INTRODUCCIÓN
Hay una gran diversidad de materiales compuestos, llamados así por estar conformados por diversos elementos – tales como: carbono, metales, sílice, fibra de vidrio, polímeros, nano-materiales, etc., con múltiples aplicaciones en todos los campos de la actividad humana y del desarrollo – expresión de la propia naturaleza y del desarrollo humano.
El ferrocemento es considerado como material compuesto, pudiendo tener mallas conformadas por una variedad de materiales, inmersas en morteros de cemento (15)*.
El ferrocemento – en una de sus concepciones – es un material conformado por mallas de acero pocos espesores inmersos en una mezcla rica en cemento con agregados finos:
El ferrocemento tiene como gran resistencia al fuego, al impacto, a la flexión, posee bajo agrietamiento y es adaptable a cualquier forma geométrica.
Existe una amplia gama de trabajos efectuados en diferentes países sobre el particular.
En nuestro medio, SENCICO, ha efectuado trabajos desde hace más de una década, en colaboración con otras instituciones.
INVESTIGACIONES Y ENSAYOS DE LABORATORIO DETALLES
RELEVANTES
Materiales y Ensayos de Especímenes de Ferrocemento
Propuesta de Materiales y Ensayos para el estudio de ferrocemento aplicado en techos (1,2)*
Materiales:
Mallas: Hexagonal o Malla de Gallinero, Electro-soldada o Cuadrada y Olímpica.
Alambre: calibre 16; diámetro: 1,65 mm. Varillas de acero para la armazón
Cemento tipo IP; fineza en malla 100, 0,03; en malla 200, 0,38.
Agregados: La granulometría de las partículas de arena acorde con la especificación C33 de la ASTM.
MALLA HEXAGONAL MALLLA ELECTRO-SOLDADA
Ensayos Propuestos
De tensión sobre la malla: según la norma ASTM A370-02 y E8M-01, en direcciones longitudinal y transversal.
Ensayo a flexión: Se opta por el ensayo ASTM C947 Test Method for Flexural Properties of Thin-Section-Glass-Fiber-Reinforced Concrete en conjunto con la norma ASTM C1018 Standard Test Method for Flexural Thoughness and First propiedades a flexion de las láminas de ferrocemento.
Ensayo de compresión sobre el mortero: según la norma ASTM C109 Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars.
Detalles de los especímenes para los ensayos propuestos y del proceso constructivo (3,4)
Especímenes de Cubos de Mortero
Los especímenes para probar la resistencia del mortero a utilizarse en la construcción de los especímenes de ferrocemento se sujetarán a la norma ASTM C109.
Materiales: Agregado fino- arena natural; cemento Portland tipo 1, agua potable.
A/C: 2 tipos, 0,5 y 0,45.
Dimensiones (mm): L=50±2, A=50±2, H=50±2
Se indica el procedimiento constructivo: aparatos, composición y preparación del mortero, moldeado y almacenamiento de los especímenes.
Especímenes de Mallas para ensayos a tensión Materiales: acero y zinc (recubrimiento)
Calibres: Varían, del # 15 al # 25 (1,83 mm a 0,52 mm de diámetro, respectivamente).
Tipos de malla, por su forma: 2 electro - soldadas y 8 hexagonales.
Descripción de las dimensiones de las mallas, enfatizando su ancho mínimo- no menor a 7 veces la dimensión de la cocada en dirección perpendicular a la dirección del ensayo – y el largo no menor al doble del ancho del espécimen.
Especímenes de Ferrocemento para ensayos a flexión:
Materiales: mallas electro-soldadas y hexagonales; varillas de acero corrugado de ¼” de diámetro; alambre Nº16- para el amarre del esqueleto – y calibre 22 para el amarre de las mallas; cemento Portland Tipo 1; arena natural y agua potable.
Tipos de ferrocemento: 5 paneles con proporción w/c=0,5 y 3 paneles con proporción w/c=0,45. Ensayándose 2 especímenes para cada caso, haciendo un total de 16 ensayos.
Dimensiones de planchas de ferrocemento: 1,20 x 1,80 x 0,025 m. Dimensiones de especímenes aserrados 0,40 x 1,00 x 0,025 m. Detalles de los especímenes aserrados 0,40 x 1,00 x 0,025 m. Detalles de los especímenes de planchas de ferrocemento con malla hexagonal.
Detalles de los especímenes de planchas de ferrocemento con malla electro-soldada.
Detalles del proceso constructivo de los especímenes de ferrocemento.
Tablero de Ferrocemento en forma de “[“
Objetivo: Posibilidad de construir con elementos de ferrocemento fabricados en obra o pre-fabricados en un taller.
Materiales: Malla electro-soldada; varillas de acero corrugado de ¼” de diámetro; alambre Nº16- para el amarre del esqueleto- y calibre 22 para el amarre de las mallas; cemento Portland Tipo 1; arena natural y agua potable.
Detalles dimensionales del armazón y del tablero de ferocemento en forma de “[“.
Detalles del correspondiente proceso constructivo. Descripción de Ensayos y Resultados (5,6)
Descripción de Ensayos
Ensayos a compresión de cubos de mortero: determina la resistencia a compresión del mortero de cemento hidráulico usado, mediante el ensayo de cubos de 50 mm de lado; el ensayo está normado en la ASTM C109M.
Ensayo a tensión de mallas: determina la resistencia a tensión de las mallas metálicas utilizadas en la fabricación de especímenes de ferrocemento; comprende el ensayo longitudinal y el ensayo transversal de las mallas; se detallan los especímenes utilizados y el procedimiento aplicado.
Ensayo a tensión de alambre: determina las propiedades en tensión del alambre de acero con el que está hecha la malla; se detallan los especímenes utilizados y el procedimiento aplicado; el ensayo está normado en la ASTM E&M.
TRACCIÓN DE ALAMBRE - ESQUEMA
Ensayo a flexión de planchas de ferrocemento: determina la resistencia última a flexión de secciones de ferrocemento; se detallan los especímenes utilizados y el procedimiento aplicado; se aplica la norma ASTM C947.
FLEXIÓN EN PLANCHAS DE FERROCEMENTO
Prueba de carga de especímenes a escala real losa de tableros: determina la capacidad de la losa conformada por tableros y la rigidez asociada a la misma para una sobrecarga de 200 kg/m2 - que se adecúa a un uso de entrepiso (5)
y para una sobrecarga de 100 kg/m2 – que se adecúa a un uso de techo (6); se
detallan las características de la losa probada y el procedimiento empleado – según se establece en el capítulo 23 “Evaluación de Estructuras” de la Norma Técnica de Edificación E060 (ININVI 1989) o equivalente en el Capítulo 20 “ Evaluación de la Resistencia de Estructuras Existentes” del American Concrete Institute ACI (318-2002).
Resultados de Ensayos
Ensayo a compresión de cubos de mortero: los esfuerzos promedio para las relacione A/C: 0,5 y 0,45 fueron de 364 kg/cm2 y 464 kg/cm2
respectivamente.
Ensayo a tensión de mallas: se detallan resultados de tracción aplicada en sentido longitudinal y transversal de especímenes de mallas MC1, MH1 y MH2.
Ensayo a tensión de alambre: se detallan resultados para alambre de malla MCI.
Ensayo de flexión de planchas de ferrocemento los resultados que se detallan corresponden a dos tipos de relación A/C: 0,5 y 0,4. Los resultados de las pruebas muestran que la resistencia del compuesto superó los valores previstos, es decir el diseño siguiendo las pautas del ACI es demasiado conservado para el compuesto ferrocemento.
Prueba de carga de especímenes a escala natural de tableros: Se detallan los resultados obtenidos para los diversos niveles de carga. Interpretación y Análisis
El análisis de las secciones de ferrocemento se realizó siguiendo el código de diseño del ACI, considerando las recomendaciones del Código ACI en su reporte sobre ferrocemento. Los resultados de las pruebas mostraron que la resistencia del compuesto ferrocemento superaba significativamente los valores previstos en el análisis teórico según las pautas del ACI.
Conclusiones; (5,6)
Los métodos de diseño de concreto armado resultan inadecuados para el diseño de ferrocemento.
El costo de la solución usando ferrocemento depende en gran medida del costo de la malla de refuerzo.
Una de las ventajas del ferrocemento es el no necesitar mano de obra calificada para su construcción.
La búsqueda de una solución más económica pasa indesligablemente por la búsqueda de un método de diseño más preciso que con el que se cuenta, pues el método de concreto armado sobredimensiona las secciones.
Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos – Bases para la Cartilla de Difusión
Difusión de la Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos (11,12)
Objetivo y Alcances
El objetivo es poder desarrollar una cartilla que posibilite difundir de una manera sencilla las técnicas y cuidados necesarios para construir sistemas de entrepiso y techos de ferrocemento.
Su alcance es sólo para elementos sometidos a flexión.
Aplicación en sistemas de piso/techo – horizontales o ligeramente inclinados.
Propiedades Mecánicas del Ferrocemento:
Se presenta un resumen de la información técnica ya obtenida experimentalmente:
Esfuerzos de compresión de morteros, con proporciones de cemento/arena ½ y relaciones de A/C=0,5 y 0,45.
Tracción – transversal y longitudinal – en mallas, tipo MC1, MH1 y MH2. Tracción longitudinal en alambres código MCAL1 y MCAL2 y tracción transversal en alambres código MCAT1 y MCAT2.
Flexión de planchas planas de ferrocemento, relación A/C=0,5: Longitudinalmente y transversalmente en plancha MC1ACO.5; longitudinalmente en planchas MH1ACO.5L y MH2ACO.5L y transversalmente en planchas MH1ACO.5T y MH2ACO.5T.
Flexión de planchas planas de ferrocemento, relación A/C=0.4; longitudinalmente y transversalmente en plancha MC1ACO.4; longitudinalmente en plancha MH1ACO.4L y transversalmente en plancha MH1ACO.4T.
Aspectos Resaltados: (11)
Necesidad de ampliar el uso de láminas de ferrocemento para aplicaciones en sistemas de piso/techo con otras características – relativas a espesor de pared, sección transversal, luz entre apoyos, apoyos intermedios, inclinación, sujeción en extremos y sobrecargas – distintas a las probadas en nuestro medio.
Consecuencia de ello resulta: la necesidad de diseñar elementos con mayores inercias capaces de tomar las solicitaciones demandadas; para usar láminas de ferrocemento en sistemas intermedios de pisos requiere diseñarlas con características distintas a las que usarían como elementos de cobertura, principalmente por la sobrecarga de diseño. Se
establece que se desarrollarán recomendaciones prácticas para estos fines (tablas resumen, aún en desarrollo).
Se enfatiza que los requisitos estructurales reglamentarios que deben cumplir los sistemas piso/techo es un tema pendiente (aún en desarrollo).
Requisitos de los materiales y Elementos Constitutivos de las Láminas de Ferrocemento en Sistemas Piso/Techo.
Se presenta un resumen de la información técnica disponible: a. Refuerzo principal: Varillas de Acero.
b. Refuerzo secundario: Mallas Metálicas. c. Relleno y protección del refuerzo.
Aplicación y Experiencias de un Proyecto Piloto (13,14)
Se resume el trabajo efectuado en El Comedor del Club de Madres Carlos Rodríguez Franco – distrito de Santiago de Surco, donde se construyó en entrepiso con elementos de ferrocemento:
Materiales: Elementos de ferrocemento de sección [ de 4 cm, 3 cm y 2,5 cm de espesor de pared (arena fina y arena gruesa, cemento, malla de gallinero electrosoldada de ¾” de cocada y acero corrugado de ¼”), sobre – losa de 3,5 cm de espesor (cemento, arena gruesa, piedra chancada y malla de gallinero exagonal de ¾” de cocada) y vigas soleras (cemento, arena gruesa, piedra chancada y varillas de acero corrugado de ½” y ¼”)
Mano de Obra: Mano de obra del lugar. Procedimiento Constructivo:
Construcción de secciones [de ferrocemento – se detalla: limpieza del área de trabajo, (área libre donde se podían vaciar unidades a la vez, haciendo más eficiente el trabajo), el corte del refuerzo (malla y acero), elaboración del encofrado para la sección [ , la colocación de las mallas electro-soldadas en los elementos del encofrado, la mezcla de cemento- arena, el vaciado del mortero en las planchas de sección [ de ferrocemento y el curado de dichas secciones.
Traslado y colocación de las planchas: una de las actividades más difíciles del proceso constructivo es el traslado de las planchas pre-fabricadas hasta suposición final.
Vaciado de las Vigas soleras y sobre – losa e instalaciones eléctricas y sanitarias – se detalla el proceso seguido.
Se muestran los resultados de la evaluación de costos por metro cuadrado de entrepiso con elementos de ferrocemento, los cuales se comparan con una losa aligerada con ladrillos de arcilla.
Se resalta la relativa ventaja económica de la construcción de entrepisos con ferrocemento, con ahorros que oscilan entre 0,25 y 5,84 por metro cuadrado de entrepiso – señalándose que si el trabajo se realiza con la propia mano de obra se podría ahorrar hasta 15 soles por metro cuadrado (para precios vigentes en setiembre 2005)
Se presentan los cuadros de costos para planchas de ferrocemento de 3,35 m y 4,55 m de largo, y con espesores de 4 cm, 3,0 cm y 2,5 cm. Conclusiones
Se considera como ventajas competitivas del ferrocemento: posibilidad de construir partes, piezas y módulos livianos, fáciles de transportar. Muestran la siguiente tabla para el uso del ferrocemento en entre-pisos y techos de vivienda:
Encofrado y refuerzo de las secciones de ferrocemento
Control de verticalidad del encofrado de las alas de las planchas acanaladas (sección “C”) de ferrocemento.
Secuencia de colocación del refuerzo en las planchas de ferrocemento: (malla electrosoldada + armazón de acero ɸ1/4” + malla electrosoldad)
Disposición final de elementos de ferrocemento en entrepiso (vista inferior)
Losa Aligerada con Ladrillos huecos de arcilla
Comentarios
En la interpretación y análisis de las pruebas de ferrocemento se resalta (5,6): Los resultados de las pruebas mostraron que la resistencia del compuesto ferrocemento superaba significativamente los valores previstos en el análisis teórico según las pautas del ACI.
En las conclusiones se destaca (5,6)
a. Los métodos de diseño de concreto armado resultan inadecuados para el diseño de ferrocemento.
b. La búsqueda de una solución más económica pasa indesligablemente por la búsqueda de un método de diseño más preciso que con el que se cuenta, pues el método utilizado sobredimensiona las secciones.
c. Lo ensayado, analizado es aplicable sólo para coberturas planas horizontales – o ligeramente inclinadas- en viviendas con relativas bajas sobrecargas y cortas luces.
d. Las ventajas del ferrocemento, en su concepción general, radican en su aplicabilidad a elementos curvos, de geometría compleja y diversidad de
sobrecargas en los que el uso de mallas hexagonales es óptimo. Se requiere:
Considerar el ferrocemento con mallas de diversidad de materiales (15) Análisis con modelos que incorporen elementos anisotrópicos de comportamiento no – lineal e interactuantes con el tiempo: elasto-visco- plasticidad, o aún de mayor complejidad como los “modelajes del medio contínuo” – que incluyen el comportamiento de componentes a niveles nanométricos, de gran interés en los focos de concentración de esfuerzos y generación de fisuras**
Contar con equipos de laboratorio para ensayos más avanzados. SUGERENCIAS
Conociéndose que las ventajas relativas del ferrocemento, en su concepción general, radican en su aplicabilidad a elementos curvos y alabeados, de geometría compleja y diversidad de sobrecargas, en los que el uso de mallas hexagonales es óptimo, se requiere – para su plena aplicación y desarrollo:
a. Considerar el ferrocemento con mallas de diversidad de materiales (15). b. Efectuar análisis con modelos que incorporen elementos anisotrópicos y
comportamiento no-lineal e interactuantes con el tiempo: Elasto-visco- plasticidad, o aún de mayor complejidad como los “modelajes del medio contínuo” – que incluyen el comportamiento de componentes a niveles nanométricos, de gran interés en los focos de concentración de esfuerzos y generación de fisuras**
REFERENCIAS
1. Carolina García Ccallocunto, PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, (agosto del 2003), Primera Relación de Ensayos y Materiales, Documento Técnico.
2. Walter Ernesto Paredes Rojas, (Agosto del 2003), PUCP – Laboratorio de Estructuras Sísmicas Primera Relación de Ensayos y Materiales, Documento Técnico.
3. Carolina García Ccallocunto, (Octubre del 2003), PUCP - Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Segundo Informe del Proyecto SENCICO D/40: Detalles Especímenes y Proceso Constructivo, Documento Técnico.
4. Walter Ernesto Paredes Rojas, (Octubre del 2003), PUCP - Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Segundo Informe del Proyecto SENCICO D/40: Detalles de Especímenes y Proceso Constructivo, Documento Técnico.
5. Carolina García Ccallocunto, (Diciembre del 2003), PUCP – Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Tercer Informe del Proyecto SENCICO D/40: Descripción de Ensayos y Resultados, Documento Técnico.
6. Walter Ernesto Paredes Rojas, (Diciembre del 2003), PUCP – Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Tercer Informe del Proyecto SENCICO D/40: Descripción de Ensayos y Resultados, Documento Técnico.
7. Ing. Juan Francisco Ginocchio, (8 de Setiembre del 2003), PUCP – Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Proyecto de Investigación: Aplicación del Ferrocemento en la Construcción de Edificios de Muy Bajo Costo.
8. Ing. Juan Francisco Ginocchio, (Noviembre del 2003), PUCP – Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Proyecto de Investigación: Aplicación del Ferrocemento en la Construcción de Edificios de Muy Bajo Costo - Informe Final.
9. Ing. Gladys Villa García M., (12 de Diciembre del 2003), PUCP – Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Aplicaciones del Ferrocemento en la Construcción de Edificios de Muy Bajo Costo – Informe Preliminar. 10. Ing. Gladys Villa García M., (12 de Diciembre del 2003), PUCP –
Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Aplicaciones del Ferrocemento en la Construcción de Edificios de Muy Bajo Costo – Informe Final.
11. Ing. Wilson E. Silva Berríos, Ing. Giuseppe Mendoza A., PUCP, Dpto. de Ingeniería, (15 de Setiembre del 2005), Difusión de la Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos – Informe Preliminar.
12. Ing. H. Giuseppe Mendoza Albornoz, PUCP, Dpto. de Ingeniería, (setiembre del 2005), Difusión de la Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos - Informe Final.
13. Ing. H. Giuseppe Mendoza Albornoz, (setiembre del 2005), Construcción Experimental de Losa de Entrepiso con Ferrocemento en el Comedor Carlos Rodrigo Franco – Memoria Descriptiva.
14. Ing. Wilson E. Silva Berríos, Ing. H. Giuseppe Mendoza Albornoz, PUCP, Dpto. de Ingeniería, (noviembre del 2005), Difusión de la Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos – Bases para la Cartilla de Difusión.
15. ACI 549R-97, State-of the-Art Reporto n Ferrocemento.
16. BIBLIOGRAFÍA
17. Valery v. Vasilev, Evgeny V. Morosov (2013), “Advance Mechanics of Composite Materials and Estructural Elements” Third Edition.
PROPUESTAS DE METODOS DE ANALISIS Y DISEÑO DE TANQUES DE AGUA DE FERROCEMENTO
CONTENIDO
ASPECTOS ESENCIALES
ACCIONES EMPRENDIDAS EN EL MEDIO ACCIONES EECTUADAS – SENCICO
PROPUESTA DE MÉTODOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE TANQUES DE AGUA DE FERROCEMENTO
REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA
Aspectos Esenciales (1, 2, 3, 4, 5) *, (B: 2, 4) ** En cuanto a la armadura de acero del armazón
a) Uso de barras de acero liso, preferentemente, para conformar la armazón de la estructura y, adicionalmente, contribuir a reforzar las mallas de alambre.
b) El tamaño de las varillas varía entre ¼” y ¾”, el de mayor uso es de ¼”. c) El acero de la armadura, si bien no adiciona mucho a la superficie
específica del refuerzo -importante para el control de fisuras-, sí contribuye significativamente a la resistencia a flexión. (B:3).
En lo relativo a las mallas de alambre
a) Se puntualiza el rol esencial de las mallas de refuerzo en los estados de mortero fresco y endurecido, absorbiendo las tensiones bi-axiales generadas por cargas actuantes.
b) En elementos sometidos a flexión, con efectos bi-axiales -caso de los tanques de agua- es necesario considerar el mayor rendimiento en ambas direcciones. En este aspecto, según ensayos realizados es preferible la malla cuadrada soldada / electro soldada.
c) Se señala que en estructuras como tanques circulares para almacenamiento de agua, las mallas de alambre electro soldadas son empleadas con frecuencia como esqueleto de armazón y cumplir adicionalmente la función de absorber los esfuerzos que se producen por el empuje hidrostático del líquido almacenado. (2), (B: 1, 2).
Se hace referencia a los espesores mínimos de los diferentes elementos estructurales que conforman el tanque de agua y al área de acero mínimo. Igualmente, sobre los recubrimientos mínimos y máximos.
Se definen los parámetros esenciales de diseño -módulo de elasticidad, superficie específica y volumen de refuerzo- y los factores de resistencia y carga –solicitaciones de compresión, tensión y flexión.
*, ** Ver Referencias, Bibliografía: al final del texto.
En cuanto al proceso constructivo: se presentan recomendaciones relativas a los diversos materiales a utilizarse – poniéndose énfasis en los tipos de malla, así como a las acciones a tomarse durante el proceso; y se adjunta un plano detallado para un tanque de 10 m3.
Acciones emprendidas en el medio
Experiencia del Proyecto SANBASUR en la Innovación para el saneamiento Rural. (5)
El objetivo es difundir la experiencia en la aplicación del ferrocemento como tecnología apropiada para la construcción de tanques de almacenamiento de agua en zonas rurales, desarrollada en la Región Cusco entre los años 1998 y 2006.
Dicha experiencia comprende la construcción de un tanque de 25 m3 en el centro poblado de Harín –distrito y provincia de Calca, y de otros tanques en diversas zonas de la Región.
Se puntualiza que la aplicación del ferrocemento en tanques de agua genera ahorros crecientes proporcionales a la capacidad instalada del tanque –oscilando entre el 15% y el 34%.
El rol importante que tiene SENCICO en la capacitación, innovación y difusión de la aplicación del ferrocemento en tanques de agua, es