HORMIGÓN Análisis de Proyectos de Construcción (UF 309)

Moisés Pena Coto

Julia Álvarez Álvarez

Sonia Abelairas Ceide

Lunes, 24 de Agosto 2015

Análisis de proyectos de construcción Hormigón

pág. 2

Autores: Moisés Pena Coto

Julia Álvarez Álvarez

Sonia Abelairas Ceide

Profesor: Roberto Sanjurjo

Unidad Didáctica: Análisis de Proyectos de Construcción

Módulo Formativo: Proyectos de Edificación

Curso de Formación: Representación de Proyectos de Obra Civil

Fecha de entrega: Lunes, 24 de Agosto 2015

Análisis de proyectos de construcción Hormigón

pág. 3

El hormigón (del latín formicō, 'moldeado, conformado') es un material compuesto empleado en construcción,

formado esencialmente por un aglomerante al que se añade partículas o fragmentos de un agregado, agua y aditivos

específicos.

El aglomerante es en la mayoría de las ocasiones cemento (generalmente cemento Portland) mezclado con una

proporción adecuada de agua para que se produzca una reacción de hidratación. Las partículas de agregados,

dependiendo fundamentalmente de su diámetro medio, son los áridos (que se clasifican en grava, gravilla y arena).

La sola mezcla de cemento con arena y agua (sin la participación de un agregado) se denomina

mortero.

Existen hormigones que se producen con otros conglomerantes que no son cemento, como el

hormigón asfáltico que utiliza betún para realizar la mezcla.

A finales del siglo XX, fue el material más empleado en la industria de la construcción. Se le da forma

mediante el empleo de moldes rígidos denominados encofrados y su empleo es habitual en obras de

arquitectura e ingeniería, tales como edificios, puentes, diques, puertos, canales, túneles, etc. Incluso en

aquellas edificaciones cuya estructura principal se realiza en acero, la utilización del hormigón es

imprescindible para conformar la cimentación.

La variedad de hormigones que han ido apareciendo a finales del siglo XX, ha permitido que existan

hormigones reforzados con fibras de vidrio (GRC), hormigones celulares que se aligeran con aire,

aligerados con fibras naturales, autocompactantes, …etc.

Análisis de proyectos de construcción Hormigón

pág. 4

La historia del hormigón constituye un capítulo fundamental de la historia de la construcción.

Cuando se optó por levantar edificaciones utilizando materiales arcillosos o pétreos, surgió la necesidad

de obtener pastas o morteros que permitieran unir dichos mampuestos para poder conformar estructuras

estables. Inicialmente se emplearon pastas elaboradas con arcilla, yeso o cal, pero se deterioraban

rápidamente ante las inclemencias atmosféricas. Se idearon diversas soluciones, mezclando agua con

rocas y minerales triturados, para conseguir pastas que no se degradasen fácilmente.

En la Antigua Grecia, hacia el 500 a. C., se mezclaban compuestos de caliza calcinada con agua y

arena, añadiendo piedras trituradas, tejas rotas o ladrillos, dando origen al primer hormigón de la

historia, usando tobas volcánicas extraídas de la isla de Santorini.

Los antiguos romanos emplearon tierras o cenizas volcánicas, conocidas también como puzolana, que

contienen sílice y alúmina, que al combinarse químicamente con la cal daban como resultado el

denominado cemento puzolánico (obtenido en Pozzuoli, cerca del Vesubio).

Tras la caída del Imperio romano el hormigón fue poco utilizado, posiblemente debido a la falta de

medios técnicos y humanos, la mala calidad de la cocción de la cal, y la carencia o lejanía de tobas

volcánicas; no se encuentran muestras de su uso en grandes obras hasta el siglo XIII, en que se vuelve

a utilizar en los cimientos de la Catedral de Salisbury, o en la célebre Torre de Londres, en Inglaterra.

Durante el renacimiento su empleo fue escaso y muy poco significativo.

En algunas ciudades y grandes estructuras, construidas por Mayas y Aztecas en México o las de

Machu Pichu en el Perú, se utilizaron materiales cementantes.

En 1824 Joseph Aspdin y James Parker patentaron el Portland Cement, obtenido de caliza arcillosa y carbón calcinados a alta temperatura –denominado así por su color gris verdoso oscuro, muy

similar a la piedra de la isla de Pórtland.

En 1845 Isaac Johnson obtiene el prototipo del cemento moderno elaborado de una mezcla de

caliza y arcilla calcinada a alta temperatura, hasta la formación del clinker; el proceso de industrialización

y la introducción de hornos rotatorios propiciaron su uso para gran variedad de aplicaciones, hacia finales

del siglo XIX.

El hormigón, por sus características pétreas, soporta bien esfuerzos de compresión, pero se fisura

con otros tipos de solicitaciones (flexión, tracción, torsión, cortante); la inclusión de varillas

metálicas que soportaran dichos esfuerzos propició optimizar sus características y su empleo

generalizado en múltiples obras de ingeniería y arquitectura.

En 1854, la invención del hormigón armado se suele atribuir al constructor William Wilkinson,

quien solicitó 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».

Análisis de proyectos de construcción Hormigón

pág. 5

En 1860 el francés Joseph Monier patentó varios métodos , pero 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 1895.7 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 Wilhelm Ritter, quien desarrolla en

1899 la teoría del «Reticulado de Ritter-Mörsch». Los estudios teóricos fundamentales se gestarán en el

siglo XX.

El uso de materiales reciclados como ingredientes del hormigón ha ganado popularidad debido a la

cada vez más severa legislación medioambiental, así como la progresiva concienciación de la sociedad.

Los ingredientes reciclados más empleados son las cenizas volantes, un subproducto de las centrales

termoeléctricas alimentadas por carbón.

El impacto ambiental de la industria del cemento es significativo, pero mediante el empleo de

estos nuevos materiales se posibilita la reducción de canteras y vertederos, ya que actúan como sustitutos

del cemento, y reducen la cantidad necesaria para obtener un buen hormigón.

Puesto que uno de los efectos nocivos para el medio ambiente es que la producción de cemento

genera grandes volúmenes de dióxido de carbono, la tecnología de sustitución del cemento desempeña un

importante papel en los esfuerzos por aminorar las emisiones de dióxido de carbono. Se suele incluir en

las mezclas ciertos catalizadores que permiten su 'autolavado' como es el caso del dióxido de titanio.

También se utiliza para confinar desechos radiactivos. Entre ellos, el más importante es el del

reactor nuclear que colapsó en la central de Chernobil, el cual fue cubierto de hormigón para evitar fugas

radiactivas.

Análisis de proyectos de construcción Hormigón

pág. 6

Es un material compuesto, empleado en construcción, formado esencialmente por un aglomerante al que se

añade partículas o fragmentos de un agregado, agua y aditivos específicos.

El aglomerante es en la mayoría de las ocasiones cemento (generalmente cemento Portland) mezclado con una

proporción adecuada de agua para que se produzca una reacción de hidratación. El aglomerante es en la mayoría de

las ocasiones cemento (generalmente cemento Portland) mezclado con una proporción adecuada de agua para que se

produzca una reacción de hidratación.

Las partículas de agregados, dependiendo fundamentalmente de su diámetro medio, son los áridos que, en función de

su diámetro medio, se clasifican en grava, gravilla y arena.

La sola mezcla de cemento con arena y agua (sin la participación de un agregado) se denomina mortero.

El cemento es un material pulverulento que por sí mismo no es aglomerante, y que mezclado con agua, al

hidratarse se convierte en una pasta moldeable con propiedades adherentes, que en pocas horas fragua y se endurece

tornándose en un material de consistencia pétrea, aunque también existen hormigones que se producen con otros

conglomerantes que no son cemento, como el hormigón asfáltico que utiliza betún para realizar la mezcla.

La densidad del hormigón varía dependiendo de la cantidad y la densidad del agregado, la cantidad de aire

atrapado (accidental o intencionadamente ocluido) y las cantidades de agua y cemento.

Hormigón pesado

Tiene una densidad de más de 3200 kg/m³ debido al empleo de agregados densos (empleado protección

contra las radiaciones).

Hormigón normal

Empleado en normalmente en estructuras y que posee una densidad de 2200 kg/m³.

Hormigón ligero

Su densidad es de 1800 kg/m³.

Es obligatorio referirse a esta tipología de hormigón en los planos y demás documentos de proyecto, así como

en la fabricación y puesta en obra.

M cuando sea hormigón en masa,

HA cuando sea hormigón armado

HP cuando sea hormigón pretensado.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 7

S Seca,

P plástica,

B Blanda,

F Fluida

L Líquida.

Además de los tipos de hormigón según diferentes criterios, es necesario especificar las siguientes características del hormigón al redactar el

proyecto:

R: resistencia característica del hormigón expresada en N/mm²

A: designación del ambiente a que estará expuesto el hormigón.

C: letra inicial del tipo de consistencia

TM: tamaño máximo del árido expresado en milímetros.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 8

El ciclo de vida del hormigón empieza con la extracción de materiales para la fabricación del cemento, el componente clave de la mezcla.

La fabricación del cemento es una actividad industrial de procesado de minerales que se divide en tres etapas básicas:

Obtención y preparación de materias primas.

Molienda y cocción de materias primas.

Molienda de cemento

El proceso de fabricación del cemento comienza con la obtención de las materias primas necesarias para conseguir la composición

deseada de óxidos metálicos para la producción de clínker.

El clínker se compone de los siguientes óxidos (datos en %) [Instituto del cemento y sus aplicaciones (IECA); 2006

Óxido de calcio "cal" ( CaO) 60-69

Óxido de Silicio "sílice" 18-24

Óxido de Aluminio "alúmina" ( Al2O3) 4-8

Óxido de Hierro ( Fe2O3) 1-8

o La obtención de la proporción adecuada de los distintos óxidos se realiza mediante la dosificación de los minerales de partida:

Caliza y marga para el aporte de CaO.

Arcilla y pizarras para el aporte del resto de óxidos

La finalidad de la molienda es reducir el tamaño de las partículas de materia prima para que las reacciones químicas de cocción en el

horno puedan realizarse de forma adecuada.

La molienda de materias primas (molienda de crudo) se realiza en equipos mecánicos rotatorios, en los que la mezcla dosificada de

materias primas es sometida a impactos de cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión elevadas.

El material obtenido debe ser homogeneizado para garantizar la calidad del clínker y la correcta operación del horno.

Existen diferentes procesos de fabricación del clínker:

- Vía seca

- Vía húmeda

- Vía semi-seca

- Vía semi-húmeda

En la actualidad, en torno al 78 % de la producción de cemento de Europa se realiza en hornos de vía semi-seca o semi-húmeda.

Las materias primas son transportadas a la fábrica de cemento donde se descargan para su almacenamiento.

El material de alimentación se consigue añadiendo o eliminando agua respectivamente, al material obtenido en la molienda de crudo.

Se obtienen "pellets" o gránulos con un 15-20 % de humedad que son depositados en parrillas móviles a través de las cuales se hacen

circular gases calientes provenientes del Proceso de fabricación del hormigón 53 por un horno.

Cuando el material alcanza la entrada del horno, el agua se ha evaporado y la cocción ha comenzado.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 9

El proceso de fabricación de cemento termina con la molienda conjunta de clínker, yeso y otros materiales denominados "adiciones"

con el fin de conferir al hormigón diferentes propiedades.

Los materiales que se añaden están normalizados como adiciones, son entre otros:

Escorias de alto horno

Humo de sílice

Puzolanas naturales

Cenizas volantes

Caliza

La composición final del cemento dependerá de la resistencia y características adicionales que se quieran conferir al hormigón.

La composición final del cemento dependerá de la resistencia y características adicionales que se quieran conferir al hormigón.

Los principales materiales requeridos para la fabricación del hormigón incluyen:

Áridos (habitualmente en forma de arena, constituyendo aproximadamente un 34% de la composición del hormigón)

Grava (en aproximadamente un 48 % del hormigón)

Cemento (en un 12% de la composición del hormigón)

Agua (en proceso seco alrededor de un 6%)

Cenizas volantes.

Estos equipos mecánicos pueden ser de diferentes tipos:

Prensa de rodillos

Molinos verticales de rodillos

Molinos de bolas

Molinos horizontales de rodillos

Una vez obtenido el cemento se almacena en silos para ser ensacado o cargado a granel, para su posterior mezcla con la grava, gravilla

o arena.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 10

Ensayos

Es un ensayo que se realiza en obra que sirve para determinar si la consistencia del

hormigón es adecuada. No requiere de personal especializado ni de equipos caros y de difícil manejo, sino que

sólo se necesita un recipiente metálico en forma de cono como el de la siguiente imagen:

Se humedece el interior del cono y se coloca sobre una superficie plana, horizontal, firme, no absorbente y ligeramente humedecida que sea un poco más grande que el cono, colocando éste con la base mayor hacia abajo y pisando las aletas inferiores para que quede firmemente sujeto.

Se llena el cono en tres partes. Después de llenar la primera tercera parte del cono se compacta golpeando el homigón unas 25 veces con una

varilla de punta redondeada sin llegar a tocar la base, penettrando unos 2 o 3 centímetros. En el tercer llenado es necesario dejar un pequeño copete o exceso y compactarlo después para asegurar que el cono esté completamente lleno. Posteriormente, se retirará el sobrante enrasando la parte superior y limpiando el que haya podido quedar por fuera y en la base del cono.

Se saca el cono haciendo un movimiento suave, continuo, vertical y sin torsiones ni golpes que puedan variar la posición del hormigón.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 11

4.

Se coloca el cono de modo que quede al lado del montículo de homigón y se mide la diferencia de altura entre ambos (en caso de que la cima no sea recta, se toma el punto más alto del montículo).

Además, se observa la forma de asentamiento del montículo de hormigón para comprobar si es adecuada su consistencia.

Se mide la variación de diámetro que sufre un cono de hormigón fresco al someterlo a vibraciones para determinar su consistencia. Los modelos de mesas de sacudidas y las dimensiones del cono son los siguientes:

Este ensayo no es concluyente en hormigones con asientos inferiores a 1 cm, en hormigones

excesivamente fluidos y en hormigones reforzados con fibras.

Este ensayo no es válido para hormigones con un árido mayor a 4 cm. Para ese tipo de hormigones, es

necesario hacer una criba previa en un tamiz de 4 cm y realizar el ensayo del cono de Abrams con el material

que logre atravesarlo.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 12

En función del diámetro que acabe alcanzando el montículo de hormigón, se calcula su índice de consistencia:

El ensayo con consistómetro Vebe nos permite medir la consistencia del hormigón y

hacernos una idea aproximada de su docilidad. Este ensayo es una variante del cono de Abrams y es muy útil en los casos en los que esa técnica no tiene suficiente sensibilidad porque se trate de hormigones con asientos nulos (hormigones muy secos o reforzados con fibras).

Este ensayo consiste en medir el tiempo que tarda un cono de hormigón idéntico al del cono de Abrams que está colocado dentro de un recipiente cilíndrico. Ese recipiente se sitúa en una mesa vibratoria (3000 cpm) que hace que el cono de hormigón fresco acabe tomando la forma del recipiente después de cierto tiempo. Al número de segundos que tarda en conseguir una superficie horizontal, que se observa gracias a un disco de plástico transparente, desde que empieza a vibrar la plataforma se le llama segundos Vebe.

En este ensayo se mide la capacidad de penetración de un cuerpo con una masa determinada (bola ASTM standard C360-82 de masa 13’6 kg). En este procedimiento, se realizan tres mediciones en tres puntos diferentes entre los que haya al menos 15’2 cm de distancia y que no haya más de 2’54 cm de diferencia entre dichas medidas. Se emplean las herramientas de la imagen:

Este ensayo no es concluyente en hormigones poco cohesivos con tendencia y con tendencia a

segregación, aunque sí que los suele dar en hormigones con buena cohesión.

No está muy extendido porque sus resultados tienen mucha dispersión.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 13

Suele dar unos resultados parecidos al cono de Abrams y, si relacionamos los posibles resultados obtenidos en este ensayo con los que pudieran darse en los ensayos del cono de Abrams o de Vebe, se obtienen las siguientes clasificaciones:

En el ensayo se emplea una cubeta metálica robusta que se llenará de 30 l de hormigón sobre la que se fija un vibrador. Lo que se pretende en este ensayo es medir el tiempo que tarda en fluir el hormigón hasta una cierta referencia marcada, de modo que cuanto más corto sea el tiempo que tarde, más manejable es el hormigón. El hormigón fresco se introduce en una de las partes situadas en el lado inclinado de la pared móvil. En el momento en que la pared se eleva, se pone en marcha automáticamente un vibrador de intensidad variable fijo al

recipiente y el hormigón tiende a llenar la parte vacía que dispone de unas marcas horizontales en la pared hacia la cual se desplaza la masa. El tiempo que tarda en alcanzar la marca puede variar mucho de un hormigón a otro, oscilando entre valores de unos pocos segundos y varios minutos en función de la proporción entre los componentes de cada hormigón. Este ensayo estaba orientado inicialmente a mejorar la proporción arena/arena+grava en el hormigón, aunque también sirve para saber su manejabilidad.

Este ensayo es necesario, ya que los áridos que se emplean normalmente en pavimentos son sustancias trituradas que tienen que ser acondicionadas y compactadas por máquinas de encofrados deslizantes.

Este ensayo consiste en colocar un cono de Abrams en posición invertida

dentro de un recipiente cilindrico de 30 l de capacidad que se sujeta sobre el

recipiente por medio de una tapa, de forma que el extremo inferior del cono quede

a una distancia de 10 cm del fondo.

Una vez llenado el cono, se coloca un vibrador de 20 mm de diámetro y se hace descender a través del hormigón hasta que llegue al fondo del recipiente (tiene que llegar al fondo de entre 2 y 4 segundos). Este procedimiento mide el tiempo que tarda en vaciarse el cono desde que empieza a vibración hasta que sale todo el hormigón del cono, estimando así la movilidad o fluidez del hormigón sometido a vibración interna.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 14

Es es el recomendado por la norma UNE 83/503 para hormigones reforzados con fibras.

En este ensayo, se llena el recipiente superior (con la compuerta inferior cerrada) y luego se abre la compuerta para permitir que el hormigón caiga en el recipiente cilíndrico que se encuentra

debajo hasta que acabe rebosando. Después, se retira el exceso de hormigón y se determina la cantidad de hormigón que contiene (precisión de 10 g). Se compara esa cantidad con la cantidad que se obtendría si hubiera compactación total (llenado del cilindro empleando vibraciones para que se asiente del todo) y se obtiene el factor de compactación.

Fcompactación = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 ℎ𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔ó𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 ℎ𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔ó𝑛 𝑐𝑜𝑛 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Existe una relación inversa entre e factor de compactación y el tiempo Vebe del otro ensayo, como se puede ver en la gráfica de la izquierda.

Este ensayo no es adecuado para hormigones con altas dosis de

superfluidificantes (para estos tipos es mejor el método de Abrams).

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 15

Se emplean probetas tipo prisma de base cuadrada (1’5x1’5 mm) y con una longitud de 53

cm.

El ensayo se realiza colocando ese prisma sobre dos apoyos distanciados 45 cm entre sí y a 4 cm de los extremos. Las cargas se aplican en los tercios de la distancia entre apoyos (15 cm entre sí y a la misma distancia de los apoyos).

Por lo general, este ensayo se realiza con probetas tipo IRAM 1524 o IRAM 1534. En caso de que se trate de hormigones con 3 cm de asentamiento o más, se puede realizar su compactación como se haría para un cono de Abrams. Sien embargo, habrá que emplear métodos de vibración en caso de que se trate de mezclas más secas. Después, se llevará a acabo del proceso de curado de la probeta, de modo que se matiene en su molde durante 24 horas como mínimo en un ambiente protegido sin que pueda sufrir ningún tipo de vibraciones, sacudidas ni golpes y protegiendo la parte superior de la probeta. Después de que se haya endurecido la probeta, es necesario preparar las superficies de las bases de las probetas que se vayan a usar en el ensayo para que estén paralelas entre sí.

En lo que se refiere a la realización del ensayo de rotura por compresión, se emplea una prensa que

puede ejercer fuerzas de 100 a 150 toneladas de forma continua y a una velocidad adecuada (entre 200 kg/s y 600 kg/s), ya que mucha velocidad ofrece resultados artificialmente elevados y mucha lentitud ofrece resultados artificialmente bajos.

En vez de probetas preparadas desde hormigón fresco, se pueden preparar testigos sólidos procedentes de un bloque de hormigón sólido mediante el corte en cilindro, como el que se puede ver en la imagen de la derecha.

Se aplica una carga de compresión a una probeta cilíndrica

colocada en la prensa con su eje longitudinal en dirección horizontal. Para que la carga sea uniforme, se interponen unos listones pequeños entre los cabezales y las generatrices de la probeta.

En el ensayo, se produce un esfuerzo de tracción pura que hace que la probeta se rompa a lo largo de su plano diametral.

Análisis de Proyectos de Construcción Hormigón

pág. 16

El hormigón en obra civil y

edificación

El hormigón supone uno de los materiales fundamentales en prácticamente todas las construcciones de obra civil y de edificación, ya que es uno de los materiales que más se utiliza.

Por eso, sus características, ámbito de uso y restricciones están regulados por varias normativas desde la primera que se estableció en España (1939, sólo recogía el hormigón armado), hasta las actuales.

Hoy en día, la normativa vigente en cuanto al hormigón es la “Instrucción del Hormigón Estructural (EHE-08)” por la que se regula el

proyecto, ejecución y control de lsa estructuras de hormigón en obra civil y en edificación y que entró en vigor en el año 2008. También existe las recomendaciones europeas sobre el diseño de estructuras de hormigón (Eurocódigo Estructural 2), que son de carácter voluntario y que se pueden emplear en sustitucíón a la normativa de cada país miembro (en algunos casos, tiene que cumplirse además el Documento Nacional de Aplicación cuando se sustituye a las nacionales). Además, también existe la normativa denominada “Instrucción para la recepción de cementos (RC-03)”, que establece los protocolos en cuanto a suministro, almacenamiento y recepción de los cementos.

El hormigón es el material de construcción por excelencia de

nuestros tiempos.

De hecho, hoy en día resulta casi imposible encontrar una

construcción en la que no esté presente en alguna parte de la misma;

desde tuberías, traviesas de ferrocarril y pavimentos de carreteras,

hasta las grandes obras de la ingeniería civil como los puentes, los

túneles o las presas, el hormigón forma parte de nuestra vida.

Sin embargo, pocas veces nos paramos a pensar en cómo se

ha proyectado tal hormigón, o de qué manera se ha puesto en obra, o

en otras cuestiones relacionadas con un material que tanto servicio

proporciona. Es, en general, frente a las grandes estructuras de

hormigón, aquellas que nos impresionan (ver figura 1.1), cuando

solemos plantearnos cuál es el secreto de tal fantástico logro.