructuras de hormigón estructural ............................................................................................. 2 2.1 Tipos de elementos de hormigón estructural ........................................................................... 3 2.1.1 Elementos de hormigón en masa ................................................................................... 3 2.1.2 Elementos de hormigón armado .................................................................................... 4 2.1.3 Elementos de hormigón pretensado ............................................................................... 6 2.2 Un poco de historia .................................................................................................................. 8 3. Tipologías estructurales básicas .................................................................................................... 8 4. La aptitud hormigón-acero .......................................................................................................... 10 5. Ventajas del hormigón armado ................................................................................................... 11 6. Inconvenientes del hormigón armado ......................................................................................... 12 7. Marco reglamentario ................................................................................................................... 12 8. Enlaces web de interés ................................................................................................................ 15 Tema 1: Introducción a las estructuras de hormigón Introducción a las estructuras de hormigón 1 Pág. 2 de 15 1. INTRODUCCIÓN En este tema se presentan las Estructuras de Hormigón Estructural, como una introducción al estudio de esta tecnología estructural. Se da respuesta a lo que se entiende por hormigón estructural, se justifica el por qué dos materiales tan distintos, como el hormigón y el acero, colaboran para formar uno de los materiales más utilizado en el ámbito estructural, y se estudian sus ventajas e inconvenientes. Se describen brevemente los sistemas estructurales más habituales en el ámbito de la edificación y, finalmente, se presenta el marco normativo de esta tecnología y algunos enlaces web de interés. 2. ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ESTRUCTURAL Podemos definir una estructura como el conjunto de elementos conectados entre sí, que dotan a la construcción de la resistencia necesaria para mantener su forma ante un conjunto de acciones durante un período de tiempo determinado. Para las construcciones de la Figura 1a se muestra en la Figura 1b su correspondiente estructura. a) Construcción b) Estructura Figura 1. Construcción y su estructura Podemos definir un sistema estructural como el conjunto de estos elementos resistentes (estructura) y la forma en que se consideran que trabajan. Pórtico plano de nudos rígidos Emparrillado y barras a) Estructura b) Sistema estructural Figura 2. Estructura y uno de sus posibles sistemas estructurales Introducción a las estructuras de hormigón 1 Pág. 3 de 15 Recibe el nombre de HORMIGÓN, el material constituido por la mezcla, en proporciones convenientes, de áridos, cemento y agua. Opcionalmente, aunque actualmente es una práctica habitual, pueden utilizarse otros componentes minoritarios llamados aditivos y adiciones. El hormigón recién fabricado, conocido como hormigón fresco, es un material pastoso que puede ser moldeado para adaptarse a casi cualquier geometría. Tras un proceso de fraguado 1 , que dura menos de 12 horas, el hormigón adquiere el estado sólido, conocido como hormigón endurecido. A partir de aquí el hormigón entra en una etapa de endurecimiento, siendo a los 28 días cuando se considera que ha adquirido la resistencia que se le requiere. Hablamos de HORMIGÓN ESTRUCTURAL cuando nos referirnos al hormigón utilizado para construir elementos estructurales, y a los elementos y a las estructuras construidas con él, los llamaremos ELEMENTOS ó ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ESTRUCTURAL. 2.1 Tipos de elementos de hormigón estructural Los elementos de hormigón estructural se clasificar en. ❑ Elementos de hormigón en masa ❑ Elementos de hormigón armado ❑ Elementos de hormigón pretensado 2.1.1 Elementos de hormigón en masa Los elementos estructurales construidos únicamente con hormigón reciben el nombre de elementos de hormigón en masa (HM). Un elemento de hormigón en masa se obtiene vertiendo el hormigón, en estado pastoso, en el interior de un molde llamado encofrado, que suele ser, fundamentalmente, de madera o metálico. A este proceso se le conoce como hormigonado. La forma del encofrado va a depender del tipo de elemento que se desee construir. Otros materiales empleados en los encofrados pueden ser: el plástico, el propio hormigón, el poliestireno, la cerámica, la escayola, el fibrocemento, el cartón, etc. Figura 4. Hormigón en estado fresco, durante un proceso de Hormigonado. Figura 5. Encofrado metálico de chapas plegadas 1 El fraguado es el proceso por el cual el hormigón pasa del estado pastoso (hormigón fresco) al estado sólido (hormigón endurecido). Describiremos ésta, y otras propiedades del hormigón, en el tema 4 de este curso. Figura 3. Componentes principales del hormigón: áridos, cemento y agua Introducción a las estructuras de hormigón 1 Pág. 4 de 15 Un elemento de hormigón en masa presenta una muy buena resistencia a compresión, pero muy baja a tracción, de tal forma que estos elementos estructurales serán adecuados únicamente para soportar solicitaciones de compresión. Si un elemento de hormigón en masa se solicita a flexión, se producirá su rotura con un nivel de cargas bajo en relación con otros materiales de construcción (acero, madera, …) a igualdad de sección, y además de forma frágil, con muy poca capacidad de deformarse antes de producirse la rotura y, por tanto, con nula capacidad de aviso antes de producirse la rotura del elemento estructural. Figura 6. Ensayo de flexión de un elemento de hormigón en masa. 2.1.2 Elementos de hormigón armado Con objeto de mejorar la resistencia a tracción se introducen en el hormigón barras de acero dispuestas de tal forma que absorban los esfuerzos de tracción. Estos aceros englobados en el hormigón reciben el nombre de armaduras. Si las armaduras son introducidas en el hormigón sin ningún estado tensional previo se denominan armaduras pasivas, y los elementos estructurales construidos con hormigón y armaduras pasivas reciben el nombre de elementos de hormigón armado (HA). La construcción de un elemento de hormigón armado requiere, previo al hormigonado, de la colocación de las armaduras en el interior de los encofrados 2 . En un elemento de hormigón armado las compresiones las soportará el hormigón 3 y las tracciones el acero, aspecto conocido como DUALIDAD HORMIGÓN-ACERO, obteniéndose elementos de mayor resistencia y ductilidad, con suficiente capacidad de deformarse antes de producirse la rotura y, por lo tanto, con capacidad de aviso antes de producirse la rotura del elemento estructural. 2 En algunos elementos, como los pilotes barrenados, la colocación de las armaduras se realiza posteriormente al hormigonado, cuando el hormigón está todavía en estado fresco. 3 En general la compresión la podrá soportar tanto el hormigón como el acero, si también se dispone éste en la zona comprimida del elemento estructural. Esquema del ensayo de flexión Elemento de HM en el instante previo a la aplicación de las cargas. Estado tensional en el elemento de HM. La reducida capacidad del hormigón para soportar las tracciones provoca la rotura final del elemento. Elemento de HM en el instante de la rotura. Se aprecia la nula deformación antes de producirse la rotura. Elemento de HA en un instante anterior a la rotura. Se aprecia la gran deformación antes de producirse la rotura. Elemento de HA en el instante previo a la aplicación de las cargas. Estado tensional en el elemento de HA. Las tracciones necesarias para equilibrar la flexión la soportan la armadura. Esquema del ensayo de flexión Figura 8. Ensayo de flexión de un elemento de hormigón armado. Figura 7. Ejecución de un elemento de HA Introducción a las estructuras de hormigón 1 Pág. 5 de 15 Los aceros que se pueden utilizar para obtener las armaduras pasivas son: ❑ Barras rectas de acero corrugados ❑ Rollos de acero corrugados ❑ Alambres de acero liso, grafilado o corrugado A partir un proceso industrial, de los aceros anteriores, se pueden obtener las armaduras normalizadas: ❑ Mallas electrosoldadas ❑ Armaduras básicas electrosoldadas en celosía Finalmente, la armadura pasiva se obtiene tras los procesos de elaboración (enderezado, corte y doblado de las barras), armado (unión de la armadura elaborada mediante atado con alambre dúctil o soldadura) y montaje de las armaduras. Este producto final, ya colocado en obra, es la armadura pasiva. Figura 9. Tipos de aceros para armaduras pasivas. Atendiendo a la disposición de la armadura dentro del elemento estructural se puede hacer la siguiente clasificación: ❑ Armaduras longitudinales: son aquellas que se disponen según el eje longitudinal de la pieza ❑ Armaduras transversales: son aquellas que se disponen en planos inclinados respecto al eje longitudinal de la pieza (normalmente formando un ngulo de 90º respecto al eje de la pieza). En la Figura 10 se representa un esquema de armado habitual de una viga de hormigón armado, donde de color azul se ha representado la armadura longitudinal y de color rojo la armadura transversal, en este caso formada por cercos (en próximos temas veremos otros tipos de armaduras transversales). Introducción a las estructuras de hormigón 1 Pág. 6 de 15 Figura 10. Clasificación de las armaduras pasivas (Vista 3D https://skfb.ly/oyEtZ) 2.1.3 Elementos de hormigón pretensado Un posible problema que pueden presentar los elementos de hormigón armado es una excesiva fisuración. Para que las armaduras de acero dispuestas en el interior del hormigón absorban niveles de tensiones adecuados (próximos al límite elástico del acero) se tienen que producir niveles de deformación que el hormigón no puede soportar, produciéndose la fisuración de éste. Para que no se produzca esta fisuración, o se reduzca significativamente, es posible precomprimir el hormigón antes de su puesta en carga a través de unas armaduras denominadas ARMADURAS ACTIVAS. Esta precompresión se introduce mediante un proceso denominado PRETENSASO 4 . Figura 11. Esquema del estado tensional resultante del pretensazo y las cargas exteriores Los elementos estructurales construidos con hormigón y armaduras activas reciben el nombre de elementos de HORMIGÓN PRETENSADO (HP). En general, los elementos de hormigón pretensado suelen tener adicionalmente armaduras pasivas, por lo cual lo que caracteriza a un elemento de hormigón pretensado es la existencia de armadura activa. Dependiendo del momento en el que se realiza el tesado respecto del hormigonado del elemento estructural, el pretensado puede ser: ❑ Con armaduras pretesas. El hormigonado se efectúa después de haber tesado y anclado provisionalmente las armaduras en elementos fijos (anclajes). Cuando el hormigón ha adquirido 4 Se entiende por pretensado la aplicación controlada de una tensión al hormigón mediante el tesado de las armaduras activas o tendones. Armadura Longitudinal (Color azul) Armadura Transversal (Color rojo) + = Estado tensional resultante Estado tensional provocado por el pretensado Estado tensional provocado por las cargas exteriores Introducción a las estructuras de hormigón 1 Pág. 7 de 15 suficiente resistencia, se liberan las armaduras de sus anclajes provisionales y, por adherencia, se transfiere al hormigón la fuerza previamente introducida en las armaduras. El proceso sería el siguiente: Figura 12. Fases del proceso de pretensado con armaduras pretesas ❑ Con armaduras postesas. El hormigonado se realiza antes del tesado de las armaduras activas, que normalmente se alojan en conductos o vainas. Cuando el hormigón ha adquirido suficiente resistencia se procede al tesado y anclaje de las armaduras. El proceso sería el siguiente: Figura 14. Fases del proceso de pretensado con armaduras postesas Las armaduras activas pueden estar constituidas por: ❑ Alambres ❑ Barras ❑ Cordones (Figura 15)  Colocación, anclaje y tesado de armaduras, colocación del molde y, en su caso, colocación de la armadura pasiva.  Hormigonado, compactación, curado y endurecimiento del hormigón.  Desmoldado.  Tras alcanzar el hormigón la resistencia suficiente, corte de armaduras activas y transferencia de la fuerza de pretensado a la pieza.  Colocación y fijación del molde.  Colocación de armaduras pasivas y vainas.  Hormigonado, compactación y curado.  Envainado de tendones y desmoldado.  Tras alcanzar el hormigón la resistencia suficiente, tesado de armaduras. Detalle anclaje activo Detalle anclaje pasivo Figura 13. Proceso de tesado de las armaduras Figura 15. Cordones Introducción a las estructuras de hormigón 1 Pág. 8 de 15 2.2 Un poco de historia Aunque los romanos conocían ya un tipo de hormigón, en el que se utilizaba como conglomerante un cemento puzolánico de origen volcánico natural, el espectacular desarrollo de las construcciones de hormigón se inicia a mediados del siglo XIX, después del descubrimiento del cemento Portland por el francés J. Aspdin en 1824. Las primeras construcciones de hormigón con armadura se realizaron en Francia a partir de 1855. En 1861 publicó F, Coignet las bases para construir con hormigón armado, y en 1902 Emilio Mörsch profesor de la Escuela Técnica Superior de Stuttgart, publicó un desarrollo sobre bases científicas del comportamiento del hormigón armado y, partiendo de resultados experimentales, la primera teoría para el dimensionamiento de secciones de hormigón armado. Desde esa fecha a la actualidad el progreso ha sido constante. Se puede afirmar que es el material de construcción más empleado en nuestros días. 3. TIPOLOGÍAS ESTRUCTURALES BÁSICAS En este tema no se pretende realizar un estudio detallado de las distintas tipologías estructurales, sino únicamente introducirlas. El objeto es familiarizar al alumno con los elementos estructurales básicos de las estructuras de hormigón armado, que serán objeto de estudio a lo largo del curso. En el ámbito de la edificación y las estructuras de hormigón, la tipología estructural básica es la que se muestra en la Figura 16, formado por tres tipos de elementos estructurales fundamentales: ❑ Elementos superficiales 5 , llamados forjados. Nos permite construir en horizontal, reciben las acciones exteriores (P) y las transmiten a los elementos de sustentación vertical. ❑ Elementos de sustentación vertical lineales, llamados pilares o soportes. Nos permiten construir en altura y transmiten las acciones a la cimentación. ❑ Elementos macizos que constituyen la cimentación 6 . Transmiten las acciones al terreno. A grandes rasgos el funcionamiento resistente de este sistema es muy simple: los forjados reciben las cargas (P) y las transmite a los soportes, los cuales a su vez las transmiten a la cimentación, y ésta por último al terreno. Figura 16. Sistema estructural básico (Modelo 3D https://skfb.ly/oyD7s) El sistema estructural básico funciona muy bien mientras las cargas que tiene que soportar son fundamentalmente verticales. Cuando existen cargas horizontales 7 importantes actuando sobre los 5 Formando parte de este tipo de elementos pueden existir otros elementos, como las vigas (o jácenas) o zunchos, ya sea su misión fundamental la resistente o la constructiva, los nervios, los ábacos... 6 Se ha representado un tipo de cimentación de los muchos posibles, que suele ser habitual, formado por zapatas aisladas. 7 Las cargas horizontales básicamente tienen como origen el viento y el sismo. Las estructuras reciben estas acciones a través de los forjados, bien directamente en el caso del sismo, o bien indirectamente, a través de los cerramientos, en el caso del viento. Forjado Pilar o Soporte Cimentación (Zapatas y vigas de cimentación) P Introducción a las estructuras de hormigón 1 Pág. 9 de 15 forjados, fundamentalmente en edificios de altura, la rigidez horizontal de la estructura a base de soportes es insuficiente, y es necesario aumentarla introduciendo otros elementos verticales de mayor rigidez horizontal, como son las pantallas o conjuntos de pantallas denominados núcleos, según se muestra en la Figura 17. Estos últimos tienen como ventaja que se pueden disponer entorno a los huecos de escaleras o ascensores. Figura 17. Sistema estructural con pantallas y núcleos (Modelo 3D https://skfb.ly/oyDpZ) Otros elementos habituales en las estructuras de hormigón son los que se muestran en la Figura 18. Figura 18. Otros elementos (Modelo 3D https://skfb.ly/oyDpE) ❑ Zancas. Son losas o vigas que permiten soportar las escaleras de las construcciones. ❑ Muros. Son elementos de contención que permiten edificar bajo el nivel de rasante del terreno, soportando los empujes de las tierras. ❑ Soleras. Son elementos macizos de hormigón que están directamente en contacto con el terreno y que constituyen el elemento estructural del primer nivel de piso de la construcción. Este primer Pantalla Núcleo Zanca s Murete (de fábrica de ladrillo) Muro Solera