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Profesor: Jos Luis Seguel R.
Ctedra Ao 2005
Doc: 2005 Hormigon 01 - IC406
AAPPUUNNTTEESS DDEE CCLLAASSEESS
HHOORRMMIIGGNN AARRMMAADDOO
Profesor:
Ing. Jos Luis Seguel Ramrez
Ao 2005
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expresa del autor.
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Estos apuntes de clases,
construidos con las revisiones y comentarios de cada semestre,
pretenden entregar una visin simplificada del diseo
y ser una gua para el aprendizaje del Hormign Armado.
Desde ya cualquier alcance, errores y/o sugerencias sern muy bienvenidas.
JLS
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I. CARACTERSTICAS DEL HORMIGN ARMADO
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CONTENIDO
I. CARACTERSTICAS DEL HORMIGN ARMADO....................................................................5
1.1 INTRODUCCIN..........................................................................................................................5
1.2 HISTORIA DEL HORMIGN .....................................................................................................9
1.3 FUNCIONAMIENTO Y SEGURIDAD ESTRUCTURAL ........................................................14
1.4 CLASIFICACIN DEL HORMIGN ESTRUCTURAL .........................................................16
1.4.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIN .............................................................................................. 16
1.4.2 RESISTENCIA A LA FLEXOTRACCIN ....................................................................................... 16
1.4.2 TIPO DE HORMIGN ...................................................................................................................... 16
1.4.4 PRESENCIA DE ARMADURA DE REFUERZO ............................................................................ 18
1.4.5 DENSIDAD APARENTE................................................................................................................... 19
1.4.6 TAMAO DE ARIDO ........................................................................................................................ 19
1.4.7 OTROS HORMIGONES .................................................................................................................... 19
1.5 PRINCIPALES PROPIEDADES DEL HORMIGN...............................................................20
1.5.1 RETRACCIN DE FRAGUADO ...................................................................................................... 20
1.5.2 DILATACIN TRMICA Y CONDUCTIVIDAD............................................................................ 21
1.5.3 DENSIDAD......................................................................................................................................... 22
1.5.4 COMPACIDAD................................................................................................................................... 22
1.5.5 PERMEABILIDAD ............................................................................................................................ 22
1.5.6 DOCILIDAD ....................................................................................................................................... 23 1.5.6.1 CONO DE ABRAMS ..................................................................................................................................... 23
1.5.7 COEFICIENTE DE POISSON.......................................................................................................... 25
1.6 DOSIFICACIN..........................................................................................................................26
1.6.1 MTODO DE FAURY ....................................................................................................................... 27
1.6.2 GRADOS DE CEMENTO NCh 148 of 68 ......................................................................................... 28
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1.7 ADITIVOS PARA HORMIGN.................................................................................................30
1.8 RESISTENCIA DEL HORMIGON............................................................................................33
1.8.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIN .............................................................................................. 33
1.8.2 RESISTENCIA A LA TRACCIN .................................................................................................... 34 1.8.2.1 OTRAS APROXIMACIONES PARA LA RESISTENCIA A LA TRACCIN.................................................. 35
1.9 ENSAYOS DEL HORMIGN ....................................................................................................36
1.9.1 MTODOS DIRECTOS ..................................................................................................................... 36 1.9.1.1 ENSAYO DE COMPRESIN........................................................................................................................ 37 1.9.1.2 ENSAYO DE FLEXOTRACCIN ................................................................................................................. 38 1.9.1.3 ENSAYO DE TRACCIN INDIRECTA O HENDIMIENTO......................................................................... 38
1.9.2 MTODOS NO DESTRUCTIVOS O INDIRECTOS. ...................................................................... 39
1.10 MDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGN ................................................................41
1.10.1 MODULO DE ELASTICIDAD........................................................................................................ 42
1.11 ANLISIS ESTADSTICO .......................................................................................................43
1.11.1 DEFINICIONES............................................................................................................................... 44
1.11.2 CRITERIO DE RESISTENCIA CARACTERSTICA.................................................................... 45 1.11.2.1 CONTROL DE CALIDAD DE LAS MUESTRAS DE HORMIGN............................................................ 47 1.11.2.2 PLANTA DE PREFABRICADOS................................................................................................................ 48
1.11.3 CRITERIO MVIL DE RESISTENCIAS SUCESIVAS................................................................ 48
1.11.4 RESISTENCIAS DEFECTUOSAS ................................................................................................. 50
1.12 ARMADURAS PARA HORMIGN ARMADO.......................................................................52
1.12.1 ACERO .............................................................................................................................................. 52
1.12.2 TIPOS DE ARMADURAS EN CHILE............................................................................................ 54
1.12.3 REQUISITOS PARA LA ARMADURA........................................................................................... 55 1.12.3.1 DIMETROS DE BARRAS PARA HORMIGN ARMADO ....................................................................... 55 1.12.3.2 ESPACIAMIENTO ENTRE BARRAS.......................................................................................................... 57 1.12.3.3 ESPACIAMIENTO PARA ESPIRALES....................................................................................................... 58 1.12.3.4 DOBLADO DE BARRAS............................................................................................................................. 59 1.12.3.5 UNIONES EN EL ACERO .......................................................................................................................... 60
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1.12.4 PROTECCIN DE LA ARMADURA.............................................................................................. 62
1.13 DEFINICIONES Y NORMAS ..................................................................................................65
1.13.1 DEFINICIONES............................................................................................................................... 65
1.13.2 NORMAS DE DISEO Y FABRICACION .................................................................................... 70
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I. CARACTERSTICAS DEL HORMIGN ARMADO
1.1 INTRODUCCIN
El Hormign es un material que se obtiene mediante una mezcla cuidadosamente
proporcionada de cemento1 (prtland o hidrulico), arena y grava (y/o gravilla) u otro agregado, y
agua limpia; mezcla que se endurece con la forma y dimensiones de la estructura deseada. El
cemento (aglomerante) y el agua interactan qumicamente para unir las partculas de agregado y
conformar de esa manera una masa slida. El agua, adems de ser necesaria para la reaccin
qumica, permite la manejabilidad o trabajabilidad adecuada tal que llene todos los espacios del
moldaje y rodee el acero de refuerzo embebido en l, antes que se inicie el fraguado. Los ridos
de la mezcla son los materiales ptreos de partculas duras y de forma y tamao estable en el
tiempo (esqueleto de la mezcla).
Existen 3 requisitos bsicos que debe cumplir todo elemento de Hormign; estos
son los siguientes:
i. Trabajabilidad docilidad:
Capacidad que tiene el elemento de hormign para adaptarse a las condiciones de
traslado, colocacin y compactacin en el lugar definitivo dentro de una obra
especifica.
ii. Resistencia:
El hormign al endurecer (mediante el proceso de fraguado) debe cumplir con la
capacidad de soportar las cargas para la cual fue diseado.
iii. Durabilidad:
El hormign debe permanecer inalterable en el tiempo, siendo capaz de soportar
acciones mecnicas como el desgaste o abrasin, las condiciones climticas y otros
ambientes fsicos o qumicos agresivos. Adems, requiere de una mnima o nula
mantencin en el tiempo.
Las propiedades pueden cambiar si se trata de hormigones de alta resistencia
(donde se utiliza como aglomerantes cenizas volcnicas y slice); de hormigones con agregados
especiales (como los diversos agregados ligeros o pesados); con aditivos, y con mtodos
1Cemento: material pulverizado que por adicin de una cantidad conveniente de agua forma una pasta conglomerante capaz de endurecer tanto bajo el agua como en el aire. Cementos chilenos = clinker +yeso +adicin (puzolana, escoria, etc.).
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especiales de curado (curado de vapor).
En general, estas propiedades mecnicas y fsicas dependen de muchos factores,
destacando en gran medida los siguientes:
Proporciones de la mezcla de hormign (dosificacin).
Cuidado con el cual se mezclen los materiales constitutivos del hormign,
(cemento, ridos, aguas, aditivos, etc.) durante su colocacin en su posicin
definitiva y durante el curado del mismo.
Condiciones ambientales de humedad y temperatura, desde que se coloca el
hormign hasta que fragua (curado).
Supervisin y control de las actividades de fabricacin del hormign, desde el
peso de los materiales, mezclado, vaciado, y curado del hormign.
Fotografa Faenas de la colocacin de la enfierradura en un dado de fundacin para un muro de
contencin
Las principales ventajas y desventajas del hormign como material de construccin
frente a otros materiales, como por ejemplo el acero o la madera, se pueden enumerar a
continuacin:
Actualmente, el hormign es el material ms resistente y ocupado en la
construccin de edificios y obras civiles.
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Facilidad cuando se encuentra en estado plstico de depositarse y llenar los
moldajes de cualquier forma.
Alta resistencia al fuego, al agua y al clima.
El hormign tiene menor costo que el acero.
El hormign puede fraguar bajo agua.
Por su resistencia a la compresin, es apropiado para elementos sometidos
principalmente a compresin (columnas, arcos).
Requiere de poco mantenimiento, durante su vida til
Larga vida de servicio de las estructuras de hormign.
Requiere mano de obra de baja calificacin para su montaje en comparacin con
otros materiales (por ejemplo, para el acero).
Pequea resistencia a la traccin (material relativamente frgil) en comparacin
a su resistencia a la compresin (straccin 0.10scompresin), lo que impide su
utilizacin econmica en elementos estructurales sometidos a traccin, bien
sea en toda su seccin (barras de amarre) o sobre una parte de sus secciones
transversales (vigas u otros elementos sometidos a flexin).
Requiere moldajes para mantener el hormign en posicin hasta que endurece
suficientemente.
Fotografa Detalle de moldajes para una obra de hormign armado
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Para evitar el problema de la baja resistencia a la traccin del hormign, a partir del
siglo XIX, se empez a utilizar el acero por su alta resistencia a la traccin para reforzar los
elementos de hormign, en especial, en aquellos sitios donde la baja resistencia a la traccin limita
la capacidad de carga del elemento.
La combinacin del acero con el hormign se conoce como Hormign Armado,
material que combina el costo relativamente bajo, la buena resistencia al fuego y al clima, la buena
resistencia a la compresin y adaptabilidad a todas las formas del hormign, y la alta resistencia
del acero a la traccin y la mayor ductilidad y dureza del acero. Estos dos materiales se adhieren
muy bien entre si, y no hay deslizamientos entre ambos, por lo tanto, funcionan en forma conjunta,
debido a la adherencia qumica entre ambos, a la rugosidad de las barras y a al estrecha
separacin de las estras de las barras.
Cabe destacar que en los ltimos tiempos, se ha mejorado notoriamente la calidad
del acero de refuerzo usada en el hormign armado (aproximadamente 4 veces el acero comn);
y la resistencia a la compresin del hormign, a costos relativamente bajos, lo que permite tener
hormigones cada vez mejores: ms resistentes, ms esbeltos y capaces de lograr luces mayores,
llegando inclusive a hormigones de resistencia a la compresin de 1200 [kg/cm2].
Para mas detalles de estos nuevos materiales, ver hormigones HPC, High
Perfomance Concrete, y aceros HPS, High Performance Steel.
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1.2 HISTORIA DEL HORMIGN2
El Hormign, en su concepto ms general de masa constituida por materiales
ptreos ligados con productos aglomerantes, fue utilizado por el hombre desde los albores de la
civilizacin en la construccin de diversas obras, muchas de las cuales causan admiracin, an en
nuestros das, por su magnitud, belleza, resistencia y extraordinaria durabilidad.
El desarrollo histrico de su tecnologa no es an suficientemente conocido, debido
a que los avances tecnolgicos logrados en las diversas pocas por las distintas civilizaciones se
han perdido al desaparecer o decaer stas.
Sin embargo, con los actuales antecedentes disponibles podemos distinguir tres
etapas en el desarrollo tecnolgico del hormign:
1. Una primera etapa abarca principalmente el perodo comprendido entre 7.000
A.C. hasta las cercanas del siglo I A.C. y se caracteriza por la utilizacin de aglomerantes en la
unin de bloques constituidos tanto por materiales naturales (roca) como elaborados (ladrillos
cermicas).
El primer aglomerante conocido fue aparentemente la arcilla, ligante utilizado
especialmente en las construcciones babilnicas y asiras. Posteriormente, se utiliz tambin el
yeso, principalmente en las construcciones egipcias. Finalmente, los griegos emplearon
extensamente aglomerantes sobre la base de cales grasas simples, material que aparentemente
fue ya conocido por civilizaciones ms antiguas.
2. La segunda etapa, ms conocida actualmente, corresponde al importante
desarrollo tecnolgico logrado por los romanos desde el siglo I A.C., que les permiti obtener
propiamente un hormign semejante al que conocemos hoy, que, adems de constituir un
producto que ligaba bloques, poda utilizarse, mezclando puzolana con cal, materiales ptreos y
cascotes de ladrillo, para moldear en sitio partes de estructuras y estructuras completas.
Con este producto se gener una revolucin tecnolgica en la construccin, que
permiti mejorar la calidad de las fundaciones, simplificar los procedimientos constructivos y
construir elementos de grandes dimensiones y de gran belleza, resistencia y durabilidad.
2Citado de Compendio de Tecnologa del Hormign, Instituto Chileno del Cemento y del Hormign, 1988
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Un ejemplo de obra de hormign moldeado en sitio lo constituye el domo del
Panten romano, construido en el siglo I D.C., de 43.4 metros de dimetro (levemente superior al
de la Baslica de San Pedro), que se mantiene en excelente estado de conservacin despus de
casi veinte siglos de existencia.
Algunos aspectos de este importante desarrollo del hormign ha llegado a nuestros
das, entre otros antecedentes, por el libro "DeArchitectura", escrito por el ingeniero y arquitecto
romano Vitruvio en el siglo 1 A.C., en el cual describi la tecnologa utilizada en esa poca. Las
actuales denominaciones "cemento" y "puzolana" derivan del trmino "opus coementitium" con que
los romanos designaban al hormign, y del nombre de un puerto cercano a Roma, Puzzuoli, en
cuya vecindad se extraa el mencionado material volcnico, que mezclado con cal constitua un
cemento natural.
Es significativo lo que deca Vitruvio en relacin con la puzolana: "Tambin hay una
clase de polvo que, por causas naturales, produce resultados asombrosos. Se le encuentra en la
vecindad de Bata y Putuoii (Puzzuoli) y en los pueblos alrededor del Monte Vesubio. Esta
sustancia, cuando es mezclada con cal y cascotes o piedras, no solamente provee resistencia a
construcciones de todo tipo, sino que cuando se construyen pilares en el mar, endurece bajo el
agua de tal manera que ni las olas ni la fuerza del agua pueden disolver". Esos pilares, an
existentes, tienen ms de 2.000 aos de antigedad.
La tecnologa lograda por los romanos se perdi al decaer la vitalidad del Imperio y
ser invadido por otros pueblos.
3. Fue slo en el siglo XIX cuando se inicia la tercera y actual etapa, con el
redescubrimiento del hormign a travs de la obtencin, en Francia e Inglaterra, del cemento como
ligante hidrulico, complementado a comienzos del presente siglo con la utilizacin, en Italia, de
los cementos puzolnicos. La tecnologa del hormign en esta etapa adquiri de inmediato un
extraordinario ritmo de perfeccionamiento debido al esfuerzo sistemtico de investigacin aplicada
desde el siglo pasado.
Posteriormente al descubrimiento de Smeaton, en 1756, sobre el uso de buenos
morteros para reconstruir el faro de Eddyston, el cemento fue desarrollado a partir de las
investigaciones del francs Vicat en 1818 y del escocs Aspdin, quien lo patent en 1824 con el
nombre de cemento Portiand, por la denominacin romana del hormign y por la similitud del
producto obtenido con las rocas de la isla de ese nombre.
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Entre las investigaciones posteriores de mayor importancia pueden citarse, entre
otras, las desarrolladas por:
- Johnson, en 1884, en relacin con el proceso de clinquerizacin, que permiti la produccin
industrial del cemento.
- De Preaudeau, en relacin con la determinacin de la compacidad de las arenas.
- Alexandre, sobre los procedimientos para la determinacin del agua de mojado de las arenas y
la influencia de la temperatura sobre el fraguado de la pasta de cemento.
- Frt, tambin sobre la determinacin de la compacidad y el agua de mojado de las arenas y una
de las propiedades bsicas del hormign, la influencia de la razn agua/cemento sobre la
resistencia de los morteros.
- Abrams, quien investig sobre la medicin de la trabajabilidad de los hormigones, desarrollando
el cono que lleva su nombre para este objeto, ide la nocin de mdulo de finura de los ridos,
destinado a sintetizar su granulometra en una sola cifra, y que tambin lleg, paralelamente con
Frt, a la relacin entre resistencia y razn agua/cemento.
- Diversos investigadores italianos, en relacin con la influencia de la puzolana en las
caractersticas del cemento.
Ellas han sido enriquecidas por un sinnmero de investigaciones, entre las que es
importante destacar las relacionadas con el uso de otros materiales (fierros, fibras, etc.), y con
diversos aditivos que han permitido adaptar sus caractersticas a las necesidades de los distintos
tipos de obras.
Estas aplicaciones han permitido perfeccionar la tecnologa de, entre otros, los
siguientes tipos de hormigones:
* Hormign armado. La primera aplicacin del hormign armado se registra en
1850, ao en que Lambot construy una pequea barca de hormign reforzado con barras de
acero. Posteriormente, en 1867, Coignet y Monier presentaron en la Exposicin de Pars diversos
elementos, como vigas, bvedas, tubos, depsitos para lquidos, etc.
Wayss public en 1887 el primer texto sobre hormign armado, en el cual se
esbozan por primera vez los conceptos para el diseo con este material, a partir del cual se inicia
su uso intensivo en diferentes tipos de estructuras. Diversos investigadores contribuyeron a
aumentar el conocimiento, pudiendo citarse a Hyatt, Ransome, Melan, Bauschinger, Koenen y
muchos otros.
Actualmente se profundizan los estudios relativos a la fisuracin y rotura del
hormign, los que permiten precisar el diseo de los elementos de hormign armado.
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* Hormigones en grandes masas. La construccin de las grandes presas
americanas en la dcada del treinta, hace necesario profundizar los conocimientos relativos a los
problemas trmicos en el hormign colocado en grandes masas.
Por este motivo, principalmente en EE.UU., en el Bureau of Reclamation, se
efectan profundos estudios para determinar la influencia de los distintos factores que condicionan
estos procesos y los procedimientos para controlar sus efectos, especialmente en la fisuracin del
hormign.
En la actualidad se han refinado en gran forma los sistemas de anlisis, mediante la
utilizacin en computador del mtodo de elementos finitos.
* Hormigones pre y post-tensados. Su empleo fue impulsado principalmente para
la construccin de puentes de grandes luces. La primera idea al respecto se atribuye a Freyssinet,
quien, adems construy grandes obras de ingeniera aplicndolo.
El empleo del hormign pre y post-tensado ha hecho a su vez necesario el
conocimiento del comportamiento elasto-plstico del hormign, aspecto que an se est
profundizando, en particular en lo que concierne a su prediccin.
* Hormigones para obras hidrulicas. El tamao cada vez mayor de las obras de
conduccin y de evacuacin de grandes caudales hace necesario 'profundizar el conocimiento de
los efectos sobre el hormign de los flujos con escurrimientos de alta velocidad, y
consecuentemente de los procesos de erosin y cavilacin.
Ellos derivan en el desarrollo de los hormigones con alta resistencia superficial, de
las especificaciones de terminacin de superficies y actualmente han derivado hacia la proteccin
de los efectos de la cavilacin mediante la incorporacin de aire en el agua en escurrimiento.
* Pavimentos. La pavimentacin de grandes obras de vialidad, en especial de las
autopistas de alta velocidad de circulacin ha impulsado el conocimiento del empleo de los
hormigones de muy baja fluidez y alta calidad de terminacin superficial, y de los equipos de
construccin asociados a su uso.
Por otra parte, la importancia de los efectos ambientales sobre elementos de
pequeo espesor como son los pavimentos, especialmente de los ciclos de hielo - deshielo,
condujeron al conocimiento de los aditivos incorporadores de aire.
* Hormigones especiales. Adicionalmente se han investigado numerosos tipos de
hormigones especiales, con propiedades distintas de las de los hormigones convencionales, como
ser los hormigones livianos, proyectados, pesados, expansivos, preempacados, etc., destinado
cada uno a usos especficos o a resolver o facilitar la construccin de obras de ingeniera para
vivienda, obras subterrneas, centrales nucleares, etc.
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De esta manera, en la actualidad se posee un buen nivel de conocimiento de
muchas de las caractersticas y propiedades del hormign, que est posibilitando la construccin
de todo tipo de obras necesarias al desarrollo eficiente de la construccin en el mundo. Por otra
parte, el creciente impulso de la investigacin en esta materia permite prever un continuo
perfeccionamiento de su tecnologa para adaptarse a las necesidades del futuro.
En lo que concierne a la evolucin del empleo del hormign en nuestro pas, no hay
antecedentes histricos muy completos y los existentes se relacionan preferentemente con su uso
en elementos de Hormign Armado.
Estos se inician en 1906 con la construccin, no terminada, de una estructura de
albailera armada denominada "Casa Pra", y continan con otras tales como el puente de Quillota
sobre el estero Via, la Maestranza de San Bernardo, el Club Hpico de Santiago y los puentes del
Ferrocarril de Pa a Traigun, la mayora ejecutados por la Compaa Holandesa de Cemento
Armado, instalada en 1906 en nuestro pas.
Otro hito importante lo constituye la apertura en 1906 de la Fbrica de Cemento
Meln, la primera abierta en Chile.
Posteriormente, el empleo del hormign se extiende a numerosas obras,
principalmente de vialidad, puentes, centrales hidroelctricas, instalaciones industriales, etc.,
pudiendo decirse que a la fecha constituye el principal material de construccin en nuestro pas.
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1.3 FUNCIONAMIENTO Y SEGURIDAD ESTRUCTURAL
Una estructura, en general e independientemente del material con el cual se
construye, debe estar diseada para ser segura contra el colapso (resistencia) y funcional en su
uso (servicio) para que cumpla con los propsitos con que fue concebida
En trminos simples, esto quiere decir que una estructura debe tener:
- Funcionamiento, que implica tener una estructura con deformaciones
pequeas, grietas bajo limites tolerables y admisibles, vibraciones minimizadas,
de acuerdo al tipologa estructural considerado para la estructura y al uso al que
este destinado durante su vida til (capacidad a servicio).
- Seguridad, que implica tener una resistencia de la estructura adecuada para
todas las cargas esperadas, la que se puede garantizar proporcionando una
capacidad de carga ligeramente superior que la requerida por las cargas
conocidas (capacidad para resistencia).
Fotografa Edificio construido con hormign, el cual debe satisfacer los requisitos resistencia y
serviciabilidad durante toda su vida til
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Sin embargo, existen diversas incertidumbres provenientes del anlisis, diseo y
construccin de las estructuras de hormign armado, las cuales requieren contar con un adecuado
margen de seguridad definido, y que pueden relacionarse de la siguiente manera:
Las cargas reales pueden diferir de las cargas supuestas (por ejemplo: cambios
de usos de la estructura, posterior a su ejecucin).
Las cargas reales sobre la estructura pueden estar distribuidas de manera
diferente a la supuesta.
Las hiptesis usadas en el diseo de la estructura pueden resultar diferentes que
lo supuesto.
El comportamiento real puede ser distinto del supuesto, debido a conocimiento
limitado de esta.
Las dimensiones reales pueden ser distintas de las especificadas (problemas de
construccin, tolerancias, etc.).
La colocacin de armadura en los elementos de hormign puede estar en un
lugar incorrecto en el elemento, debido a una mala ejecucin.
La resistencia de los materiales puede ser distintos a lo esperado (baja
resistencia, mala dosificacin del hormign, etc.).
Se debe tener en cuenta las consecuencias de una falla de una estructura, que
puede pasar desde una pequea incomodidad a perdidas de vidas y grandes daos econmicos;
razn por lo cual, siempre se preferir una falla gradual ( dctil), con advertencia suficiente y que
permita tomar medidas preventivas adecuadas, frente a una falla que colapse sbita e
inesperadamente.
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1.4 CLASIFICACIN DEL HORMIGN ESTRUCTURAL
Se entiende por hormign estructural todo hormign usado para fines estructurales,
incluyendo tanto al hormign simple (sin armadura de refuerzo) como al hormign con armadura
no pretensada, hormign pre post-tensada, o con secciones compuesta con perfiles de acero o
tuberas.
1.4.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIN
El hormign se clasifica principalmente por su resistencia a compresin medida en
probetas cbicas normalizadas, de acuerdo con la normalizacin vigente, NCh 1017 y NCh 1037,
ensayadas a los 28 das.
La norma NCh 170 of 85 establece una clasificacin del hormign en grados segn
la resistencia especificada a la ruptura por compresin a los 28 das, medida en probetas cbicas
de 20.0 [cm] de arista.
Ejemplo: cuando se tiene un hormign clasificado como H30, quiere decir que para
este hormign se tendr una resistencia cbica a la compresin medido a los 28 das de 30.0
[MPa], 300.0 [kg/cm2].
1.4.2 RESISTENCIA A LA FLEXOTRACCIN
La norma NCh 170 of 85 tambin clasifica al hormign de acuerdo a su resistencia a
la flexotraccin a los 28 das, medida en probetas prismticas de 15x15 [cm] de seccin y 50 a 60
[cm] de longitud.
Ejemplo: cuando se indica un hormign HF4, quiere decir que se esta especificando
una resistencia a la flexotraccin de 4.0 [MPa], equivalentemente, 40.0 [kg/cm2].
1.4.2 TIPO DE HORMIGN
Los hormigones pueden tener distintos tipos de uso dentro de una obra, los cuales
se describen a continuacin:
- Hormigones tradicionales:
Son aquellos hormigones que se clasifican principalmente por su resistencia a la
compresin, medida en probetas cbicas normalizadas, de acuerdo a las normas NCh 1017 y NCh
1037, ensayadas a 28 das.
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- Hormign bombeable:
Hormign especial que se conduce bajo presin a travs de un tubo rgido o una
manga flexible, permitiendo transportar grandes volmenes directamente al punto de colocacin
requerido. Poseen mayor contenidos de finos, asentamiento de cono mayor de 8.0 cm, y una
cohesin que impide la exudacin o segregacin bajo presin.
- Hormigones de pavimentos:
Son aquellos hormigones que se clasifican principalmente por su resistencia a
flexotraccin, medida en vigas normalizadas y ensayadas a 28 das, de acuerdo a la norma chilena
NCh 1017.
- Hormigones de alta resistencia:
Existen dos tipos de hormigones de alta resistencia:
i. Hormigones de alta resistencia final, cuando se necesita una resistencia a la
compresin, medida en probetas cbicas o cilndricas normalizadas, de acuerdo a
NCh 1017 y NCh 1037, ensayadas a 28 das, superior a 500 kg/cm2.
ii. Hormigones de alta resistencia inicial, cuando se necesita una resistencia
temprana mayor a la normal, en edades inferiores a 28 das.
- Hormigones de trnsito rpido:
Son aquellos hormigones que se clasifican por su resistencia a flexotraccin,
medida en vigas prismticas normalizadas, de acuerdo a NCh 1017, que tienen la particularidad de
presentar altas resistencias iniciales en edades tempranas (horas o das).
- Hormign liviano:
Hormign que no tienen requisito de resistencia pero si de peso y se clasifican
principalmente por su densidad, la que es inferior a la densidad normal de 2.400 kg/m3. Para lograr
dichas densidades, se fabrican por ejemplo, con perlas de poliestireno expandido (es decir,
aislapol, plumavit, etc.).
- Hormigones autocompactantes:
Permiten una fcil colocacin de la mezcla, facilitando las operaciones de una faena
pesada, dejando una mejor terminacin de la superficie, con una mayor rapidez de hormigonado,
menos contaminacin acstica, ahorro en personal y equipos, y una ptima calidad de los
elementos hormigonados, utilizando aditivos qumicos de ltima generacin y un adecuado diseo
de la mezcla.
-
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- Hormigones de relleno de densidad controlada:
Permiten reemplazar los rellenos tradicionales de excavaciones de tuberas, zanjas
para alcantarillas, rellenos estructurales en obras de arte y puentes, y suelos de subrasantes
inadecuados o de poca capacidad de soporte, logrndose con la adicin de un aditivo incorporador
de aire a un adecuado diseo de mezcla, con lo que se logra mantener una densidad estable en el
tiempo.
1.4.4 PRESENCIA DE ARMADURA DE REFUERZO
Segn la presencia de armadura (o acero) en los elementos de hormign, se puede
hablar de distintos tipos; estos son:
Hormign simple: sin presencia de armadura o enfierradura de refuerzo.
Hormign armado: con presencia de armadura de refuerzo (pasiva).
Hormign pretensado y postensado: presencia de armadura activa, y armadura
pasiva.
Incorporacin de perfiles de acero o tuberas, dentro de la masa de hormign.
Fotografa. Estructura de hormign armado: se destaca la presencia de armadura de refuerzo
antes del hormigonado
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1.4.5 DENSIDAD APARENTE
Segn la densidad que presenta el hormign, que depender de la dosificacin con
se elabora ese elemento, se puede clasificar en los siguientes grupos:
Hormign liviano o ligero: para rellenos, aislante, sobrelosas y otros elementos
no estructurales. Su densidad aparente es 0.3 a 1.8 [ton/m3].
Hormign corriente o normal: La densidad esta comprendida entre 2.0 a 2.8
[ton/m3]. Como valor promedio, y para efectos del calculo, se puede adoptar un
valor constante de 2.4 [ton/m3].
Hormign pesado: Densidad comprendida entre 3.0 a 4.5 [ton/m3].
1.4.6 TAMAO DE ARIDO
Segn las caractersticas de presente una obra en particular, estas pueden ser
dosificados con distintos tamaos de rido, dependiendo de las dimensiones del elemento a
hormigonar, la cuanta de acero, etc., pudindose seleccionar distintos tamaos de ridos, siendo
los ms utilizados los de 40 y 20 [mm]; en casos muy especiales, puede usarse tamaos de 10
[mm]. En cualquier caso, se debe procurar elegir el mayor tamao mximo posible, de acuerdo a la
complejidad de la obra.
Se destaca que el rido grueso recibe el nombre genrico de Grava; cuando
proviene de un ro, cuando es de canto rodado, se le llama ripio, y si proviene de cantera se llama
chancado.
1.4.7 OTROS HORMIGONES
Debido a la gran versatilidad del hormign, se puede utilizar en todo tipo de
edificaciones, civiles o industriales, por que existen hormigones especiales con otros componentes
que se adicionar, tales como fibras (metlicas o no metlicas), con azufre, con polmeros, con
pigmentos para cambiar su color (por ejemplo, para paisajismo), con aire incorporado, para lograr
mayor durabilidad en ciclos de hielo/deshielo, etc.
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1.5 PRINCIPALES PROPIEDADES DEL HORMIGN
1.5.1 RETRACCIN DE FRAGUADO
El hormign al terminar de fraguar y durante el endurecimiento (empieza a secarse),
se contrae al perder agua y evaporarse cuando llega a la superficie, con lo cual pueden aparecer
fisuras o grietas, mediante la aparicin de tensiones de traccin y dejar, por ejemplo, expuesta la
armadura de refuerzo a la atmsfera y a la corrosin.
La retraccin puede explicarse por la perdida paulatina de agua en el hormign.
Debido a este fenmeno, las obras de hormign se realizan por partes separadas por juntas de
dilatacin (por ejemplo, en muros, se tiene como largo mximo solo 15.0 [m]) o conjuntas de
construccin (que se deben tratar adecuadamente para conservar el monolitismo del elemento de
hormign).
Fig. Curva caracterstica de los efectos de la retraccin en el hormign; se observa
que durante los primeros das ocurre la mayor parte de la retraccin
Principales factores que influyen en los efectos de la retraccin en las estructuras de
hormign:
- Tipo, clase y calidad del cemento: ms retraccin a los cementos ms resistentes y
rpidos, a igualdad de las restantes variables.
- Si aumenta el mdulo de finura del cemento, aumenta la retraccin.
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- La presencia de finos en el hormign aumenta considerablemente los efectos de
retraccin.
- La cantidad de agua esta en relacin directa con la retraccin.
- Retraccin aumenta cuando disminuye el espesor del elemento en contacto con el
medio ambiente.
- El hormign armado tiene menos retraccin que el hormign en masa.
Para minimizar los efectos de la retraccin en el hormign es deseable tener las las
siguientes condiciones:
- mantener en un mnimo la cantidad de agua para el mezclado
- proporcionar un buen curado al hormign,
- intercalar juntas de dilatacin y/o construccin para controlar la posicin de las
fisuras, y permitir que parte de la retraccin ocurra antes de hormign la prxima
zona.
- usar armadura para tomar las tensiones de la retraccin.
- usar agregados apropiadamente densos y no porosos.
FORMULA PARA MEDIR EL ACORTAMIENTO DEL HORMIGN:
eo = {0.5 (100-H) + 10} {(0.01C-1)A/C +0.2 }x10-5
donde: eo = Dl / l, deformacin unitaria
H = Humedad ambiental
A/C = Relacin agua cemento
1.5.2 DILATACIN TRMICA Y CONDUCTIVIDAD
Los valores para el hormign de la dilatacin trmica y conductividad son los
siguientes:
Dilatacin Trmica, a:
(no olvidar que e = a Dt)
0.00001
(aacero: 0.00001, muy similar al hormign)
Conductividad: 1.1 a 4.5 [kcal/m2/m/C] (mientras ms compacto es el hormign, mas alto es este valor)
Nota: Al tener el hormign y el acero valores muy similares para la dilatacin
trmica, este material funciona bien frente a la accin del fuego y del hielo (se dilatan y contraen
simultneamente, manteniendo la adherencia entre estos materiales).
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1.5.3 DENSIDAD
La densidad real (relacin entre la masa del rido dividido por su volumen saturado
de humedad), peso especfico del hormign endurecido depende principalmente de los
siguientes factores:
Naturaleza de los ridos a emplear, elegidos durante la dosificacin del
hormign.
Granolumetra de los ridos.
Mtodo de compactacin (s queda mal compactado, se tiene un hormign
poroso, con densidad baja)
El orden de magnitud para la densidad del hormign endurecido de peso normal
para fines estructurales, es de 2.40 [ton/m3], y para el hormign armado, comnmente se adoptara
un valor de 2.50 [ton/m3].
1.5.4 COMPACIDAD
La compacidad es el grado de compactacin que tiene la masa de hormign una vez
consolidada. Se dice que el hormign es compacto cuando se encuentran llenos todos los huecos
de los componentes.
Una buena compacidad proporciona una mayor resistencia mecnica (frente a
esfuerzos, impactos, desgastes, vibraciones, etc.), y una mayor resistencia fsica (ciclo hielo-
deshielo), ya que disminuye el porcentaje de huecos.
1.5.5 PERMEABILIDAD
La permeabilidad del hormign depende principalmente de los siguientes factores:
Relacin A/C, impermeabilidad aumenta con contenido C (aumenta retraccin y
resistencia).
Finura de molido del cemento.
Dosificacin.
Mtodo de consolidacin, impermeabilidad aumenta con la consolidacin.
Edad del hormign.
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1.5.6 DOCILIDAD
La docilidad es una propiedad que permite que la masa de hormign (en estado
fresco) pueda ser vaciada en un molde y ser adaptada a cualquier forma. Esta propiedad se mide
por el ensayo de asentamiento de cono. Esta propiedad puede obtenerse:
Empleando ridos de buena calidad: que no contengan partculas aplanadas o
alargadas (lajas) y que tengan buena granulometra.
Empleando proporciones adecuadas entre grava y arena.
Empleando dosis de agua equilibrada, que permita obtener hormigones plsticos
y cohesivos.
Agregando aditivos plastificantes, fluidificantes o incorporadores de aire,
debidamente controlados.
Fotografas Faenas de hormigonado en un pavimento; se aprecia las faenas de compactado
platachado del hormign, y su descarga y transporte desde el camin mixer
1.5.6.1 CONO DE ABRAMS
El Cono de Abrams permite contar con un mtodo de fcil aplicacin para medir la
docilidad del hormign fresco, donde el ensayo esta establecido en la norma NCh 1019 of 74, y la
toma de muestras esta indicado en la norma NCh 171 of 75.
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La siguiente tabla entrega valores tentativos para distintos asentamientos de cono y
los usos en los cuales se emplea:
Consistencia
del Hormign
Asentamiento
de Cono
Empleo
Seca 2 [cm] Radieres, fundaciones
Plstica 3 a 6 [cm] Fundaciones, sobrecimientos, pavimentos
Blanda 7 a 10 [cm] Pilares, vigas, cadenas y losas
Fluida 10 [cm] Debe evitarse
Fig. Medicin del Cono de Abrams
La cantidad de agua en el hormign influye directamente sobre la docilidad, pero un
exceso de agua favorece la segregacin (separacin de los componentes) y disminuye la
resistencia del hormign.
Cuando se pide un hormign a una planta de premezclado, aparte de pedir la
resistencia a la compresin que se necesita, se puede pedir una consistencia adecuada, traducido
en un asentamiento de cono especificado, como parte de las exigencias solicitadas.
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1.5.7 COEFICIENTE DE POISSON
El coeficiente de Poisson n es la relacin con signos cambiados entre las
deformaciones transversales y las longitudinales correspondientes, en elementos que trabajan a
compresin simple.
En trminos generales, el valor de n varia ente 0.11 para elementos de hormign de
alta resistencia a 0.21 para hormigones de baja resistencia.
Para las deformaciones elsticas del hormign, se puede tomar un valor nico de:
n = 0.20
En la mayora de los diseos de hormign armado no se considera el efecto
Poisson, y talvez, se debera considerar en presas de arco, tneles y en estructuras estticamente
indeterminadas.
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1.6 DOSIFICACIN
La dosificacin del hormign consiste en la mezcla cuidadosa de todos los
elementos constituyentes del hormign (agua, cemento, arena, gravas, aditivos, etc.), en
proporciones dadas, con el fin de tener caractersticas determinadas.
Los distintos componentes de una mezcla de hormign se deben dosificar de
manera tal de que el hormign resultante tenga las siguientes propiedades:
una resistencia adecuada, usando la menor relacin agua/cemento.
una manejabilidad apropiada para ser vaciada (aptitud de colocarlo y
compactarlo),
mxima compacidad (mnimo contenido de huecos),
un bajo costo (mnima cantidad de cemento, material mas caro del hormign).
Fig. Dosificacin tpica de un elemento de hormign, con su distribucin en los distintos materiales
que lo componen
Existen variados mtodos para dosificar hormign, desde muy complejos que
consideran todas las condiciones de la obra (ridos, fabricacin, transporte, colocacin,
compactacin, moldes y enfierradura); y mtodos ms simples, con menos variables a incluir, y
los mtodos por tanteos, los cuales por lo general, se realizan para obtener un metro cbico (m3)
de hormign.
En un mtodo por tanteo es indispensable conocer algunos datos mnimos de los
ridos a usar para lograr la dosificacin por m3., los que corresponden a los siguientes:
Densidad real de la grava o peso especfico.
Densidad aparente de la grava, si se dosifica en volumen.
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Densidad real de la arena o peso especfico.
Densidad aparente de la arena, si se dosifica en volumen.
Adems, es deseable conocer las granulometras de los ridos y sus impurezas
(arcillas, materia orgnica, etc.).
Se considera un peso especfico de 3,0 kg/lt para el cemento, y la densidad
aparente vara de acuerdo al grado de compactacin que tenga, entre 1.0 a 1,4 kg/lt, motivo por el
cual nunca se debe medir en volumen.
La cantidad de agua que se utiliza en la dosificacin del hormign depende del tipo
de rido grueso (ripio o chancado), del tamao mximo de la grava, de la relacin arena/ripio, del
molde, de la enfierradura, etc. En cualquier caso, siempre habr que confeccionar un hormign de
prueba y medir el descenso del cono para ajustar la cantidad de agua.
El agua usada para preparar hormign no deben contener cantidades perjudiciales
de cloruros, pues debido a elevados contenido de ellos, puede producirse corrosin de la
armadura de refuerzo.
Por ultimo, hay que agregar una cantidad de aire que siempre queda atrapado y que
se estima entre 10 y 25 litros por m3 de hormign.
1.6.1 MTODO DE FAURY
El mtodo de Faury para dosificaciones de hormign es de tipo granolumtrica, es
decir, determina las proporciones de los ridos sobre la base del mejor ajuste a una curva
granolumtrica de referencia, que considera la influencia del cemento como un rido ms (ver
tablas).
Ejemplo de dosificacin de un elemento de hormign y de las cantidades de sus
componentes:
Relacin ripio / arena = 2/1 a 1.5/1
33% < Relacin agua cemento A/C < 80%, pero lo normal es 50%
Hormign Componente Resistencia
1.0 [ m3]
800 [l] ripio 500 [l] arena 300[kg] cemento 150 [l] agua
250 [kg/cm2]
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1.6.2 GRADOS DE CEMENTO NCh 148 of 68
La norma chilena NCh 148 of 68 Cemento - Terminologa, clasificacin y
especificaciones generales define 2 calidades para el cemento chileno, estableciendo distintos
requisitos para ellos:
Tiempo fraguado (minutos)
Resistencia mnima a la Compresin
Resistencia mnima la flexin
Grado del Cemento
Final Mximo
Inicial Mnimo
7 das [kg/cm2]
28 das [kg/cm2]
7 das [kg/cm2]
28 das [kg/cm2]
Corriente 12 60 180 250 35 45 Alta
Resistencia 10 45 250 350 45 55
1.6.3 DOSIS MNIMA DE CEMENTO SEGN USO HORMIGN
La siguiente tabla orientativa entrega el contenido mnimo de cemento y la
resistencia esperada, segn el uso que se le va a dar a la estructura:
Estructura Contenido Mnimo Cemento [kg/m3] (sacos)
Resistencia Esperada [kg/cm2]
Fundaciones simples 170 (4.0) 100 Sobrecimientos sin armar 225 (5.3) 150 Fundaciones y sobrecimientos armados 270 (6.4) 200 Cadenas, pilares, dinteles, vigas, losas hasta 3.0 [m] de luz
300 (7.0) 250
Pavimentos con cargas medianas 300 (7.0) 250 Pavimentos con cargas elevadas o estructuras delicadas
340 o ms (8 o ms) 300 a mas
Nota: Limite inferior de cemento: 85 [kg] cemento por [m3]. Uso: hormign muy pobre para relleno,
resistencia: 30 [kg/cm2].
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1.6.4 EFECTO DE LA RELACIN AGUA CEMENTO EN LA RESISTENCIA
La relacin agua cemento A/C que se suministre al hormign influye directamente
en su resistencia y por lo tanto, debe cuidarse la cantidad de agua total que se adiciona a la
mezcla.
Fig. Variacin de la resistencia del hormign, en funcin de la relacin Agua / Cemento. A
medida que disminuye la relacin A/C, la resistencia del hormign aumenta
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1.7 ADITIVOS PARA HORMIGN
Los aditivos son materiales distintos del agua, agregados o cemento hidrulico,
utilizados como componentes del hormign, y que se aade a este antes o durante su mezclado a
fin de modificar sus propiedades, o para conferirles otras caractersticas, por ejemplo, aumentar su
docilidad, reducir agua de amasado, incorporar aire, modificar tiempos de fraguado, etc.
Los principales aditivos utilizados en el hormign corresponden a los siguientes
elementos:
ACELERADORES DE FRAGUADO
Reducen el tiempo de fraguado y aceleran el desarrollo de la resistencia a
temprana edad. Lo mas utilizados son los cloruros de calcio, pero no deben
utilizarse donde pueda ocurrir una corrosin progresiva del acero. Dosis habitual
1:2 a 1:15 (aditivo: Agua).
Se recomienda su uso en hormigonado en tiempos fros, hormigones
proyectados, prefabricados, reparaciones.
RETARDADORES DE FRAGUADO
Retrasan el inicio del fraguado, manteniendo la docilidad ms tiempo; reducen el
riesgo de fisuracin al permitir la disipacin del calor de hidratacin durante mas
tiempo. Se ocupa un 0.3% al 1.5% del peso del cemento.
Este aditivo se ocupa en hormigonados en tiempos calurosos, hormigones
premezclados, hormigones en masa, transporte de hormign a grandes
distancias, evitar juntas fras al hormigonar por capas, hormign bombeado. Una
sobredosis puede originar una demora excesiva.
PLASTIFICANTES
Mejora la trabajabilidad del hormign, produciendo una reduccin en el agua de
amasado del hormign, manteniendo su fluidez. La cantidad mnima de agua es
del orden de 30% a 33%, con el uso de plastificantes se puede llegar a un 20%
de agua.
Su uso esta orientado a hormigones bombeados y premezclado, hormigonado
de elementos estrechos o prefabricados, y hormigones de alta resistencia. Una
sobre dosis puede producir retardo del fraguado.
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Fig. Ejemplo de aditivo plastificante y retardador en hormign, sin presencia de cloruros, con
relacin a una mezcla patrn. Se aumenta la resistencia al disminuir la cantidad de agua de
amasado y disminuye el tiempo de colacin al retardar el fraguado.
ACELERADORES DE ENDURECIMIENTO
Aceleran el endurecimiento superficial del hormign; se usa cuando se quiere
someter a los elementos de hormign a pequeas cargas iniciales.
AIREANTES
Introducen aire, en forma de pequeas burbujas, en su mayora de un tamao de
0.01 a 1.00 [mm], con una distribucin uniforme en la masa de hormign. Su uso
esta orientado a aumentar la resistencia del hormign frente a los procesos de
hielo y deshielo, donde se puede producir el congelamiento del agua contenida
en el hormign (grieta se interrumpe en burbuja).
Otras propiedades que tiene: aumentan permeabilidad al agua y lquidos en
general; aumento de la consistencia del hormign, aumento fluidez del hormign;
disminucin de la exudacin; disminucin de la resistencia mecnica. La dosis
para este aditivo varia entre un 0.03% a 0.05% del peso del cemento.
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Doc: 2005 Hormigon 01 - IC406 32
IMPERMEABILIZANTES
Aditivo que permite obtener un hormign menos permeable, al disminuir la
absorcin de humedad. Dosis de 0.5% a 4.0% del peso del cemento. La
utilizacin de este aditivo debe complementarse con una buena dosificacin,
compactacin y curado. Su uso esta orientado a hormigones subterrneos, losas
de cubierta, estanques de hormign, estucos exteriores, y pisos impermeables.
EXPANSORES
Produce una ligera expansin de la masa del hormign, contrarrestando las
retracciones de este. Dosis comn 2% del peso del cemento. Se usa
principalmente en relleno de grietas o cavidades, anclajes de pernos y
estructuras, grouting, y rellenos de vainas en hormign postensado.
OTROS
Existen otros aditivos para el hormign tales como los inhibidores de la
corrosin, las emulsiones de adherencia, los aditivos para hormigonado bajo
agua, etc.
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1.8 RESISTENCIA DEL HORMIGON
1.8.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIN
Para medir y evaluar la resistencia a la compresin del hormign, se ensayan
muestras de hormign, las cuales pueden ser tomadas en distintos tipos de probetas para obtener
distintas resistencias:
- cubos (de lado a ), que permiten obtener una resistencia cbica, Rcubica.
- cilindro (dimetro base: a y altura 2 a ), que permiten obtener una resistencia
cilndrica, Rcilndrica.
- prismas (base. axa y altura > 3a), que permiten obtener una resistencia
prismtica, Rprismatica.
Para el parmetro a que define el tamao de las probetas, se usa los siguientes
valores: 15.0, 20.0, 25.0 y 30.0 [cm]. En Chile, lo ms frecuente es utilizar probetas en cubos, de
dimensin a = 20.0 [cm]; para los americanos de ACI; lo mas comn es utilizar cilindros, con un
valor de a = 15.0 [cm].
Fig. Tipos de probetas de hormign
Para uniformar los distintos criterios que se utilizan, interesa determinar las
correlaciones existentes entre los resultados de resistencia para distintos tipos de probetas
usados. En general, se tiene las siguientes expresiones para uniformar las distintas resistencias:
Rcilndrica Rprismatica
Rcilndrica 0.8 a 0.9 Rcubica
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Fig. Efectos del tiempo en la resistencia del hormign, con curado hmedo. Se destaca que a los
28 das es cuando se mide la resistencia a la compresin
1.8.2 RESISTENCIA A LA TRACCIN
La resistencia a la Traccin del hormign, importante para los efectos de fisuracin,
esfuerzos de corte, adherencia, deslizamiento de armaduras, pavimentos, presenta valores
relativamente bajos; y una buena aproximacin en funcin de la resistencia a la compresin, es la
siguiente relacin: '' 20.010.0 cctc fff
donde: fct: Resistencia caracterstica del Hormign a la Traccin
fc: Resistencia especificada a la compresin del hormign, en probeta cilndrica
medida a los 28 das.
La resistencia a la Traccin es ms difcil medir que la resistencia a la Compresin,
debido a problemas de agarre con las maquinas de prueba (ensayo brasileo).
Para el diseo de miembros sujetos a flexin, se utiliza el valor del Mdulo de
Ruptura fr en vez de la resistencia a la rotura. Este mdulo presenta un valor mayor que la
resistencia a la rotura, y el ACI especifica para hormigones de peso normal un valor de:
MPaff cr '7.0=
donde: fr y fc en [MPa]
(equivalentemente, en kg y cm, se tiene: 2cr kg/cm ff '2= )
-
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Cuando se trata de hormigon con agregado liviano se deben aplicar algunas
modificaciones (Ver ACI 318-02 9.5.2.3)
Adems, se define el mdulo de rotura fr como sigue:
g
tcrr I
yMf =
donde: Mcr: Momento que produce la fisuracin
Ig: Momento de inercia de seccin llena (seccin ficticia sin armadura)
yt: Distancia desde centro de gravedad a fibra ms traccionada.
1.8.2.1 OTRAS APROXIMACIONES PARA LA RESISTENCIA A LA TRACCIN
- El CEB y FIP dan la siguiente expresin para la resistencia a la traccin:
3 265.0 ckct ff =
donde: fct: Resistencia caracterstica del Hormign a la Traccin, [kg/cm2].
fck: Resistencia caracterstica del Hormign a la Compresin, [kg/cm2].
Por otro lado, tambin se tiene las relaciones para fct:
fct = 0.09 fck Si 120 fck 200
fct = 7 + 0.06 fck Si 200 fck 500
- La Norma AASHTO define el modulo de ruptura del hormign en funcin de fc
como sigue:
]'2 2cr [kg/cm ff =
y la tensin en la fibra traccionada por flexin como 0.21 fr.
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1.9 ENSAYOS DEL HORMIGN
Para confirmar la resistencia del hormign, ya sea en compresin o traccin, se
extraen muestras del hormign fresco cada un numero determinados de [m3] hormigonados y/o
colocados, o bien, muestras endurecidas (testigos) de la estructura a verificar, los cuales pueden
ser ensayados por diversos mtodos para obtener distintas caractersticas del hormign.
1.9.1 MTODOS DIRECTOS
Consiste en ensayar hasta la rotura probetas de hormign, provenientes de
muestras de hormign fresco, o bien, testigo de hormign endurecido.
Los ensayos que estn normalizados en Chile son los siguientes:
Ensayo de Compresin, NCh 1037 of 77.
Ensayo de Traccin por flexin o flexotraccin NCh 1038 of 77.
Ensayo de Traccin por Hendimiento, NCh 1170 of 77.
Cabe destacar que el ensayo de traccin pura en Chile no se utiliza, por la dificultad
que presenta.
Fotografa Proteccin y curado de probetas cbicas (en moldes de acero) de hormign, tomadas
en una obra cualquiera
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1.9.1.1 ENSAYO DE COMPRESIN
El objetivo es efectuar un ensayo a la rotura por compresin de probetas cbicas y
cilndricas de hormign. Las probetas se colocan centradas entre los platos de la prensa, y son
sometidas a compresin hasta su rotura, donde la resistencia se mide por:
AC
R =
donde: R = Resistencia unitaria de compresin de la probeta.
C = Carga de rotura.
A = Seccin transversal de la probeta de hormign.
Cabe destacar que existen relaciones (factores de conversin) entre la resistencia
para probetas cbicas de un tamao con otro; para probetas cilndricas de distintos dimetros; y
para relaciones entre probetas cbicas y cilndricas.
CONVERSIN DE RESISTENCIA CBICA A CILNDRICA
Ensayo para Resistencia a la Compresin a 28 das, realizado en cubos de
20x20x20 [cm] segn las normas chilenas NCh 1017 y NCh 1037. A travs de la siguiente tabla, se
tiene la clasificacin del hormign en resistencia cbica y su relacin con la resistencia cilndrica
(ocupada para el diseo, segn el Cdigo ACI 318).
Resistencia Cbica Resistencia Cilndrica
Hormign
fc [MPa]
fc [kg/cm2]
Factor de Conversin
fc [kg/cm2]
H5 5 50 1.25 40
H10 10 100 1.25 80
H15 15 150 1.25 120
H20 20 200 1.25 160
H25 25 250 1.25 200
H30 30 300 1.20 250
H35 35 350 1.17 300
H40 40 400 1.14 350
H45 45 450 1.13 400
H50 50 500 1.11 450
H55 55 550 1.10 500
H60 60 600 1.09 550
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1.9.1.2 ENSAYO DE FLEXOTRACCIN
El objetivo de este ensaye es determinar la resistencia a la flexotraccin de la
probeta de hormign; se emplea la probeta en forma de viga, y la luz de ensayo es iguala 3 veces
su altura. La viga se encuentra simplemente apoyada, con una carga P en el centro, o dos cargas
a L/3.
La tensin en el hormign esta dado por la expresin:
4
6
2
PLM
bhM
WM
AN
=
==s
RESISTENCIA A LA FLEXIN
Ensayo para Resistencia a la Flexin a 28 das, realizado en probeta de 20 [cm],
segn NCh 1038. En la siguiente tabla, se muestra como se clasifican y la resistencia del
hormign:
Hormign Resistencia [MPa]
Resistencia [kg/cm2]
HF3 3.0 30
HF3.5 3.5 35
HF4 4.0 40
HF4.5 4.5 45
HF5 5.0 50
HF5.5 5.5 55
HF6 6.0 60
Ejemplo de esta clasificacin de hormign, lo constituyen los hormigones para
pavimentos, los cuales se definen en funcin de su resistencia caracterstica del hormign a la
flexotraccin.
1.9.1.3 ENSAYO DE TRACCIN INDIRECTA O HENDIMIENTO
El ensayo de Hendimiento consiste en una probeta cilndrica de 15.0
[cm] de dimetro y 30.0 [cm] de altura, la cual se coloca acostada entre las placas de la prensa y
se somete a fuerzas de compresin, con lo cual se originan esfuerzos horizontales de traccin en
la probeta. La tensin del hormign esta dada por la expresin:
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LDP
ps
2=
donde: P: Carga de rotura de la probeta.
L: largo cilindro.
D: dimetro cilindro.
1.9.2 MTODOS NO DESTRUCTIVOS O INDIRECTOS.
Los ensayos no destructivos comprenden una serie de tcnicas destinadas a
inspeccionar o probar un material sin ocasionar daos para su futuro uso. A travs de
correlaciones, permiten obtener una estimacin cualitativa de la calidad del hormign.
a. Mtodos escleromtricos: Corresponden a ensayos superficiales de dureza (de
acuerdo a la NCh 1565). Entre estos mtodos, destacan los siguientes:
i. Rechazo martillo Smith, mtodo donde se mide porcentaje de rechazo (o
rebote) de una masa que golpea sobre un pivote de contacto con la
superficie del hormign a ensayar; se producen errores del orden de 20% a
30%, por lo cual, solo sirve para tener una idea o estimacin del parmetro
medido.
ii. Huella impresa por el rechazo del pndulo de bola, mtodo aproximado
de medicin.
Fig. Curva de Relacin ndice esclerometrito Resistencia
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b. Mtodos basados en la velocidad de propagacin de ondas de alta frecuencia
dentro de la masa de hormign. Los pulsos ultrasnicos son generados en un
cabezal emisor y recibidos por otro cabezal colocado a una cierta distancia del
primero. La velocidad de la onda es funcin de: Mdulo de elasticidad del
hormign, Mdulo de Poisson (n=0.20), y de la relacione entrer/g.
c. Mtodo de resonancia.
d. Mtodos de absorcin o difusin de radioistopos.
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1.10 MDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGN
El conocimiento de la curva tensin vs. deformacin es esencial para el desarrollo
de todos los trminos y procedimientos de anlisis y diseo en estructuras de hormign.
La forma de esta curva principalmente es funcin de la resistencia del hormign; y
en una curva tpica de tensin vs. deformacin unitaria (efectuado para un cilindro de hormign
sometido a compresin uniaxial), la primera parte de la curva, hasta un 40% de la resistencia
ultima fc puede ser considerada lineal para todos los casos prcticos; despus, aproximadamente
a un 70% de fc, el hormign pierde una parte importante de su rigidez, aumentando la curvatura
del diagrama, hasta alcanzar su mximo cuando la deformacin especifica de compresin varia
entre 0.0015 y 0.0020. Posteriormente, sigue una curva descendente y bajo carga ultima, en el
hormign se observan grietas paralelas a la direccin de la carga, y la mayora de los cilindros
fallan en forma repentina despus de esto. Finalmente, el hormign alcanza la rotura
aproximadamente a un nivel de tensin de 0.85% de fc, cuando su deformacin varia entre 0.0030
y 0.0080.
Fig. Curva tensin deformacin del hormign en compresin
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Del anlisis de varias curvas tensin vs deformacin para el Hormign, se concluye
lo siguiente:
Si la resistencia del hormign es baja, mayor ser la deformacin de la falla.
La longitud de la parte lineal aumenta con el aumento de la resistencia a la
compresin del hormign.
Existe una reduccin aparente de ductilidad con la resistencia del hormign
incrementada.
1.10.1 MDULO DE ELASTICIDAD
El mdulo de Elasticidad o de Young del Hormign, Ec, segn la norma ACI 318 se
define como la pendiente de la lnea trazada desde un esfuerzo nulo hasta un esfuerzo de
compresin de 0.45 fc.
Para el Mdulo de Elasticidad del hormign armado, Ec, la norma ACI 318
recomienda tomar para hormigones con peso wc comprendidos entre 1500 y 2500 [kg/cm3], la
siguiente expresin:
MPafE cc '4700=
(equivalentemente en kg y cm, se tiene 2cc Kg/cm fE '15113= )
Para hormigones de densidad normal, el modulo del hormign, Ec puede
considerarse como:
cc fwE c '043.05.1=
(equivalentemente en kg y cm, se tiene 2cc kg/cm fwE c '43165.1= , con wc en [ton/m3]; y Ec y fc en
[kg/m2])
donde: Ec: Mdulo de Elasticidad del hormign, [MPa]
wc: Peso del hormign, [kg/m3]
fc: Resistencia especificada a la compresin del hormign, [MPa]
Cabe destacar que las expresiones anteriores generalmente son vlidas, aunque el
valor del Modulo de Elasticidad se ve afectado tambin por diversas variables, entre las que
destacan: humedad en el hormign, relacin A/C, edad del hormign, temperatura y duracin y
aplicacin de la carga.
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1.11 ANLISIS ESTADSTICO
Las obras de hormign son esencialmente variables, debido a la naturaleza de sus
componentes y a los cambios en los procesos de confeccin y de muestreo propiamente tal, por lo
tanto, para mantener sus propiedades dentro de un rango aceptable se requiere cierto grado de
control, el cual conduce a la obtencin de resultados, los que deben evaluarse e interpretarse.
La evaluacin de la resistencia a la compresin del hormign permite entre otras
cosas:
- obtener un criterio claro para la aceptacin del hormign, y para indicar el curso de
accin cuando los resultados de los ensayos de resistencia no son satisfactorios.
- obtener una herramienta de gestin para la optimizacin de los recursos.
- evitar discrepancias entre no contar con un criterio previamente definido para la
evaluacin.
Cabe destacar que el procedimiento de evaluacin debe considerar la naturaleza
probabilstica de la resistencia a compresin del hormign.
La norma NCh 1998 Hormign - Evaluacin estadstica de la resistencia mecnica
es la que recoge dos de los criterios ms ampliamente utilizados en los cdigos de diseo de
hormign. Estos son:
i. Criterio de Resistencia Caracterstica:
El mtodo de la evaluacin del lote considerando el total de muestras, considera la
produccin de hormign como un proceso que se ajusta a una distribucin normal
donde la resistencia caracterstica est definida en funcin del promedio y de la
desviacin estndar.
ii. Criterio mvil de resistencias sucesivas:
El mtodo de evaluacin por grupos de muestras consecutivas considera la
produccin de hormign como un proceso cclico donde la resistencia sufre
variaciones en el tiempo (incluido en el ACI 318).
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1.11.1 DEFINICIONES
Muestreo estadstico:
Una muestra lo constituyen 2 o ms probetas, confeccionadas con la misma
muestra de hormign. Si el plan de muestreo no est especificado, la norma NCh 1998 establece
como criterio mnimo lo siguiente:
- Volumen hormign de la obra 250 m3: 1 muestra cada 50 m3, con un mnimo de
3 muestras.
- Volumen hormign de la obra > 250 m3: 1 muestra cada 100 m3, con un mnimo de
5 muestras.
Distribucin estadstica:
Mediante relaciones funcionales, las distribuciones estadsticas expresan la forma
en que se agrupan los valores obtenidos de una muestra.
La distribucin estadstica de mayor uso es la Distribucin Normal o de Gauss, cuya
expresin general esta dada por:
--
= 2)(2
1
21
)( sxx mexpp
Resistencia Media:
La resistencia media permite obtener una tendencia central de la resistencia y se
define como resistencia media o promedio:
n
ff i
i
m
=
Dispersin de Resistencias:
Corresponde a la desviacin cuadrtica media, que permite saber sobre la
homogeneidad del hormign.
La expresin general para la Dispersin es la siguiente:
)1(
)( 2
-
-=
n
ffs i
mi
Coeficiente de variacin:
El coeficiente de variacin constituye un parmetro que sirve de medida relativa de
la dispersin y que corresponde a la desviacin tpica referida a la resistencia media en porcentaje.
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La expresin general es la siguiente:
100xfs
m
=u
donde: fm: resistencia media.
Sfi: suma de resultados individuales de las muestras.
n: nmero de muestras.
s: desviacin tpica.
fi: resultados individuales.
n: coeficiente de variacin en porcentaje
1.11.2 CRITERIO DE RESISTENCIA CARACTERSTICA
Se asigna a los valores obtenidos una distribucin Normal o de Gauss, y se calcula
la resistencia, designada como Resistencia Caracterstica, que es excedida por todos los valores
de resistencia correspondiente a la distribucin, excepto un cierto porcentaje, denominado
Fraccin Defectuosa.
La Resistencia Caracterstica se define como:
fk = fm - k s; o bien,
fk = fm (1 kn)
Finalmente, la resistencia calculada por la expresin de la Resistencia
Caracterstica, fk, se compara con la resistencia especificada para el hormign, debiendo ser
mayor o igual que esta para que el conjunto de hormign verifique.
donde: fk: Resistencia caracterstica del conjunto de valores
fm: Resistencia media del conjunto de valores
s: Desviacin estndar de los valores de resistencia.
n: Coeficiente de variacin, en fraccin decimal.
k ( t): Coeficiente que depende de la fraccin defectuosa aceptada, de acuerdo a la
siguiente tabla (vlido para 30 o ms muestras):
Grado de Confianza
Fraccin Defectuosa
k
95% 90% 80%
5% 10% 20%
1.64 1.28 0.84
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El cdigo ACI adopta en sus disposiciones una fraccin defectuosa constante de
10% (o equivalentemente, un grado de confianza del 90%). En cambio, el Comit
Europeo del Hormign adopta un 5% (o 95% de grado de confianza), cuya
expresin para la resistencia caracterstica queda en:
s.ff mk 641-=
Por otra parte, como criterio general, en muchas especificaciones se adopta un 20%
de fraccin defectuosa como estndar para hormigones de resistencia inferiores a
200 [kg/cm2].
Fig. Resistencia caracterstica en distintos tipos de hormigones
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Como referencia, la norma chilena NCh 170 of 52 define los parmetros anteriores
segn la siguiente tabla:
Valores Medidos Resistencia caracterstica, segn nivel de confianza
Hormign NCh 170 of 52
Resistencia [kg/cm2]
[kg/cm2]
s [kg/cm2]
80% 90% 95%
A 120 150 30 125 110 100 B 160 190 35 160 145 130 C 180 222 41 190 170 155 D 225 277 48 235 215 200 E 300 346 51 300 280 260
Cabe destacar que para aplicar el criterio de Resistencia Caracterstica debe
contarse con una numero adecuado de muestras de hormign (mnimo 15), con el objeto de
asegurar un buen nivel de confiabilidad para la desviacin estndar; luego, es utilizable solo en
obras de cierta magnitud, presentando el problema que es insensible a los nuevos valores
agregados (no detecta problemas puntuales de baja resistencia)
1.11.2.1 CONTROL DE CALIDAD DE LAS MUESTRAS DE HORMIGN
Mediante una relacin entre el control de la obra y la magnitud de la desviacin
tpica s, el American Concrete Institute, ACI, establece una clasificacin para hormigones con un
fc superior a 200 [kg/cm2], definido en la siguiente tabla:
s [kg/cm2]
Grado de Control
< 28 Excelente 28 a 35 Muy bueno 35 a 42 Bueno 42 a 49 Regular
> 49 Pobre
Ejemplo:
Se tiene muestras de dos hormigones de la misma resistencia media fm, pero de
distinta dispersin s, con lo cual se obtienen resistencia caractersticas diferentes fk, estableciendo
distinto nivel de calidad para estas muestras.
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Lo anterior se muestra claramente en la siguiente tabla:
Hormign 1 Hormign 2
fm [kg/cm2] 360 360
s [kg/cm2] 31 77
Fraccin defectuosa 20% 20%
k 0.84 0.84
fk [kg/cm2] 360 0.84x31 = 334 360 0.84x77 = 295
Control de calidad Muy Bueno Pobre
1.11.2.2 PLANTA DE PREFABRICADOS
Para las instalaciones de produccin de hormign (plantas de prefabricados), el ACI
requiere que se satisfagan los siguientes requerimientos:
i. Valor especificado fc
ii. Resistencia requerida en obra fcr, donde
fcr = Mximo de fc +1.34 s [kg/cm2]
fc +2.33 s 35 [kg/cm2]
- La primera ecuacin proporciona una probabilidad 1 en 100 de que los
promedios de tres ensayos consecutivos sean inferiores a la resistencia
especificada fc.
- La segunda ecuacin proporciona una probabilidad similar de ensayos
individuales inferiores a la resistencia especificada fc en mas de 35.0 [kg/cm2].
1.11.3 CRITERIO MVIL DE RESISTENCIAS SUCESIVAS
Para la evaluacin del cumplimiento de la Resistencia Especificada en el hormign,
la Resistencia Caracterstica del hormign se estimara mediante el Criterio Mvil de Resistencias
Sucesivas.
Segn este criterio de evaluacin de la resistencia, el nmero de muestras para el
criterio del promedio mvil depende de la fraccin defectuosa a considerar, obtenindose de la
siguiente tabla:
Fraccin Defectuosa
N muestras Sucesivas
5% 5 10% 3 20% 2
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Para establecer que cada lote de hormign evaluado cumple con la resistencia
especificada en el proyecto, se deber cumplirse simultneamente con las dos ecuaciones
siguientes:
jfff
kff
coi
c
-=+
_
3
donde: f3: resistencia media de cualquier grupo de 3 muestras consecutivas.
fi: resistencia individual de cada muestra.
fc: resistencia especificada o de proyecto.
fo: limite inferior para la resistencia fi de cada muestra.
k, j: constantes de evaluacin, que dependen de la fraccin defectuosa y del tipo de
hormign usado.
Los parmetros k y j usados en las ecuaciones anteriores, en [kg/cm2], son dados en
la siguiente tabla en funcin de la fraccin defectuosa utilizada, y del tipo de
hormign a emplear:
Tipo de Hormign Fraccin Defectuosa Aceptada H5 H10 H15 H20 superior
5% k j
3 6
5 12
8 19
10 25
10% k j
0 9
0 17
0 26
0 35
20% k j
-4 14
-7 27
-11 41
-15 55
Ejemplo:
Una muestra de hormign tiene los siguientes resultados de su resistencia a la
compresin, medidos en [kg/cm2]: 350 / 340 / 325 / 375 / 290 / 272 / 308 / 390 / 380, para una
resistencia especificada para este hormign de 300 [kg/cm2], y con una fraccin defectuosa de
10%.
Se solicita determinar si dicha muestra debe ser aprobado o rechazado, a travs del
criterio de resistencia mvil.
Anlisis de resultados:
La muestra anterior de hormign cumple que cada valor individualmente es mayor
que fc 35 (primera condicin); pero el promedio de 3 muestras consecutivas no lo
satisface (segunda condicin), razn por lo cual la muestra es rechazada.
-
Universidad Cent