Resistencia nominal a la flexión (I)

La resistencia nominal de un elemento o una sección transversal solicitados a flexión (o a una combinación de flexión y carga axial) se debe basar en las condiciones de equilibrio y compatibilidad de las deformaciones usando las hipótesis de diseño de
10.2. La resistencia nominal de una sección transversal, cualquiera sea su geometría y la cantidad de armadura que contiene, se calcula aplicando las condiciones de equilibrio y compatibilidad de las deformaciones de manera similar a la usada para desarrollar la resistencia nominal al momento para la sección rectangular que sólo tiene armadura de tracción, como se ilustra en la Figura 6-9. Usando la distribución rectangular de tensiones equivalente, a continuación se resumen las expresiones para la resistencia nominal al momento de secciones rectangulares y con alas (secciones típicas muy utilizadas en las construcciones de hormigón):
a. Sección rectangular que sólo tiene armadura de tracción (ver Fig. 6-9):

Las expresiones ya fueron presentadas en la sección correspondiente a la Hipótesis de Diseño #6 (10.2.7).

b. Secciones con alas que sólo tienen armadura de tracción:

Cuando el espesor del ala comprimida es mayor o igual que la

profundidad del bloque de tensiones rectangular equivalente, a, la resistencia al momento Mn se calcula usando la Ecuación (3), como para una sección rectangular cuyo ancho es igual al ancho de ala. Si el espesor del ala comprimida hf es menor que a, la resistencia nominal al momento Mn

 es (ver Fig. 6-12):

Investigación a realizar cuando los resultados de los ensayos indican que la resistencia es baja (I) S

Si el promedio de los resultados de tres ensayos consecutivos es menor que la resistencia especificada se deben tomar medidas para aumentar el nivel de resistencia del hormigón (ver 5.6.3.4). Si el resultado de un ensayo de resistencia individual está más de 500 psi por debajo de la resistencia especificada cuando f'c es menor o igual que 5000 psi, o está más de 10 por ciento por debajo de f'c cuando f'c es mayor que 5000 psi, es posible que haya problemas aún más serios. Es por ello que se debe realizar una investigación de acuerdo con los procedimientos indicados en la Sección 5.6.5.

Observar que, para determinar la conformidad del hormigón, el resultado de un ensayo de resistencia individual (un "ensayo") siempre es la resistencia promedio de dos probetas ensayadas a la edad especificada, que normalmente es de 28 días. Debido a las numerosas variables potenciales que se presentan en la elaboración y el manipuleo del hormigón, la conformidad del hormigón nunca se basa en el ensayo de una única probeta. Dos causas habituales que provocan bajos resultados de ensayo2.9 son: (1) el incorrecto manipuleo y ensayo del hormigón, detectado como factor contribuyente en la mayoría de los casos investigados; y (2) la reducción de la resistencia del hormigón debida a un error en la producción, o la adición de demasiada agua en obra. Esto último generalmente ocurre cuando la colocación del hormigón se demora o cuando
se requieren hormigones de asentamiento elevado. Un elevado contenido de aire provocado por la sobredosificación de un aditivo incorporador de aire en la planta elaboradora también puede ser la causa de las bajas resistencias.

Si se informa una resistencia insuficiente, es fundamental realizar una investigación siguiendo una secuencia lógica de posibles causas y efectos. Antes de tomar ninguna medida se deben revisar todos los informes de ensayos y analizar todos
los resultados. Se debe investigar si los resultados de los ensayos se ajustan a algún patrón que permita inferir la causa. Hay algo que indique que se han violado las especificaciones? Es necesario observar el asentamiento, el contenido de aire, la temperatura del hormigón, la temperatura ambiente, el número de días que las probetas permanecieron en obra y en qué condiciones de curado, y cualquier defecto de las probetas que se haya informado.

Si la deficiencia justifica una investigación, en primer término se debe verificar la precisión de los ensayos, y luego comparar los requisitos estructurales con la resistencia medida. En las primeras etapas de la investigación se debe prestar particular atención al manipuleo y ensayo de las probetas. Probablemente si hay discrepancias menores en el curado de los cilindros en climas moderados, esto no afectará mucho la resistencia, pero si las discrepancias son significativas puede haber una reducción importante de la resistencia. Casi todas las deficiencias relacionadas con el manipuleo y el ensayo de las probetas disminuirá su resistencia. Si la reducción es significativa puede que haya sido originada por varias violaciones


2 - 21

simultáneas. Los ejemplos de este tipo de violaciones incluyen: probetas que permanecen en obra demasiados días; probetas curadas a una temperatura superior a 80ºF; probetas congeladas; probetas que han sufrido impactos durante su transporte; demora del curado húmedo en el laboratorio; y falta de cuidado al aplicar la carga a las probetas.

Para investigar el hormigón colocado en obra es fundamental conocer en qué parte de la estructura se encuentra el "hormigón ensayado" y de cuál pastón (camión) se tomó el hormigón. Esta información debe formar parte de los datos registrados en el momento en que se moldean las probetas. Si se encuentra que los resultados de los ensayos son deficientes, puede ser necesario realizar ensayos de resistencia sobre testigos tomados del hormigón colocado y endurecido para verificar la conformidad con el Código y con la documentación técnica. Si la resistencia es mayor que la requerida no tiene sentido investigar la resistencia del hormigón colocado y endurecido. Sin embargo, si los procedimientos de ensayo se ajustan a las normas y los resultados de los ensayos indican que la resistencia del hormigón es menor que la requerida para el elemento en cuestión, es posible que sea necesario investigar el hormigón colocado y endurecido (ver 5.6.5).

Los laboratorios deben ser responsables por las deficiencias de sus procedimientos. El uso de personal calificado es de importancia fundamental. El personal a cargo de la toma de muestras de hormigón, la preparación de las probetas cilíndricas, y de la operación de los equipos de laboratorio debe estar certificado bajo el programa de certificación de ACI o su equivalente (ver 5.6.1).

Frecuencia de los ensayos.

La dosificación de un hormigón de acuerdo con el enfoque probabilístico del Código requiere un número estadísticamente aceptable de ensayos de resistencia. Exigiendo la realización de ensayos de resistencia siguiendo una frecuencia mínima especificada se obtiene una base estadística.

A continuación resumimos el criterio de frecuencia mínima indicado en el Código para la toma de muestras para los ensayos de resistencia**, en base a un criterio diario y a un criterio por proyecto (el más estricto de los cuales será el determinante***)
para cada clase de hormigón.

EVALUACIÓN Y CONFORMIDAD DEL HORMIGÓN: Técnicos que realizan los trabajos en laboratorio y en obra

Los procedimientos de ensayo para el hormigón indicados en el Código demandan personal con conocimientos y habilidades específicas. La experiencia ha demostrado que solamente los técnicos en obra correctamente capacitados y el personal de laboratorio certificado bajo programas reconocidos a nivel nacional pueden asegurar el nivel necesario para obtener resultados de ensayo significativos. En el Código 2002 se agregaron requisitos en la Sección 5.6.1 que exigen que los ensayos en obra sobre hormigón fresco y los procedimientos requeridos para preparar las probetas de hormigón para los ensayos de resistencia deben ser ejecutados por "un técnico en ensayos en obra calificado." Los procedimientos habitualmente realizados en obra y que deberán ser ejecutados por técnicos calificados incluyen el muestreo del hormigón fresco; el ensayo de asentamiento, contenido de aire y temperatura; y la preparación y curado de las probetas para ensayo. Los técnicos a cargo de estas tareas en obra pueden ser Técnicos en Ensayos de Hormigón en Obra certificados a través del Programa de Certificación Grado I de ACI.

La Sección 5.6.1 también requiere que todos los ensayos de laboratorio requeridos sean realizados por "técnicos de laboratorio calificados." Los técnicos de laboratorio que realizan ensayos del hormigón pueden ser Técnicos en Ensayos de Hormigón en Laboratorio o Técnicos en Ensayos de Resistencia del Hormigón certificados por ACI, o bien técnicos certificados en los requisitos de ASTM C 1007.

La siguiente discusión del Capítulo 5 del Código se ocupa de la dosificación de las mezclas de hormigón por resistencia, en base a conceptos probabilísticos.

DOSIFICACIÓN SIN EXPERIENCIA EN OBRA NI PASTONES DE PRUEBA

Si no hay información recabada de la experiencia en obra ni de pastones de prueba, para seleccionar la relación agua- material cementicio se pueden usar "otras experiencias o información." Sin embargo, esta opción solamente se permite con la aprobación del ingeniero/arquitecto responsable por el proyecto. Observar que necesariamente esta opción debe ser conservadora, y requiere una sobrerresistencia meta bastante elevada (1200 psi). Si, por ejemplo, la resistencia especificada es de 3000 psi, la resistencia usada como base para seleccionar la dosificación de la mezcla de hormigón (relación agua-material cementicio) debe ser de 4200 psi. Por motivos de economía, esta opción se debería usar exclusivamente en aquellos casos en que no se justifica el costo adicional que implicaría obtener datos sobre pastones de prueba. Observar también que esta alternativa se aplica solamente para resistencias a la compresión especificadas de hasta 5000 psi; para resistencias más elevadas se exige que la dosificación se base en la experiencia en obra o en pastones de prueba. La edición 1999 del Código limitaba la máxima resistencia dosificada sin experiencia en obra ni pastones de prueba a 4000 psi.

Documentación de la resistencia promedio

Los procedimientos de aprobación de la mezcla son necesarios para asegurar que el hormigón entregado realmente satisfaga los requisitos de resistencia. Los pasos a seguir para la aprobación de una mezcla se pueden resumir de la siguiente manera:

1. Determinar la desviación estándar anticipada a partir de las experiencias previas.

a. Esto se hace examinando un registro de 30 ensayos consecutivos realizados sobre una mezcla similar.

b. Si resulta difícil hallar una mezcla similar para la cual se hayan realizado 30 ensayos consecutivos, la desviación estándar se puede calcular en base a dos mezclas, siempre y cuando el número total de ensayos sea mayor o igual que
30. En este caso las desviaciones estándar se calculan por separado y luego se promedian usando el método estadístico descripto en párrafos precedentes.


2. Usar la desviación estándar para seleccionar la resistencia meta apropiada, el mayor de los valores de las Tablas 5.3.2.1
(5-1), (5-2) y (5-3).

a. Por ejemplo, si la desviación estándar es igual a 450 psi, la sobrerresistencia debe ser el mayor de los siguientes valores:
1, 34 450603 psi
2, 33 450500 549 psi

Por lo tanto, para una resistencia de 3000 psi, la resistencia promedio usada como base para seleccionar la dosificación de la mezcla de hormigón debe ser de 3600 psi.

b. Observar que si no hay registros de ensayos aceptables disponibles la resistencia promedio debe ser 1200 psi mayor que f'c (es decir, una resistencia promedio de 4200 psi para un hormigón con una resistencia especificada de 3000 psi),
ver Tabla 5.3.2.2.

3. Proveer documentación que establezca que la mezcla propuesta proporcionará la resistencia promedio requerida. Esta documentación pueden consistir en:

a. Un registro de 30 ensayos del hormigón en obra. Este generalmente será el mismo registro usado para documentar la desviación estándar, pero puede corresponder a un conjunto de 30 resultados diferentes; o bien

b. Datos de ensayos realizados en laboratorio, obtenidos de una serie de pastones de prueba.

Si la documentación de la resistencia promedio para resistencias superiores a 5000 psi se basan en pastones de prueba preparados en laboratorio está permitido aumentar el valor de f'c calculado en la Tabla 5.3.2.2 para tomar en cuenta la posibilidad que la resistencia obtenida en las pruebas en laboratorios sea menor que la resistencia correspondiente a la producción real.

El artículo 5.3.3.2(c) establece tolerancias para el asentamiento y el contenido de aire de las mezclas dosificadas en base a pastones de prueba preparados en laboratorio. Los límites de tolerancia se establecen como valores máximos permitidos, ya que la mayoría de las especificaciones, independientemente de su forma, permiten establecer un valor máximo para el asentamiento o el contenido de aire. Estas tolerancias para el asentamiento y el contenido de aire solamente son aplicables en caso que se utilicen pastones de prueba, y no en el caso que se utilicen registros de ensayos realizados sobre el hormigón
en obra. El Ejemplo 2.3 ilustra la selección de la dosificación de un hormigón en base a pastones de prueba.

Resistencia promedio requerida (I)

Las fórmulas para calcular las resistencias meta requeridas se basan en los siguientes criterios:

c        cr           c

1.     Una  probabilidad  de  1  en  100  de  que  el  promedio  de  3  ensayos  de  resistencia  consecutivos  estará  por  debajo  de  la resistencia especificada,  f '  : f '    = f '  + 1, 34 s , y

c        cr           c

2.     Una  probabilidad  de  1  en  100  de  que  el  resultado  de  un  ensayo  de  resistencia  individual  estará  más  de  500  psi  por debajo de la resistencia especificada  f '  : f '    = f '  + 2, 33 s - 500  (para resistencias menores o iguales que 5000 psi), y

c

cr                         c

3.     Una probabilidad de 1 en 100 de que el resultado de un ensayo de resistencia individual estará más de  0, 9f '

por debajo

c

de la resistencia especificada  f '

(para resistencias mayores que 5000 psi):  f '    = 0, 90 f '  + 2, 33 s .

por debajo

de la resistencia especificada f '

(para resistencias mayores que 5000 psi): f ' 0, 90 f ' 2, 33 s .



Con el Criterio (1) se obtendrán resistencias meta mayores que con el Criterio (2) cuando las desviaciones estándares son
bajas o moderadas, de hasta 500 psi. Sin embargo, para desviaciones estándares más elevadas el criterio determinante será
en Criterio (2).

La intención de los requisitos de resistencia promedio de la Sección 5.3.2 es proporcionar un nivel de seguridad aceptable de que las resistencias del hormigón son aceptables desde los siguientes puntos de vista: (1) el promedio de los ensayos de resistencia a lo largo de un período de tiempo apreciable (tres ensayos consecutivos) es mayor o igual que la resistencia a la compresión especificada, f'c; o (2) el resultado de un ensayo de resistencia individual no está más de 500 psi por debajo de f'c
(para resistencias menores o iguales que 5000 psi); o (3) el resultado de un ensayo de resistencia individual no está más de
0,90f'c por debajo de f'c (para resistencias superiores a los 5000 psi).

DOSIFICACIÓN EN BASE A LA EXPERIENCIA EN OBRA Y/O PASTONES DE PRUEBA - Desviación estándar (IV)

Para resistencias del hormigón comprendidas entre 3000 y 4000 psi, la desviación estándar anticipada, representativa de

diferentes niveles de control de calidad, variará de la siguiente manera:

Desviación estándar Representa

300 a 400 psi Excelente control de calidad

400 a 500 psi Buen control de calidad

500 a 600 psi Regular control de calidad

> 600 psi Pobre control de calidad

Para los hormigones de muy alta resistencia, también conocidos como hormigones de alta calidad, que tienen resistencias superiores a los 10.000 psi, la desviación estándar anticipada variará de la siguiente manera:

300 a 500 psi Excelente control de calidad

500 a 700 psi Buen control de calidad

> 700 psi Pobre control de calidad

Resulta obvio que calcular s de la manera antes descripta sería un proceso muy laborioso y lento. La mayoría de las calculadoras científicas pueden calcular la desviación estándar de forma directa. Las calculadoras vienen con las ecuaciones matemáticas programadas, y para obtener la desviación estándar de un conjunto de datos el usuario simplemente debe ingresar los datos estadísticos (valores de ensayo) y luego presionar la tecla de función adecuada. El Ejemplo 2.2 ilustra cómo se realiza una evaluación estadística típica de los resultados obtenidos de los ensayos de resistencia.

El coeficiente de variación es simplemente la desviación estándar expresada como porcentaje del valor promedio. La expresión matemática es la siguiente:

 

 

DOSIFICACIÓN EN BASE A LA EXPERIENCIA EN OBRA Y/O PASTONES DE PRUEBA - Desviación estándar (III)

Para resaltar el impacto de unos pocos valores de ensayo muy altos o muy bajos, los expertos en estadística recomiendan utilizar el cuadrado de las longitudes de las líneas verticales. La raíz cuadrada de la sumatoria del cuadrado de las longitudes dividida por el número de ensayos menos uno (algunos textos utilizan directamente el número de ensayos) se conoce como la desviación estándar. Esta medida de la variabilidad habitualmente se representa mediante la letra s. Matemáticamente s se expresa como:

valor que se calcula de la siguiente manera:

Desviación  (X - X= )

(longitud de las líneas verticales)

X

(X - =    )2

(longitud al cuadrado)

4000 – 3500 =	+500	+250.000
2500 – 3500 =	–1000	+1.000.000
3000 – 3500 =	–500	+250.000
4000 – 3500 =	+500	+250.000
5000 – 3500 =	+1500	+2.250.000
2500 – 3500 =	–1000	+1.000.000
	Total	+5.000.000

DOSIFICACIÓN EN BASE A LA EXPERIENCIA EN OBRA Y/O PASTONES DE PRUEBA - Desviación estándar (I)

Para establecer la dosificación de una mezcla de hormigón se recomienda utilizar pastones de prueba preparados en laboratorio o experiencia recabada en obra como la base sobre la cual seleccionar la relación agua-material cementicio requerida. El Código enfatiza el uso de un enfoque estadístico para establecer la resistencia meta, f'cr, requerida a fin de asegurar que se logre la resistencia a la compresión especificada, f'c. Si se conoce una desviación estándar aplicable, s, para
los ensayos de resistencia del hormigón se puede establecer el nivel de resistencia meta para el cual se debe dosificar el
hormigón. Si no se conoce la desviación estándar la dosificación se debe seleccionar de manera de producir una resistencia meta conservadora suficiente para permitir un elevado grado de variabilidad entre los resultados de los ensayos de resistencia. Si desea obtener información sobre los conceptos estadísticos utilizados y cómo se relacionan con el hormigón,
el lector puede consultar las Referencias 2.7 y 2.8.

El hormigón utilizado en los ensayos previos realizados para determinar la desviación estándar se considera "similar" al especificado si fue elaborado con los mismos tipos generales de ingredientes, bajo condiciones de control de calidad y con métodos de producción no más restrictivos que los especificados para las obras propuestas, y si su resistencia especificada
no se desvía del valor de f'c especificado en más de 1000 psi. La modificación del tipo de hormigón o el aumento significativo del nivel de resistencia puede provocar un aumento de la desviación estándar. Esta situación podría ocurrir si se modifica el tipo de agregados (por ejemplo, si se cambian agregados naturales por agregados livianos o viceversa) o si se modifican las características del hormigón (por ejemplo, si se cambia hormigón con incorporación de aire por hormigón sin incorporación de aire). La desviación estándar también puede aumentar si se incrementa significativamente el nivel de resistencia promedio, aunque en este caso el aumento de la desviación estándar debería ser menor que el valor directamente proporcional al aumento de resistencia. Si existe una duda razonable en cuanto a su confiabilidad, cualquier desviación estándar estimada utilizada para calcular la resistencia promedio requerida siempre debería ser conservadora (elevada).

Normalmente las desviaciones estándares se establecen usando como mínimo 30 ensayos consecutivos sobre materiales representativos. Si la cantidad de ensayos disponibles es menor que 30 pero mayor o igual que 15, la Sección 5.3.1.2 especifica un aumento proporcional de la desviación estándar calculada a medida que el número de ensayos consecutivos disminuye de 29 a 15.

Los métodos estadísticos constituyen una valiosa herramienta para evaluar los resultados de los ensayos de resistencia. Es importante que los técnicos del hormigón comprendan el lenguaje básico de la estadística y que sean capaces de emplear esta herramienta de forma efectiva para evaluar los resultados de ensayos.

CALIDAD, MEZCLADO Y COLOCACIÓN DEL HORMIGÓN ACTUALIZACIÓN PARA EL CÓDIGO 2002

1. Se agregó una oración al final del artículo 5.1.1 que estable que la resistencia a la compresión especificada del hormigón, f'c, debe ser mayor o igual que 2500 psi.

2. Se introdujeron varias revisiones significativas con respecto a las sobrerresistencias de diseño y los criterios de conformidad de los hormigones que tienen una resistencia a la compresión especificada, f'c, mayor que 5000 psi. Estas revisiones incluyen una modificación del cálculo de la resistencia a la compresión promedio requerida, f'cr, indicado en la nueva Tabla 5.3.2.1 (cuando hay datos de ensayos disponibles que permiten determinar la desviación estándar) y en la Tabla 5.3.2.2 existente (cuando no hay datos de ensayos disponibles). También se introdujeron los cambios correspondientes en los artículos 5.6.3.3(b), 5.6.5.1 y 5.6.5.2. Los criterios de conformidad actuales para los hormigones de todas las resistencias requieren realizar una investigación cuando los resultados de los ensayos de resistencia están más de 500 psi por debajo de f'c. El nuevo criterio de conformidad para los hormigones de más de 5000 psi exige realizar una investigación cuando los resultados de los ensayos de resistencia están más de un 10 por ciento por debajo de f'c. Este nuevo criterio permitirá que la variación de los resultados de los ensayos de resistencia sea mayor que 500 psi (por ejemplo, 600 psi para f'c = 6000 psi; 700 psi para f'c = 7000 psi; 800 psi para f'c = 8000 psi). Esto se fundamenta en el análisis exhaustivo de los resultados de ensayos de hormigones de alta resistencia que se han realizado durante los últimos veinte años. Estas revisiones fueron recomendadas por el Comité ACI 363 (Hormigón de Alta Resistencia), el Comité ACI 214 (Evaluación de los Datos obtenidos de Ensayos de Resistencia) y el Comité ACIC 211 (Dosificación del Hormigón), y su objetivo es proporcionar criterios más razonables y realistas para los hormigones de alta resistencia.

3. También se revisaron los métodos de preparación y almacenamiento de los testigos luego de su extracción y los límites de tiempo especificados para su ensayo (ver 5.6.5.3).

Nivel de Resistencia de Hormigón para Considerarse Satisfactorio.

El nivel de resistencia de una clase individual de hormigón se considera satisfactorio si se satisfacen los dos criterios siguientes:

1. Ningún resultado de un ensayo de resistencia individual (el promedio de las resistencias de un mínimo de dos probetas de un pastón) debe estar más de 500 psi por debajo de la resistencia a la compresión especificada cuando f'c es menor o igual que 5000 psi (por ejemplo, menor que 2500 psi para una resistencia a la compresión especificada del hormigón igual a 3000 psi); ni más de 10 por ciento por debajo de f'c cuando f'c es mayor que 5000 psi.

2. El promedio de los resultados de tres ensayos de resistencia consecutivos cualesquiera debe ser mayor o igual que la resistencia a la compresión especificada, f'c.

Los Ejemplos 2.6 y 2.7 ilustran resultados de ensayos de resistencia "aceptables" (o conformes) y "no aceptables" (o no conformes o de baja resistencia).

Evaluación y Conformidad del Hormigón.

Los procedimientos de ensayo para el hormigón indicados en el Código demandan personal con conocimientos y habilidades específicas. La experiencia ha demostrado que solamente los técnicos en obra correctamente capacitados y el personal de laboratorio certificado bajo programas reconocidos a nivel nacional pueden asegurar el nivel necesario para obtener resultados de ensayo significativos. En el Código 2002 se agregaron requisitos en la Sección 5.6.1 que exigen que los ensayos en obra sobre hormigón fresco y los procedimientos requeridos para preparar las probetas de hormigón para los ensayos de resistencia deben ser ejecutados por "un técnico en ensayos en obra calificado." Los procedimientos habitualmente realizados en obra y que deberán ser ejecutados por técnicos calificados incluyen el muestreo del hormigón fresco; el ensayo de asentamiento, contenido de aire y temperatura; y la preparación y curado de las probetas para ensayo. Los técnicos a cargo de estas tareas en obra pueden ser Técnicos en Ensayos de Hormigón en Obra certificados a través del Programa de Certificación Grado I de ACI.

La Sección 5.6.1 también requiere que todos los ensayos de laboratorio requeridos sean realizados por "técnicos de laboratorio calificados." Los técnicos de laboratorio que realizan ensayos del hormigón pueden ser Técnicos en Ensayos de Hormigón en Laboratorio o Técnicos en Ensayos de Resistencia del Hormigón certificados por ACI, o bien técnicos certificados en los requisitos de ASTM C 1007.

La siguiente discusión del Capítulo 5 del Código se ocupa de la dosificación de las mezclas de hormigón por resistencia, en base a conceptos probabilísticos.