INTRODUCCIÓN AL CONCRETO REFORZADO

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1.1 CONCRETO REFORZADO

El concreto es una mezcla de arena, grava, roca triturada, u otros agregados unidos en una masa rocosa por medio de una pasta de cemento y agua. En ocasiones, uno o más aditivos se agregan para cambiar ciertas características del concreto, tales como la ductilidad, durabilidad y tiempo de fraguado.

Al igual que la mayoría de los materiales pétreos, el concreto tiene una alta resistencia a la compresión y una muy baja resistencia a la tensión. El concreto reforzado es una combinación de concreto y acero en la que el refuerzo de acero proporciona la resistencia a la tensión de que carece el concreto.

El acero de refuerzo es también capaz de resistir fuerzas de compresión y se usa en columnas, así como en otro miembros estructurales y en situaciones que se describen más adelante.

1.2 VENTAJAS DEL CONCRETO REFORZADO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

El concreto reforzado es probablemente el material disponible más importante para la construcción. Puede usarse en una u otra forma para casi todas las estructuras, grandes o pequeñas - en edificios, puentes, pavimentos, presas, muros de retención, túneles, instalaciones de drenaje e irrigación, tanques, etcétera.

El grna éxito de este material universal en la construcción puede entenderse fácilmente si se consideran sus numerosas ventajas. Algunas de éstas son las siguientes:

1. Tiene una resistencia considerable a la compresión por unidad de costo en comparación con muchos otros materiales.
2. El concreto reforzado tiene gran resistencia a las acciones del fuego y el aguay, de hecho, es el mejor material estructural que existe para los casos en que el agua esté presente. Durante incendios de intensidad media, los miembros con un recubrimiento adecuado de concreto sobre las varillas de refuerzo sufren sólo daño superficial sin fallar.
3. Las estructuras de concreto reforzado son muy rígidas.
4. Requieren poco mantenimiento.
5. Comparado con otros materiales, tienen una larga vida de servicio. Bajo condiciones apropiadas, las estructuras de concreto reforzado pueden usarse indefinidamente sin reducción en sus capacidades de carga. Esto puede explicarse por el hecho de que la resistencias del concreto no disminuye con el tiempo, sino que en realidad aumenta con los años, debido al largo proceso de solidificación de la pasta de cemento.
6. Es prácticamente el único material económico disponible para zapatas, losas de piso, muros de sótano, pilares y construcciones similares.
7. Una característica especial del concreto es la posibilidad de colarlo en una variedad extraordinaria de formas que van desde simples losas, vigas y columnas, hasta grandes arcos y cascarones.
8. En muchas regiones, el concreto aprovecha para su elaboración la existencias de materiales locales baratos (arena, grava y agua) y requiere cantidades relativamente pequeñas de cemento y acero de refuerzo, las cuales puede ser necesario conseguir en otras regiones del país.
9.  Se requiere mano de obra de baja calificación para su montaje, en comparación con otros materiales, como acero estructural.

1.3 DESVENTAJAS DEL CONCRETO REFORZADO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Para usar con éxito el concreto, el proyectista debe estar completamente familiarizado con sus puntos débiles, así como con sus puntos fuertes. Algunas de sus desventajas son las siguientes:

1. El concreto tiene una resistencia muy baja a la tensión, por lo que requiere el uso de un refuerzo de tensión.
2. Se requieren cimbras para mantener el concreto en su posición hasta que se endurezca lo suficiente. Además, pueden requerirse obras falsas o apuntalamiento para apoyar la cimbra de techos, muros, pisos y estructuras similares hasta que los miembros de concreto adquieren suficiente resistencia para soportarse por sí mismos. La obra falsa es muy cara. Su costo (en EUA) es de uno a dos tercios del costo total de una estructura de concreto reforzado, con un valor promedio aproximado del 50%. Debe ser claro que cuando se trata de mejorar el costo de las estructuras de concreto reforzado, el factor principal reside en la reducción del costo de la cimbra.
3. La baja resistencia por unidad de peso de concreto conduce a miembros pesados. Esto se vuelve muy importante en estructuras de gran claro, en donde el gran peso muerto del concreto tiene un fuerte efecto en los miembros flexionantes. Pueden usarse agregados ligeros para reducir el peso del concreto, pero el costo del conccreto aumenta.
4. Similarmente, la baja resistencia por unidad de volumen del concreto implica que los miembros serán relativamente grandes, lo que es de una considerable importancia en edificios altos y en estructuras de grandes claros. 
5. Las propiedades del concreto varían amplicamente debido a las modificaciones en su proporción y mezclado. Además, el colado y curado del concreto no son tan cuidadosamente controlados como la producción de otros materiales; por ejemplo el acero estructural y la madera laminada.

Otras dos características que pueden causar problemas son las contracción y la fluencia plástica del concreto.

1.4 ANTECEDENTES HISTÓRICOS

La mayoría de la gente piensa que el concreto se ha estado usando durante muchos siglos, pero no es así. Los romanos utilizaron una especie de cemento, llamado puzolana, antes del nacimiento de Cristo. Encontraron grandes depósitos de ceniza volcánica arenosa cerca del Monte Vesubio y en otros lugares en Italia. Cuando mezclaron este material con cal viva y agua, además de arena y grava, dejando endurecer la mezcla, se produjo una sustancia rocosa que utilizaron como material de construcción. Se podría pensar que resultaría una especie de concreto relativamente pobre, en comparación con las normas actuales, pero algunas estructuras de concreto romanas siguen de pir hoy en día. Un ejemplo es el Pateón (un edificio dedicado a todos los dioses) que se encuentra en Roma y se terminó en el año 126 de nuestra era.

 El arte de hacer concreto puzolánico se perdió durante la Edad Media y fue resucitado hasta los siglos XVIII y XIX. En Inglaterra se descubrió en 1796 un depósito de piedra de cemento natural que fue vendida como "cemento romano". Se descubrieron otros depósitos de cemento natural tanto en Europa como en América, que fueron explotados durante varias décadas.

El verdadero gran adelanto para el concreto ocurrió en 1824 cuando un albañil inglés llamado Joseph Aspin, después de largos y laboriosos experimentos, obtuvo una patente para un cemento que llamó cemento portland, debido a que su color era muy similar al de la piedra de una cantera en la isla de Portland, en la costa inglesa. Él hizo su cemento con ciertas cantidades de arcilla y piedra caliza que pulverizó y quemó en la estufa de su cocina, moliendo después la escoria resultante para obtener un polvo fino. En los primeros años tras su invención, ese cemento se usó principalmente en estucos. Este extraordinario producto fue adoptado poco a poco por la industria de la construcción y ni siquiera fue introducido a Estados Unidos sino hasta 1868; el primer cemento portland no se fabricó en Estados Unidos sino hasta la década de 1870.

Los primeros usos del concreto no son bien conocidos. Muchos de los trabajos iniciales fueron hechos por franceses. En 1832 Le Brun construyó una casa de concreto y siguió después la construcción de una escuela y una iglesia con el mismo material. Alrededor del 1850, Lambot construyó una embarcación de concreto reforzado con una red de alambres o varillas paralelas. Sin embargo, se le acredita a Monier la invención del concreto reforzado. En 1867 él recibió una patente para la construcción de tinas o receptáculos y depósitos de concreto, reforzados con una malla de alambre de hierro. Su meta reconocida al trabajar con esta material era obtener un bajo peso sin tener que sacrificar la resistencia.

De 1867 a 1881 Monier recibió patentes para la fabricación de durmientes, losas de piso, arcos, puentes peatonales, edificios y otros elementos de concreto reforzado en Francia y Alemania. Otro frances, Francois Coignet, construyó estructuras simples de concreto reforzado y desarrolló métodos básicos de diseño. En 1861 publicó un libro en el que presenta un buen número de aplicaciones. Fue la primera persona en darse cuenta que la adición de demasiada agua a la mezcla reducía considerablemente la resistencia del concreto. 

1.5 COMPARACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO CON EL ACERO ESTRUCTURAL PARA EDIFICIOS Y PUENTES

Cuando está bajo consideración un tipo de particular de estructura, puede ser que el estudiante perplejo se pregunte: ¿ Debo usarse concreto reforzado o acero estructural? Hay mucha discusión sobre esta cuestión, pues mientras partidarias del concreto reforzado muestran al acero como un material que se corroe, los que favorecen dicho material señalan que el concreto es un material que tiende a retornar a su estado natural ( es decir, arena y grava) bajo esfuerzos de tensión demasiado grandes.

No hay una respuesta simple a esta pregunta, sobre todo porque ambos materiales tienen muchas características excelentes que pueden utilizarse con tan buenos resultados en muchos tipos de estructuras. De hecho, con frecuencia ambos se utilizan en las mismas estructuras con estupendos resultados. 

La selección del material estructural que se ha de usar en un edificio determinado depende de la altura y claro de la estructura, el mercado de materiales, de las condiciones de cimentación, de los códigos locales de construcción y de consideraciones arquitectónicas. Para edificios menos de 4 niveles, el concreto reforzado, el acero estructural y la construcción con muros de carga pueden competir entre sí.

En edificios de 4 a 20 niveles, el concreto reforzado y el acero estructural son económicamente competitivos, pero en edificios de más de 20 niveles se prefiere el acero estructural. 

Las condiciones de cimentación con frecuencia suelen afectar la selección del material por usar en la estructura de un edificio. Si las condiciones de la cimentación son pobres, puede ser más conveniente usar una estructura de acero debido al menor peso de ésta. El código de construcciones en una ciudad específica puede favorecer más a uno de los materiales que a los otros. Por ejemplo, muchas ciudades, tienen zonas de incendio en las que spolo pueden erigirse estructuras a prueba de fuego, lo cual favorece al concreto reforzado. Finalmente, el factor tiempo favorece a las estructuras de acero, ya que éstas pueden erigirse mucho más rápidamente que las estructuras de concreto reforzado. Sin embargo, la ventaja del tiempo no es tan grande como podría parecer a primera vista, porque en caso de que la estructura deba estar calificada a prueba de fuego, el constructor tendrá que recubrir el acero con algun tipo de material incombustible después de mentado el edificio.

En la desición de si se debe usar concreto o acero para un puente, se deberán tomar en cuenta diversis factores, tales como el claro, las condiciones de la cimentación, las cargas, consideraciones arquitectónicas, etc. En general, el concreto es un material de excelente compreisón y normalmente será preferido en puentes de claros cortos y en los casos en que se requiera una estructura rígida ( como tal vez en puentes ferroviarios).

1.6 COMPATIBILIDAD DEL CONCRETO Y EL ACERO

El concreto y el acero de refuerzo funcionan en conjunto en forma excelente en las estructuras de concreto reforzado. Las ventajas de cada material compensan las desventajas del otro. Por ejemplo, la gran desventajas del concreto es su falta de resistencia a tensión; pero la resistencias a tensión es una de las desventajas del acero. Las varillas de refuerzo tienen una resistencia a la tensión aproximadamente 100 veces mayor a la del concreto usado.

Los dos materiales se adhieren muy bien entre sí de modo que no hay deslizamiento entre los dos y por tanto funcionan conjuntamente como una unidad para resistir fuerzas. La excelente liga obtenida se debe a la adherencia química entre los dos materiales, a la rugosidad natural de las varillas y a la estrecha separación de las corrugaciones en las superficies de las varillas.

Las varillas de refuerzo están expuestas a la corrosión, pero el concreto que las rodea les proporciona excelente protección. La fuerza del acero expuesto a las temperaturas que alcanzan los incendios normales es nula, pero su recubrimiento con concreto de como resultado calificaciones de prueba de fuego muy satisfactorias. Finalmente, el concreto y el acero trabajan muy bien juntos respecto a los cambios de temperatura porque sus coeficientes de dilatación térmica son muy parecidos. Para acero, el coeficiente es 0.0000065 por unidad de longitud por grado Fahrenheit y para el concerto varía entre 0.000004 y 0.000007 (valor promedio, 0.0000055).

1.7 CÓDIGOS DE DISEÑO

El código más importante en Estados Unidos para el diseño de concreto reforzado es el Building Code Requirements for Structural Concrete del Instituto Americano del Concreto (ACI 318-08). Este código, que se usa principalmente para el diseño de edificios, es observado en la mayoría de los ejemplos numéricos dados en este texto. Con frecuencia se hacen referencias a este documento y se indica siempre el número de la sección considerada. Los requisitos de diseño para varios tipos de miembros de concreto reforzado se presentan en el código juntos con un "comentario" a esos requisitos. El comentario proporciona explicaciones, sugerencias e información adicional relativa a los requisitos de diseño. De esa manera, los usuarios obtienen más antecedentes y un mejor entendimiento del código.

El código ACI no es en sí mismo un documento legalmente aplicable. Es meramente una serie de principios para la buena práctica del diseño de concreto reforzado. Sin embargo, está escrito en forma de código o ley de manera que diversos organismos de la administración pública puedan decidir fácilmente si lo incluyen en sus códigos locales de construcción y entonces pueda ser legalmente aplicable en esa comunidad. De esta manera, el código ACI ha sido votado como ley por innumerables organismos gubernamentales en Estados Unidos. El International Building Code (IBC), que publicó por primera vez en el año 2000 el International Code Council, ha consilidado los tres códigos regionales de construcciones (Building Officials and Code Administrators, International Conference of Building Officials y Southern Building Code Concress International) en un documento nacional. El código IBC se actualiza cada 3 años y se refiere a la edición más reciente del ACI 318 para la mayoría de sus disposiciones relacionadas con el diseño de concreto reforzado, con sólo algunas modificaciones. Se espera que el IBC 2009 se refiera al ACI 318-08 para la mayoría de sus disposisciones sobre concreto reforzado. El código ACI 318-08 ha sido aceptado también ampliamente en Canadá y en México, ha tenido una enorme influencia en los código de concreto de todos los países alrededor del mundo.