CAPITULO II. Características del Concreto de Alta Resistencia

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1 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia CAPITULO II. Caraterítia del Conreto de Alta Reitenia II.1 Conreto Normal El onreto e un material de la ontruión que etá heho báiamente de agua, agregado (grava y arena), emento y aire, gana reitenia depué de un ierto tiempo de reaión on el agua. Aunque atualmente e le puede agregar otro ingrediente dependiendo u dipoiión inal y el ator del tiempo, lo denominado aditivo. La prinipal araterítia etrutural del onreto e que reite muy bien lo euerzo de ompreión, pero no tiene buen omportamiento rente a otro tipo de euerzo (tenión, lexión, ortante, et.), por ete motivo e habitual uarlo aoiado al aero, reibiendo el nombre de onreto armado, teniendo en onjunto un omportamiento muy avorable ante la divera oliitaione a la que erá ometido en la prátia. La prinipale araterítia de un onreto normal on la iguiente: Reitenia a ompreión: de 100 a 400 kg/m 2 (10 a 40 MPa) para el onreto ordinario. Reitenia a lexión: proporionalmente baja, e del orden de un déimo de la reitenia a ompreión y, generalmente, poo igniiativa en el álulo global. II.2 Conreto de Alta Reitenia El ACI (Intituto Ameriano del Conreto) deribe que el onreto de alta reitenia, e aquel que tiene una reitenia a la ompreión, >=420 kg/m 2. Mientra la N.T.C. de Conreto del RCDF 2004, lo deine on una reitenia a la ompreión, >=400 kg/m 2. El uo del Conreto de Alta Reitenia tiene poo ma de 50 año, ue utilizado por primera vez en 1968 en la olumna ineriore del ediiio Lake Point Tower en Chiago, Illinoi, teniendo una reitenia de 520 kg/m 2. A partir de aquel momento e han ido empleando en orma oniderable, y por ello lo intituto que etudian el dieño y uo del onreto, han tenido que ormular y etudiar en u laboratorio ual e el omportamiento real de ete onreto; teniendo relaión direta on la proporione y alidad de ingrediente, y omo debe er u oloaión para proporionar el mejor deempeño y eguridad de lo elemento donde e oupe. Página 20

2 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia II.2.1 Requiito de lo materiale para lograr la alta reitenia Se requieren al meno la iguiente araterítia en lo materiale que omponen el onreto on ine de que tenga una alta reitenia a la ompreión: Cemento. Son reomendable lo tipo I y II, on ontenido igniiativo de iliato triálio (mayore que lo normale), módulo de inura alto y ompoiión químia uniorme. Grava. De alta reitenia meánia, etrutura geológia ana, bajo nivel de aborión, buena adherenia, de tamaño pequeño y denidad elevada. Arena. Bien graduada, on poo ontenido de material ino plátio y módulo de inura ontrolado (erano a 3.00). Agua. Requiere etar dentro de la norma etableida. Mezla. Relaione agua/emento baja (de 0.25 a 0.35), mezlado previo del emento y del agua on revolvedora de alta veloidad, empleo de agregado ementante, período de urado má largo y ontrolado, ompataión del onreto por preión y oninamiento de la mezla en do direione. Aditivo. E reomendable emplear alguno o una ombinaión de lo aditivo químio: uperluidiiante y retardante; y, de lo aditivo minerale, eniza volante, miroília o eoria de alto horno. Ceniza Volante. Son un ubproduto de lo horno que emplean arbón mineral omo ombutible para la generaión de energía, deben tener onormidad on la norma ASTM C 618. Eoria Molida de Alto Horno. Son produto no metálio produido en un alto horno, produto del hierro, e ua eoria bien molida de alto horno umpliendo on la norma ASTM C989. Humo de Sílie. E un material puzolanio de alta reatividad y e un ubproduto de la produión de metal ilíeo o erro-ilíeo., deben umplir on la norma ASTM C1240. II.2.2 Proedimiento de mezlado Cuando el parámetro má importante por obtener e alta reitenia a la ompreión, e onveniente emplear baja relaione agua/emento, uidando eenialmente la trabajabilidad del onreto y, en oneuenia, u revenimiento. En término generale, el proedimiento de mezlado requiere, entre otro atore, mezlado previo del emento y del agua on una revolvedora de alta veloidad, uo de aditivo, empleo de agregado ementante, periodo má largo de urado, de er poible on agua, ompataión del onreto por preión y oninamiento del onreto en do direione. Adiionalmente, para la produión de ete tipo de onreto on indipenable el empleo eletivo de materiale, un enoque dierente en lo Página 21

3 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia proedimiento de dieño y elaboraión de la mezla, atenión epeial en la ompataión y un ontrol de alidad má riguroo. Alguno invetigadore uan omo ténia para la produión de onreto de alta reitenia u ompoiión, una alta veloidad de mezlado y revibrado, y eventualmente la adiión de algún aditivo para inrementar la reitenia del onreto. II.3 Uo y Apliaión de lo Conreto de Alta Reitenia Divero etudio han demotrado que la eonomía que repreenta utilizar un onreto de alta reitenia, e puede ver repreentada diretamente en el tamaño de lo elemento etruturale, y en epeial la olumna para lo ediiio de gran altura, de mediana altura y lo de baja altura. Debido a que e reduen lo tamaño de lo elemento etruturale, produe un material má durable y reitente, y aparte, porque en el ometimiento a un análii dinámio, e ha podido demotrar que produe menor deplazamiento lateral, y on ello le da má reitenia a la rigidez lateral y al aortamiento axial del ediiio. Otro apeto importante del uo de Conreto de Alta Reitenia e que ademá pueden diminuir el uo de tamaño divero de imbra para la etrutura de oporte, debido a que e puede iniiar uando un onreto de alta reitenia en lo nivele ineriore y en lo nivele poteriore, úniamente e diminuye la reitenia, eto onlleva a mantener iguale la dimenione de lo elemento en todo el ediiio. El uo ada vez mayor del onreto de alta reitenia a tenido u ontra, debido a que muho de lo reglamento atuale no tienen ubierto todo ete ampo, y on ello e tiene el reultado de alarar y reormular la teoría obre el omportamiento detallado de lo elemento etruturale empleando onreto de alta reitenia. Hata la eha exiten divera invetigaione a eala naional e internaional para la obtenión de proedimiento de elaboraión de onreto de alta reitenia; inluo, omo e meniono anteriormente, en alguna parte e han ontruido ediiio uando onreto de ete tipo. Y por ello, lo intituto de onreto e han dado la tarea de invetigar lo iguiente punto: Caraterítia neearia en lo materiale que omponen el onreto para lograr alta reitenia a la ompreión. Aditivo reomendable para lograr alto omportamiento en el onreto. Reviión de lo proedimiento de mezlado y de doiiaión propueto en ada una de la reerenia analizada. Página 22

4 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia II.4 Comportamiento de Columna de Conreto de Alta Reitenia Cuando e piena etudiar el dieño de un ediiio utilizando ete material, e umamente importante tener en uenta que exiten ierta Norma y Reglamento orrepondiente egún el ao de etudio y proyeto. Una de la prinipale meta de eto Reglamento e que e apliquen y que la perona que tenga a bien el utilizarlo, tenga en uenta que u órmula on puramente empíria elaborada en un laboratorio y por lo ual, iempre habrá una direpania on un reultado inal y real. Ete heho ha tenido omo reultado el urgimiento de deonianza que lo requiito para el dieño y el detallado, de ierto elemento etruturale heho on onreto reorzado en Reglamento dierente, on prátiamente empírio y etán báiamente dearrollado a partir de lo reultado arrojado de prueba de enaye de epeímene que tienen reitenia de ompreión por debajo de lo 400 kg/m 2. Debido a ello e emprendió el etudio de lo ao, en lo que on reuenia etán ometido lo elemento etruturale olumna, para depué, poder haer la dierenia y enontrar i había ventaja o no en el uo de onreto de alta reitenia. Por tal motivo el ACI y ASCE empezaron a etudiar y a realizar enaye a partir de 1998 en EUA, de do tipo de ao, en lo uale e deeaba obervar el deempeño de olumna de onreto de alta reitenia. Deempeño de Columna de Conreto de Alta Reitenia Bajo Carga Axial Conéntria. Deempeño de Columna de Conreto de Alta Reitenia bajo la Aión Combinada de Carga Axial y Momento de Flexión. II.4.1 Deempeño de Columna de Conreto de Alta Reitenia Bajo Carga Axial Conéntria. En el ao del deempeño de Columna de Conreto de Alta Reitenia Bajo Carga Axial Conéntria, e enontró que la araterítia euerzo-deormaión de onreto de alta reitenia, reubrimiento de onreto, y de lo parámetro relaionado on el oninamiento del aero tienen una gran inluenia en la repueta de olumna de onreto ometida a eta prueba. La igura 3 muetra una repueta equemátia de la deormaión por arga axial bajo arga onéntria de olumna de onreto de alta reitenia on reuerzo tranveral. A medida que e inrementa la reitenia del onreto, la porión aendente de la urva e aera a una línea reta. Por lo general la Página 23

5 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia apaidad de arga axial que oporta la olumna viene dada por la euaión 1 que no proporiona el reglamento del ACI Po = 0.85 (Ag A) + Ay (e.1) Donde Po = Capaidad e Carga Axial pura de la olumna alulada de auerdo on la euaión de reitenia nominal del ACI = Reitenia a ompreión del onreto Ag = Área total de la eión tranveral de la olumna A = Área del aero longitudinal P ALTA CARGA AXIAL A B BAJA MEDIANA DESPLAZAMIENTO AXIAL Fig. 3.- Comportamiento equemátio de olumna de onreto de alta reitenia ometida a arga axiale onéntria axiale, on antidade baja, mediana y alta de reuerzo tranveral de auerdo al ACI La reitenia a luenia del aero de oninamiento tranveral determina el límite uperior de la preión de oninamiento. Una preión má alta de oninamiento apliada al onreto del núleo, a u vez, da omo reultado reitenia y dutilidad alta. El reuerzo longitudinal y tranveral bien ditribuido da omo reultado un área má grande de onreto eetivamente oninado y una ditribuión má uniorme de la preión de oninamiento, mejorando on ello la eetividad del reuerzo de oninamiento. En el ao de onreto de reitenia normal, e ha demotrado que el arreglo del reuerzo tranveral y el reuerzo longitudinal lateralmente oportado, tiene inluenia igniiativa en la reitenia y dutilidad de la olumna. Y utilizando onreto de alta reitenia e obtuvieron omo reultado reitenia y dutilidad alta, todo uando e hizo una ditribuión y aomodo adeuado del aero de reuerzo, on ello obtenemo omo reultado valioo el inremento de la luenia y dutilidad de la etrutura en general, que reulta muy poitivo para el dieño etrutural del proyeto. Página 24

6 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia II.4.2 Reultado obtenido del Deempeño de Columna de Conreto de Alta Reitenia bajo la Aión Combinada de Carga Axial y Momento Flexionante. En regione omo la Ciudad de Méxio, debe tomare muy en uenta para el dieño etrutural de lo ediiio alto, el riego de imo, debido a que uando ete e preenta tiende a ambiar la manera en que e ditribuyen la uerza debida a la aione produida por tal enómeno. La oneuenia que pueden tener la olumna de onreto de alta reitenia en uanto a ómo e van a omportar dentro de una región ímia, ha heho que lo etudio y enaye que e haen a lo ilindro ean bajo otra ondiione, a omparaión que i e enontraran en una zona de baja imiidad. Como reultado, del umulo de la invetigaione reportada, obre el deempeño de la olumna de onreto de alta reitenia, ha ido prinipalmente etudiar y omprender el omportamiento ímio de eta olumna. Alguno de eto etudio también han preentado dato que podrían er uado para evaluar la apaidad de lexión de la olumna ometida a la aión de arga ombinada. Sin embargo abe eñalar, que la inormaión reopilada y diponible para la olumna de onreto de alta reitenia ometida a arga ombinada, e muho menor que lo dato obtenido de enaye de olumna de onreto de alta reitenia bajo arga onéntria. No exite un auerdo univeral obre la apliabilidad de lo requiito del Reglamento ACI , para alular la reitenia a lexión de la eione de olumna de onreto de alta reitenia, ometida a la aión de arga axial y momento lexión. En la olumna que generalmente dieñamo, utilizamo la upoiión de que exite un bloque retangular de euerzo, el ual ue el reultado de prueba de olumna ometida a arga axial y momento lexión, de tal modo que allí e tuviera el eje neutro en una ara del epéimen de prueba. Fig. 4.- Vita General de un Epéimen de Prueba Página 25

7 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia II.5 Comparaión de Conreto de Alta Reitenia v. Otro Materiale La alternativa que e plantean habitualmente en el tipo de ediiio alto on la etrutura metália y la ontituida on Conreto de Alta Reitenia, repitiendo que ete último alanza una reitenia araterítia uperior a lo 400 kg/m 2. De eta última e pueden menionar la iguiente ventaja rente a la primera: 1) Mayor rigidez y, por tanto, mejor omportamiento ante aione horizontale. 2) Mayor amortiguamiento intríneo. 3) Menor oto del material. 4) En alguna oaione, ondiionante loale y de merado diiultan el aeo a elemento metálio en la antidad neearia; lo materiale ontitutivo del onreto prátiamente iempre etán aeible on la alidad mínima requerida. 5) Má áil onervaión, obre todo en etrutura expueta a la aión de lo agente medioambientale. 6) Mejor omportamiento ante la aión del uego. 7) Frente a eto argumento, la tipología metália puede egrimir, báiamente, una mayor rapidez de ejeuión. Otra alternativa, en realidad una variante de la del Conreto de Alta Reitenia, e la etrutura de onreto normal (aquél uya reitenia a la ompreión e igual o inerior a 400 kg/m 2 ). Sin embargo, y aunque en el proyeto y ejeuión de ediiio alto e etá empleando ete tipo de onreto, lo primero preentan rente a ello la iguiente ventaja: 1. La eione de la olumna (elemento dimenionado, báiamente, rente a euerzo de ompreión) on má reduida. 2. Su módulo de elatiidad e má elevado y, por tanto, tienen un menor aortamiento debido a euerzo axiale. 3. La deormaión de lo elemento etruturale horizontale (viga y entrepio), para un mimo peralte, e menor. 4. El peo propio global de la etrutura e inerior, pudiendo uponer ierta reduión de la imentaión. 5. El plazo de ejeuión de la obra e puede ver reduido al permitir menor tiempo de imbrado, tanto de elemento horizontale omo de muro y olumna. 6. Aumento de la vida útil de la etrutura del ediiio. El inremento de la reitenia araterítia del onreto lleva aoiada una mayor apaidad y, por tanto, una mayor reitenia ante el ataque de agente agreivo externo al mimo. Página 26

8 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia II.6 Graia de Interaión empleando omparativa de Conreto Reorzado v Conreto de Alta Reitenia Reorzado CARGA AXIAL (TON) MOMENTO (TON-M) =250kg/m2 =300kg/m2 =350kg/m2 =400kg/m2 =500kg/m2 =600kg/m2 =700kg/m2 =800kg/m2 =1000kg/m2 =1200kg/m2 Fig.5.- Graia de Interaión de una Columna retangular de 40 x 60 m y AS= 12 #6. Página 27

9 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia Para la elaboraión del diagrama anterior e ha utilizado el Reglamento de Contruión del DF, en u Norma Ténia Complementaria para Dieño y Contruión de Etrutura de Conreto. Con el ual e emplearon la ormula e hipótei para obtener lo punto neeario para elaborar la graia anterior. h e=m/p b P e VARIABLE d E S E "S E S C VARIABLE d ASS A S S A"S"S.85 a VARIABLE Fig. 6.- Hipótei de álulo para Diagrama de Iteraion de una Columna Equilibrio de Fuerza: P n = 0.85 ' ( ab A' ) + A' ' '' + A' ' A (e. 2) Página 28

10 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia Equilibrio de lo momento: M n = 0.85 ' ( ab A' h a ) + A' ' 2 2 h '' d' ' + A 2 h d 2 (e. 3) Compatibilidad de deormaión de aero a tenión: ε ε u =, utituyendo d ε = E y depejando : d = Eε u y (e. 4) Compatibilidad de deormaión de aero a ompreión: ε ' ε u =, utituyendo ε ' d' ' = E y depejando : ' d' = Eε u y (e. 5) ε '' ε u =, utituyendo d'' ε '' = '' E y depejando : '' d'' = Eε u y (e. 6) FALLA A TENSIÓN Uar un valor de "" menor a "b", = y, y alular "'" y "''" de auerdo a la euaione de ompatibilidad de aero a ompreión. Luego alular "P" y "M" de la euaione de equilibrio. FALLA A COMPRESIÓN Uar un valor de "" mayor a "b", alular "", "'" y "''" de euaione de ompatibilidad de deormaione. Luego alular "P" y "M" de la euaione de equilibrio. FALLA CON CARGA CONCÉNTRICA (e = 0, M=0) P = 0.85 * A + A (e. 7) o g y FACTORES DE RESISTENCIA SEGÚN EL TIPO DE FALLA FR=0.8 uando el elemento alle en tenión FR=0.7 uando el elemento alle en ompreión Utilizando ete método e poible haer la gráia de Interaión para ualquier tipo de olumna, úniamente hay que ir variando la proundidad de, para obtener lo dierente tipo de ombinaione de arga axial y momento. Página 29

11 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia II.7 Graia de q-momento para Viga de Conreto Reorzado y Conreto de Alta Reitenia Se hará una gráia poteriormente utilizando el riterio para Seione Retangulare in Aero de Compreión (e. 8) de la NTC para Dieño y Contruión de Etrutura de Conreto, la ual deine el álulo del momento reitente de la eión omo a ontinuaión e eribe. Donde M R 2 = F bd "q(1-0.5q) (e. 8) R p q = (e. 9) y " A p = (e. 10) bd FR e el ator de reitenia, para lexión e tomara igual a 0.9 b e el anho de la eión d e el peralte eetivo de la eión e el euerzo uniorma de ompreión = 0.85*=0.85 (0.8 ) y el bloque de ompreión e alula on la iguiente euaión A y a = (e. 11) " b C La proundidad del bloque de ompreión e alulara on la iguiente ondiión: β = Sí *<=280 kg/m2 (e. 12) * C β 1 = Sí *>280 kg/m 2 (e. 13) Aero mínimo de reuerzo para lexión Aero Balaneado de reuerzo para lexión 0.5 C AS, min = bd (e. 14) y 6000β " 1 A S, Max = y y bd (e. 15) Página 30

12 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia MOMENTO(TON-M) M) CUANTIA "P" =200kg/m2 =250kg/m2 =300kg/m2 =350kg/m2 =400kg/m2 =500kg/m2 =600kg/m2 =700kg/m2 =800kg/m2 =900kg/m2 =1000kg/m2 =1200kg/m2 Fig.7.- Graia Momento-Cuantía de Aero una eión implemente armada empleando la NTCD de Conreto del RCDF-04, donde e graió q y momento de la eión, variando la antidad de aero a tenión y manteniendo una eión tranveral de 30m x 60m de una viga Página 31

13 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia (kg/m²) * (kg/m²) β₁= (kg/m²) A bal (m2) p q Mr (Ton.m) AS min (m2) a (m) Tabla 1.- Memoria de Cálulo donde e ejempliia ual ue la manera en que e elaboró la gráia anterior y on el ual e oberva el omportamiento de una viga ante el inremento del Como una onluión de la gráia y de la iteraione que e realizaron para obtener la tabla anterior, podemo darno uenta que en una eión para viga heha on onreto de alta reitenia puede etar muy deaprovehada, debido a que el mimo onreto al tener una alta reitenia a la ompreión, provoa ambio negativo en la proundidad del bloque de ompreión, un aortamiento a la ditania a. Debido a ello, onoiendo el tema de dieño de viga, abemo que parte de la viga etará a tenión y que la otra a ompreión, y por la hipótei de dieño, e abe que el onreto no reite el euerzo a tenión, por lo ual el área que quede por arriba o abajo del bloque de ompreión, erá un área deperdiiada y que no ontribuirá omo era de eperare al emplear el onreto de alta reitenia. Por ete motivo e muy reuente que lo elemento etruturale que on dieñado on onreto de alta reitenia ean por lo general la olumna y no la viga, aunque eto no e neeario, i por razone de dieño e neeario utilizar ete onreto, también puede empleare, aunque también debemo abordar el tema de lo oto del onreto de alta reitenia, ontra la aportaión que dará a la etrutura. Página 32

14 Dieño Etrutural de Ediiio Alto Tipo Torre Empleando Conreto de Alta Reitenia II.8 Comparaión de lo Módulo de Elatiidad egún lo Reglamento ACI y el RCDF-2004 El módulo de Elatiidad egún el ACI e deine on la iguiente euaión y la ual e apliara para todo tipo de reitenia del onreto: E = (pi) E C C = (kg/m 2 ) (e. 16) El módulo de Elatiidad egún el RCDF-2004 en u NTCD de Etrutura de Conreto meniona do onideraione: una para onreto normal y otra para onreto de alta reitenia. Para onreto on <= 400 kg/m², el módulo de elatiidad E, e upondrá igual a 2 E C = (kg/m ) (e. 17) Para onreto de alta reitenia, > 400 kg/m², el módulo de elatiidad E, e upondrá igual a 2 E C = (kg/m ) (e. 18) E(kg/m²) RCDF ACI (kg/m²) Fig. 8.- Graia omparativa de lo módulo de elatiidad del onreto, variando el y apliando lo riterio de Auerdo a lo Reglamento ACI y el RCDF-2004 Como una onluión de lo anterior, podemo obervar que entre má alto ea la reitenia a ompreión del onreto ma alto erá el módulo de elatiidad y on ello podremo obtener ierta ventaja para lo álulo de la rigidez y on ello diminuir deormaione en la etrutura. Página 33