comportamiento estructural de losas macizas...
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FACULTAD DE INGENIERÍA
Carrera de Ingeniería Civil
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE LOSAS
MACIZAS DE CONCRETO REFORZADAS CON
VARILLAS DE BASALTO
Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil
ORAL KELVIN ASTO GARCIA
Asesor:
Dr. Ing. Miguel Augusto Díaz Figueroa
Lima - Perú
2020
-
II
La humildad es la base sólida de
todas las virtudes.
Confucio
-
III
1 Índice de Contenidos
Dedicatoria ...................................................................................................................... XVII
Agradecimiento .............................................................................................................. XVIII
Resumen ............................................................................................................................ XIX
Abstract .............................................................................................................................. XX
Introducción ........................................................................................................................... 1
Capítulo I: Planteamiento del Problema ................................................................................ 3
1.1 Situación Problemática ............................................................................................ 3
1.2 Formulación del Problema ....................................................................................... 5
1.2.1 Problema General. ............................................................................... 5
1.2.2 Problemas Específicos. ........................................................................ 5
1.3 Justificación de la Investigación .............................................................................. 5
1.3.1 Aporte Científico. ................................................................................ 5
1.3.2 Aporte Social. ...................................................................................... 6
1.3.3 Aporte Económico. .............................................................................. 6
1.4 Objetivos .................................................................................................................. 6
1.4.1 Objetivo General. ................................................................................. 6
1.4.2 Objetivos Específicos. ......................................................................... 6
Capítulo II: Marco Teórico .................................................................................................... 7
2.1 Antecedentes del Problema ..................................................................................... 7
2.1.1 Antecedentes Internacionales. ............................................................. 7
2.1.2 Antecedentes Nacionales. .................................................................. 11
2.2 Bases Teóricas ....................................................................................................... 11
-
IV
2.2.1 Comportamiento Estructural. ............................................................. 11
2.3 Marco Conceptual .................................................................................................. 15
2.3.1 Losas Macizas. ................................................................................... 15
2.3.2 Acero Corrugado. .............................................................................. 15
2.3.3 El Basalto. .......................................................................................... 16
Capítulo III: Hipótesis y Variables ...................................................................................... 21
3.1 Hipótesis ................................................................................................................ 21
3.1.1 Hipótesis General. .............................................................................. 21
3.1.2 Hipótesis Específicas. ........................................................................ 21
3.2 Identificación de las Variables .............................................................................. 21
3.3 Operacionalización de las Variables ...................................................................... 22
Capítulo IV: Metodología .................................................................................................... 24
4.1 Tipo y Diseño de Investigación ............................................................................. 24
4.1.1 Tipo de Investigación. ....................................................................... 24
4.1.2 Diseño de Investigación. .................................................................... 24
4.2 Población y Muestra .............................................................................................. 25
4.2.1 Población. .......................................................................................... 25
4.2.2 Muestra. ............................................................................................. 25
4.3 Técnicas e Instrumentos de Investigación ............................................................. 25
4.3.1 Técnicas. ............................................................................................ 25
4.3.2 Instrumentos. ..................................................................................... 25
4.4 Procedimiento de Recolección de Datos ............................................................... 26
-
V
Capítulo V: Análisis y Discusión de Resultados .................................................................. 26
5.1 Estudio del Comportamiento Mecánico del Basalto ............................................. 26
5.2 Disposición de Ensayo para Varillas de Basalto ................................................... 27
5.2.1 Curva Esfuerzo Deformación Experimental del Basalto. .................. 29
5.3 Análisis Comparativo del Acero Dulce y el Basalto ............................................. 35
5.4 Interpretación del Nivel de Daños en las Varillas del Basalto .............................. 36
5.5 Definición de los Casos de Estudio ....................................................................... 37
5.5.1 Losas Reforzadas con Varillas de Basalto. ........................................ 38
5.5.2 Losas Reforzadas con Varillas de Acero. .......................................... 39
5.6 Diseño de los Especímenes .................................................................................... 40
5.6.1 Diseño del Espécimen LA01. ............................................................ 42
5.6.2 Diseño de los Especímenes LA02 y LA03. ....................................... 46
5.6.3 Diseño del Espécimen LB01. ............................................................ 50
5.6.4 Diseño del Espécimen LB02. ............................................................ 53
5.6.5 Diseño del Espécimen LB03. ............................................................ 57
5.7 Ensayo de los Especímenes ................................................................................... 60
5.7.1 Esquema de Aplicación de Cargas. ................................................... 60
5.8 Curvas Cargas Deflexión Experimentales ............................................................. 63
5.8.1 Curva Carga Deflexión Espécimen LA01. ........................................ 63
5.8.2 Curva Carga Deflexión Espécimen LA02. ........................................ 64
5.8.3 Curva Carga Deflexión Espécimen LA03. ........................................ 65
5.8.4 Curva Carga Deflexión Espécimen LB01. ........................................ 66
-
VI
5.8.5 Curva Carga Deflexión Espécimen LB02. ........................................ 67
5.8.6 Curva Carga Deflexión Espécimen LB03. ........................................ 68
5.9 Interpretación del Nivel de Daños en los Ensayos de los Especímenes ................ 69
5.10 Evaluación de los Diagramas Momento Curvatura ........................................... 72
5.10.1 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LA01. ............................ 74
5.10.2 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LA02. ............................ 74
5.10.3 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LA03. ............................ 75
5.10.4 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LB01. ............................ 75
5.10.5 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LB02. ............................ 76
5.10.6 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LB03. ............................ 76
5.11 Comparación de Resultados Experimentales ..................................................... 77
5.11.1 Comparación de Especímenes LA01 y LB01. ................................... 77
5.11.2 Comparación de Especímenes LA02 y LB02. ................................... 80
5.11.3 Comparación de Especímenes LA03 y LB03. ................................... 83
5.12 Deflexiones Experimentales de los Especímenes .............................................. 85
Capítulo VI: Conclusiones y Recomendaciones .................................................................. 88
6.1 Conclusiones .......................................................................................................... 88
6.1.1 Conclusión General. .......................................................................... 88
6.1.2 Conclusiones Específicas. .................................................................. 88
6.2 Recomendaciones .................................................................................................. 90
Referencias ........................................................................................................................... 91
Anexos .................................................................................................................................. 94
-
VII
Anexo I – Matriz de Consistencia y Operacionalización de las Variables ...................... 95
Anexo II – Panel Fotográfico .......................................................................................... 98
Panel Fotográfico de la Fabricación de los Especímenes Diseñados.................. 99
Panel Fotográfico de los Ensayos de los Especímenes ..................................... 103
Panel Fotográfico del Equipo Técnico .............................................................. 105
-
VIII
Índice de Tablas
Tabla 1 Deflexiones máximas permisibles por el código ACI (ACI-Tabla 9.5.b.) ............. 14
Tabla 2 Dimensiones y pesos nominales Aceros ASTM A615 ........................................... 16
Tabla 3 Composición química del BCR ............................................................................. 18
Tabla 4 Comparación de varillas de acero (Steel Rebar) con barras de refuerzo compuestas
de basalto (BCR) ................................................................................................... 19
Tabla 5 Esfuerzo, deformación unitaria y módulo de elasticidad de las varillas de basalto
ensayadas .............................................................................................................. 20
Tabla 6 Definición conceptual de las variables ................................................................. 22
Tabla 7 Operacionalización de la variable "Varillas de Basalto"..................................... 23
Tabla 8 Operacionalización de la variable "Varillas de Acero" ....................................... 23
Tabla 9 Operacionalización de la variable "Comportamiento Estructural" ..................... 23
Tabla 10 Resultados del ensayo de resistencia a la tracción axial de las varillas de basalto
............................................................................................................................... 33
Tabla 11 Esfuerzo, deformaciones últimas y módulo de elasticidad de las varillas de basalto
ensayadas .............................................................................................................. 34
Tabla 12 Características de los especímenes reforzados con basalto ............................... 39
Tabla 13 Cuantías geométricas y mecánicas de los especímenes estudiados de basalto .. 39
Tabla 14 Características de los especímenes reforzados con acero .................................. 40
Tabla 15 Resumen de las cantidades de acero requeridas – espécimen LA01 .................. 46
Tabla 16 Resumen de las cantidades de acero requeridas – espécimen LA02 y LA03 ...... 49
Tabla 17 Resumen de las cantidades de basalto requeridas – espécimen LB01 ............... 53
Tabla 18 Resumen de las cantidades de basalto requeridas – espécimen LB02 ............... 56
Tabla 19 Resumen de las cantidades de basalto requeridas – espécimen LB03 ............... 60
Tabla 20 Características mecánicas del espécimen LA01 y LB01 ..................................... 79
-
IX
Tabla 21 Características mecánicas del espécimen LA02 y LB02 ..................................... 81
Tabla 22 Características mecánicas del espécimen LA03 y LB03 ..................................... 84
Tabla 23 Matriz de consistencia ......................................................................................... 96
Tabla 24 Matriz de operacionalización ............................................................................. 97
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X
Índice de Figuras
Figura 1. Curva de un elemento. Adaptado de “Apuntes del Curso Concreto Armado”. . 12
Figura 2. Comparación de las curvas esfuerzo deformación del FRP y el Acero. Adaptado
de “FRP Reinforcement for Structures” ............................................................... 19
Figura 3. Esfuerzo deformación, otros autores. ................................................................. 20
Figura 4. Ensayo de las varillas de basalto en una máquina de ensayo de tracción del
CISMID-FIC-UNI. ................................................................................................ 28
Figura 5. Estado previo al ensayo y después del ensayo, CISMID-FIC-UNI. .................. 28
Figura 6. Estado de la varilla de basalto después del ensayo de resistencia a la tracción.. 29
Figura 7. Curva fuerza desplazamiento obtenida de la varilla de basalto de 12 mm de
diámetro. ............................................................................................................... 30
Figura 8. Curva esfuerzo deformación obtenida de la varilla de basalto de 12 mm de
diámetro. ............................................................................................................... 30
Figura 9. Curva fuerza desplazamiento obtenida de la varilla de basalto de 14 mm de
diámetro. ............................................................................................................... 31
Figura 10. Curva esfuerzo deformación obtenida de la varilla de basalto de 14 mm de
diámetro. ............................................................................................................... 31
Figura 11. Curva fuerza desplazamiento obtenida de la segunda varilla de basalto de 14 mm
de diámetro. ........................................................................................................... 32
Figura 12. Curva esfuerzo deformación obtenida de la segunda varilla de basalto de 14 mm
de diámetro. ........................................................................................................... 32
Figura 13. Comparación de las curvas esfuerzo deformación del acero y el basalto......... 35
Figura 14. Deslizamiento en el ensayo de 12mm de varilla de basalto. ............................ 36
Figura 15. Deslizamiento en el ensayo de 14mm de varilla de basalto. ............................ 36
Figura 16. Deslizamiento en el ensayo de 14mm de varilla de basalto. ............................ 37
-
XI
Figura 17. Primera disposición de varillas de basalto, 4φ12mm+1 φ 14mm. ................... 38
Figura 18. Segunda disposición de varillas de basalto, 2φ14mm+3 φ 12mm. .................. 38
Figura 19. Tercera disposición de varillas de basalto, 4φ14mm. ....................................... 38
Figura 20. Vista en planta típica de los especímenes. ........................................................ 40
Figura 21. Corte A-A, mostrando el detalle del refuerzo. .................................................. 41
Figura 22. Corte B-B, mostrando el detalle del refuerzo. .................................................. 41
Figura 23. Formas de acero requeridas para el diseño estructural. .................................... 41
Figura 24. Modelado de la sección LA01, software SAP2000. ......................................... 42
Figura 25. Diagrama esfuerzo deformación característico del concreto fc=21 MPa, software
SAP2000. .............................................................................................................. 42
Figura 26. Diagrama esfuerzo deformación del acero fy=420 MPa, software SAP2000. . 43
Figura 27. Diagrama momento curvatura losa LA01, software SAP2000. ....................... 43
Figura 28. Modelo idealizado y cargas aplicadas al espécimen estudiado. ....................... 44
Figura 29. Diagrama de momentos flectores actuando en la losa, debido a las cargas
aplicadas. ............................................................................................................... 44
Figura 30. Diagrama de fuerzas cortantes actuando en la losa. ......................................... 44
Figura 31. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LA01......... 46
Figura 32. Modelado de la sección LA02 y LA03, software SAP2000. ............................ 46
Figura 33. Diagrama esfuerzo deformación característico del concreto fc=21 MPa, software
SAP2000. .............................................................................................................. 47
Figura 34. Diagrama esfuerzo deformación del acero fy=420 MPa, software SAP2000. . 47
Figura 35. Diagrama momento curvatura para la losa LA02 y LA03, software SAP2000.
............................................................................................................................... 48
Figura 36. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LA02 y LA03.
............................................................................................................................... 49
-
XII
Figura 37. Modelado de la sección LB01, software SAP2000. ......................................... 50
Figura 38. Diagrama esfuerzo deformación del concreto fc=35 MPa, software SAP2000.
............................................................................................................................... 50
Figura 39. Diagrama esfuerzo deformación del basalto, software SAP2000. ................... 51
Figura 40. Diagrama momento curvatura característico de la losa LB01, software SAP2000.
............................................................................................................................... 51
Figura 41. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LB01. ........ 53
Figura 42. Modelado de la sección LB02, software SAP2000. ......................................... 53
Figura 43. Diagrama esfuerzo deformación del concreto fc=35 MPa, software SAP2000.
............................................................................................................................... 54
Figura 44. Diagrama esfuerzo deformación del basalto, software SAP2000. ................... 54
Figura 45. Diagrama momento curvatura de la losa LB02, software SAP2000. ............... 55
Figura 46. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LB02. ........ 56
Figura 47. Modelado de la sección LB03, software SAP2000. ......................................... 57
Figura 48. Diagrama esfuerzo deformación del concreto fc=35 MPa, software SAP2000.
............................................................................................................................... 57
Figura 49. Diagrama esfuerzo deformación del basalto, software SAP2000. ................... 58
Figura 50. Diagrama momento curvatura de losa LB03, software SAP2000. ................... 58
Figura 51. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LB03. ........ 60
Figura 52. Máquina de ensayo de elementos estructurales del CISMID-FIC-UNI. .......... 61
Figura 53. Esquema de colocación de losa de concreto y aplicación de carga. ................. 62
Figura 54. Disposición de los transductores de deformación del estudio. ......................... 62
Figura 55. Colocación de los transductores de deformaciones en el espécimen a ensayar.
............................................................................................................................... 63
Figura 56. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LA01. ........................ 64
-
XIII
Figura 57. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LA02. ........................ 65
Figura 58. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LA03. ........................ 66
Figura 59. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LB01. ........................ 66
Figura 60. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LB02. ........................ 68
Figura 61. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LB03. ........................ 69
Figura 62. Nivel de daños del espécimen LB01. ............................................................... 70
Figura 63. Nivel de daños del espécimen LB02. ............................................................... 70
Figura 64. Nivel de daños del espécimen LB03. ............................................................... 71
Figura 65. Deslizamiento de las varillas de basalto. .......................................................... 71
Figura 66. Deslizamiento y desprendimiento del corrugado de las varillas de basalto. .... 72
Figura 67. Radio de curvatura asociado al paño central de la viga. ................................... 72
Figura 68. Diagrama momento curvatura del espécimen LA01. ....................................... 74
Figura 69. Diagrama momento curvatura del espécimen LA02. ....................................... 74
Figura 70. Diagrama momento curvatura del espécimen LA03. ....................................... 75
Figura 71. Diagrama momento curvatura del espécimen LB01. ....................................... 75
Figura 72. Diagrama momento curvatura del espécimen LB02. ....................................... 76
Figura 73. Diagrama momento curvatura del espécimen LB03. ....................................... 76
Figura 74. Gráfico comparativo entre las curvas fuerzas deflexión de losas reforzadas con
acero y basalto LA01 y LB01. .............................................................................. 78
Figura 75. Gráfico comparativo entre las curvas fuerzas deflexión de losas reforzadas con
acero y basalto LA02 y LB02. .............................................................................. 81
Figura 76. Gráfico comparativo entre las curvas fuerzas deflexión de losas reforzadas con
acero y basalto LA03 y LB03. .............................................................................. 84
Figura 77. Perfil experimental de deflexiones probadas a una carga de 75 kN entre losas
LA01 y LB01. ....................................................................................................... 86
-
XIV
Figura 78. Perfil experimental de deflexiones probadas a una carga de 75 kN entre losas
LA02 y LB02. ....................................................................................................... 86
Figura 79. Perfil experimental de deflexiones probadas a una carga de 75 kN entre losas
LA03 y LB03. ....................................................................................................... 87
Figura 80. Armado de la cimbra usada para la fabricación de los especímenes. ............... 99
Figura 81. Armado final de la cimbra y armado del refuerzo de corte. ............................. 99
Figura 82. Colocación de las varillas de refuerzo dentro del encofrado. ........................... 99
Figura 83. Colocación de dados de concreto y preparación de materiales para la mezcla de
concreto. .............................................................................................................. 100
Figura 84. Preparación de las mezclas de concreto y medida del asentamiento. ............. 100
Figura 85. Colocación de la mezcla de concreto dentro del encofrado correspondiente. 100
Figura 86. Preparación de los especímenes cilíndricos para evaluación e la resistencia a la
compresión. ......................................................................................................... 101
Figura 87. Preparación de las seis losas a ensayar. .......................................................... 101
Figura 88. Desmoldado de la losa y desmoldado de los especímenes cilíndricos. .......... 101
Figura 89. Losas de concreto finalizadas y ensayo de espécimen cilíndrico de losas LA01,
LA02 y LA03. ..................................................................................................... 102
Figura 90. Falla del espécimen cilíndrico y curva esfuerzo deformación asociada. ........ 102
Figura 91. Ensayo de espécimen cilíndrico de losas LB01, LB02 y LB03. .................... 102
Figura 92. Falla del espécimen cilíndrico y curva esfuerzo deformación asociada. ........ 103
Figura 93. Inicio de aplicación de carga y medida de las deformaciones en la losa LB01.
............................................................................................................................. 103
Figura 94. Inicio de aplicación de carga y deformaciones en la losa LB02. ................... 103
Figura 95. Inicio de aplicación de carga y deformaciones en la losa LB03. ................... 104
Figura 96. Estado final de la losa de basalto LB03 ensayada. ......................................... 104
-
XV
Figura 97. Inicio de aplicación de carga y medida de las deformaciones en la losa LA02.
............................................................................................................................. 104
Figura 98. Ensayo de los especímenes de cilíndrico día de los ensayos de losas a los 28
días. ..................................................................................................................... 105
Figura 99. Equipo 01 de fabricación de los especímenes. ............................................... 105
Figura 100. Equipo 02 de la fabricación de los especímenes. ......................................... 106
Figura 101. Preparación para la realización de los ensayos en la CISMID-FIC-UNI
Laboratorio de Estructuras. ................................................................................. 106
Figura 102. Equipo 01 de profesionales CISMID-FIC-UNI inspeccionando la realización
de los ensayos...................................................................................................... 107
Figura 103. Equipo 02 de profesionales CISMID-FIC-UNI inspeccionando la realización
de los ensayos...................................................................................................... 107
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XVI
Glosario de Abreviaciones
LA01: Losa de concreto armado con refuerzo de acero - espécimen 01
LA02: Losa de concreto armado con refuerzo de acero - espécimen 02
LA03: Losa de concreto armado con refuerzo de acero - espécimen 03
LB01: Losa de concreto armado con refuerzo de basalto - espécimen 01
LB02: Losa de concreto armado con refuerzo de basalto - espécimen 02
LB03: Losa de concreto armado con refuerzo de basalto - espécimen 03
ASTM: American Society of Testing Materials
ACI: American Concrete Institute
NTP: Norma Técnica Peruana
SR: Steel Rebar
BCR: Basalt Compound Reinforcement
FRP: Fiber Reinforced Polymer
LVDT: Linear Variable Differential Transformer
USIL: Universidad San Ignacio de Loyola
CISMID: Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres
FIC: Facultad de Ingeniería Civil
UNI: Universidad Nacional de Ingeniería
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XVII
Dedicatoria
A mi padre, por su dedicación y esfuerzo para poder cumplir mis metas.
A mi madre, que desde el cielo me muestra el camino correcto.
A mis hermanas, por mostrarme su apoyo.
A mis amigos, con quienes aprendimos el valor del esfuerzo para poder cumplir nuestros
objetivos.
-
XVIII
Agradecimiento
A Dios, por permitirme la vida.
A mis familiares, por apoyarme en este proyecto.
Al Dr. Ing. Miguel Díaz, asesor del presente estudio de investigación, por su constante apoyo
para la realización y culminación de la tesis.
A mi alma mater USIL, quienes lo conforman la administración y los catedráticos de la Carrera
de Ingeniería Civil, quienes me inculcaron la educación de calidad.
A la CISMID-FIC-UNI, por el apoyo y disposición del Laboratorio de Estructuras
comprometiéndose con el proyecto de investigación.
A la empresa LIDERA TRES TORRES S.A.C., por el apoyo de los materiales para la
realización de esta investigación.
A mis compañeros de estudio, con quienes compartimos los trabajos en equipos con un solo
objetivo.
En general, gracias a todas las personas que se involucraron de manera directa o indirecta para
poder cumplir este objetivo.
-
XIX
Resumen
La práctica de la ingeniería de estructuras requiere de materiales que, además de ser resistentes
mecánicamente, sean duraderos y con características predecibles en el tiempo; aunque el acero
de construcción es uno de los materiales más fiables, en la actualidad es altamente vulnerable
a la corrosión, por lo que sus propiedades mecánicas no son permanentes. En este sentido el
presente trabajo de investigación propone el estudio de materiales de construcción alternativos,
específicamente de las varillas de basalto, y sus posibles aplicaciones en la construcción de
elementos de concreto reforzado, en especial en las losas de concreto. Por ello el objetivo de
esta investigación fue determinar el comportamiento estructural de las losas macizas de
concreto reforzadas con varillas de basalto. La metodología empleada fue de tipo aplicativo,
experimental y cuantitativo. Se empleó el método de juicio por experto para la determinación
de la muestra, tomando la opinión de un ingeniero experto dando como muestra a seis (06)
losas macizas de las cuales tres (03) losas reforzadas con basalto y otras tres (03) losas
reforzadas con acero corrugado, mismas que fueron posteriormente ensayadas en el
Laboratorio de Estructuras CISMID-FIC-UNI. Los resultados han mostrado que, aunque las
varillas de basalto tuvieron mayor resistencia a las varillas de acero convencionales, su rigidez
fue significativamente menor. Asimismo, en cuanto a las losas de concreto, se observó que la
rigidez de las losas de basalto fue significativamente menor al ser comparadas con sus pares de
acero convencional.
Palabras clave: Comportamiento estructural, varillas de basalto, varillas de acero.
-
XX
Abstract
The practice of structural engineering requires materials that, in addition to being mechanically
resistant, are durable and with characteristics predictable over time; Although construction
steel is one of the most reliable materials, it is currently highly vulnerable to corrosion, so its
mechanical properties are not permanent. In this sense, this research paper proposes the study
of alternative construction materials, specifically of basalt rods, and their possible applications
in the construction of reinforced concrete elements, especially in concrete slabs. Therefore, the
objective of this research was to determine the structural behavior of solid concrete slabs
reinforced with basalt rods. The methodology used was of an application, experimental and
quantitative type. The expert judgment method was used for the determination of the sample,
taking the opinion of an expert engineer giving as sample six (06) solid slabs of which three
(03) basalt reinforced slabs and three (03) slabs reinforced with corrugated steel, which were
subsequently tested in the Structures Laboratory CISMID-FIC-UNI. The results have shown
that, although basalt rods had greater resistance to conventional steel rods, their stiffness was
significantly lower. Also, in terms of concrete slabs, it was observed that the stiffness of basalt
slabs was significantly lower when compared to their conventional steel pairs.
Keywords: Structural behavior, basalt rods, steel rods.
-
1
Introducción
Dentro de la industria de la construcción el acero es uno de los materiales de mayor importancia
en la actualidad, no solo por la cantidad empleada de este material en todo tipo de obras civiles,
sino porque es responsable directo de la resistencia de numerosos elementos estructurales, en
especial cuando son aplicados en la fabricación de estructuras de concreto armado.
Lamentablemente, pese a las bondades mecánicas de este insumo, el mayor problema que
aqueja a este material es sin duda la corrosión. La corrosión es un fenómeno a nivel molecular
en el que el material de base se va transformando en una sustancia química diferente, lo que
provoca que el material base vaya disminuyendo su sección efectiva y por tanto disminuyendo
sus capacidades mecánicas en sus aplicaciones al concreto armado. Como consecuencia de este
fenómeno, las estructuras tienen que ser reparadas, trayendo esto cuantiosas pérdidas
económicas.
De acuerdo con un estudio realizado en los Estados Unidos de Norteamérica por Gerhardus,
Varney, Thompson, Moghissi, Gould & Payer (2016) afirman que “el costo global por
corrosión es de 2.5 trillones de dólares, lo cual es equivalente a 3.4% del Producto Bruto Interno
(PBI) global del año 2013” (p.12).
Como se pude observar de los datos comentados, las aplicaciones del acero estructural
pueden acarrear sobrecostos a largo plazo que harían su uso como material base en la industria
de la construcción mucho más costoso de lo que aparentan las cifras en el inicio de la vida de
un proyecto, ya que son muy pocos los proyectos que contemplan partidas para el
mantenimiento preventivo de la corrosión el acero estructural. Aunque en la actualidad existen
paliativos para enfrentar este problema, en este trabajo se propone la investigación en
materiales alternativos, especialmente los materiales sintéticos que han demostrado tener
resistencias incluso superiores al acero, como por ejemplo las barras de refuerzo de polímeros
de vidrio (GFRP), carbono (CFRP), aramida (AFRP) y basalto (BFRP).
-
2
Además, es importante mencionar que algunos de estos materiales ya han sido utilizados
con éxito en algunos proyectos de construcción emblemáticos, como es el caso del edificio de
Eyecatcher de 1999 en Suiza donde se usaron polímeros de GFRP. Algunos otros proyectos
materializados son los puentes Lleida y Asturias en España con materiales de GFRP.
Con base en lo antes mencionado el presente estudio tiene como objetivo principal el estudio
del comportamiento de varillas de basalto cuando se usan para sustituir el acero de refuerzo
convencional. Este trabajo en particular se separa en los siguientes capítulos.
En el Capítulo I, se desarrolla de manera concisa el problema de investigación,
desglosándose en la situación problemática que da la respectiva formulación del problema, la
justificación de la investigación y los objetivos,
En el Capítulo II, el marco teórico donde se ve el los antecedentes internacionales y
nacionales, las bases teóricas y finalizando con el marco conceptual.
En el Capítulo III, se ve la hipótesis general y específica, identificación de las variables y la
operacionalización de las variables.
En el Capítulo IV, se tiene la parte metodológica empleada en esta investigación, revisando
el tipo de investigación y diseño de investigación, determinación de la población y muestra,
técnicas e instrumentos empleados en el presente estudio.
En el Capítulo V, se ve la parte de los resultados, estudio mecánico del basalto, casos de
estudio de losas reforzadas con basalto y acero, diseño de los especímenes, fabricación de los
especímenes, análisis comparativo, ensayo experimental, evaluación y comparación de los
resultados.
En el Capítulo VI, se presentan las conclusiones derivándose en las conclusiones generales
y conclusiones específicos y finalmente se realiza las recomendaciones del presente estudio de
investigación del comportamiento estructural de losas macizas de concreto reforzadas con
varillas de basalto.
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3
Capítulo I: Planteamiento del Problema
1.1 Situación Problemática
Tomando como referencia a Ammar (2014) manifiesta que “El deterioro de las estructuras de
hormigón armado debido a la corrosión de las barras de acero de refuerzo es una preocupación
importante. El uso de materiales frente al dominio de ambientes agresivos son el origen del
problema de corrosión (Boyle y Karbhari, 1994)” (p.1). Por otro lado, Valles (2014) afirma
que:
Si estudiamos la historia del hormigón armado se encuentran pocos casos donde una estructura haya
fallado debido a cargas mecánicas que no hayan sido consideradas en la fase de diseño. Las normativas
técnicas dan bastante información a la hora de ofrecer una guía para diseñar una estructura apropiada
para soportar todas las cargas mecánicas. El problema, entonces, puede aparecer a causa de la falta de
conocimiento y sensibilidad cuando se hace frente a cuestiones como la corrosión. Como se ha dicho
anteriormente, pocas veces se encuentran fallos de las estructuras debido a sobrecargas, pero se conoce
un elevado número de estructuras en las que la corrosión y principalmente la corrosión de la armadura
ha conducido a reparaciones costosas y fallos prematuros. (p.33)
Existen estudios acerca de la cuantificación de reparaciones en estructuras de concreto
armado por causas de la corrosión del acero. Por ejemplo, Gerhardus et al. (2014) mostraron
que en los Estados Unidos de Norteamérica “el costo global por corrosión es de 2.5 trillones
de dólares, lo cual es equivalente a 3.4% del PBI global del año 2013” (p.12) lo que conlleva
en reparaciones de las estructuras. Asimismo, Ammar (2014) hace referencia que “el ministerio
de transporte de Quebec Canadá gasta la mitad del presupuesto de mantenimiento en la
reparación de estructuras de concreto armado (CA) dañadas por la corrosión (El Salakawi et
al., 2003)” (p.21).
La corrosión del acero es de gran preocupación debido que las estructuras de concreto llevan
como refuerzo las varillas de acero, estas brindan la resistencia a la tracción. Que en conjunto
con el concreto tiene un gran aporte a la compresión, formando así las estructuras de concreto
armado. Evitando así las fallas por flexión y tensión que se puedan presentar ya sea por las
cargas vivas, muertas, de viento y entre otros. Cuando el acero se corroe pierde la adherencia
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con el concreto formándose un fenómeno de carbonatación del concreto. Por ende, la capacidad
estructural de la construcción va disminuyendo en medida que el área de las varillas de acero
también va disminuyendo en función de su corrosión.
De esta manera se plantea tener materiales menos contaminantes. Y buscar otras soluciones
frente a la corrosión, en los últimos dos décadas las fibras de polímeros han sido estudiados y
analizados como material alternativo del acero de refuerzo tales como: barras de refuerzo de
polímeros de vidrio, carbono, aramida y basalto. Por ello, esta investigación presenta como
alternativa a las varillas de basalto en reemplazo de las varillas de acero como un refuerzo del
concreto, por lo cual se hará un estudio de su capacidad de rendimiento frente a esfuerzos de
flexión. Según Subramanian (2010), las principales características que presenta el basalto son:
La alta resistencia a la corrosión, buena adherencia con el concreto. Lo cual lo hace ideal para el uso
en estructuras marinas, estructuras de estacionamiento, cubiertas de puentes, carreteras en ambientes
extremos, y a estructuras altamente susceptible a la corrosión (industria papelera y química) y para
pavimentos de concreto permeable. (p.4)
A la actualidad se presentan estudios sobre las características mecánicas de las varillas del
basalto, teniendo como resultado aceptable para su uso. Sin embargo, después de revisar los
estudios de los diferentes autores respecto a la implementación del material del basalto;
Ovitigala, Ibrahim e Issa (2016), concluyeron que: “Estos estudios han llevado a cabo una
investigación exhaustiva sobre las características de las barras de basalto; sin embargo, se
realizó una investigación limitada para estudiar el comportamiento estructural completo del
basalto” (p.757).
Después de lo expuesto, referente esencialmente al factor de la corrosión del acero, y del
limitado estudio del comportamiento estructural del basalto, se puede derivar la siguiente
pregunta: ¿Qué efecto tiene la aplicación de varillas de basalto en el comportamiento
estructural de losas macizas de concreto?
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1.2 Formulación del Problema
1.2.1 Problema General.
¿Cómo será el comportamiento estructural de las losas macizas de concreto reforzadas con
varillas de basalto?
1.2.2 Problemas Específicos.
a. ¿Cuáles son las propiedades mecánicas de las varillas de basalto?
b. ¿Qué propiedades mecánicas tienen los diagramas momento curvatura de las
secciones de concreto reforzadas con varillas de basalto frente al refuerzo
convencional de varillas de acero?
c. ¿Qué niveles de resistencia por servicio es posible alcanzar en losas reforzadas con
varillas de basalto?
d. ¿Cuál será la deflexión para las losas macizas reforzadas con varillas de basalto
frente a losas macizas reforzadas con acero?
1.3 Justificación de la Investigación
Esta investigación muestra el diseño, estudio y análisis del comportamiento estructural de losas
macizas reforzadas con varillas de basalto, incorporándose como material alternativo en
reemplazo del acero; debido que, el acero tiende a corroerse por las causas mencionadas en el
planteamiento del problema. Por otro lado, según las investigaciones de otros autores que
estudiaron al basalto en su comportamiento mecánica, dejaron un vacío respecto al
comportamiento estructural del basalto como refuerzo del concreto armado. Por ello en esta
investigación abarca conocer dicho vacío.
1.3.1 Aporte Científico.
Esta investigación deja muchos aspectos metodológicos que pueden ser empleados por otros
investigadores que buscan saber sobre el comportamiento estructural de losas macizas
reforzadas con basalto. Asimismo, los investigadores visualizaran los diseños, cálculos y
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análisis de los ensayos experimentales. Así, ellos tendrán una data de referencial y así poder
implementar este sistema de reforzamiento con varillas de basaltos como una alternativa de
solución frente al problema de la corrosión del acero.
1.3.2 Aporte Social.
Hoy en la actualidad, se busca optar por materiales menos contaminantes como hace referencia
Subramanian (2010). “Se espera que estas barras livianas y no corrosivas como el basalto se
utilicen en nuestras construcciones del futuro, para lograr la sostenibilidad de los recursos”
(p.1). Asimismo, Ramirez (2002), afirma que:
La aplicación de los criterios de sostenibilidad, conlleva a una utilización racional de los recursos
naturales disponibles para la construcción, requerirá realizar unos cambios importantes en los valores
que ésta tiene como cultura propia. Estos principios de sostenibilidad, llevan hacia una conservación
de los recursos naturales, una maximización en la reutilización de los recursos, una gestión del ciclo de
vida, así como una reducción de la energía y agua global aplicados a la construcción del edificio y a su
utilización durante su funcionamiento. (Criterios de Sostenibilidad, párr.1)
1.3.3 Aporte Económico.
Valles (2014) realiza un estudio económico de reforzamiento estructural entre el acero y basalto
de lo cual concluye que: “es rentable realizar construcciones en zonas de fácil corrosión, ya
que los gastos por mantenimiento y reparación de las posibles lesiones aumentaría mucho más
que la realización de la estructura con basalto” (p.162).
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo General.
Comprender el comportamiento estructural de las losas macizas de concreto reforzadas con
varillas de basalto para su implementación como material alternativo en la construcción.
1.4.2 Objetivos Específicos.
a. Establecer las propiedades mecánicas de las varillas de basalto.
b. Determinar los niveles de resistencia mecánica de los diagramas momento curvatura
de las de losas reforzadas con varillas de basalto frente a las losas reforzadas con
acero.
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c. Determinar niveles de resistencia por servicio alcanzables en losas reforzadas con
varillas de basalto.
d. Establecer de manera experimental la deflexión para las losas macizas reforzadas
con varillas de basalto y acero.
Capítulo II: Marco Teórico
2.1 Antecedentes del Problema
2.1.1 Antecedentes Internacionales.
A continuación, se presenta algunos estudios que guardan relación con el tema de nuestra
investigación.
Mohsen, Issa, Ovitigala & Mustapha (2016) realizó una investigación que tiene como título
“Shear Behavior of Basalt Fiber Reinforced Concrete Beams with and without Basalt FRP
Stirrups”. Este articulo tiene como objetivo registrar y analizar el comportamiento de las vigas
reforzadas con basalto con confinamiento y sin confinamiento. El diseño utilizado para este
estudio es experimental, porque se realizó ensayos en laboratorio a una muestra de 6 vigas con
confinamiento y 6 vigas sin confinamiento. Los resultados debido al ensayo de las vigas son el
fisuramientos de la muestra frente a momentos constantes. También, se presentaron fisuras en
la zona de cortante constante. Finalmente, este estudio tiene como conclusiones, el
confinamiento con basalto tiene mejores resultados que una viga sin confinar. Las fórmulas
brindadas por el ACI 440, presentan resultados muy conservadores.
Ovitigala, Ibrahim, & Issa (2016). En su libro titulado “Serviceability and Ultimate Load
Behavior of Concrete Beams Reinforced with Basalt Fiber- Reinforced Polymer Bars”. Cuyo
objetivo principal fue el estudio del comportamiento de vigas reforzadas con basalto bajo
condiciones de cargas últimas y de servicio. Esta investigación presento un diseño
experimental, teniendo como muestra 4 vigas de diferentes tamaños y cuantías de
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reforzamiento. Las conclusiones obtenidas para este estudio fue que los modelos del ACI 440
y de Rafi y Nadjai presentan diferencias significativas con respecto a los resultados del
experimento.
Ammar (2014) en su tema de tesis titulado “Bond Durability of Basalt Fiber-Reinforced
Polymers (BFRP) Bars Under Freese and Thaw Conditions”. Teniendo como objetivo principal
estudiar el comportamiento y características del refuerzo como son el basalto. Haciendo uso de
una metodología experimental, que consistió en realizar ensayos a 45 muestras reforzadas con
basalto y 18 muestras reforzadas con vidrio. Estos fueron procesados mediante modelos
analíticos. Entre las conclusiones se afirma que las curvas de desplazamiento par los refuerzos
con basalto y vidrio son casi semejantes, otra conclusión es cuando se presenta el concreto a
sistemas de hielo y deshielo no contribuyendo a la mejora de esfuerzos.
Mahroug (2013) realizó una investigación sobre “Behaviour of Continuous Concrete Slabs
Reinforced with FRP Bars”. Cuyo objetivo general fue investigar el comportamiento de losas
de concreto reforzadas con basalto y con barras de carbono. El estudio fue una investigación
experimental, en lo cual se probaron dos losas simplemente apoyadas y cuatro losas continuas
tanto para el caso con refuerzo con barras de basalto y con carbono con la finalidad de poder
compararlos. La combinación y el tipo de refuerzo de las barras de basalto y carbono fueron
los parámetros que se investigaron. Los resultados de la investigación, han posibilitado
identificar la naturaleza de las barras del basalto y carbono frente a una carga puesta a la mitad
de la luz de la losa. Pudiendo así determinar la deflexión y la carga final a la que estas puede
estar sometidas. A partir de los resultados se puede concluir que las fibras de basalto y carbono
elevó el momento de falla tanto en losas simplemente apoyada y continúas. Esto se debe al
efecto de corte combinado con la flexión en el caso de la falla.
Ovitigala (2012) en su tesis para el grado de PhD. Con el tema de “Structural Behavior of
Concrete Beams Reinforced with Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) Bars”. El objetivo
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principal fue incursionar las barras de basalto en el concreto armado con la finalidad de obtener
un buen desempeño de las propiedades mecánicas de las estructuras como es el caso de la viga.
Se realizó una investigación experimental, que consistió en una viga simplemente apoyada bajo
el cual se procedió a poner una carga puntual al medio de la viga. Obteniendo como resultado
la resistencia a la tracción, el módulo de ruptura y la longitud de desarrollo requerida. Entre las
conclusiones se halló que el ensayo de flexo tracción nos brinda datos erróneos para la
resistencia de flexión en comparación del ensayo de compresión diametral que si nos brinda
datos aproximados a lo real. Además, en las vigas no se puede encontrar la mayor longitud
pegada con concreto debido que la falla por cizallamiento puede ocurrir antes que alcance la
ruptura final.
Neela (2010) en su tesis de maestría presenta una investigación titulada “Flexural Behavior
of Basalt FRP Bar Reinforced Concrete Members With and Without Polypropylene Fiber”.
Teniendo como objetivo principal determinar la relación entre el esfuerzo deformación,
también otro de sus objetivos fue de estudiar el comportamiento de las cargas. El tipo de diseño
que se presenta es de tipo experimental. Se realizaron los respectivos ensayos, considerando en
la primera fase una cantidad de uso de basalto de 8.9 kg/m3 del volumen y en la segunda serie
se presentó con 4.45 kg/m3 del volumen. Las losas fueron ensayas a flexión. Las conclusiones
que se presentó en esta investigación son: la curva de esfuerzo deformación predicha por las
ecuaciones del ACI 440 fueron cercanos a los resultados. Así también la capacidad de carga
fue incrementando en función al incremento de los basaltos.
Adhikari (2009) en su proyecto de tesis titulado “Mechanical Properties and Flexural
Applications of Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) Bars”. Presenta como objetivo
general determinar las propiedades mecánicas del refuerzo de basalto en tres tamaños
diferentes y su aplicación como refuerzo en las vigas. Se presentó una investigación
experimental, que se rigió de acuerdo a las normas ASTM, así como también en una revisión
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de distintas bibliografías de investigaciones similares. Estudiando modelos analíticos se creó
una data de cargas y desplazamiento de cada modelo finalmente se propuso un modelo,
realizando una predicción bajo los diseños del ACI y también utilizando la curva de esfuerzo
deformación. En conclusión, se determinó el módulo de elasticidad fue de 86.3 GPa en
promedio. También en función a los ensayos se pudo determinar la longitud de anclaje de 25
cm para que se logre una buena y completa resistencia a la tracción.
Brik (2003) en su libro “Advanced Concept Concrete Using Basalt Fiber/BF Composite
Rebar Reinforcement”. Cuyo objetivo fue de determinar el rendimiento de las vigas de concreto
reforzadas con varillas de basalto corrugadas en lo cual se determinó la fuerza ultima y se
realizó una comparación entre el momento ultimo experimental versus el momento calculado
según las normativas del ACI. Tuvo como metodología experimental, aplicándose una prueba
llamada “Pull Out Test”. Este ensayo tiene la particularidad de someter al concreto a la
compresión y a la varilla de basalto a tracción empleando una misma fuerza. Entre los
resultados se presentó que las vigas tuvieron una falla por corte y flexión después de aplicarse
la fuerza. En cuanto a las conclusiones se tiene que se presentó una muy buena adherencia
entre las barras y el concreto lo cual se pudo observar hasta la rotura. Así como también el
momento último del experimento fue mayor que el momento calculado. Generalmente las vigas
fallaron por flexión y muy pocas por corte.
Brik (1998) es un artículo publicado “Performance Evaluation of 3-D Basalt Fiber
Reinforced Concrete and Basalt Rod Reinforced Concrete”. Con el objetivo de evaluar el
rendimiento del concreto reforzado con barras compuestos con fibras basálticas. Empleando
una investigación experimental, donde se utilizó un método estándar japonés de calcular el
factor de tenacidad de flexión y la flexión equivalente de fuerza. Se ensayaron vigas de con
refuerzo de basalto, así como también únicamente a las barras y fibras de basalto. Esta prueba
japonesa tiene en cuenta la energía absorbida hasta la deflexión de L/150. En lo cual se obtuvo
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como resultado la medición ultima de carga de falla, el comportamiento de deflexión,
deformación del concreto y el modo de falla. Se tiene como conclusión del ensayo de las barras
y fibras de basalto que el comportamiento fue muy similar a las demás fibras que se tiene
actualmente. La adición de fibras en el concreto hizo un cambio en cuanto a su modo de falla
es decir de frágil a dúctil. En cuanto al ensayo de las vigas con basalto, se tiene indican que no
se presentó una buena adherencia entre la barra de basalto lisa y el concreto por ello no se llegó
a la carga ultima. También, se presentó una falla dúctil debida que a cada incremento de carga
la viga se desplazaba de forma gradual.
2.1.2 Antecedentes Nacionales.
Hinostroza (2018) realizó una tesis de investigación con el tema de “Estudio del
Comportamiento Estructural de Vigas de Concreto Reforzadas con Varillas de Basalto”. Con
el objetivo de estudiar el uso del basalto como material reemplazante del acero en el concreto
armado. Utilizando un diseño cualitativo. Teniendo como muestra el diseño de vigas con
refuerzo de basalto, los cuales fueron analizados mediante procesos comparativos con los
experimentos estudiados. Finalmente concluyendo, que el promedio del módulo elástico (E) es
de 86.3 GPa. Asimismo, también concluyó que las vigas sobre reforzadas con basalto presentan
mejores propiedades que la una viga convencional que es el caso con los refuerzos de acero
corrugado.
2.2 Bases Teóricas
2.2.1 Comportamiento Estructural.
Haciendo referencia a Chang (2015) menciona que “el comportamiento de los materiales que
conforman el concreto armado depende de muchas variables, por ejemplo: la carga y la
interacción entre los materiales que conforman, (…) lo cual implica la existencia de muchos
modelos con diversos grados de complejidad (…)” (p.14).
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Asimismo, Ottazzi (2015) menciona que “(…) si una estructura se ve sobrecargada hasta la
falla, si su comportamiento es dúctil y ciertas porciones de la estructura pueden fluir sin fallar,
la estructura puede ser capaz de soportar grandes deflexiones cerca de su capacidad máxima
de carga. (…)” (p.100).
2.2.1.1 Diagrama Momento Curvatura.
Según Ottazzi (2015) “El diagrama momento curvatura es la representación gráfica del lugar
geométrico definido por los momentos flectores y las curvaturas asociadas a los mismos para
una sección determinada” (p.110). También Ottazzi (2015) menciona que la construcción de
diagramas momento curvatura permite el estudio de la ductilidad de una sección y del
elemento, así como permite entender el desarrollo de rótulas plásticas y redistribución de
momentos flectores.
Teniendo un aspecto fundamental como lo es la curvatura Ottazzi (2015) menciona que “la
curvatura se define como el cambio de rotación que existe en una sección, y puede entenderse
como el cambio de giro por unidad de longitud de un elemento sometido a flexión” (p.102).
Esta referencia se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Curva de un elemento. Adaptado de “Apuntes del Curso Concreto Armado”.
Fuente: Ottazzi. (2015)
De la gráfica se desprende la siguiente ecuación:
φ =εc
𝐶=
εs
𝑑 − 𝐶=
εc + εs
𝑑
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Otro aspecto en consideración es conocer la ductilidad de la curvatura, según Ottazzi (2015)
define “La ductilidad se define como la relación entre la deformación de agotamiento y la
deformación que marca el inicio del comportamiento inelástico de un elemento o sección. La
ductilidad permite expresar de manera cuantitativa la capacidad de deformación inelástica
disponible” (p.102) y se “puede entenderse como la capacidad de un elemento para soportar
deformaciones inelásticas sin presentar una pérdida importante de capacidad” (Chang, 2015,
p.5).
μφ =φu
φy
2.2.1.2 Resistencia por Cargas de Servicio.
Para Ottazzi (2015) la resistencia por cargas es “(…) analizar la estructura para las cargas de
servicio (con factores de carga unitarios), asumiendo comportamiento elástico de la misma bajo
la acción de las cargas que puedan actuar sobre ella durante su vida útil (cargas muertas,
sobrecargas, viento, sismo)” (p.65). Por otro lado, Yanez et al. (2000) menciona que:
(…) “carga permanente” y “sobrecarga” se refieren a las cargas sin mayorar (cargas de servicio)
definidas o especificadas en la ordenanza de construcciones local. Las cargas de servicio deben
emplearse donde lo establece el código, para dimensionar o verificar elementos de manera que tengan
una adecuada serviciabilidad, como en la sección 9.5, control de deformaciones. Las cargas utilizadas
para dimensionar un elemento para una resistencia adecuada se definen como “cargas mayoradas”. Las
cargas mayoradas son cargas de servicio multiplicadas por los factores de carga apropiados,
especificados en la sección 9.2, para obtener la resistencia requerida. El término “cargas de diseño”,
como se empleaba en la edición 1971 del ACI 318 para referirse a las cargas multiplicadas por factores
de cargas apropiados (…). (p.16)
Asimismo, Yanez et al. (2000) afirma que “los elementos de hormigón armado sujetos a
flexión deben diseñarse para tener una rigidez adecuada a fin de limitar cualquier deformación
que pudiese afectar adversamente la resistencia o la condición de servicio de una estructura”
(p.143).
A continuación, se muestra el control de las deflexiones máximas admisibles propuesto por
el código ACI-9.5.2.6. Mostradas en la Tabla 1.
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Tabla 1
Deflexiones máximas permisibles por el código ACI (ACI-Tabla 9.5.b.)
Tipo de elemento Deformación considerada Límite de
deformación
Azoteas planas que no soporten ni estén
ligadas a elementos no estructurales
susceptibles de sufrir daños por grandes
deformaciones.
Deformación inmediata debida a la
sobrecarga, L
Entrepisos que no soporten ni estén ligados
a elementos no estructurales susceptibles de
sufrir daños por grandes deformaciones.
Deformación inmediata debida a la
sobrecarga, L
Sistema de entrepiso o azotea que soporte o
esté ligado a elementos no estructurales
susceptibles de sufrir daños por grandes
deformaciones.
La parte de la deformación total que
ocurre después de la unión de los
elementos no estructurales (la suma de la
deformación a largo plazo debida a todas
las cargas permanentes, y la deformación
inmediata debida a cualquier sobrecarga
adicional)
Sistema de entrepiso o azotea que soporte o
esté ligado a elementos no estructurales no
susceptibles de sufrir daños por grandes
deformaciones.
Nota: Adaptado de ACI-318 – 08, por American Concrete Institute, 2008.
2.2.1.3 Deflexiones.
La deflexión es el grado de deformación frente a la aplicación de fuerzas como el peso propio,
cargas de sismo, cargas vivas y entre otros. Estos pueden determinarse en laboratorios o
mediante modelos matemáticos. También, tomando como referencia a Herrera, Rodriguez,
Gomez y Bolaño (2018) define “la deflexión es la deformación que se presenta en un elemento
al ser aplicada una fuerza sobre el mismo, siendo generada por una flexión interna o también
puede decirse que es una respuesta estructural ante la aplicación de cargas” (sección de Teoría,
párr.1). “Hablar de respuesta estructural es hacer referencia al análisis estructural, es decir,
hacer uso de las ecuaciones utilizadas en resistencia de materiales, con las que es posible hallar
tensiones, deformaciones y esfuerzos internos en un elemento” (Herrera et al., 2018, sección
de Teoría, párr.1). Herrera et al. Menciona tres métodos para el cálculo de deflexiones: método
de doble integración, método de área de momentos y método de tres momentos.
𝑙
180
𝑙
360
𝑙
480
𝑙
240
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2.3 Marco Conceptual
2.3.1 Losas Macizas.
Las losas son elementos estructurales horizontales que tienen como función la generación de
superficies de soporte de las actividades para las que la estructura ha sido diseñada. Desde el
punto de vista estructural las losas deben de soportar su propio peso, acabado de pisos y cargas
de servicios a la que ha sido proyectada; además, tiene la importante función de integrar los
elementos verticales, junto con el sistema de vigas. Según Nilson (1999) las losas macizas son:
Como elementos estructurales dispuestos en posiciones horizontales, verticales y/o inclinadas,
sometidas a cargas perpendiculares a su plano, razón por la cual resisten principalmente esfuerzos de
flexión y corte. Presentan un espesor (peralte) pequeño en comparación con sus dimensiones en planta,
cuyas superficies superior e inferior son paralelas entre sí, todo su espesor está constituido por concreto
y barras de acero. (p.14)
Las losas macizas se pueden clasificar de acuerdo a sus apoyos: losas apoyadas sobre muros
o vigas y losas apoyadas únicamente sobre columnas. También se clasifica de acuerdo a su
comportamiento estructural: losas unidireccionales y losas bidireccionales. Para esta
investigación se tomó las losas macizas en una dirección o unidireccionales.
2.3.2 Acero Corrugado.
Los aceros corrugados son varillas circulares que tienen resaltes o corrugas (Hi bond) que
permiten la buena adherencia con el concreto, estas se pueden encontrar en el mercado como
varillas de nueve metros de longitud en diferentes diámetros como se puede mostrar en la Tabla
2.
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Tabla 2
Dimensiones y pesos nominales Aceros ASTM A615
Diámetro de barra Sección Perímetro Peso métrico nominal
Pulg. mm (mm2) (mm) (kg/m)
- 6 28 18.8 0.220
- 8 50 25.1 0.395
3/8 - 71 29.9 0.560
- 12 113 37.7 0.888
1/2 - 129 39.9 0.994
5/8 - 199 49.9 1.552
3/4 - 284 59.8 2.235
1 - 510 79.8 3.973
1 3/8 - 1,006 112.5 7.907
Nota: Adaptado de “Construye seguro manual del maestro constructor”, (p.10), por Aceros Arequipa,
2016.
Estas varillas tienen diferentes usos en el campo de la construcción como son en los
edificios, viviendas, puentes y diferentes obras de arte de la ingeniería. Estas barras se
clasifican de acuerdo a la resistencia mínima de la fluencia (fy), el primero es de grado 40
(2800 kgf/cm2), segundo de grado 60 (4200 kgf/cm2), tercero de grado 75 (5200 kgf/cm2) y el
cuarto de grado 80 (5500 kgf/cm2).
Para este estudio de investigación se utilizará las varillas de grado 60 con un esfuerzo
fluencia (fy) mínima de 4200 kgf/cm2 y un esfuerzo de tracción (fu) mínimo de 6300 kgf/cm2,
debido que estas están en el mercado peruano y son de mayor uso. Donde la composición
química, sus propiedades mecánicas y tolerancias se basan en normas técnicas americanas
como es la American Society of Testing Materials ASTM A615 Grado 60 y la Norma Técnica
Peruana (NTP) 341.031 Grado 60.
2.3.3 El Basalto.
El basalto son rocas oscuras marrones o negras de procedencia ígnea volcánica, Subramanian
los clasifica en tres tipos:
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2.3.3.1 Piedras de Basalto.
Subramanian (2010), los caracteriza como una roca compuesto principalmente de Plagioclasa,
Piroxeno y Olivino, esta roca es muy abundante en el mundo que se forma al momento de salir
al exterior de las profundidades de la corteza terrestre. Se forman en tres ambientes en
específicos: puntos de acceso oceánicos, plumas de manto y puntos calientes debajo de los
continentes y fronteras oceánicas divergentes. Este tipo de roca se caracteriza por la dureza
pudiéndose clasificar en la escala de Mohs en el rango de 5 a 9, la alta durabilidad, resistencia
y por sus propiedades térmicas. Presentando una densidad entre los 2.8 g/cm3 y 2.9 g/cm3. Las
rocas trituradas de basalto son utilizadas comúnmente para la base de carreteras, también son
usadas como agregado del concreto y pavimentos asfalticos. Asimismo, este material también
se ha incursionado en el campo de la industria como baldosas de basalto, monumentos, chapas
y entre otros materiales.
2.3.3.2 Fibras de Basalto.
En 1923 se produjeron las primeras fibras de basalto en los Estados Unidos y después lo siguió
la Unión Soviética y Europa, crearon específicamente como producción militar y
aeroespaciales. Entre los años de 1985 y 2000 las empresas de Ucrania y Japón lanzaron una
producción en masa de las fibras de basalto. Actualmente, la producción anual del basalto es
entre 3000 a 5000 toneladas. Las fibras de basalto son muy finas similares a la fibra industrial
del carbono y vidrio, pero el basalto presenta una mayor propiedad mecánica y físicas y son
económicas en comparación del carbono. Las fibras de basalto se obtienen de la roca triturada
lo cual se funde a altas temperaturas entre 1400 °C a 1700 °C por 6 horas. Después, pasan por
un proceso de enfriamiento resultando una estructura más resistente que el acero. La
producción de estas fibras es menos contaminante que la producción del acero y no produce
desperdicio alguno (Subramanian. 2010).
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2.3.3.3 Refuerzo Compuesto de Basalto.
Subramanian (2010), nos menciona que las barras de basalto son un compuesto del 80% de
filamentos de basalto y el resto lo compone poliéster y resinas epoxi y se obtiene mediante un
proceso de pultrusión. Las principales ventajas que presenta el refuerzo de basalto es la alta
resistencia, y sobre todo a la gran resistencia que presenta a la corrosión en comparación con
el acero. Una de las características que presenta la varilla es que tiene una buena adherencia
con el concreto, pero principalmente se caracteriza por ser un material anisotrópica que cambia
las propiedades y características mecánicas tanto en dirección transversal y longitudinal, en
comparación con el acero que es un material isotrópico, es decir presenta mismas propiedades
mecánicas tanto en dirección transversal como longitudinal. La barra de basalto tiene esta
particularidad de anisotropía debido a su composición una parte de ella es de fibras actuando
en las propiedades longitudinales y la otra parte las resinas actúan en las propiedades
transversales.
Subramanian (2010), nos hace referencia en la Tabla 3, los componentes de las varillas de
basalto y en la Tabla 4 nos muestra las principales propiedades mecánicas comparativas entre
el acero y el basalto. En la Figura 2 se muestra la gráfica esfuerzo deformación comparativa.
Tabla 3
Composición química del BCR
Element %
SiO2 58.7
Al2O3 17.2
Fe2O 10.3
MgO 3.82
CaO 8.04
Na2O 3.34
K2O 0.82
TiO2 1.16
P2O5 0.28
MnO 0.16
Cr2O3 0.06
Nota: Adaptado de “Sustainability of RCC Structures Using Basalt
Composite Rebars”, (p.160), por Subramanian, 2010.
-
19
Tabla 4
Comparación de varillas de acero (Steel Rebar) con barras de refuerzo compuestas de basalto (BCR)
Item Characteristics SR BCR Comments
1 Density, g/cm3 7.8 1.95
BCR in 4 times lighter than
SR
2 Weight of 1 linear meter,
kg
10 mm diameter 0.617 0.15
12 mm diameter 0.888 0.221
3 Ultimate strength, N/mm2
Tensile 485 1200 BCR is more than 2 times
stronger than SR
Compressive 485 420
4 Young's Modulus, GPa 200 52-57
5 Thermal conductivity
coefficient, kcal/(hr m °C) 38 0.35-0.59
BCR has 66-111 times less
heat conductivity than SR
6
Coefficient of linear
thermal expansion, 10-6
m/m K
12 1.0 Expansion of BCR is 12
times less than SR
7 Amount of 1 metric ton of
rebars, linear meters
With BCR we can transport
4 times more rebars at a time 10 mm diameter 1621 5848
12 mm diameter 1126 4330
8 Percentage elongation 14.5 2.2 BCR not suitable for EQ
zones
9 Poisson's Ratio 0.3 NA
Nota: Adaptado de “Sustainability of RCC Structures Using Basalt Composite Rebars”, (p.160), por
Subramanian, 2010.
Figura 2. Comparación de las curvas esfuerzo deformación del FRP y el Acero. Adaptado de “FRP
Reinforcement for Structures”
Fuente: Prince Engineering. (2011)
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En consulta a otras fuentes de los resultados del ensayo a tracción de varillas de basalto se
obtiene la siguiente Tabla 5, donde se compara el esfuerzo máximo, deformación unitaria y el
módulo elástico, asimismo, se muestra la Figura 3 de las mismas comparaciones.
Tabla 5
Esfuerzo, deformación unitaria y módulo de elasticidad de las varillas de basalto ensayadas
Autores Esfuerzo axial
máximo (MPa)
Deformación unitaria
máxima (mm/mm)
Módulo de
elasticidad
(GPa)
Ovitigala et al. (14mm) 1,082 .020 54.1
Brik et al. (13mm) 1,379 .025 55.2
Subramanian (14mm) 1,410 .025 56.4
Valles 1,200 .025 48.0
Adhikari (3mm) 2,400 .030 80.0
Ovitigala (6mm) 1,103 .030 36.8 Nota: Elaboración propia, 2020.
Figura 3. Esfuerzo deformación, otros autores.
Fuente: Elaboración propia. (2020)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
Esf
uer
zo (
Mpa)
Deformación (mm/mm)
Ovitigala et al. (14mm)
Brik et al. (13mm)
Subramanian (14mm)
Valles
Adhikari (3mm)
Ovitigala (6mm)
-
21
Capítulo III: Hipótesis y Variables
3.1 Hipótesis
3.1.1 Hipótesis General.
El efecto del basalto como refuerzo en el concreto mejora su comportamiento estructural en
losas macizas.
3.1.2 Hipótesis Específicas.
a. Las propiedades mecánicas del basalto son comparables a las del acero de refuerzo
convencional presentando cierta ventaja.
b. Las losas macizas de concreto reforzadas con varillas de basalto tendrán niveles de
resistencia mecánica comparables con las obtenidas en el caso de losas reforzadas
con varillas de acero convencionales visualizadas en los diagramas momento
curvatura.
c. Se presenta buena resistencia mecánica para diseños por servicio para losas
reforzadas con varillas de basalto.
d. Las deflexiones de las losas macizas de concreto armado reforzadas con varillas de
basalto son mayores que las losas macizas reforzadas con varillas de acero.
3.2 Identificación de las Variables
Las variables de estudio se muestran en la Tabla 6 las cuales son: varillas de basalto, varillas de
acero, comportamiento estructural de en losas de concreto.
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22
Tabla 6
Definición conceptual de las variables
Definición conceptual
Varillas de basalto Varillas de acero
Según Subramanian (2010) define “las
varillas de basalto son materiales
anisotrópicos que implican la variación de las
propiedades mecánicas en dirección
longitudinal y transversal. La anisotropía de
las varillas de basalto es el resultado del
hecho de que las propiedades longitudinales
están gobernadas por las propiedades de la
fibra, mientras que las propiedades
transversales y de corte están gobernadas por
las propiedades de la resina” (p.158).
Según Ottazzi (2015) menciona que “(…) las
barras de acero longitudinal, colocadas cerca
de la superficie en tracción, se encargan de
resistir las tracciones originadas por la
flexión. Adicionalmente se suele colocar
refuerzo transversal, en la forma de estribos,
que ayudan a resistir los esfuerzos de
tracción diagonal en el concreto causados por
las fuerzas cortantes” (p.43).
Comportamiento estructural
El comportamiento estructural se rige específicamente por dos factores. El primero, Según
Ottazzi (20154) menciona “el diagrama momento curvatura es la representación gráfica del
lugar geométrico definido por los momentos flectores y las curvaturas asociadas a los
mismos para una sección determinada” (p.110). Y el segundo, Herrera, Rodriguez, Gomez,
y Bolaño (2018) define “la deflexión es la deformación que se presenta en un elemento al
ser aplicada una fuerza sobre el mismo, siendo generada por una flexión interna o también
puede decirse que es una respuesta estructural ante la aplicación de cargas” (sección de
Teoría, párr.1).
Nota: Elaboración propia, 2020.
3.3 Operacionalización de las Variables
En la Tabla 7, Tabla 8 y Tabla 9 se muestran la operacionalización de las variables
mostrados en la Tabla 6.
-
23
Tabla 7
Operacionalización de la variable "Varillas de Basalto"
Dimensiones Indicadores
Propiedades del basalto
-Esfuerzo
-Deformaciones
-Rigidez
-Modulo elástico
Nota: Elaboración propia, 2020.
Tabla 8
Operacionalización de la variable "Varillas de Acero"
Dimensiones Indicadores
Propiedades del acero
-Esfuerzo
-Deformaciones
-Rigidez
-Modulo elástico
Nota: Elaboración propia, 2020.
Tabla 9
Operacionalización de la variable "Comportamiento Estructural"
Dimensiones Indicadores
Diagrama momento curvatura
-Inicio de agrietamiento
-Fluencia del material
-Momento ultimo
Resistencia por servicio -Esfuerzo
-Deflexiones máximas admisibles
Deflexiones -Carga
-Sección fisurada
Nota: Elaboración propia, 2020.
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24
Capítulo IV: Metodología
4.1 Tipo y Diseño de Investigación
4.1.1 Tipo de Investigación.
El tipo de investigación según el objeto de estudio fue aplicativo porque:
Busca el conocer para hacer, para actuar, para construir, para modificar para actuar, basándose en
resolver los problemas de la manera más práctica, con un margen de generalización limitado, asimismo
la información obtenida a través de esta investigación debería ser también aplicable en cualquier lugar
y por tanto ofrece oportunidades significativas para su difusión (campaña de concientización). (Zorrilla,
1993, p.43)
Esta investigación también presentó un estudio experimental, debido que “la hipótesis se
verifica mediante la manipulación deliberada por parte del investigador de las variables,
determinando la relación causa efecto de un fenómeno físico (…)” (Borja, 2012, p.13).
Asimismo, la investigación fue de tipo cuantitativa, debido que se usó magnitudes numéricas
debido a la recolección de datos los cuales fueron analizados y verificados para probar que
cumplan las respectivas hipótesis.
4.1.2 Diseño de Investigación.
En primer lugar, se tuvo la recolección de información sobre losas macizas y vigas de concreto,
reforzados con varillas de acero corrugado y basalto, que fueron ensayados en laboratorios por
los diferentes investigadores (Brik, 1998 y 2003; Adhikari, 2009; Ovitigala, 2012 y Mahroug,
2013), estos sirvieron para la obtención de información de los ensayos preexistentes.
En segundo lugar, se tuvo el aspecto numérico donde se diseñaron las losas macizas
reforzadas con basalto y acero. Utilizando ecuaciones numéricas y de diseño propuestos por el
American Concrete Institute (ACI) 440.
Y finalmente, se procedió al ensayo experimental para los diseños de las losas macizas con
refuerzo de basalto. Los cuales pasaron una etapa de evaluación y análisis con la finalidad de
obtener las pérdidas de ductilidad de deformaciones por flexión, la resistencia máxima y la
-
25
respuesta final. Estos fueron comparados con los modelos numéricos realizados y mediante el
software SAP2000.
4.2 Población y Muestra
4.2.1 Población.
La población lo constituyen todas las losas unidireccionales y bidireccionales, que según su
composición se clasifica en losas macizas, aligeradas, lamina acanalada de acero (losacero) y
placa fácil.
4.2.2 Muestra.
En esta investigación se utilizó un muestreo no probabilístico, haciendo uso del método de
juicio por experto. Se tomó en cuenta la opinión de un Ingeniero experto en el campo para
hallar el tamaño de la muestra. Se determinó realizar un total de seis (06) losas macizas
unidireccionales, de los cuales tres (03) losas macizas unidireccionales fueron reforzadas con
basalto y otras tres (03) losas macizas unidireccionales reforzadas con acero, finalmente estas
fueron ensayadas para entender los objetivos, responder las preguntas de investigación y
validar las hipótesis.
4.3 Técnicas e Instrumentos de Investigación
4.3.1 Técnicas.
La técnica que se utilizó para esta investigación fue por observación estructurada, debido que
sabemos exactamente lo que queremos investigar. Así mismo se utilizó la técnica por
observación de laboratorio. Estas técnicas nos permitieron realizar una descripción detallada y
sistemática que permitió finalmente validar las hipótesis.
4.3.2 Instrumentos.
Los recursos a emplear para la recolección de datos fueron:
Fichas técnicas
Grabaciones
-
26
Fotografías
Lista de datos
Escalas
Sistema de medición como Linear Variable Differential Transformer (LVDT)
Monitoreo computacional mediante software del esfuerzo vs deformación
Manejos de software SAP2000
Validez: Las evidencias de la validez se dieron por el personal del laboratorio quien aportó
con las consultas de juicio por expertos, así mismo nos brindó los formatos propuestos para los
respectivos ensayos.
Confiabilidad: La confiabilidad se dio por el número de ensayos que se propuso a realizar,
la muestra es considerada representativa debido que fue consultado por juicio de experto a un
Ingeniero especialista en el tema.
4.4 Procedimiento de Recolección de Datos
Las losas macizas unidireccionales reforzadas con basalto y acero fueron ensayos en el
laboratorio, donde se tomó los datos de las mediciones haciendo uso los instrumentos
mencionados. Las datas fueron analizados y comparados para la validación de las hipótesis
acordes a sus indicadores propuestos en la definición de variables.
Capítulo V: Análisis y Discusión de Resultados
5.1 Estudio del Comportamiento Mecánico del Basalto
La determinación del comportamiento mecánico de un elemento estructural depende
directamente de las propiedades y características mecánicas de los materiales que lo componen.
De hecho, como se recuerda de la teoría de vigas de concreto reforzados con varillas de acero,
el comportamiento mecánico de estos elementos se ve estrechamente vinculado con la cantidad
de acero provisto, así, si la cuantía de acero está por debajo de una magnitud, denominada
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27
dentro de esta teoría como cuantía balanceada, se puede asegurar que el comportamiento tendrá
un comportamiento dúctil, es decir, exhibirá grandes deformaciones antes de la falla; mientras
que si la cuantía excede la cuantía balanceada es de esperarse un comportamiento frágil,
dominada por la resistencia a compresión del concreto.
Si en lugar de usar varillas de acero se usaran varillas de otros materiales, se puede concluir
que probablemente el comportamiento de los elementos estructurales fabricados de esta manera
tengan un comportamiento abiertamente diferente del que se obtendrá con las típicas varillas
de acero, y dado que el objetivo de este trabajo de investigación es conocer el comportamiento
de las losas macizas de concreto reforzadas mediante varillas de basalto, el primer paso lógico
será la determinación de las características mecánicas de tales varillas.
En este sentido se ha establecido que la mejor manera de obtener tal información es mediante
un ensayo de esfuerzo uniaxial de tensión en varillas de basalto, al mismo estilo de las aplicadas
cuando se ensaya el acero de refuerzo convencional. Para esto se harán uso de varillas de
basalto de 12 mm y 14 mm de diámetro, con longitudes libres entre sujetadores de 30 cm. Es
importante mencionar que el ensayo comentado se llevó a cabo en el Laboratorio de Estructuras
del Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID)
en la Facultad de Ingeniería Civil (FIC) de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI).
5.2 Disposición de Ensayo para Varillas de Basalto
La máquina de ensayo de tracción universal del Laboratorio de Estructuras del CISMID-FIC-
UNI usada para la realización de este ensayo se muestra en la Figura 4. Como se puede observar
en esta imagen, las muestras de varillas usadas para la realización de este ensayo tuvieron una
longitud de 50 cm, dejando una longitud libre de 30 cm entre los sujetadores.
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Figura 4. Ensayo de las varillas de basalto en una máquina de ensayo de tracción del CISMID-FIC-UNI.
Fuente: Elaboración propia. (2020)
Figura 5. Estado previo al ensayo y después del ensayo,
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