Cemento armado
La técnica constructiva del concreto armado, hormigón armado u hormigón reforzado consiste en la combinación de dos materiales el hormigón y el acero de refuerzo. Estos materiales se combinan con el fin de conformar elementos estructurales como vigas, columnas, muros, fundaciones, losas entre otros. Garantizar la adherencia entre estos dos matriales permite a los dos materiales trabajar como uno solo. Para asegurar la adherencia, la mezcla de hormigón, también denominado concreto, recubre en su interior las barras o mallas de acero de refuerzo, denominadas armaduras. También se puede incluir dentro del hormigón fibras, tales como fibras plásticas, fibra de vidrio, fibras de acero o combinaciones de barras de acero con fibras dependiendo de los requerimientos a los que estará sometido. El hormigón armado se utiliza en edificios de todo tipo, caminos, puentes, presas, túneles y obras industriales. La utilización de fibras es muy común en la aplicación de hormigón proyectado o shotcrete, especialmente en túneles y obras civiles en general.
La invención del hormigón o concreto armado se suele atribuir a Joseph-Louis Lambot, que en 1848 produjo el primer barco de hormigón armado conocido y lo ensayó en el lago de Besse-sur-Issole. El prototipo original se conserva en el museo de Brignoles. Este barco fue patentado el 30 de enero de 1855 y presentado en la Exposición universal en París, ese año 1855. Lambot, también publicó el libro Les bétons agglomerés appliqués á l'art de construire (Aplicaciones del hormigón al arte de construir), en donde expone el sistema de construcción. François Coignet en 1861 ideó la aplicación en estructuras como techos, paredes, bóvedas y tubos. A su vez el francés Joseph Monier patentó varios métodos en la década de 1860. Muchas de estas patentes fueron obtenidas por G. A. Wayss en 1866 de las empresas Freytag und Heidschuch y Martenstein, fundando una empresa de concreto armado, en donde se realizaban pruebas para ver el comportamiento resistente del concreto, asistiendo el arquitecto prusiano Matthias Koenen a estas pruebas, efectuando cálculos que fueron publicados en un folleto llamado «El sistema Monier, armazones de hierro cubiertos de cemento», que fue complementado en 1894 por Edmond Coignet y De Tédesco, método publicado en Francia agregando el comportamiento de la elasticidad del concreto como factor en los ensayos.
Estos cálculos fueron confirmados por otros ensayos realizados por Eberhard G. Neumann en 1890. Bauschinger y Bach comprobaron las propiedades del material frente al fuego y su resistencia logrando ocasionar un gran auge en Alemania por la seguridad del producto. Fue François Hennebique quien ideó un sistema convincente de hormigón armado, patentado en 1892, que utilizó en la construcción de una fábrica de hilados en Tourcoing, Lille, en 1895.
En España, el hormigón armado penetra en Lérida de la mano del ingeniero militar Francesc Macià que diseñó el depósito de agua de Puigverd con la patente del francés Joseph Monier. Pero la expansión de la nueva técnica se producirá por el empuje comercial de François Hennebique por medio de su concesionario en San Sebastián Miguel Salaverría y del ingeniero José Eugenio Ribera, entonces destinado en Asturias, que en 1898 construirá los forjados de la cárcel de Oviedo, el tablero del puente de Ciaño y el depósito de aguas de Llanes.
El primer edificio de entidad construido con hormigón armado es la fábrica de harinas La Ceres en Bilbao, de 1899-1900 (aún hoy en pie y rehabilitada como viviendas) y el primer puente importante, con arcos de 35 metros de luz, el levantado sobre el Nervión-Ibaizabal en La Peña, para el paso del tranvía de Arratia entre Bilbao y Arrigorriaga (desaparecido en las riadas del año 1983). Ninguna de las dos obras fue dirigida por Ribera, quien pronto se independizó de la tutela del empresario francés, sino por los jóvenes ingenieros Ramón Grotta y Gabriel Rebollo de la oficina madrileña de François Hennebique.
Hennebique y sus contemporáneos basaban el diseño de sus patentes en resultados experimentales, mediante pruebas de carga; los primeros aportes teóricos los realizan prestigiosos investigadores alemanes, tales como Wilhem Ritter, quien desarrolla en 1899 la teoría del «Reticulado de Ritter-Mörsch». Los estudios teóricos fundamentales se gestarán en el siglo XX.
Existen varias características responsables del éxito del concreto armado:
Monier patentó varios métodos en la década de 1860. Muchas de estas patentes fueron obtenidas por G. A. Wayss en 1866 de las empresas Freytag und Heidschuch y Martenstein, fundando una empresa de concreto armado, en donde se realizaban pruebas para ver el comportamiento resistente del concreto, asistiendo el arquitecto prusiano Matthias Koenen a estas pruebas, efectuando cálculos que fueron publicados en un folleto llamado «El sistema Monier, armazones de hierro cubiertos de cemento», que fue complementado en 1894 por Edmond Coignet y De Tédesco, método publicado en Francia agregando el comportamiento de la elasticidad del concreto como factor en los ensayos.
El concreto u hormigón en masa es un material moldeable y con buenas propiedades mecánicas y de durabilidad y, aunque resiste tensiones y esfuerzos de compresión apreciables, tiene una resistencia a la tracción muy reducida. Para resistir adecuadamente esfuerzos de tracción es necesario combinar el concreto con un esqueleto de acero. Este esqueleto tiene la misión de resistir las tensiones de tracción que aparecen en la estructura, mientras que el concreto resistirá la compresión (siendo más barato que el acero y ofreciendo propiedades de durabilidad adecuadas). La adecuada selección de las características del tipo de concreto y el acero de refuerzo, además de las dimensiones y cantidades de los materiales permiten controlar el modo de falla de los elementos estructurales. Por ejemplo, una combinación adecuada de estas variables puede permitier la fluencia del acero y así conferir a las piezas mayor ductilidad, de tal forma que las mismas se deformen apreciablemente antes de la falla. Sin embargo, un elemento con demasiado acero de refuerzo estará gobernado por la resistencia del concreto, por lo que presentará un modo de fallo más frágil (y, por tanto, sin un aviso previo a la rotura ya que no se deformará); esa es la razón por la que muchas instrucciones exigen una cantidad máxima de acero en ciertas secciones críticas.
La adecuada selección de las características del tipo de concreto y el acero de refuerzo, además de las dimensiones y cantidades de los materiales permiten controlar el modo de falla de los elementos estructurales. Por ejemplo, una combinación adecuada de estas variables puede permitir la fluencia del acero y así conferir a las piezas mayorductilidad, de tal forma que las mismas se deformen apreciablemente antes de la falla. Sin embargo, un elemento con demasiado acero de refuerzo estará gobernado por la resistencia del concreto, por lo que presentará un modo de fallo más frágil (y, por tanto, sin un aviso previo a la rotura ya que no se deformará); esa es la razón por la que muchas instrucciones exigen una cantidad máxima de acero en ciertas secciones críticas.
En los elementos lineales alargados, como vigas y pilares se colocan barras longitudinales de acero, llamadas armado principal o longitudinal. Estas barras de acero se dimensionan de acuerdo a la magnitud del esfuerzo axial y los momentos flectores, mientras que el esfuerzo cortante y el momento torsor condicionan las características de la armadura transversal o secundaria.
La simple teoría de vigas de Euler-Bernoulli no es adecuada para el cálculo de vigas o pilares de concreto u hormigón armado. Los elementos resistentes de concreto armado presentan un mecanismo resistente más complejo debido a la concurrencia de dos materiales diferentes, concreto y acero, con módulos de Young muy diferentes y los momentos de inercia son variables de acuerdo al tamaño de las fisuras de los elementos. Las diferentes propiedades mecánicas de concreto y acero implican que en un elemento de concreto armado la tensión mecánica de las armaduras y el concreto en contacto con ellas sean diferentes; ese hecho hace que las ecuaciones de equilibrio que enlazan los esfuerzos internos inducidos por las fuerzas y tensiones en concreto y acero no sean tan simples como las de secciones homogéneas, usadas en la teoría de Euler-Bernouilli.
En la Instrucción Española del Hormigón Estructural las ecuaciones de equilibrio mecánico para el esfuerzo axil N y el momento flector M de una sección rectangular pueden escribirse de forma muy aproximada como:
Donde:
Si se usa el diagrama rectángulo normalizado para representar la relación de tensión-deformación del hormigón entonces las tensiones de la armadura de tracción y de compresión se pueden expresar en las funciones anteriores como:
Por otra parte los esfuerzos soportados por el bloque comprimido de hormigón vienen dados por:
El problema del dimensionado de secciones se refiere a dadas unas cargas y unas dimensiones geométricas de la sección determinar la cantidad de acero mínima para garantizar la adecuada resistencia del elemento. La minimización del coste generalmente implica considerar varias formas para la sección y el cálculo de las armaduras para cada una de esas secciones posibles, para calcular el coste orientativo de cada posible solución.
Una sección de una viga sometida a flexión simple, requiere obligatoriamente una armadura (conjunto de barras) de tracción colocada en la parte traccionada de la sección, y dependiendo del momento flector puede requerir también una armadura en la parte comprimida. El área de ambas armaduras de una sección rectangular puede calcularse aproximadamente mediante los siguientes juegos de fórmulas:
Donde:
Con las mismas notaciones, la armadura de tracción se calcula como:
El problema de comprobación consiste en dada una sección completamente definida por sus dimensiones geométricas y un cierto número de barras con una disposición bien definida, comprobar mediante cálculo si dicha sección será capaz de soportar los esfuerzos inducidos en ella por la acción de cargas conocidas.