Hormigón armado

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Hormigón armado

Armadura y estribos antes del hormigonado.

La técnica constructiva del hormigón armado consiste en la utilización de hormigón
reforzado con barras o mallas de acero, llamadas armaduras. También es posible armarlo
con fibras, tales como fibras plásticas, fibra de vidrio, fibras de acero o combinaciones de
barras de acero con fibras dependiendo de los requerimientos a los que estará sometido. El
hormigón armado está en edificios de todo tipo, caminos, puentes, presas, túneles y obras
industriales. La utilización de fibras es muy común en la aplicación de hormigón
proyectado o shotcrete, especialmente en túneles y obras civiles en general.

Historia

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Pilar de un puente de hormigón armado.

La invención del hormigón armado se suele atribuir al constructor William Wilkinson,
quien solicitó en 1854 la patente de un sistema que incluía armaduras de hierro para «la
mejora de la construcción de viviendas, almacenes y otros edificios resistentes al fuego».
En el 1855 Joseph-Louis Lambot publico el libro «Les bétons agglomerés appliqués á l'art
de construire» (Aplicaciones del hormigón al arte de la construcción), en donde patentó su
sistema de construcción, expuesto en la exposición mundial en París, el año 1854, el cual
consistía en una lancha de remos fabricada de hormigón armado con alambres. François
Coignet en 1861 ideó la aplicación en estructuras como techos, paredes, bóvedas y tubos. A
su vez el francés Joseph Monier patentó varios métodos en la década de 1860. Muchas de
estas patentes fueron obtenidas por G.A. Wayss en 1866 de las empresas Freytag und
Heidschuch y Martenstein, fundando una empresa de hormigón armado, en donde se
realizaban pruebas para ver el comportamiento resistente del hormigón, asistiendo el
arquitecto prusiano Matthias Koenen en estas pruebas, efectuando cálculos que fueron
publicados en un folleto llamado «El sistema Monier, armazones de hierro cubiertos en
cemento». Que fue complementado en 1894 por Edmond Coignet y De Tédesco, método
publicado en Francia agregando el comportamiento de elasticidad del hormigón como
factor en los ensayos, estos cálculos fueron confirmados por otros ensayos realizados por
Eberhard G. Neumann en 1890. Bauschinger y Bach comprobaron las propiedades del
elemento frente al fuego y su resistencia logrando ocasionar un gran auge, por la seguridad
del producto en Alemania. Fue François Hennebique quien ideó un sistema convincente de
hormigón armado, patentado en 1892, que utilizó en la construcción de una fábrica de
hilados en Tourcoing, Lille, en 1895.[1]

En España, el hormigón armado penetra en Cataluña de la mano del ingeniero Francesc
Macià con la patente del francés Joseph Monier. Pero la expansión de la nueva técnica se
producirá por el empuje comercial de François Hennebique por medio de su concesionario
en San Sebastián Miguel Salaverría y del ingeniero José Eugenio Ribera, entonces
destinado en Asturias, que en 1898 construirá los forjados de la cárcel de Oviedo, el tablero
del puente de Ciaño y el depósito de aguas de Llanes. El primer edificio de entidad
construido con hormigón armado es la fábrica de harinas La Ceres en Bilbao,[2] de 1899-
1900 (aún hoy en pie y rehabilitada como viviendas) y el primer puente importante, con
arcos de 35 metros de luz, el levantado sobre el Nervión-Ibaizabal en La Peña, para el paso
del tranvía de Arratia entre Bilbao y Arrigorriaga (desaparecido en las riadas del año
1983).[3] Ninguna de las dos obras fue dirigida por Ribera, quien pronto se independizó de
la tutela del empresario francés, sino por los jóvenes ingenieros Ramón Grotta y Gabriel
Rebollo de la oficina madrileña de François Hennebique.

Diseño de estructuras de hormigón armado

Hennebique y sus contemporáneos, basaban el diseño de sus patentes en resultados
experimentales, mediante pruebas de carga; los primeros aportes teóricos los realizan
prestigiosos investigadores alemanes, tales como Wilhem Ritter, quien desarrolla en 1899
la teoría del «Reticulado de Ritter-Mörsch». Los estudios teóricos fundamentales se
gestarán en el siglo XX. Existen varias características responsables del éxito del hormigón
armado:

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El coeficiente de dilatación del hormigón es similar al del acero, siendo
despreciables las tensiones internas por cambios de temperatura.
Cuando el hormigón fragua se contrae y presiona fuertemente las barras de acero,
creando además fuerte adherencia química. Las barras, o fibras, suelen tener resaltes
en su superficie, llamadas corrugas o trefilado, que favorecen la adherencia física
con el hormigón.
Por último, el pH alcalino del cemento produce la pasivación del acero, fenómeno
que ayuda a protegerlo de la corrosión.
El hormigón que rodea a las barras de acero genera un fenómeno de confinamiento
que impide su pandeo, optimizando su empleo estructural.

Cálculo de elementos de hormigón
Fundamento

El hormigón en masa es un material moldeable y con buenas propiedades mecánicas y de
durabilidad, y aunque resiste tensiones y esfuerzos de compresión apreciables tiene una
resistencia a la tracción muy reducida. Por eso se usa combinado con acero, que cumple la
misión de resistir las tensiones de tracción que aparecen en la estructura.

En los elementos lineales alargados, como vigas y pilares las barras longitudinales,
llamadas armado principal o longitudinal. Estas barras de acero se dimensionan de acuerdo
a la magnitud del esfuerzo axial y los momentos flectores, mientras que el esfuerzo cortante
y el momento torsor condicionan las características de la armadura transversal o secundaria.

Cálculo vigas y pilares de hormigón armado

La simple teoría de vigas de Euler-Bernoulli no es adecuada para el cálculo de vigas o
pilares de hormigón armado. Los elementos resistentes de hormigón armado presentan un
mecanismo resistente más complejo debido a la concurrencia de dos materiales diferentes,
hormigón y acero, con módulos de Young muy diferentes. Las diferentes propiedades
mecánicas de hormigón y acero implican que en un elemento de hormigón armado la
tensión mecánica de las armaduras y el hormigón en contacto con ellas sean diferentes, ese
hecho hace que las ecuaciones de equilibrio que enlazan los esfuerzos internos inducidos
por las fuerzas y tensiones en hormigón y acero no sean tan simples como las de secciones
homogéneas, usadas en la teoría de Euler-Bernouilli.

La Instrucción Española del Hormigón Estructural las ecuaciones de equilibrio mecánico
para el esfuerzo axil N y el momento flector M de una sección rectangular pueden escribirse
de forma muy aproximada como:

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Donde:

, son magnitudes geométricas. Respectivamente: el canto útil, el
recubrimiento y la profundidad de la fibra neutra respecto a la fibra más
comprimida del hormigón.
son respectivamente la "tensión de la armadura de tracción" (o
menos comprimida) la "armadura de compresión" (o más comprimida) y la tensión
de diseño del acero de las armaduras.
, son las cuantías mecánicas, relacionadas con el área transversal de acero
de las armaduras.
, son el esfuerzo axil y el momento flector resultantes de las
tensiones de compresión en el hormigón, en función de la posición de la línea
neutra.

Si se usa el diagrama rectángulo normalizado para representar la relación de tensión-
deformación del hormigón entonces las tensiones de la armadura de tracción y de
compresión se pueden expresar las funciones anteriores como:

Por otra parte los esfuerzos soportados por el bloque comprimido de hormigón vienen
dados por:

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Dimensionado de secciones

El problema del dimensionado de secciones se refiere a dadas unas cargas y unas
dimensiones geométricas de la sección determinar la cantidad de acero mínima para
garantizar la adecuada resistencia del elemento. La minimización del coste generalmente
implica considerar varias formas para la sección y el cálculo de las armaduras para cada
una de esas secciones posibles, para calcular el coste orientativo de cada posible solución.

Una viga sección de una viga sometida a flexión simple, requiere obligatoriamente una
armadura (conjunto de barras) de tracción colocada en la parte traccionada de la sección, y
dependiendo del momento flector puede requerir también una armadura en la parte
comprimida. El área de ambas armaduras de una sección rectangular puede calcularse
aproximadamente mediante los siguientes juegos de fórmulas:

Donde:

, es la cuantía mecánica de armadura de compresión.
, es el área total de la armadura de compresión.
, es la cuantía mecánica de armadura de compresión.
, distancias desde la fibra más comprimida a la armaduras de tracción y a la
armadura de compresión.
, ancho de la sección.

Con las mismas notaciones, la armadura de tracción se calcula como:

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