Comportamiento estructural de elementos flexurales de hormigón liviano

Texto completo

(1)

(2)

(3) RESUMEN La mezcla desarrollada de hormigón liviano es un nuevo tipo de hormigón que reúne las propiedades y ventajas de un hormigón de alta resistencia estructural y peso liviano. Mediante el desarrollo del proyecto “Innovación y Desarrollo de Hormigones Livianos de Alto Desempeño (HLAD) para el uso en la Construcción de Infraestructura” de INNOVA Chile, se diseñaron y desarrollaron ensayos de 4 vigas y 2 losas con el fin de obtener las calidades del comportamiento flexural del Hormigón Liviano desarrollado mediante el estudio de diversas normas de diseño de elementos de hormigón con el fin de caracterizar adecuadamente y de forma realista el material propuesto. Los valores obtenidos y curvas detalladas se asemejan a los esperados por la teoría. La densidad lograda es un 25% menor que la normalmente utilizada en elementos estructurales y las resistencias obtenidas superan el valor predicho por la teoría, por lo que el hormigón en estudio puede utilizarse con las normas, recomendaciones y métodos utilizados para el diseño de elementos estructurales del hormigón con las características de peso normal en lo referente a resistencia a la compresión, ya que los resultados en el agrietamiento permiten inferir una menor resistencia en tracción con respecto al valor teórico. Se debe mencionar también que hay una reducción en el módulo de elasticidad para el mismo nivel de esfuerzos, lo que puede verse reflejado en una mayor deflexión. Este material tiene un potencial en la industria del hormigón prefabricado y pretensado por su reducido peso propio, elevada resistencia y durabilidad.. Palabras Claves: Hormigón Liviano, Hormigón Estructural de Alto Desempeño, Ensayos en Elementos Flexurales, Elementos Flexurales Postensados..

(4) ABSTRACT. The lightweight concrete mixture developed, is a new kind of concrete that combines the properties and advantages of the high-strength structural concrete and the properties and advantages of the lightweight concrete. Through the ÍNNOVA Chile project “Innovación y Desarrollo de Hormigones Livianos de Alto Desempeño (HLAD) para el uso en la Construcción de Infraestructura”, were designed and developed tests in 4 beams and 2 slabs, in order to get the features of the flexural behavior in the lightweight concrete developed. The values obtained and the curves detailed resemble those expected by the theory. The density is a 25% lower than the normally used in structural elements and the resistance obtained exceeds the value predicted by the theory, so this concrete mixture can be used with the standards, recommendations and methods used for the design of structural elements of concrete with normal weight in terms of compressive strength. The cracking results allow to infer a lower tensile strength, compared to the theoretical value. It should be noted also that there is a reduction in concrete´s modulus of elasticity, which may be reflected in greater deformation. This material also has a potential in the prestressed precast concrete industry for its low weight, high strength and durability.. Keywords: Lightweight Concrete, High-strength Structural Concrete, Test in Flexural Lightweight Concrete Elements, Test in Flexural Prestressed Lightweight Concrete Elements..

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. Quisiera agradecer a todas aquellas personas que colaboraron para que este trabajo tuviera buen término, en especial a Manuel Ravelo, Armando Arellano, Raúl Álvarez del laboratorio de ingeniería estructural, a Hernán Santa María, mi profesor supervisor. Incluyo en estos agradecimientos a todos los involucrados en el desarrollo del proyecto “Innovación y Desarrollo de Hormigones Livianos de Alto Desempeño en Chile” (fondo INNOVA-CORFO # 07CT7PCT-09) del cual se deriva mi investigación y que aportó apoyo económico para ésta. Incluyo también a las empresas Cementos BioBío, VSL Sistemas Especiales de Construcción S.A., ALTEC, quienes donaron gran parte de los materiales y la fabricación de las probetas. Además agradezco a la Agencia de Cooperación Internacional (AgCI) la cual mediante el Programa de Becas de Cooperación Horizontal permitió el desarrollo de esta investigación en relación directa conmigo. Finalmente agradezco a toda mi familia por la paciencia y apoyo incondicional durante toda la ejecución de mis estudios..

(6) iv. A mi familia por todo el apoyo a través de los años y a César por ayudarme en esta etapa..

(7) v. Tabla de contenido I.. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1 1.1. Propiedades ....................................................................................................... 4. 1.2. Beneficios .......................................................................................................... 6. 1.3. Ejemplos de Aplicaciones en Obras Ejecutadas ................................................... 7. 1.4. Resultados Esperados......................................................................................... 7. 1.5. Objetivos............................................................................................................ 8. 1.6. Metodología ...................................................................................................... 8. II.. ANTECEDENTES ....................................................................................................... 10 2.1. Propiedades Físicas .......................................................................................... 11. 2.2. Propiedades Mecánicas.................................................................................... 13. III.. NORMATIVA VIGENTE PARA HORMIGONES LIVIANOS ............................................ 18. 3.1. Normas y Reglamentos ASTM (American Society for Testing and Materials) ..... 18. 3.2. Normas Chilenas .............................................................................................. 19. 3.3. Norma ACI 318 - 08 Código de Requerimientos para la Construcción de. Elementos de Hormigón Estructural (Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary) ...................................................................................................................... 19 3.3.1. Sección 8.5 - Módulo de Elasticidad.................................................................. 20. 3.3.2. Sección 8.6 – Hormigón Liviano ........................................................................ 20. 3.3.3. Sección 11.6.4 - Diseño del cortante por fricción .............................................. 21. 3.3.4. Sección 12.2.4 - Longitud de desarrollo en barras corrugadas a tracción .......... 21. 3.3.5. Sección 12.5.2 - Longitud de desarrollo en gachos estándar en tracción ........... 22. 3.3.6. Capítulo 18.13.4 - Resistencia de materiales en Hormigón Pretensado ............. 22. 3.3.7. Sección 18.14.2 - Diseño de la zona general de refuerzo en losas ..................... 22.

(8) vi. 3.3.8. Sección 21.1.4.3 - Hormigón en pórticos especiales que resistan momento y. muros especiales................................................................................................................. 23 3.3.9. Sección 21.7.2.3 - Uniones en marcos de momento.......................................... 23. 3.3.10. Sección 21.7.4 - Resistencia al corte de un nudo de viga-columna ................ 24. 3.3.11. Sección 21.7.5 - Longitud de barras en tracción ............................................ 24. 3.3.12. Sección 22.5.6 – Hormigón Liviano ............................................................... 25. 3.3.13. Sección D3.4 - Requisitos generales de anclaje en el hormigón ..................... 25. 3.4. Eurocode.......................................................................................................... 26. 3.4.1. Recubrimiento ................................................................................................. 28. 3.4.2. Esfuerzo de compresión ................................................................................... 28. 3.4.3. Módulo de Elasticidad ...................................................................................... 30. 3.4.4. Coeficiente de expansión térmica..................................................................... 31. 3.4.5. Creep y Retracción ........................................................................................... 31. 3.4.6. Diagramas tensión-Deformación ...................................................................... 32. 3.4.7. Distribución de tensiones en la sección de diseño ............................................ 34. 3.4.8. Hormigón pretensado ...................................................................................... 36. 3.4.9. Acero para hormigón liviano reforzado ............................................................ 40. IV.. PROGRAMA EXPERIMENTAL ................................................................................... 42. 4.1. Diseño de Especímenes .................................................................................... 43. 4.1.1. Vigas ................................................................................................................ 43. 4.1.2. Losas Postensadas ............................................................................................ 46. 4.2. Caracterización del Hormigón .......................................................................... 48. 4.3. Acero Estructural ............................................................................................. 49. 4.4. Fabricación de las probetas .............................................................................. 50.

(9) vii. V.. 4.5. Instrumentación............................................................................................... 53. 4.6. Organización de la instrumentación adoptada .................................................. 58. 4.7. Aplicación de la carga ....................................................................................... 59. 4.8. Procedimiento de Carga ................................................................................... 59. 4.9. Procedimiento de ensayo ................................................................................. 61. 4.10. Conclusión Preliminar ...................................................................................... 64. DISEÑO DE ELEMENTOS FLEXURALES PARA ENSAYOS............................................. 65 5.1. Elementos por ensayar dentro del Proyecto INNOVA ....................................... 65. 5.1.1. Hormigón Liviano Estructural ........................................................................... 65. 5.1.2. Hormigón Liviano Postensado de Alto Desempeño........................................... 65. 5.2. Vigas de Hormigón Liviano Estructural de Cuantía Baja .................................... 66. 5.2.1. Objetivo ........................................................................................................... 66. 5.2.2. Datos Viga con Cuantía Mínima de Acero ......................................................... 67. 5.2.3. Diseño de Viga con cuantía mínima de Acero ................................................... 67. 5.2.4. Detalles ............................................................................................................ 69. 5.3. Vigas de Hormigón Liviano Estructural de Alta Cuantía ..................................... 70. 5.3.1. Objetivo ........................................................................................................... 70. 5.3.2. Datos Viga con Cuantía Mayor.......................................................................... 70. 5.3.3. Diseño de viga con cuantía superior de acero ................................................... 71. 5.3.4. Detalles ............................................................................................................ 72. 5.4. Losa de Hormigón Postensado Liviano.............................................................. 72. 5.4.1. Objetivo ........................................................................................................... 72. 5.4.2. Datos de Losa Postensada ................................................................................ 73. 5.4.3. Resumen De Cálculos ....................................................................................... 73.

(10) viii. 5.4.4 VI.. Detalles ............................................................................................................ 75. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS........................................................... 76. 6.1. Resultados Vigas de Hormigón Armado Liviano Estructural .............................. 76. 6.1.1. Ensayo de Viga de Baja Cuantía N°1 ................................................................. 78. 6.1.2. Ensayo en Viga de Baja Cuantía N°2 ................................................................. 91. 6.1.3. Ensayo en Viga de Alta Cuantía N°1 ................................................................ 109. 6.1.4. Ensayo en Viga de Alta Cuantía N°2 ................................................................ 121. 6.1.5. Conclusiones Preliminares Vigas..................................................................... 140. 6.2. Resultados Losas de Hormigón Armado Postensado Liviano ........................... 142. 6.2.1. Ensayo en Losa Postensada N°1...................................................................... 142. 6.2.2. Ensayo en Losa Postensada N°2:..................................................................... 162. VII. COMPARACIÓN DE RESULTADOS EXPERIMENTALES CON PREDICCIONES ANALÍTICAS Y EXPRESIONES DE DISEÑO................................................................................................... 176 7.1. VIGAS ............................................................................................................. 177. 7.1.1. Cálculo de Rigidez .......................................................................................... 177. 7.1.2. Deflexiones .................................................................................................... 178. 7.1.3. Agrietamiento ................................................................................................ 180. 7.1.4. Resistencia Última.......................................................................................... 185. 7.1.5. Estabilidad de las probetas ............................................................................. 190. 7.2. LOSAS ............................................................................................................ 191. 7.2.1. Cálculo de rigidez ........................................................................................... 191. 7.2.2. Deflexiones .................................................................................................... 194. 7.2.3. Agrietamiento ................................................................................................ 195. 7.2.4. Resistencia Última.......................................................................................... 198.

(11) ix. 7.2.5. Estabilidad de las probetas ............................................................................. 200. 7.3. Análisis de Normativa..................................................................................... 201. 7.3.1. Normas Chilenas ............................................................................................ 201. 7.3.2. Norma ACI 318-08 (Building Code Requirements for Structural Concrete) ....... 202. VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES................................................................. 212 8.1. Conclusiones .................................................................................................. 212. 8.2. Recomendaciones .......................................................................................... 214. 8.3. Temas de Investigación Futura ....................................................................... 214. IX.. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 215. X.. ANEXOS ................................................................................................................. 218.

(12) x. Índice de Tablas Tabla 3.1: Modificación a Fórmulas de Resistencia en Nudos ……..……….……….……….. 24 Tabla 3.2: Transcripción Tabla 3.106 del Eurocode ………………..….….….…..…….…….. 28 Tabla 3.3: Transcripción Tabla 3.1 del Eurocode ………………………..…….………….….. 29 Tabla 3.4: Transcripción Tabla 3.2 del Eurocode ………………………………….…………. 30 Tabla 3.5: Transcripción Tabla 3.105 del Eurocode ……………….…..…….………….……. 31 Tabla 3.6: Transcripción Tabla 3.107 del Eurocode …………………...…….……………….. 32 Tabla 3.7: Transcripción Tabla 4.11 del Eurocode ……………………...…….……………… 39 Tabla 3.8: Transcripción Tabla 4.114 del Eurocode ………………………………….………. 40 Tabla 3.9: Transcripción Tabla 5.2 del Eurocode ……………….……….…..………….……. 41 Tabla 4.1: Resultados Generales Ensayos de Tracción en Muestras de Barras Utilizadas ..... 50 Tabla 4.2: Información de Transductores Utilizados …………...………..…….…….……….. 56 Tabla 6.1: Curvatura Primer Ciclo de Carga (Viga Baja Cuantía N°2) ……………………… ..... 107 Tabla 6.2: Curvatura Primer Ciclo de Carga (Viga Alta Cuantía N°2) …………….………..… 138 Tabla 6.3: Resumen de Resultados Ensayos de Vigas de Hormigón Liviano …………….... 141 Tabla 6.4: Resumen Resultados Ensayos de Losas de Hormigón Liviano Postensado …..… 176 Tabla 7.1: Resultados de Rigidez No Agrietada y Agrietada (Vigas) ……..…..……………... 178 Tabla 7.2: Deflexiones Promedio del Punto Medio de la Viga.………………...…..………... 179 Tabla 7.3: Resumen de Estado Último de Fisuras (Vigas) ……………………..…………….. 182 Tabla 7.4: Comparación de Momentos de Agriet. Estimado y Observado (Vigas) ………..….. 185.

(13) xi. Tabla 7.5: Resistencia flexural nominal de diseño (ACI 318) y últimas obtenidas (Vigas) .... 186 Tabla 7.6: Resistencia Nominal de Diseño (ACI 318) Últimas Obtenidas (Vigas) ………..… 187 Tabla 7.7: Resistencia Últimas Obtenidas (Vigas) .………………………………………...… 189 Tabla 7.8: Diferencias en los Transductores (Vigas) ………………………………………… 192 Tabla 7.9: Resultados de Rigidez Antes y Durante el Agrietamiento (Losas) ……………… 193 Tabla 7.10: Deflexiones Distintos Niveles de Carga (Losas) ….…………..…………….…… 195 Tabla 7.11: Resumen Estado Último de Fisuras (Losas) …………………………………….. 197 Tabla 7.12: Comparación de Momentos de Agriet. Estimados y Observados (Losas) ……….. 198 Tabla 7.13: Resistencias nominal de diseño (ACI 318) últimas obtenidas (Losas) …….. 200 Tabla 7.14: Diferencias en los Transductores (Losas) ……….…….………………………… 201.

(14) 1. I.. INTRODUCCIÓN. El hormigón es uno de los materiales de construcción más populares. De acuerdo con el ASCE (American Society of Civil Engineers, 2005), cada año son producidos en el mundo aproximadamente 6 billones de metros cúbicos de hormigón. El hormigón es un material de construcción que consiste en cemento, agregado (fino y grueso), agua y aditivos como ceniza volante, humo de silica y otros agentes químicos. Después del proceso de mezclado, el hormigón es endurecido mediante el proceso llamado hidratación. Puede ser usado para diversas aplicaciones como pavimentos, edificios, cimentaciones, tuberías, represas y otras construcciones civiles. Debido al gran desarrollo que ha tenido la industria de la construcción, hoy en día existe en el mercado una gran variedad de hormigones destinados a mejorar la calidad, productividad y economía en las obras construidas con este material. En el campo de las obras civiles el peso de las estructuras ha sido siempre un factor muy influyente tanto en el diseño como en la construcción. El hormigón convencional, cuyo peso volumétrico fluctúa entre los 2200 y 2400 kg/m³, constituye un porcentaje considerable del peso que una estructura debe soportar; por tanto, si se logra disminuir este peso sin alterar la resistencia del hormigón se obtiene una mejora significativa en todos los aspectos de la obra. Con los hormigones livianos de alto desempeño se puede lograr aun más, puesto que la resistencia de este hormigón puede sobrepasar los 612 kg/cm2, lo cual es una gran ventaja si se compara con los hormigones convencionales de 280 kg/cm2. Los Hormigones Livianos de Alto Desempeño pueden ser conceptualizados como un hormigón de alta resistencia que a su vez posee las características de un hormigón liviano estructural..

(15) 2. Según el ACI 318-08, para que un hormigón entre en el grupo de los hormigones livianos estructurales, debe tener como máximo una densidad de 1840 kg/m³ y una resistencia mínima a la compresión de 173,4 kg/cm2 a los 28 días. Un hormigón de alta resistencia es considerado como tal cuando su resistencia a la compresión es mayor a 510,0 kg/cm2. Los hormigones livianos de alto desempeño poseen densidades entre 1850 y 2000 kg/m³, lo cual es aproximadamente un 25% más ligero que los hormigones convencionales con densidades entre 2200 y 2400 kg/m³. Usando agregados livianos en lugar de agregados convencionales, muchas propiedades del hormigón pueden ser mejoradas debido al bajo peso y la densidad. Los primeros hormigones livianos utilizados para construir edificaciones surgieron en el Imperio Romano en los años 20 a.C. Estos primeros hormigones eran resultado de la mezcla de cementos puzolánicos con materiales de baja densidad como piedra pómez. Entre las obras realizadas con este tipo de hormigón destacan: La cúpula del Panteón de Agripa (25 a.C.), los arcos del Coliseo Romano (70 d.C.), las bóvedas de las Termas de Caracalla (212 d.C.) y los nervios de la bóveda de la Basílica de Majencio (306 d.C.), con luces mayores a 25 metros. Ya en la edad moderna, con los avances en la tecnología se experimenta con nuevos tipos de agregados livianos como las arcillas, pizarras y escorias expandidas procedentes de plantas industriales, o con agregados artificiales plásticos como el poliestireno, y agregados ricos en sílice como la cascarilla de arroz. Los agregados cumplen un papel de gran importancia en el hormigón, y en el caso de los hormigones livianos de alto desempeño la baja densidad de éstos es la que permite elaborarlos. La ductilidad en el hormigón liviano es otra característica constructiva muy deseada. Debido a los daños severos producto de catástrofes como terremotos y huracanes, la necesidad de nuevos tipos de hormigón más dúctiles y resistentes ha.

(16) 3. crecido sustancialmente. Para mejorar la resistencia y la ductilidad del hormigón, los investigadores e ingenieros han probado ciertos métodos, como cambiar la composición del hormigón, desarrollar procedimientos de mezcla o adicionar agentes químicos al hormigón. Desde el punto de vista de resistencia sísmica, las propiedades dinámicas de los materiales estructurales, como la masa, la rigidez, la frecuencia natural y la razón de amortiguamiento tienen un efecto significativo, en las fuerzas sísmicas de la estructura. El uso de hormigón liviano en edificios puede reducir la carga permanente de la estructura, resultando en una ventaja ya que disminuye la fuerza sísmica en la misma. La reducción en la carga permanente de la estructura entera también disminuye el acero de refuerzo significativamente. Por lo tanto, el costo de los proyectos se reduce sustancialmente con el decrecimiento en el uso de refuerzo en columnas, muros y vigas. Otras propiedades del material son mejoradas a través de la construcción liviana debido a los cambios en la composición del material, tales como la aislación térmica, aislación acústica, durabilidad, permeabilidad y otras propiedades estructurales. Es de gran importancia tomar en cuenta que las variaciones de las propiedades físicas o químicas de estas adiciones minerales pueden causar cambios apreciables en las propiedades de los hormigones de alto desempeño. Es por esto que antes de fundir un elemento con un hormigón que contenga estas adiciones es necesario que se les realice ensayos de aceptación y uniformidad, y además se debe investigar minuciosamente sus propiedades en el desarrollo de resistencias y su compatibilidad con los otros materiales de la mezcla de hormigón. Actualmente en América Latina el uso de Hormigones Livianos de Alto Desempeño no es notorio, aunque países como Chile ya están empezando a invertir en el desarrollo de este nuevo material. Sin embargo, en países como Noruega y EE.UU. el uso de hormigón liviano de alto desempeño en obras civiles lleva años, ya que los.

(17) 4. estudios y aplicación inician mucho antes en países con mayor desarrollo de materiales en general. Durante la etapa del diseño, utilizando hormigón liviano es necesario considerar ciertas particularidades; si bien su resistencia es mayor que la de los hormigones convencionales, su módulo de elasticidad (E) es menor. El valor del módulo de elasticidad de los hormigones aumenta conforme su resistencia aumenta, pero el factor que más influye en este valor es el tipo de agregado que se utilice. Un módulo de elasticidad más bajo se refleja en una estructura menos rígida y más susceptible a las deformaciones. Cuando se utiliza hormigón liviano de alto desempeño para elementos pretensados se deben considerar los cambios volumétricos que sufre el hormigón, puesto que éstos influyen en la fuerza de precompresión que se le aplica al elemento. Si el hormigón cede ante la fuerza de compresión que le ejerce el acero de presfuerzo, el acero se relaja produciendo así pérdidas en la fuerza de tesado. 1.1. Propiedades Las propiedades esperadas que más destacan en los hormigones livianos de alto. desempeño son su baja densidad y su alta resistencia a la compresión. Sin embargo, es importante conocer que este tipo de hormigones posee otras propiedades que amplían su uso más allá de un hormigón estructural, nombradas anteriormente y resumidas a continuación: Peso Volumétrico: Esta propiedad depende en gran parte del tipo de agregado utilizado. Conductividad Térmica: La capacidad de conducción térmica de un material está dada por su densidad, mientras más denso es un elemento mayor es su conductividad térmica. Por tanto los hormigones livianos son de baja conductividad térmica y por ende buenos aislantes del calor..

(18) 5. Aislamiento acústico: Las cavidades dentro de los agregados livianos permiten amortiguar las vibraciones. Trabajabilidad: Debido a la baja densidad de los agregados, es más fácil para los obreros manipularlo cuando está en estado fresco, en comparación con los hormigones convencionales. Porosidad: Los hormigones livianos de alto desempeño se fabrican con tamaños máximos de agregados inferiores a los tamaños de los hormigones convencionales, lo cual se manifiesta en una menor presencia de vacíos en la pasta y por ende menor porosidad de la misma. Resistencia al fuego: Debido al uso de agregados livianos manufacturados en procesos de elevadas temperaturas los hormigones livianos de alto desempeño poseen gran resistencia a temperaturas elevadas y al fuego. Curado interno: Debido al agua contenida dentro de los agregados livianos, las partículas de cemento experimentan un curado interno cuando ésta agua es liberada. Este efecto particular de los hormigones con agregados livianos permite una mejor hidratación de las partículas cementicias que se encuentran en la zona de transición interfacial. Adherencia: Debido a la rugosidad de la superficie de los agregados livianos, la adherencia entre la pasta y el agregado es mayor que en los hormigones con agregados normales. Retracción: El agua contenida dentro de los agregados livianos compensa los cambios volumétricos debido al consumo de agua en las reacciones químicas del cemento y a la evaporación..

(19) 6. Resistencia a la compresión: El uso de tamaños máximos de agregados menores a los convencionales y de adiciones cementicias hace que estos hormigones sean de altas resistencias. Durabilidad: Debido a la baja porosidad de la pasta, los agentes atmosféricos no penetran en el hormigón; lo cual permite que las estructuras sean más resistentes al intemperismo. Módulo de elasticidad: El módulo de elasticidad está relacionado con el tipo de agregado del hormigón. Los hormigones con agregados livianos presentan módulos de elasticidad relativamente bajos dependiendo de las densidades y resistencias esperadas. 1.2. Beneficios Entre los beneficios que tiene el uso de este tipo de hormigones se tiene (Holm. and Bremner 2000; Meyer and Kahn 2002; Sylva et al. 2002): . Reducción de la carga muerta, lo que incide en una disminución del tamaño de la. fundación. . Aumento en la capacidad de tomar cargas vivas debido a la reducción de cargas. muertas. . Disminución del tamaño de los miembros, que tiene como consecuencia un. incremento en el espacio rentable y disminución del volumen requerido. . Reducción de las fuerzas sísmicas que son proporcionales al peso de la. estructura. . Mejoramiento de la resistencia y compacidad de la zona de contacto entre el. agregado liviano y la pasta de cemento (zona de interfase). . Disminución de costos de transporte y montaje..

(20) 7. 1.3. Ejemplos de Aplicaciones en Obras Ejecutadas Los primeros edificios construidos con hormigones estructurales livianos. aparecieron luego de la primera Guerra Mundial. En el año 1922 se construyó la ampliación del gimnasio de la escuela de deportes acuáticos de la ciudad de Kansas y fue este el primer edificio construido con hormigón liviano estructural en la historia. El suelo donde se cimentó este edificio tenía una capacidad portante muy baja, por esta razón se optó por utilizar un hormigón liviano y poder así aligerar el peso que se descargaba al suelo. Para el año 1928 se realizó un estudio para incrementar el número de pisos del edificio de oficinas de la compañía de teléfono Southwestern Bell en la ciudad de Kansas. Originalmente el edificio constaba de 14 pisos, se realizaron estudios en la cimentación y se determinó que a la estructura se le podía adicionar 8 pisos más utilizando hormigón convencional. Pero debido a que se utilizó hormigón liviano fabricado con arcillas expandidas se pudo aumentar la estructura hasta 14 pisos más. Al final la estructura quedo con un total de 28 pisos, el doble de lo que fue construido originalmente. 1.4. Resultados Esperados Se espera que los resultados de los ensayos estructurales realizados, tanto los. abarcados en esta tesis como otros propuestos, entreguen características de desempeño estructural deseables para utilizar el material en reemplazo del hormigón convencional en elementos que requieran de altas resistencias y bajo peso. Esta tesis forma parte del proyecto “Innovación y Desarrollo de Hormigones Livianos de Alto Desempeño (HLAD) para el uso en la Construcción de Infraestructura” de INNOVA Chile..

(21) 8. 1.5. Objetivos El objetivo general consiste en probar el comportamiento de elementos flexurales. estructurales de Hormigón Liviano Estructural y evaluar que cumplan con las disposiciones de diseño correspondientes, en particular ACI318-08. Como objetivos específicos se puede nombrar: . Diseñar los elementos estructurales con los cuales se realizarán las pruebas de. desempeño de este material, entre ellos: vigas de hormigón sin pretensión que trabajen sometidas a flexión; muros de hormigón no pretensado para el estudio de su capacidad de corte; losas de hormigón pretensado para análisis de comportamiento a flexión. . Realizar ensayos en vigas de hormigón no pretensado sometidas a cargas de. flexión. . Realizar ensayos en losas de hormigón pretensado sometidas a cargas de flexión.. . Analizar los resultados de los ensayos de vigas de hormigón no pretensado y de. losas de hormigón pretensado sometidas a cargas de flexión, evaluando las disposiciones de diseño existentes y realizar propuestas de modificaciones si así se requiere. 1.6. Metodología Para obtener la confirmación de las calidades del Hormigón Liviano se diseñarán. ensayos para analizar el comportamiento de este material ante cargas de flexión, corte y esfuerzo axial. Esto se logrará mediante el estudio de las diversas normas de diseño de elementos de hormigón con el fin de caracterizar adecuadamente y de forma realista el material propuesto. Además, como parte del proyecto INNOVA “Innovación y desarrollo de Hormigones Livianos de Alto Desempeño (HLAD) para el uso en la Construcción de Infraestructura” se realizarán los ensayos de vigas de hormigón no pretensado y losas de.

(22) 9. hormigón pretensado sometidas a cargas de flexión y su respectivo análisis de resultados. Para esto se cuenta con el apoyo del laboratorio de ingeniería estructural del departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, donde se realizarán dichas pruebas. Como. resultado. final. se. pretende. proponer. una. caracterización del. comportamiento flexural del material, con el fin de unirlo a los resultados obtenidos en los otros ensayos propuestos en esta investigación, que no serán desarrollados en este documento. Los capítulos de esta tesis abarcan un recorrido por la investigaciones previas en este tipo de material y la normativa correspondiente; el diseño de los ensayos y probetas a ensayar para obtener los resultados esperados de la mezcla; la presentación de los resultados de los ensayos realizados en elementos flexurales; el correspondiente análisis, incluyendo una comparación con las normativas actuales; finalmente las conclusiones obtenidas del estudio y las recomendaciones derivadas del mismo..

(23) 10. II.. ANTECEDENTES. Se presenta en este capítulo un resumen de los aspectos, resultados y conclusiones más relevantes y concernientes a la investigación de la utilización de hormigones livianos estructurales, sean o no de alto desempeño. Aitcin (2000) establece que el hormigón es el material más popular de construcción, entre otros, debido a que gracias al nuevo desarrollo de la tecnología ha mejorado en diversas propiedades, tales como resistencia, durabilidad y ductilidad. Aún así, al hormigón le hace falta mejorar más para adaptarse al ambiente usando materiales naturales en su mezcla. De acuerdo a CEMBUREAU (The European Cement Association), en 1900 la producción total de hormigón a nivel mundial era alrededor de 10 millones de toneladas, mientras que en 1998 había aumentado a 1.6 billones de toneladas. En menos de un centenar de años, el hormigón se ha convertido en el material de construcción más usado. Los progresos en el desarrollo del cemento son la razón de este incremento. Por esto, se hace inminente la necesidad de mejorar las propiedades de este material, ya sea aumentando su resistencia, disminuyendo su peso, y así el peso total de la estructura, mejorando su comportamiento en vida útil, o una combinación de éstas y otras características que se ha buscado optimizar. Los investigadores que se han interesado en producir hormigón liviano han direccionado sus investigaciones en diferentes caminos. Algunos investigadores (Hanson, 1958, 1961; Holm y Ries, 2000) aplican nuevos materiales como agregado, otros (Bremmer, Holm y de Souza, 1984; Zhang y Gjorv, 1990) usan agentes químicos en el proceso de mezcla para disminuir el peso de la estructura..

(24) 11. 2.1. Propiedades Físicas Unal et al. (2005) muestran que la producción del hormigón liviano puede ser. realizada en muchas partes del mundo. En su investigación, las probetas son producidas con diatomita tomadas de la región de Afyon (Turquía) con diferentes granulometrías y contenidos de cemento. Este experimento menciona que los efectos de esos parámetros en las propiedades físicas y mecánicas de los elementos incluyen variaciones en la resistencia de compresión, conductividad térmica, pruebas de velocidad ultrasónica, densidad volumétrica y porosidad específica. De acuerdo a los resultados de este estudio, el hormigón liviano con diatomita puede ser usado en construcciones para obtener alta aislación y reducir el peso propio de estas estructuras. Varios investigadores (Bremner y Holm 1986; López, 2005; López et al, 2007) han sugerido que la mejora del comportamiento del material es debido a la compatibilidad elástica de las partículas de agregados de hormigón liviano con la matriz cementicia circundante. En el hormigón liviano, el módulo de elasticidad de las fases constitutivas (agregado grueso y la fase de mortero envolvente) son relativamente similares, mientras que para la mayoría de los hormigones de peso normal, el módulo de elasticidad del agregado grueso puede ser de 3 a 5 veces mayor que el de la matriz circundante (Bremner y Holm 1986). Con hormigón liviano, la similitud elástica en las dos fases de un sistema compuesto resulta en una profunda reducción de la concentración de tensiones y una nivelación media de los esfuerzos sobre la sección transversal del miembro cargado. El hormigón de peso normal tiene una significativa discontinuidad que inevitablemente desarrolla una concentración de tensiones que puede resultar en un extenso microfisuramiento en el compuesto del hormigón, mientras que en el hormigón liviano, al darse la microfisuración mayormente en la unión más débil de la interfase entre los agregados densos y la matriz envolvente se da por hecho que desarrollará una menor incidencia al microfisuramiento..

(25) 12. Uno de los más importantes beneficios es tener agua almacenada ya que conlleva a la reducción o eliminación de la auto-desecación y la retracción asociada a ella. Muchos autores que han investigado el uso de la cura interna para reducir la retracción producida por la misma mezcla, como Kohno et al. (1999), Bentz and Snyder, (1999), Bentur et al. (2001), Jensen and Hansen (2002), Zhutovky et al. (2002), concluyeron que las mezclas con agregado liviano sufren considerablemente menor retracción producida por la mezcla, que otras mezclas sin cura interna. Adicionalmente, la cura interna proporcionada por el agua absorbida minimiza la retracción plástica temprana debido a la contracción de secado rápido del hormigón expuesto a condiciones de secado desfavorables. Un estudio de López et al. (2006, 2007), muestra que el agua interna almacenada reduce la fluencia básica y fluencia de secado de mezclas de hormigón liviano de alto desempeño, cargados al primer día y a los 28 días de edad y manteniendo la carga durante 500 días. La reducción en la fluencia se cree que es causada por la mejora de la hidratación, por la expansión producto de la cura interna y por la inhibición de la filtración de agua. Algunas de las mezclas en estos estudios presentaron retracción y expansión. Esto debido a la presión proporcionada por el agua liberada almacenada que permite el curado interno. La expansión puede actuar como una reserva de deformaciones cuando el hormigón se somete a la contracción producida por la retracción y el creep. Estas deformaciones dependientes del tiempo tendrían que ser mayores que la expansión sufrida, para ser notadas. En los casos de fuerza moderada, la retracción y la fluencia del hormigón liviano puede ser ligeramente mayor que la del hormigón de peso normal con la misma resistencia. Conforme aumenten las resistencias del hormigón, las diferencias en retracción y fluencia entre el hormigón liviano y el hormigón de peso normal disminuyen. En una serie de pruebas de alta resistencia en hormigones livianos, se ha.

(26) 13. demostrado que el agua interna almacenada ayuda al agregado liviano a mostrar una desaceleración y reducción tanto en creep como en retracción. Un análisis de la deformación debido a la tensión elástica, creep y retracción genera el mismo factor dado en el ACI 318-08, y este factor para obtener deflexiones de largo plazo debe ser usado para ambos tipos de hormigón. 2.2. Propiedades Mecánicas Donde la reducción de rigidez en el hormigón es beneficiosa, el uso de hormigón. liviano debe considerarse sobre el uso del hormigón de peso normal. En casos en que se deba mejorar el efecto de las vibraciones o la respuesta dinámica, donde puedan ocurrir asentamientos diferenciales en fundaciones, donde las tensiones de tracción son causadas por las deformaciones térmicas o de retracción (como en los tableros de puentes) y en algunos tipos o configuraciones de losas de techo, la reducción de la rigidez del hormigón liviano es conveniente. Sin embargo, en otras aplicaciones, elementos de hormigón liviano tendrán mayores deformaciones que el hormigón de peso normal de resistencia similar bajo las mismas cargas vivas. Las fuerzas horizontales o verticales que actúan sobre una estructura durante los movimientos sísmicos son directamente proporcionales a la inercia o la masa de esa estructura. El hormigón liviano es particularmente adaptable al diseño sísmico y a su construcción debido a la reducción en fuerzas inerciales. La ductilidad de marcos estructurales de hormigón debe ser analizada como un sistema compuesto de hormigón armado, es decir, que trabaja como material compuesto no homogéneo. Ahmad y Batts (1991) y Ahmad y Barker (1991) indican que para los materiales probados en mezclas de peso aligerado, el bloque rectangular de tensiones propuesto en el ACI 318-08 es adecuado para predicciones de la resistencia flexural en vigas de hormigón liviano de alto desempeño, y la recomendación del 0,003 como el máximo de deformación unitaria del hormigón es un límite inferior aceptable para elementos de hormigón liviano reforzado con una resistencia cilíndrica mayor a 410.

(27) 14. kg/cm2. Confinamiento adicional de acero es recomendado para compensar el comportamiento menor postelástico de la tensión en el hormigón liviano. Este reporte además incluye resultados que demuestran que es económicamente factiblemente de obtener la ductilidad deseada mediante un incremento en la cuantía de acero de confinamiento. Rabbat y otros (1986) llegaron a conclusiones similares cuando analizaron el comportamiento sísmico de columnas de hormigón liviano estructural y de hormigón de peso normal. Este reporte se enfoca en cómo se puede proporcionar ductilidad y mantener la resistencia en uniones viga-columna debidamente detalladas cuando se someten a deformaciones inelásticas para momentos reversibles. Concluyeron que el apropiado detalle de las columnas hechas con el hormigón liviano probado es bueno bajo reversión de momentos tanto como en columnas de hormigón de peso normal. Desde el punto de vista sísmico, How-Ji Chen, Chung-Ho Huang, Chao-Wei Tang, (2010) ensayaron vigas de hormigón liviano y vigas de hormigón de agregado de peso normal, reforzadas y no reforzadas, analizando los factores de un sistema estructural dinámico, esto es masa, amortiguamiento y rigidez, demostrando que una disminución en el periodo fundamental de la estructura debido a un menor peso disminuye la fuerza sísmica, llegando a las siguientes conclusiones: - A medida que la resistencia del hormigón varía entre 200 y 600 kg/cm2, el peso de las vigas de hormigón liviano reforzadas es 74% a 84% del de las vigas de hormigón de peso normal reforzado. - Aunque el módulo de elasticidad del hormigón de agregado de peso liviano es más pequeño que el del hormigón de peso normal, un aumento en la resistencia del hormigón de agregado liviano es más efectivo incrementando la rigidez de la viga de hormigón liviano reforzada. Cuando la resistencia a la compresión del hormigón es alta (cerca de 600 kg/cm2), la rigidez de la viga.

(28) 15. reforzada de hormigón liviano puede llegar hasta 95% de la alcanzada por la viga de hormigón de peso normal con igual resistencia. - Aunque la viga reforzada de hormigón liviano tiene menor rigidez, su frecuencia natural sigue siendo más alta que la viga de hormigón de peso normal. Un aumento de la resistencia del hormigón y la razón de refuerzo puede aumentar la rigidez y la frecuencia natural de la viga, esto implica que el aumento de la resistencia del hormigón o una mayor cuantía de armadura reduce el período de las vibraciones naturales de vigas de hormigón liviano. - El uso de agregado liviano poroso en el hormigón liviano mejora la característica de amortiguamiento de la viga de hormigón liviano reforzado. Para resistencia del hormigón entre 200 y 600 kg/cm2, las razones de amortiguamiento de la viga reforzada de hormigón liviano se incrementaron en un 13% a 30%, en comparación con la viga de hormigón de peso normal.. Gray, McLaughlin and Antrim (1961) concluyeron que las propiedades de fatiga del hormigón liviano no son significativamente diferentes a las propiedades de fatiga del hormigón de peso normal. Este trabajo fue continuado por Ramakrishnan, Bremner y Malhotra (1992), quienes encontraron que, bajo condiciones húmedas, el límite de resistencia a la fatiga fue el mismo para hormigón liviano y hormigón de peso normal. Puesto que la capacidad a la tracción del hormigón liviano es menor que la del hormigón de peso normal (ACI 318-08), la resistencia total (tracción más compresión) del hormigón liviano es también menor. Esto es reconocido por el código ACI 318-08 al modificar el factor. ´ escalándolo por el factor λ, el cual toma el valor 0,75 para. hormigón que contiene tanto agregado fino liviano y grueso liviano, y 0,85 para hormigón de peso normal para combinaciones de arena natural fina y agregado grueso liviano..

(29) 16. Respecto a la longitud de anclaje para el refuerzo deformado en hormigón liviano en comparación con el hormigón de peso normal: cuanto menor sea la resistencia a la tracción, ACI 318-08 requiere que las longitudes de desarrollo para hormigón liviano sean incrementadas dividiendo por 0,75, resultando en un incremento de 33% en la longitud de desarrollo requerida por el hormigón de peso liviano con respecto al hormigón de peso normal. Pero para Meyer-Kahn (2004); Thatcher et al. (2002); Kolozs, Nassar (2002), hasta que se lleven a cabo pruebas adicionales, es recomendable que la ecuación para calcular la longitud de desarrollo sea modificada tan sólo por un factor de 1/0,85, resultando en un incremento del 18% en los requisitos del código. La mayor parte de las investigaciones se refieren a la resistencia de tracción, resistencia al corte, y longitud de desarrollo en el hormigón liviano estructural, que han servido de base para las disposiciones de diseño del ACI 318-08, donde se limita el hormigón liviano estructural a una resistencia de compresión no mayor que 410 kg/cm2. Si la resistencia es superior a los 410 kg/cm2, la determinación de las tensiones de diseño y los parámetros de la longitud de desarrollo deben basarse en un estudio experimental con pruebas específicas para los materiales del proyecto. En ensayos al corte de vigas de hormigón liviano, (Ramírez et al., 1999) se obtuvo en promedio el 82% de la capacidad de corte de vigas equivalentes de hormigón de peso normal. Por lo tanto, el factor de reducción de 0,85 utilizado por Ramírez según las normas vigentes a esa fecha no es adecuado para la reducción en la fuerza de cortante en vigas de hormigón de arena liviana. La tendencia observada es importante especialmente para los casos de vigas con cuantía mínima por corte, donde la contribución del hormigón es la fracción máxima del total de la resistencia de corte. El ACI 318-08 también define el espesor mínimo de losas armadas en una dirección, a menos que las deflexiones sean calculadas. Se requiere un incremento mínimo del 9% en el espesor para miembros de hormigón liviano sobre los miembros de.

(30) 17. hormigón de peso normal para que los miembros de hormigón liviano no se deflecten más que los de hormigón de peso normal bajo las mismas cargas superpuestas. En el caso de hormigón liviano para elementos pretensados, uno de los principales usos que se le da es para el diseño y construcción de puentes gracias a las ventajas que permite el hormigón liviano, tales como el incremento en ancho y/o número de carriles de circulación, el incremento en la capacidad de carga, el balance en la construcción de voladizos, la reducción en las fuerzas inerciales sísmicas, el incremento en el recubrimiento de losas manteniendo el peso, la mejoría en la geometría de las losas, haciéndolas más gruesas y mayores luces ahorrando costos. Un estudio (Dymond, Roberts-Wollmann, Cousins, 2009) demuestra que las normas AASHTO son conservadoras respecto a los resultados experimentales. En este caso se midió la capacidad de cortante y flexión-cortante en el alma y las alas de una viga típica AASHTO, mediante una viga a escala real de puente y su correspondiente losa, bajo dos condiciones de carga distintas simulando el camión de diseño de AASHTO mediante un gato hidráulico, concluyendo que las normas son conservadores en cuanto a capacidad de corte. El hormigón liviano pretensado aparece por lo menos tan bueno como el hormigón pretensado de peso normal e incluso puede ser mejor debido a su menor módulo de elasticidad en cuanto a su comportamiento dinámico, ante impacto, vibración y resistencia sísmica..

(31) 18. III.. NORMATIVA VIGENTE PARA HORMIGONES LIVIANOS. En ningún tipo de documento revisado se trata de manera exclusiva al hormigón liviano estructural o de alto desempeño. Sólo el documento ACI 213 Guide for Structural Lightweight Aggregate Concrete, incluye un capítulo dedicado al diseño de elementos con hormigón liviano, sin profundizar en métodos o fórmulas de diseño, siendo más bien una guía o complemento del código de diseño ACI 318 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary. Además se menciona el Eurocode que a pesar de que no se utiliza en Chile para diseño, se realiza un análisis de la normativa referente a hormigones livianos, ya que sí considera una norma específica para la utilización de este material. 3.1. Normas y Reglamentos ASTM (American Society for Testing and Materials) Se revisaron las normas correspondientes a ensayos y recomendaciones en. hormigón y hormigón liviano. Ninguno de los ensayos descritos en normas ASTM hace mención a elementos a escala natural fabricados en hormigón liviano, aunque sí se considera el ensayo en este material en probetas cilíndricas o prismáticas, extraídas o fabricadas para este tipo de ensayos. Las normas ASTM analizadas no tienen correspondencia directa con ensayos realizados en elementos estructurales de Hormigón Liviano de Alto Desempeño, sino más bien con el diseño de mezcla, por lo cual no serán consideradas en este proyecto. Aún así han sido incluidos resúmenes de las normas que aplican más directamente a esta investigación en el Anexo A.1 para su revisión..

(32) 19. 3.2. Normas Chilenas Las normas chilenas no hacen mención específica al diseño de elementos. estructurales de hormigón liviano. Se refieren al mismo solamente en cuanto al cuidado del diseño de la mezcla, pero da la impresión de que es dirigido a la utilización de este tipo de hormigón en elementos ornamentales y/o no estructurales. La principal dificultad de estas normas es su antigüedad, ya que fueron escritas y analizadas en épocas donde apenas se estarían realizando pruebas a materiales como el hormigón liviano, en Chile no se utilizaba aún como elemento estructural. Se presenta en el Anexo A.2 un resumen de los aspectos más relevantes de estas normas. Se consideran requisitos para el hormigón tradicional con el fin de establecer parámetros a normalizar y bases de comparación. 3.3. Norma ACI 318 - 08 Código de Requerimientos para la Construcción de. Elementos de Hormigón Estructural (Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary) Esta es la norma internacional que actualmente se utiliza para el diseño estructural en complemento con las normas chilenas (NCh), pero a diferencia de ellas, habla explícitamente del hormigón liviano estructural y del hormigón liviano de alto desempeño. A partir de esta norma, se recomienda considerar las bases comparativas para parametrizar los resultados obtenidos por la muestra propuesta en este proyecto. Lo primero que indica es que si se está utilizando un diseño de mezcla que produzca una reducción en el peso del elemento a diseñar, se debe obtener la caracterización de la mezcla para utilizar esos datos, de no ser así, se deben utilizar las mismas especificaciones que el hormigón de mezcla tradicional, afectando algunos datos por coeficientes nombrados en la norma y detallados a continuación..

(33) 20. 3.3.1 Sección 8.5 - Módulo de Elasticidad El módulo de elasticidad, Ec, para el hormigón puede calcularse como: = 4270. .. ´. (3.1). En kg/cm2, para valores de wc comprendidos entre 1440 y 2560 kg/m3. Para el hormigón con densidad normal, Ec puede tomarse como 16000. ´ .. 3.3.2 Sección 8.6 – Hormigón Liviano Es un apartado exclusivo, en el que junto a su comentario, trata directamente el hormigón liviano. Algunos de los aspectos destacables son: La resistencia a tracción del hormigón a los 28 días, puede obtenerse mediante la expresión: ´. (3.2). Para todas las ecuaciones y secciones aplicables al ACI 318-08, el valor de λ es 0,85 para hormigón liviano de arena de peso normal y 0,75 para los otros hormigones de peso liviano. Este valor se puede interpolar en base a las fracciones volumétricas. Este valor se basa en la suposición que la resistencia a tracción del hormigón de peso liviano es una fracción fija de la resistencia a la tracción del hormigón de peso normal. También es permitido interpolar entre 0,85 y 1,0 para el hormigón que contiene agregado fino de peso normal y una combinación de agregados gruesos de peso normal y peso liviano. Si se especifica la resistencia promedio a la tracción por hendimiento del hormigón liviano, entonces λ toma un valor igual a:.

(34) 21. =. .. ´. ≤ 1,0. (3.3). Esta fórmula se basa en los ensayos de laboratorio realizados para determinar la relación entre la resistencia promedio a la tracción por hendimiento (fct) y la resistencia especificada a la compresión (f´c) para el hormigón de peso liviano que se esté utilizando. El factor λ refleja la resistencia a tracción más baja del hormigón de peso liviano, lo cual puede reducir la resistencia a cortante, las propiedades de fricción, la resistencia al hendimiento, la adherencia entre el hormigón y el refuerzo; y aumentar las longitudes de desarrollo, en comparación con el hormigón de peso normal de igual resistencia a compresión. Dichos valores de λ han sido obtenidos de los ensayos de hormigones con diversos tipos de agregado estructural de peso liviano. 3.3.3 Sección 11.6.4 - Diseño del cortante por fricción Específicamente en la sección 11.6.4.3, donde se define el coeficiente de fricción para los distintos casos de ubicación del hormigón (µ) debe ser afectado por un valor λ= 0,75 para hormigón liviano en todos sus componentes. Para casos en que la dosificación incluya combinación de agregados de peso normal y liviano, se debe interpolar como se indica en la sección 8.6.1, pero el mismo no debe exceder el valor de 0,85. 3.3.4 Sección 12.2.4 - Longitud de desarrollo en barras corrugadas a tracción Las fórmulas para determinar la longitud de desarrollo incluyen al factor λ, el cual es igual a 1,0, para hormigón de peso normal y no superior a 0,75 si se utiliza hormigón liviano, a menos que se especifique fct (tracción por hendimiento). El factor λ para hormigón liviano se hizo igual para todos los tipos de agregados en el reglamento de 1989. Investigaciones en barras ancladas con ganchos no.

(35) 22. confirmaron las variaciones especificadas en las ediciones previas para hormigón liviano en todos sus componentes y para hormigón liviano con arena de peso normal, y se seleccionó un valor único de 1,3 (usado en ese tiempo como un multiplicador en el numerador de las ecuaciones de longitud de desarrollo). En el reglamento 2008 se adoptó una definición unificada de λ. El término λ ha sido trasladado del numerador al denominador en las ecuaciones de longitud de desarrollo (1/0,75=1,33). De todas maneras se puede usar un valor más alto cuando se especifique la resistencia a tracción por hendimiento del hormigón liviano. 3.3.5 Sección 12.5.2 - Longitud de desarrollo en gachos estándar en tracción Para barras corrugadas la longitud de desarrollo del gancho debe ser: ld =. , ´. (3.4). Donde Ψe y λ son iguales a 0,75 para hormigón con agregados livianos. Para otros casos Ψe y λ deben considerarse iguales a 1,0. 3.3.6 Capítulo 18.13.4 - Resistencia de materiales en Hormigón Pretensado Denota que se debe considerar el factor λ al utilizar materiales livianos para producir hormigón, reflejando su baja resistencia a la tracción, lo que es un factor indirecto para limitar los esfuerzos de compresión, así como la amplia dispersión y fragilidad exhibida en las zonas de anclaje en ensayos con algunos hormigones livianos. 3.3.7 Sección 18.14.2 - Diseño de la zona general de refuerzo en losas La norma ACI 318-08 recomienda que para el anclaje de torones en losas de hormigón pretensado, el refuerzo debe ser ajustado en forma conservadora para tomar en cuenta la mayor fuerza de anclaje y la menor resistencia a tracción por hendimiento del hormigón liviano..

(36) 23. 3.3.8 Sección 21.1.4.3 - Hormigón en pórticos especiales que resistan momento y muros especiales El capítulo 21 del ACI 318-08 está dedicado al diseño y utilización de la norma en zonas en que las estructuras se deban diseñar o revisar por sismo. Los requisitos de esta sección se refieren a la calidad del hormigón en pórticos y muros diseñados para resistir fuerzas inducidas por sismos. La máxima resistencia especificada a la compresión del hormigón liviano a emplear en cálculos de diseño estructural se limita a 350 kg/cm2, debido principalmente a la insuficiencia de datos de campo y experimentales acerca del comportamiento de elementos hechos con hormigón de agregado liviano, sometidos a desplazamientos alternantes en el rango no lineal. Si se desarrolla evidencia convincente para alguna aplicación específica, se puede incrementar el límite de resistencia máxima especificado a la compresión del hormigón liviano al nivel justificado por la evidencia. El factor de modificación λ para hormigón liviano en zonas sísmicas debe de concordar con los utilizados en el resto de la norma, a menos que se especifique de otro modo. 3.3.9 Sección 21.7.2.3 - Uniones en marcos de momento En este apartado se limita la relación de tamaño entre el diámetro de la barra y la dimensión de la columna, esto para evitar que las barras rectas se deslicen dentro de los nudos viga-columna debido a estar sometido a una secuencia de inversiones de momento de gran magnitud, fenómeno típico de los movimientos sísmicos. Este límite está dado como 1/20 para hormigón tradicional y aumentado un 30% para el hormigón liviano. Este aumento en la dimensión genera una unión viga-columna mayor que para el caso tradicional. Para las barras de las vigas que atraviesan los nudos de hormigón de peso liviano, el límite se basa en el factor de ampliación de 1,3 del capítulo 12, antes comentado..

(37) 24. Este límite, según ACI 318, proporcionaría un control razonable del deslizamiento potencial de las barras de la viga en el nudo viga-columna, considerando el número de incursiones inelásticas previstas en el marco durante un sismo fuerte. 3.3.10 Sección 21.7.4 - Resistencia al corte de un nudo de viga-columna Para hormigón con agregado liviano, la resistencia nominal al cortante del nudo no debe exceder de las tres cuartas partes de los límites para el hormigón de agregado normal, según se muestra en la Tabla 3.1.. Tabla 3.1: Modificación a fórmulas de resistencia en nudos. Para nudos confinados en las cuatro caras. 1,7 ∗ 3 4. = ,. 1,2 ∗ 3 4. Para nudos confinados en tres o en dos caras opuestas. 1,0 ∗ 3 4. Para otros casos. ´ ´ ´. = , = ,. ´ ´ ´. Fuente: ACI 318-08. 3.3.11 Sección 21.7.5 - Longitud de barras en tracción Para hormigón liviano, la longitud de desarrollo de las barras (ldh) para una barra con gancho estándar de 90° no debe ser menor que el mayor valor entre 10db, 190 mm y 1,25 veces la longitud requerida por la ecuación: =. ,. ´. (3.5). Este aumento es para compensar la variabilidad de las características de adherencia de barras de refuerzo en diversos tipos de hormigón liviano..

(38) 25. 3.3.12 Sección 22.5.6 – Hormigón Liviano El capítulo 22 del ACI 318-08 proporciona los requisitos mínimos para el diseño y construcción de elementos de hormigón simple estructural, es decir, los vaciados en sitio o prefabricados. Cuando se diseña por resistencia en hormigón liviano, para esta sección, el factor de modificación λ debe estar de acuerdo con la sección 8.6.1 del ACI 318- 08, a menos que se especifique de otro modo. 3.3.13 Sección D3.4 - Requisitos generales de anclaje en el hormigón En la sección de apéndices del ACI 318-08 se incluyen algunos métodos y consideraciones de diseño especiales. Este apéndice proporciona los requisitos de diseño para los anclajes en el hormigón, utilizados para transmitir las cargas estructurales por medio de tracción, cortante o combinación de ellos, ya sea entre elementos estructurales conectados o aditamentos y elementos estructurales relacionados con la seguridad. Los niveles de seguridad especificados están orientados a las condiciones durante la vida útil más que a otras situaciones durante la construcción o manejo de corta duración. Lo que se debe notar en este capítulo es que sus disposiciones no son aplicables al diseño de anclajes en las zonas de articulación plástica de estructuras de hormigón sometidas a fuerzas sísmicas, ya que en ACI 355.2 se establece específicamente que los procedimientos para ensayos sísmicos no simulan el comportamiento de los anclajes en las zonas de articulación plástica. El alto nivel de fisuración y descascaramiento posible en las zonas de articulaciones plásticas se encuentra más allá de los niveles de daño para los cuales es aplicable el Apéndice D..

(39) 26. La única aclaración que hace referencia al hormigón liviano es que se debe utilizar el factor de modificación λ especificado anteriormente, a menos que se indique específicamente de otra manera. 3.4. Eurocode El Eurocode estructural es un conjunto de normas europeas de carácter voluntario. para la ingeniería, redactadas por el Comité Europeo de Normalización que pretende unificar criterios y normativas en materia de diseño, cálculo y dimensionamiento de las estructuras y elementos para la construcción. Las directrices de los Eurocode se dividen en principios y reglas. Los principios comprenden afirmaciones generales para los que no existe elección alternativa y por tanto deben ser satisfechos por todo proyecto; también comprende requerimientos técnicos y modelos analíticos obligatorios. Por otro lado, las reglas de aplicación son recomendaciones o procedimientos que siguen los principios pero para los cuales pueden considerarse procedimientos alternativos, siempre y cuando satisfagan los principios al mismo nivel que las reglas recomendadas por el propio Eurocode. En cuanto a las bases de cálculo más propiamente dichas los Eurocode siguen el método de los estados límites. Los estados límite incluyen aspectos como la capacidad resistente, la funcionalidad y la durabilidad. Se dividen actualmente en 10 normas: . Eurocode 0: Bases de proyectos de estructuras. . Eurocode 1: Acciones sobre las estructuras, que amplía la normativa vigente de. acciones de la edificación, CTE DB-SE-AE. (la antigua NBE-AE-88 ha sido derogada) . Eurocode 2: Estructuras de hormigón, que amplía la EHE instrucción del. hormigón estructural..

(40) 27. . Eurocode 3: Estructuras de acero, que amplía el código técnico de la edificación. en su capítulo dedicado al acero CTE DB-SE-A, (la antigua NBE-EA-95 ha sido derogada). . Eurocode 4: Estructuras mixtas de acero y hormigón. . Eurocode 5: Estructuras de madera. . Eurocode 6: Estructuras de fábrica. . Eurocode 7: Proyecto geotécnico. . Eurocode 8: Estructuras sometidas a sismo, que amplía la NCSE-02, normativa. de construcciones sismorresistentes. . Eurocode 9: Estructuras de aluminio Interesan las normas de diseño en hormigón (2) y diseño para estructuras. sometidas a sismo (8): EN 1992: (Eurocode 2) Design of Concrete Structures, más específicamente el apartado 1.4 General Rules – Lightweight Aggregate Concrete with Closed Structure, dedicado exclusivamente al diseño estructural con hormigón liviano. EN 1998: (Eurocode 8) Design of Structures for Earthquake Resistance. Es la norma europea de diseño para zonas sísmicas, utiliza la filosofía de diseño de estados límites. En ella se hace referencia a la norma Eurocode 2 para la utilización de hormigón liviano estructural, por lo tanto no será analizada. Eurocode 2: Design of concrete structures. Presenta los detalles y recomendaciones de diseño a utilizar, mediante una estructura similar al ACI 318-08. Posee un anexo dedicado al diseño de elementos de hormigón liviano para estructuras cerradas. Dicho apartado manifiesta los coeficientes con los que se deben modificar las ecuaciones de diseño especificadas en la norma de diseño en hormigón..

(41) 28. El comité Europeo de Normalización utiliza fórmulas y coeficientes directos de aplicación en caso de utilizar hormigón liviano, estableciendo rangos de densidad y niveles de esfuerzos a los que se verá expuesta la estructura para calcularlos. Algunos de los coeficientes y recomendaciones de diseño son presentados a continuación. 3.4.1 Recubrimiento La protección del refuerzo de acero contra la corrosión depende de la presencia continua en un ambiente alcalino al que se vaya a ver expuesta la estructura, se debe proveer de un adecuado espesor de recubrimiento y una buena cura. Dicho espesor requerido depende de las condiciones de exposición y de la calidad del hormigón. 3.4.2 Esfuerzo de compresión Para diseño tomar lo valores de la tabla siguiente dependiente de la resistencia.. Tabla 3.2: Transcripción Tabla 3.106 del Eurocode Tabla 3.106 – Clases de Resistencia y Resistencia Característica de Compresión (flck) del Hormigón de Agregados Livianos. (Nmm2) LC LC LC LC LC LC LC LC LC Resistencia 12/15 16/20 20/25 25/30 30/37 35/45 40/50 45/55 50/60 12 16 20 25 30 35 40 45 50 flck (N/mm2) Fuente: Eurocode 2. Dicha clasificación coincide con la realizada para cilindros de hormigón sometidos a esfuerzos de compresión. Para hormigones de esfuerzo clase LC 12/15 o menos, y para hormigones de clases superiores a LC 50/60, no debe ser usada la tabla anterior mientras no sea apropiadamente justificado. Para hormigón pretensado, las clases menores a LC 30/37.

(42) 29. no se deben usar para pretensión y las mayores a 25/30 no deben ser usadas para postensión. Para cada clase de resistencia del hormigón se presentan tres clases de esfuerzos de tracción, mostrados en la norma de hormigón y modificados en la norma de hormigón liviano mediante el siguiente coeficiente: = 0,40 + 0,60. (3.6). Dichos valores se obtienen mediante las ecuaciones 3.2 a 3.4 de la norma de hormigón, las cuales son: = 0,3. (3.7). , .. = 0,7. (3.8). , .. = 1,3. (3.9). O por defecto utilizar los valores dados en la tabla 3.1 de la misma norma. El valor a utilizar depende del problema considerado.. Tabla 3.3: Transcripción Tabla 3.1 del Eurocode Tabla 3.1 – Clases de Resistencia del Hormigón, Resistencia Característica de Compresión (fck) (en cilindros), Valor medio de Resistencia a la Tracción (fctm)y Resistencia Característica de Tracción (fctk) en el Hormigón (en N/mm2) Clase de C C C C C C C C C Resistencia del 12/15 16/20 20/25 25/30 30/37 35/45 40/50 45/55 50/60 Hormigón 12 16 20 25 30 35 40 45 50 fck 1,6 1,9 2,2 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1 fctm 1,1 1,3 1,5 1,8 2,0 2,2 2,5 2,7 2,9 fctk 0.05 2,0 2,5 2,9 3,3 3,8 4,2 4,6 4,9 5,3 fctk 0.95 Fuente: Eurocode 2.