Disertación sobre el futuro del Concreto Armado

Fattoum Kharchi ¹ Maurice Arnaud ²  Michel Lorrain ³

¹ USTHB, Departamento de Ingeniería Civil de Alger

² LMDC, Departamento de Ingeniería Civil, INSA UPS de Toulouse

³ LETHEM, Departamento de Ingeniería Civil, INSA de Toulouse

Resumen

El progreso realizado en la producción industrial del concreto y del acero de refuerzo no ha sido acompañado hasta ahora de una extensión del saber en cuanto al comportamiento del "concreto nuevo" reforzado con el "acero nuevo", el recurso de la extrapolación sin justificación no constituye una respuesta satisfactoria al dominio del compuesto en evolución en el sentido del "alto rendimiento".

Actualmente el dimensionado de vigas y de losas se apoya prácticamente sobre un mismo concepto que consiste en resolver un problema de optimización por tensiones:

La solución óptima es considerada sobre bases amplias, asociando «calidad y cantidad» de los dos materiales para obtener una respuestas satisfactoria a la pregunta ¿«qué tipo de acero para qué tipo de concreto»?, que puede ser considerada desde ahora como una pregunta esencial.

El presente trabajo ofrece, a título de ejemplo, por los sesgos de dos grupos de curvas relativas a vigas y a losas, las indicaciones objetivas sobre la optimización del dimensionado. Dos preguntas importantes fueron puestas en evidencia. La primera consiste en la armonía del refuerzo y del concreto a elegir dentro de una gama de materiales altamente calificados; la segunda consiste en la búsqueda del valor más adecuado entre la cantidad y la calidad introducido por el concepto del alto rendimiento.

ABOUT THE FUTURE OF REINFORCED CONCRETE

ABSTRACT

Recent progress of industrial production of concrete and reinforcement steel have not been yet followed with the corresponding improvement of knowledge about the mechanical behaviour of the "new concrete" reinforced with "new bars", extrapolating without any justification leading to no acceptable answer as far as is concerned the control of the composite modified in the way of "high performance".

Beams and slabs are actually determined when solving the same sort of optimisation problem under restricting conditions, summarised as follows:

The optimal solution is to be found on wide bases, coupling «quantity and quality» of both basic materials of the composite so as to get a satisfactory answer to the question «which steel for which concrete ?» which must be considered as the true and essential question.

In this paper some examples are given, through two groups of curves concerning beams and slabs, of unbiased indications about how to achieve an optimal design. Two strong questions have been put in evidence. The first one deals with harmonising steel reinforcement and concrete to be selected in a wide scale of materials with extensive performances; the second concerns the research of the more appropriate value to give to the ratio quantity/quality introduced with the concept of high performance itself.

 

1. INTRODUCCIÓN

El conocimiento actual del concreto armado adquirido por la acumulación de 150 años de experiencia de emprendedores osados y de los trabajos de investigadores meticulosos, abarca la totalidad del medio científico y técnico, del material a la obra, lo que se entiende como un buen dominio del cambio en la escala de lo microscópico a lo macroscópico. También se puede decir que el cambio de linear a no linear fue realizado: el cálculo elasto-plástico así como los teoremas del análisis límite tiene su lugar dentro de los reglamentos de cálculo en vigor. En ese contexto, aportar una contribución original, útil y significativa a un material tan desarrollado parecería un proyecto en vano.

Sin embargo debemos constatar que existe un cúmulo de resultados y de información sobre el concreto armado usual, tales como los desarrollados por los diseñadores del inicio del siglo XX, los progresos realizados en la producción industrial del concreto y del acero de refuerzo no fueron acompañados hasta hoy de una extensión correspondiente al saber en cuanto al comportamiento del "concreto nuevo" reforzado con el "acero nuevo". Ahora bien el recurso de la extrapolación sin justificación no constituye una respuesta satisfactoria al dominio del compuesto en el sentido del "alto rendimiento". Este término, en sí mismo, reúne un conjunto de propiedades y de cualidades en constante extensión, en la medida de la expectativa y de los medios de investigación. Resultará satisfactorio mencionar lo que ha sido la primera calidad mejorada: la resistencia mecánica.

Existe la necesidad de investigar para comenzar a constituir, considerando el concreto armado de alto rendimiento, el mismo patrimonio del saber y del hacer del acumulado desde hace 150 años para el concreto armado, que calificamos desde ahora "ordinario", sin darle a este término ninguna connotación despectiva.

Los trabajos sobre la adherencia concreto AR- acero AR, la capacidad de fijación, las consecuencias del nuevo rendimiento sobre el desarrollo de las fisuras fueron evidentemente las primeras investigaciones propuestas [1] [2] [3]. El comportamiento mecánico de las vigas y de las losas fueron examinados seguidamente gracias a ensayos apropiados. [4] [5] [6] [7] [8] [9]. Esta investigación se habrá enfocado en el aspecto conceptual del material, luego su aplicación en los principales elementos de las estructuras tendrá como objetivo implícito la formulación de recomendaciones para el uso de diseñadores y constructores, para que ellos tengan los medios para ejercer su arte satisfactoriamente y dentro de los lineamientos de las reglas del mismo nombre.

2. ENFOQUE TEÓRICO DEL DIMENSIONADO

Actualmente el cálculo práctico de las vigas y de las losas se apoya prácticamente sobre el mismo concepto. Por comodidad y a título de ejemplo sólo se razonará sobre las vigas. La búsqueda de las dimensiones a ser atribuidas al encofrado y al acero de refuerzo de una sección recta de viga solicitada en flexión, consiste en resolver el problema planteado a continuación con la ayuda de las ecuaciones formuladas con la notación vigente de las reglas BAEL 91:

Función actuante < Función resistente

Min [A_s + A_sc ]

Esta condición puede ser escrita de una manera más detallada, algebraicamente y a equilibrio límite, como sigue:

(1)

Conviene observar que la distribución de las tensiones que interviene en los segundos miembros de las dos ecuaciones mostradas están condicionados por las condiciones de los estados límites a considerar. Es necesario añadir a estas ecuaciones en términos de tensiones las frecuentes limitaciones de deformación de los elementos de una estructura, señalado bajo la forma de un desplazamiento limitado por un valor reglamentario – sistema (2). El sistema (1) apunta, conocido el encofrado, a determinar la cantidad de refuerzo. La segunda condición, (2), señalada en desplazamiento, atañe esencialmente al encofrado y en una pequeña medida al refuerzo.

Un uso, usualmente efectuado del sistema (1), conduce al estado límite reglamentado de la resistencia del material, para utilizar el refuerzo al máximo de su capacidad, es decir,

Como resultado se obtiene que las fuerzas normales parciales Asσs y Ascσc condicionan directamente las cantidades As y Asc de refuerzo.

Dado el encofrado, una vez repartidas las solicitaciones de cada componente, acero y concreto, de la sección, la ecuación del tipo:

conduce a una perspectiva atrayente de reducción en la cantidad de refuerzo proporcionalmente al aumento del límite de elasticidad del acero que la constituye.

Este razonamiento y la conclusión ventajosa a la cual esto conduce no pueden ser generalizados:

• ya que la optimización de una sección recta no puede ser considerada sin buscar la mejor distribución de los esfuerzos entre el acero y el concreto, lo que excluye establecer Ns a priori,

• ya que σs será algunas veces limitado y por consecuencia reducido en relación a su valor máximo por condiciones como la de controlar la fisuración,

• ya que el cálculo basado en esfuerzos para un encofrado dado deja al margen la pregunta de la rigidez del elemento de la estructura mucha veces determinante en condiciones del servicio,

• ya que el desempeño de una estructura, localmente y en su conjunto, no debe ser de tipo frágil en una situación de catástrofe,

• ya que al final, todas las teorías se contradicen en una exigencia realmente específica de la disciplina que desembocaría en una realización donde las sugestiones serian innumerables y variadas, las cuales no serán mencionados más aquí.

La búsqueda de lo óptimo será entonces considerada sobre bases más amplias, asociando «la calidad y la cantidad» de los dos materiales para obtener una respuesta satisfactoria desde todos los puntos de vista, en tensiones, en desplazamientos, en deformaciones y en comportamiento. Las posibilidades actuales de la computación permiten considerar que este problema de optimización puede ser tratado con las técnicas de búsqueda operacional. Sin esperar los resultados, serán utilizados modelos numéricos de las vigas y de las losas para explorar, en algunos casos particulares, el campo del dimensionado en flexión y examinar la naturaleza de la respuesta a la pregunta que se plantea a continuación: ¿qué tipo de acero para qué tipo de concreto?.

3. ALGUNOS RESULTADOS DE SIMULACIONES NUMÉRICAS

Para apreciar la influencia de las características mecánicas del acero y del concreto sobre el comportamiento de elementos de estructuras de concreto armado, podemos variar, hasta la saciedad, los parámetros relativos a la cantidad y la calidad de los materiales que lo constituyen, gracias a simulaciones numéricas justificadas. Han sido seleccionados algunos resultados relativos a vigas y a losas los cuales serán presentados a continuación a título de ejemplo.

3.1 El caso de las vigas

Las figuras 1, 2, 3,  representan las variaciones de las flechas centrales contra cargas aplicadas sobre vigas solicitadas en flexión pura, mostrando los efectos separados o combinados de las propiedades de los materiales constituyentes, para dimensiones constantes o variables.

a) Valores constantes

Figura 1. Influencia de la resistencia mecánica del concreto

 

Figura 2. Influencia del límite de elástico del acero

 

Figura 3. Influencia de la naturaleza del concreto armado

 

Las figuras anteriores muestran que el compuesto resulta mejorado desde el momento que sus componentes también lo son: con razón el proyectista puede estar tentado a disminuir las cantidades cuando la calidad aumente.

b) Valores variables

Figura 4. Influencia de la cantidad y calidad del refuerzo

Las conclusiones a sacar son matizadas y deben en adelante ser tomadas en cuenta dentro de una reflexión más amplia considerando la pregunta planteada al principio pero reformulada de la siguiente manera: ¿cuál concreto y cuál acero para hacer qué?.

3.2 El caso de las losas

Una herramienta de simulación de los autores fue puesto como contribución para el estudio de una serie de losas imaginarias con un concreto de 100 MPa de resistencia con acero cuyos límites de elasticidad varían entre 550 y 1400 MPa. Las variaciones carga contra flecha obtenidas están consignadas en la figura 5.

Figura 5. Influencia del límite elástico del refuerzo ( fc 100 MPa )

Se puede observar que las curvas están estrictamente confundidas hasta el nivel de carga correspondiente a la deformación plástica del acero menos resistente. A primera vista todas las curvas se deducen las unas con las otras por una especie de homotecia que respeta la jerarquía de los límites de elasticidad. A segunda vista, un comportamiento inesperado se manifiesta: la curva envolvente está señalada por una inflexión muy nítida situada hacia la carga de 3500 hPa, valor que pudiera ser asociado a un acero cuyo límite de elasticidad sería 750 MPa aproximadamente. Con el fin de que este resultado sea directamente explotado en términos de la calidad del acero, se graficó sobre la figura 6 las variaciones de la carga de formación del mecanismo elasto-plástico de las losas en función del límite de elasticidad del acero asociado.

El fenómeno antes descrito se puede observar aquí con más nitidez. El máximo de rendimiento (zona de eficacia óptima del aumento de fe ) es obtenido de una gama de aceros cuyo límite de elasticidad se sitúa en un intervalo de 750 a 1200 MPa con variación casi linear. La figura 6 lo muestra claramente por la discontinuidad de primera especie la derivada de la función fe = g(p). Como fuera de estas indicaciones la relación comportamiento / costo no es óptima, la pregunta ¿«qué tipo de acero para qué tipo de concreto»? es pertinente y tiene una respuesta.

Figura 6. Variaciones de la carga de formación del mecanismo élasto-plástico de la losa en función del límite de elasticidad del acero asociado

4. CONCLUSIÓN

Se dieron por la vía de dos conjuntos de curvas relativas a vigas y a losas indicaciones objetivas sobre la optimización del dimensionado de estos dos tipos de elementos característicos de la ingeniería civil. Dos preguntas de fuerza fueron puestas en evidencia. La primera concierne a la armonización del refuerzo y del concreto a elegir dentro de una gama de materiales con comportamiento largamente entendidos; la segunda concierne a la búsqueda del valor más adecuado para la relación calidad / cantidad introducido por el concepto mismo del alto rendimiento. El futuro del concreto armado de alto rendimiento dependerá de las respuestas dadas a estas preguntas.

5. BIBLIOGRÁFIA

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