El hormigón armado es un material compuesto formado por hormigón y barras de acero que combinan propiedades mecánicas complementarias de estos materiales (buena resistencia a la compresión del hormigón y buena resistencia a la tracción del acero). Se utiliza como material de construcción , especialmente para la construcción y la ingeniería civil .
El hormigón es un material capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión (10 a 100 MPa) mientras que su resistencia a las fuerzas de tracción es muy baja (del orden de una décima parte de su resistencia a la compresión). Por tanto, para superar esta insuficiencia nació la idea de colocar, en zonas sometidas a esfuerzos de tracción, barras de acero (refuerzos) que, por su parte, son resistentes tanto a la compresión como a la tracción. El material resultante de la combinación de hormigón y acero se denomina "hormigón armado".
En una estructura de hormigón armado, los aceros principales se colocan en las partes tensionadas del hormigón para compensar la escasa resistencia del hormigón a la tracción. Para una losa de hormigón armado, por ejemplo, las armaduras principales se colocan en la parte inferior de los vanos y en la parte superior al nivel de los apoyos.
Las primeras estructuras de hormigón armado utilizaron barras lisas de acero dulce, posteriormente las barras fueron hechas de acero de alta adherencia (HA) con rugosidad y mejor resistencia.
Las primeras definiciones de los principios de cálculo se realizaron a raíz del trabajo de la comisión del cemento armado que culminó con la redacción de la circular de la20 de octubre de 1906sobre las instrucciones para el uso del hormigón armado. Una comisión prusiana define las primeras instrucciones sobre hormigón armado en16 de abril de 1904, modificado por el Ministro de Obras Públicas de Prusia mediante la circular de 24 de mayo de 1907.
Las principales fechas del reglamento para los ingenieros del hormigón en Francia son las siguientes:
Antes de que los métodos modernos de cálculo semiprobabilístico se convirtieran en la regla general, los cálculos estructurales se basaban en el principio determinista de los factores de seguridad. El coeficiente de seguridad se definió como la relación entre una tensión admisible sobre una tensión de diseño, las tensiones admisibles que vienen dadas por la naturaleza de los materiales y las tensiones de diseño deducidas de la resistencia de los materiales (RDM) .
Cuando los materiales están sometidos a combinaciones de fuerzas, este principio de cálculo basado en el coeficiente de seguridad ha mostrado sus límites y sus insuficiencias. Un ejemplo significativo es el de la chimenea sometida a su propio peso y al viento. Con un coeficiente de seguridad igual a 2, se puede creer que cada fuerza elemental que solicita la estructura se puede duplicar sin llegar a la ruina. Sin embargo, mostramos que este razonamiento es falso y que un aumento del viento del 10% puede provocar la rotura de la chimenea.
Ante la insuficiencia del principio determinista del coeficiente de seguridad, fue necesario definir la seguridad de las estructuras de manera diferente: las tensiones se dividieron en dos tipos que luego evolucionaron hacia la definición de estados límite.
Así, el principio de seguridad de las estructuras se basa hoy en conceptos de análisis probabilístico de fiabilidad y ya no en coeficientes de seguridad. Esta definición probabilística implica nociones de espectros de tensión y resistencia. Luego demostramos que matemáticamente, la seguridad absoluta (probabilidad cero de ruina o riesgo cero) no puede existir, los coeficientes de ponderación usados en los cálculos reducen las superposiciones de los espectros y por lo tanto la probabilidad de ruina, pero nunca la cancelan ...
Para que los hábitos de cálculo no se alteren por completo, ya pesar de conceptos subyacentes totalmente diferentes, el formalismo de los cálculos según el nuevo enfoque probabilístico de la seguridad se ha mantenido muy cercano al formalismo de los viejos métodos de cálculo deterministas; esto se denomina método de cálculo semiprobabilístico.
Aunque el concepto de seguridad se ha redefinido por completo, las reglas de cálculo modernas ( BAEL y Eurocódigo 2) todavía utilizan el término coeficiente de seguridad, debe entenderse como un coeficiente de ponderación y ya no como lo definen las antiguas reglas deterministas.
Los avances científicos en la comprensión del comportamiento de los materiales y los fenómenos físicos han llevado a la evolución de las reglas de cálculo.
Hasta la década de 1970, se utilizaba únicamente el modelo de comportamiento lineal de los materiales (tensiones proporcionales a las deformaciones: ley de Hooke ), incluso para las tensiones del segundo tipo donde se utilizaba un límite elástico convencional.
Con la evolución del concepto de seguridad y el progreso científico, los modelos computacionales se han acercado al comportamiento real y no lineal de los materiales. Las reglas para el cálculo del hormigón armado en estados límite de 1980 (BAEL80) fueron las primeras en integrar completamente el modelo de comportamiento no lineal de los materiales. Estas reglas luego evolucionaron a BAEL83, BAEL91 y BAEL91 revisado 99.
El Eurocódigo 2, que reemplaza las reglas de BAEL desde 2010, está en línea con las reglas de cálculo modernas que integran nociones probabilísticas de seguridad y comportamiento no lineal de los materiales.
Este es el modo de tensión “todos los días”, la estructura no debe sufrir deformaciones irreversibles. Los materiales se utilizan en su campo de comportamiento elástico. Naturalmente, es el "modelo elástico lineal" el que se utiliza para los cálculos con el SLS.
En general, para obras comunes de edificación, los elementos no están calculados para resistencia a SLS, se calculan principalmente para ambientes agresivos o cuando las condiciones de fisuración o deformación perjudican la durabilidad de la estructura dimensionada. Sin embargo, es aconsejable comprobar la deformación de la estructura en el SLS para asegurarse de que no se superen los límites permitidos.
Estado límite último, ULSEn este modo de tensión, la estructura está al borde de la ruina, debe soportar las cargas, pero sufre deformaciones irreversibles y sale dañada. Para este estado, de nada sirve permanecer en el campo del comportamiento elástico de los materiales, entonces se utilizan “modelos de plasticidad no lineal” que se acercan al comportamiento real de los materiales. También se utilizan los “modelos de cálculo de estabilidad de forma” que se relacionan con el pandeo y el pandeo de los elementos comprimidos (columna, puntal, velo o armazón) así como la descarga de elementos esbeltos doblados.
Para el hormigón, el diagrama tensión-deformación suele ser una curva de parábola rectangular, un rectángulo simplificado o un diagrama bilineal. Para determinadas estructuras excepcionales, también es posible utilizar leyes constitutivas más elaboradas que modelen mejor la reología real y compleja del hormigón.
Para el acero, el diagrama tensión-deformación suele ser un diagrama bilineal, una línea recta que tiene por pendiente el módulo de elasticidad, limitado por las zonas plásticas horizontales o curvas.
Los modelos de estabilidad de forma para el hormigón son más complejos que estos "principios de diseño" para el hormigón armado.
En general, para obras de construcción comunes, los elementos se calculan solo en ULS con leyes constitutivas simples.
El cálculo de una estructura de hormigón armado no se limita a dominar el cálculo del hormigón armado. Además de un buen dominio de la mecánica de los medios continuos y la resistencia de los materiales, esto también requiere una comprensión de los fenómenos físicos que generan las fuerzas sobre la estructura (hidrostática, mecánica del suelo, efectos del viento en las estructuras, fenómenos vibratorios, etc.). reología de materiales, límites de modelos de cálculo, etc.): este es el trabajo de un ingeniero de hormigón armado.
Los modelos simples de comportamiento lineal, originalmente utilizados para dimensionar el hormigón, han dado paso ahora a modelos reológicos mucho más complejos, pero más cercanos al comportamiento real de los materiales. Estos avances científicos y técnicos han permitido reducir las cantidades de material necesario para la construcción de estructuras y, por tanto, lograr ahorros sustanciales.
El cálculo del hormigón armado es demasiado complejo para explicarlo en unas pocas líneas de este artículo. El lector interesado en el dimensionamiento del hormigón armado puede consultar los trabajos especializados y las reglas de cálculo del hormigón armado. Los cursos citados en los enlaces externos constituyen una primera introducción al cálculo del hormigón armado.
En un refuerzo, existen varios tipos de refuerzo:
En general, los aceros se calculan e implementan solo en las partes donde el hormigón está en tensión. En ciertos casos en los que el hormigón está muy comprimido, por ejemplo, vigas muy dobladas o ciertos pilares cuya geometría está fijada por la arquitectura de la estructura, sucede que el hormigón por sí solo no es suficiente para resistir las fuerzas de compresión. A continuación, se utilizan aceros comprimidos para asumir parte de estos esfuerzos.
Las disposiciones que se indican a continuación se refieren únicamente a los aceros principales.
Las vigas están reforzadas con aceros principales longitudinales, destinados a absorber las fuerzas de tracción debidas a la flexión, y aceros transversales, marcos y pasadores (o estribos), destinados a absorber la fuerza de cizallamiento.
Los espacios entre pórticos varían según la fuerza de corte, apretados cuando la fuerza de corte es importante, en general cerca de los apoyos o en el lugar de aplicación de las fuerzas concentradas, y más espaciados cuando la fuerza de corte es baja, generalmente hacia la mitad de los vanos de las vigas.
Los pilares están reforzados con aceros longitudinales y pórticos transversales destinados a limitar el pandeo.
Los marcos transversales se espacian y aprietan regularmente en las zonas de superposición con los aceros esperando.
Las losas generalmente se refuerzan con dos a cuatro lechos (o "pliegues") de armadura cruzada, formada por barras individuales o mallas soldadas . Hablamos de “lecho inferior” (“capa inferior”) para las dos capas de acero cercanas al intradós de la losa (cara inferior) y de “lecho superior” (“capa superior”, “capa alta”) para cualquier capa. de acero cerca de la superficie superior de la losa (cara superior).
Es posible, en aras de la economía, prescindir del refuerzo superior en el tramo y mantener los aceros en la capa alta sólo al nivel de los soportes; luego se les llama "sombreros".
Los refuerzos transversales (verticales) son bastante raros, pero se pueden implementar en caso de cizallamiento localizado significativo (riesgo de perforación) o de reanudación del hormigonado como una prelosa (parte inferior de una losa prefabricada y utilizada como encofrado para la parte superior). parte).
Las velas son muros de hormigón, dependiendo del caso pueden ser "no reforzados" o "reforzados".
Una viga de pared o pared doblada es una viga alta cuya relación entre altura y longitud es mayor de 0,5 en la que se desarrolla un "efecto de bóveda".
Las vigas del muro están reforzadas, en la parte inferior, por un tirante que retoma la tracción generada por el efecto arco y por refuerzos horizontales y verticales que retoman los efectos del cizallamiento.
Se trata de estructuras destinadas a retener la tierra, están reforzadas con aceros longitudinales destinados a absorber las fuerzas de flexión.
El término cimentaciones incluye todos los elementos estructurales que transmiten las fuerzas de una estructura al suelo. Hay dos tipos de fundaciones:
Todas estas son estructuras de hormigón con superficies irregulares, como silos, tanques, techos.
Los proyectiles se pueden armar con una sola capa de refuerzos ubicada en el medio o bien con dos capas, una a cada lado.
Las reglas y estándares de cálculo que se citan a continuación no están disponibles gratuitamente en la web, pero son vendidos por sus respectivos editores.