Influencia Del Material En Bovedas.docx

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL MECÁNICA DE LOS SOLIDOS III

“INFLUENCIA DEL CONCRETO REFORZADO EN BOVEDAS EN EL DESARROLLO DEL PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL”

GRUPO DE TRABAJO:

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DOCENTE: ING. HERBER HERRERA COELLO CARRERA: INGENIERIA INDUSTRIAL MATERIALES: CONCRETO REFORZADO EN BOVEDAS

CIUDAD UNIVERSITARIA, 20 DE NOVIEMBRE DE 2018 INDICE

Introducción ………………………………………………………………………………...4 Objetivos…………………………………………………………………………………….5 1. Descripción general de las etapas generales …………………………………..6 1.1 Conceptualización estructural…………………………………………………6 1.1.1 Estudio geotécnico …………………………………………………….7 1.1.2 Selección de materiales………………………………………………..8 1.1.3 Estudio técnico de materiales…………………………………………8 1.1.4 Estructuración…………………………………………………………...9 1.1.5 Predimensionamiento………………………………………………….9 1.2 Calculo estructural…………………………………………………………….10 2. Descripción de las etapas, subetapas y niveles del proceso de diseño…….10 3. Influencia del material estructural Concreto Reforzado……………………….14 3.1 Conceptualización Estructural………………………………………………..14 3.1.1 Estudio Geotécnico de bóvedas ……………………………………...14 3.1.2. Selección de materiales para bóvedas ……………………………...15 3.1.3 Estudio técnico de los materiales estructurales …………………….16 3.1.4 Estructuración …………………………………………………………..17 3.1.5 Predimensionamiento…………………………………………………..18 4. Influencia del material estructural concreto reformado en la etapa de análisis….19 4.1 Cargas actuantes en el análisis de bóvedas ………………………………19 4.1.1 Presiones de tierra……………………………………………………. 19 4.1.2 Carga muerta …………………………………………………………..20 4.1.3 Carga viva ……………………………………………………………...20 4.1.4 Carga sísmica ………………………………………………………….20 4.1.5 Carga de impacto ………………………………………………………21 4.2 Esfuerzos ……………………………………………………………………….21 2

4.3 Deformaciones …………………………………………………………………21 5. Reseña histórica del concreto reforzado …………………………………………..…22 5.1 Concreto ………………………………………………………………………..22 5.1.1 Cemento ……………………………………………………………...22 5.1.2 Áridos…………………………………………………………….……24 5.1.3 Agua …………………………………………………………….…….27 5.2 Acero ……………………………………………………………………………28 5.2.1 Hierro ………………………………………………………………....29 5.2.2 Carbono ……………………………………………………………....30 5.2.3 Maganeso ………………………………………………………….…32 6. Aplicación del material según configuración estructural…………………………….33 7. Costo- Beneficio por el uso del material en cuestión …………………………….….34 8. Ventajas del uso del material en la configuración estructural ………………….…..35 9. Desventajas en el uso del material para configurar el sistema estructural ……….36 10.Esquematizacion estructural de elementos ………………………………………….37 Conclusiones………………………………………………………………………………...41 Recomendaciones ………………………………………………………………………….42 Bibliografía …………………………………………………………………………………..43 Anexos ……………………………………………………………………………………....44

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INTRODUCCION Antes de analizar numéricamente una estructura o sistema estructural, los reglamentos de diseño establecen que todo sistema estructural debe ser conceptualizado con el objetivo de mejorar a posterior el comportamiento de los sistemas estructurales, para que este sea adecuado de tal forma que se pudieran tener fallas en sus comportamientos, evitando a toda costa el colapso de la estructura.

Este proceso del diseño estructural es un proceso creativo mediante el cual se le da forma a un sistema estructural para que cumpla una función determinada con un grado de seguridad razonable y que en condiciones normales de servicio tenga un comportamiento adecuado. Es importante considerar ciertas restricciones y limitaciones en cuanto al costo y tiempo de ejecución, así como de satisfacer determinadas exigencias estéticas del proyecto.

En el siguiente trabajo investigaremos sobre la influencia del concreto reforzado en bóvedas aplicándolo en el desarrollo del proceso del diseño estructural; desarrollando cada uno de los partes de este proceso sobre una bóveda en específico: bóvedas de drenaje transversal, empezando por la conceptualización estructural donde el objetivo del diseñador es idealizar el sistema estructural y que tenga una idea de este con el objetivo de cumplir con los fines por los cuales será creada, dividiendo esta primera etapa en sub etapas, las cuales son de importancia para la creación del sistema estructural; el estudio geotécnico, la selección de materiales a utilizar, el estudio a profundidad o técnico de los materiales, la estructuración del sistema y el predimensionamiento de dimensiones tentativas de cada uno de los elementos de la estructura; La segunda etapa que analizaremos es el cálculo estructural o análisis numérico de la estructura que se divide en tres subetapas que son el análisis, diseño y revisión: dimensionamiento adecuado del sistema estructural.

Todas las etapas antes mencionadas serán analizadas entorno al concreto reformado y las ventajas y desventajas que tiene este material en el sistema estructural a estudiar, evaluando a fondo el costo y beneficio del material en comparación a otros materiales utilizados en otros tipos de bóvedas.

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OBJETIVOS: 

Conceptualizar el concreto de refuerzo en elementos estructurales del sistema estructural: Bóveda de drenaje transversal.

OBJETIVOS ESPECIFICOS: 

Analizar la influencia que tiene el concreto reforzado en bóvedas en cada una de las etapas y subetapas del proceso del diseño estructural.



Distinguir cada uno de los materiales de los que está compuesto el concreto de refuerzo.



Contrastar las ventajas y desventajas en la aplicación de concreto reforzado para el sistema estructural conocido como Bóveda de Drenaje Transversal.



Identificar la aplicación del material en cada elemento estructural del sistema estructural.



Comparar el beneficio-costo del concreto reforzado en la bóveda con respecto a otra bóveda igual, pero de distinto material de construcción.

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1. Descripción general de las etapas generales: conceptualización y calculo estructural 1.1 Conceptualizacion estructural: El diseño es un proceso creativo mediante el cual se definen las características de un sistema (conjunto de elementos que se combinan en forma ordenada para cumplir con determinada función) de manera que cumpla en forma óptima con sus objetivos. El diseño estructural consiste en todas aquellas actividades que se desarrollan para determinar la forma, dimensiones globales y características detalladas de un sistema estructural, es decir, de aquella parte de una construcción cuya función es resistir las fuerzas o acciones a las que va a estar sometido sin que se produzcan fallas o mal comportamiento En el proyecto de un edificio se integran varios sistemas: el de los elementos arquitectónicos, el estructural, las instalaciones eléctricas, las de abastecimiento de agua potable, las sanitarias, las instalaciones mecánicas de acondicionamiento de aire, escaleras eléctricas y elevadores. Todos estos sistemas interactúan de modo que en su diseño debe tenerse en cuenta la relación que existe entre ellos. Tradicionalmente el diseño de un edificio suele realizarse por la superposición sucesiva de los proyectos de los sistemas que lo integran. El diseño funcional es propuesto por el arquitecto con base en las necesidades expuestas por el promotor o propietario del proyecto. El ingeniero en estructuras debe adaptarse lo mejor posible a los requisitos arquitectónicos planteados; por último, los proyectistas de éstas formulan sus diseños con base en los proyectos arquitectónico y estructural. El proyecto general definitivo se logra después de que los diversos especialistas han hecho las correcciones y ajustes indispensables en sus proyectos respectivos. En esta forma de proceder, cada especialista encargado de una parte del proyecto tiende a dar importancia sólo a los aspectos del proyecto que le atañen, sin tener en cuenta si la solución que está proponiendo es inadmisible o inconveniente para el cumplimiento de otras funciones. También debe considerarse la interacción de los contratistas responsables de la construcción, ya que las técnicas de construcción y el tiempo que en ella se emplea son aspectos esenciales para definir el costo del proyecto.

Para entender un poco el proceso de diseño estructural, resulta útil considerar dividirlo en tres aspectos fundamentales: la estructuración, el análisis y el dimensionamiento.

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Para llevar a cabo el proceso estructural debe de tenerse en cuenta ciertos criterios: 1.1.1 Estudio geotécnico Estudio geotécnico en estructuras mayores Con base en el diagnóstico de campo y la investigación del subsuelo (exploración y parámetros de resistencia y compresibilidad) se presentan las recomendaciones geotécnicas para el diseño de la infraestructura de las estructuras primarias y secundarias. Al igual, se determinan las dimensiones, tipo, profundidad de desplante y características particulares de los procesos constructivos para garantizar un adecuado desempeño, también, se presentan los registros de perforación de cada uno de los posibles puntos de apoyo para las estructuras existentes que servirán de base de diseño en el caso que los resultados de la patología estructural así lo ameriten. Adicionalmente, se realizan los análisis de estabilidad geotécnica pertinentes que permiten analizar los distintos escenarios que se presentan (Ampliación de Terraplenes, Cortes y Acceso a Puentes) a lo largo de los sectores en estudio. Determinar la Capacidad Portante y los Asentamientos esperados en las cimentaciones requeridas por Puentes, Obras de Drenaje y Estructuras de Contención nuevas o existentes que deban ser intervenidas en el Proyecto. Se

plantean

-Determinación

los

siguientes

del

Tipo

objetivos

de

dentro

Cimentación

del

desarrollo

requerido

por

del

cada

Estudio:

obra.

-Determinación del Perfil Estratigráfico del terreno mediante Sondeos Directos y Líneas Sísmicas. -Caracterización Geomecánica del Terreno mediante pruebas de resistencia y deformación. -Determinación de los Parámetros de Resistencia y Deformación de los suelos. -Determinación de condiciones especiales de comportamiento geotécnico tales como expansión, licuefacción y colapsabilidad, entre otros, de acuerdo con el tipo de suelo que se encuentre tanto en

la

inspección

de

los

sitios

como

en

la

exploración

geotécnica

directa.

-Planteamiento del Proceso Constructivo para las cimentaciones, esto considerando la particularidad de las condiciones geotécnicas de cada uno de los sitios en Estudio.

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Los aspectos anteriores se desarrollarán considerando las condiciones geológicas, de acuerdo con el Estudio de Geología para Ingeniería y Geotecnia del Proyecto. 1.1.2 Selección de materiales En el universo de las estructuras, el proyectista encontrará una gama de materiales y de formas. El uso de un material depende de la forma buscada, pero la forma también depende en gran medida del material. En las primeras etapas del proyecto tenemos tres conceptos definidos, que son: Diseño Forma Material Sobre ellos influyen en no poca medida la ubicación física de la obra y los recursos económicos y tecnológicos disponibles. Para materializar la obra es necesario contar con recursos económicos y recursos tecnológicos. Los medios económicos y tecnológicos se encuentran relacionados entre sí; como también están relacionados e interactúan la forma de la estructura y el material. Coordinando las etapas de concepción de la forma, elección del material, elección de la técnica a usar y provisión de los recursos económicos se debe llegar al diseño de la estructura. Con el diseño definido de la estructura podemos conocer el costo de ella. Relacionando el costo con los medios económicos puede surgir la necesidad de estudiar nuevas formas o elegir otros materiales. Otro replanteo posible surgido de la relación costo-recursos económicos es variar la ubicación de la obra. 1.1.3 Estudio técnico de materiales Los materiales usados en estructuras son bien conocidos, incluso por personas ajenas al medio de la construcción. Su enumeración en un orden cronológico de uso es: piedra, madera, fundición, acero, hormigón armado y hormigón pretensado. La piedra, el ladrillo y la madera son materiales conocidos y usados desde la antigüedad. Cada material tiene un comportamiento intrínseco ante los esfuerzos que lo solicitan. La mampostería de piedra o ladrillo soporta esfuerzos de compresión y corte, pero su resistencia a la tracción es prácticamente nula. La madera es capaz de soportar tracciones, pero su carga de rotura es baja. La combinación de hormigón y acero en el hormigón armado y en el hormigón pretensado brindan materiales capaces de resistir tracción, compresión, flexión y corte. Y, finalmente, el acero que puede soportar los esfuerzos con los valores de cargas de rotura más altos. Por último, no podemos olvidar un material estructural indispensable, el terreno. Al elegir un material el proyectista debe pensar que, además de su capacidad resistente para la tipología estructural proyectada; van a influir en el diseño final: el peso propio, la durabilidad, la variación volumétrica ante cambios de temperatura, comportamiento ante cargas alternativas, etc. 8

1.1.4 Estructuración Los materiales, la forma y dimensiones globales, y el arreglo de los elementos que forman una estructura, determinan de gran manera su comportamiento ante las acciones externas a las cuales se somete, siendo de particular importancia el comportamiento ante eventos sísmicos, debido al riesgo que involucran. Se presentan en esta sección algunos de los requisitos, criterios y recomendaciones a tener en cuenta cuando se configura el sistema estructural de un edificio, puente, tanques, bóvedas, etc. 1.1.5 Predimensionamiento Los tipos estructurales, como se ha dicho, dependen de la forma. Se puede, y se ha hecho en muchos casos, forzar un tipo estructural a soportar una forma. Pero expresar la forma del tipo estructural elegido tiene ventajas de orden estético y económico, sin duda. Las formas de las tipologías estructurales están condicionadas por el modo de transmitir los esfuerzos a que se ven sometidas. Los esfuerzos normales, de tracción o comprensión, originan estructuras formadas por barras rectas, de sección reducida, que dispuestas en figuras indeformables dan nacimiento a las estructuras reticuladas en el plano o en el espacio. Si deseamos cubrir grandes vanos con estructuras en las que prevalezcan los esfuerzos de tracción o de compresión; debemos buscar una forma que genere en el material esfuerzos axiales. Así, encontramos que los cables y la familia de estructuras derivadas, son una tipología estructural que trabajan exclusivamente a la tracción. La forma del arco, que podemos imaginar como un cable congelado invertido, nos proporciona un tipo estructural sometido a esfuerzos de compresión dominantes. Cuando es necesario crear espacios cúbicos o prismáticos, como es el caso de los edificios de propiedad horizontal, oficinas, etc. el tipo estructural debe facilitar la construcción de entrepisos planos horizontales. La estructura que satisface esta condición es la combinación de vigas y columnas, generando pórticos planos o espaciales. Es una tipología estructural con flexión predominante. En otras ocasiones, el proyectista desea una cubierta continua, que abarque áreas de gran dimensión y no lo satisfacen las estructuras descriptas arriba. Tenemos la posibilidad de generar cubiertas que salven grandes luces utilizando formas geométricas espaciales, tales como paraboloides, elipsoides, conoides, etc. Llegamos así al tipo estructural de las láminas o cascaras. Son estructuras que se encuentran solicitadas por esfuerzos de tracción, compresión

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y corte. Con la particularidad que estos esfuerzos se desarrollan en el espesor, generalmente muy pequeño, de la lámina. Las láminas son estructuras sin capacidad para soportar flexiones. 1.2 Cálculo estructural

En la fase preliminar del diseño de la estructura, se estiman los tamaños de los diversos miembros del sistema estructural seleccionado como base en un análisis aproximado. La experiencia pasada y los requisitos de los códigos. En la fase siguiente se usan los miembros de los tamaños seleccionados estimar el peso de la estructura.

Estimación las cargas: La estimación de las cargas comprende la determinación de todas las cargas que puede esperarse actúen sobre la estructura. Análisis estructural: En esta fase se usan los valores de las cargas para llevar a cabo un análisis de la estructura para determinar los esfuerzos o las resultantes de esfuerzos en los miembros y las deflexiones en diversos puntos de la estructura. Análisis estructural esfuerzos: En esta fase se usan los valores de las cargas para llevar a cabo un análisis de la estructura para determinar los esfuerzos o las resultantes de esfuerzos en los miembros y las deflexiones en diversos puntos de la estructura.

2. Descripción de las etapas, subetapas que comprende el proceso de diseño estructural. Una estructura al encontrarse sometida a una serie de acciones responde a ellas en base a sus características. Como efecto de estas acciones, la estructura se deforma, sufre desplazamientos y esfuerzos, y ocasionalmente daños. Todo esto constituye su respuesta a dichas acciones. La etapa de análisis consiste en la determinación de la respuesta de la estructura ante las diferentes acciones exteriores que pudieran afectarla. Para esto se requiere lo siguiente: Modelar la estructura, es decir, idealizar la estructura real por medio de un modelo teórico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo disponibles. Un ejemplo es la idealización de un edificio de columnas, vigas y losas de concreto por medio de un sistema de marcos planos formados por

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Barras de propiedades equivalentes. En esta idealización se cometen con frecuencia errores graves, tales como ignorar elementos que contribuyen a la respuesta de la estructura o emplear un modelo demasiado simple que no representa adecuadamente la respuesta estructural. La modelación incluye la definición de diversas propiedades de los elementos que componen al modelo. Esto implica la recolección de diversos datos y la suposición de otras características, como son las propiedades elásticas de los materiales, incluyendo el suelo de cimentación, y las propiedades geométricas de las distintas secciones. Los valores supuestos en etapas iniciales del proceso para estas propiedades pueden tener que modificarse e irse refinando a medida que se obtienen los resultados del análisis. Determinar las acciones de diseño. En muchas situaciones las cargas y los otros agentes que introducen esfuerzos en la estructura están definidos por los reglamentos y códigos cuya observancia es obligatoria. Es frecuente, sin embargo, que quede como responsabilidad del proyectista la determinación del valor de diseño de alguna carga, o al menos la obtención de datos ambientales locales que definen la acción del diseño (p. ej. sismo o viento). También, la elección del criterio con que se deben definir los valores de diseño de una acción dada, la forma de obtener un modelo de ésta, generalmente a través de un sistema de fuerzas estáticas de efecto equivalente y la forma de combinar estas fuerzas con las correspondientes a otras acciones. Debe notarse que en esta etapa se suelen tener grandes incertidumbres y se pueden llegar a cometer errores graves en la determinación de las acciones de diseño, lo que produce un diseño deficiente, no acorde a las cargas reales que se espera actúen sobre la estructura durante su vida útil. Baste como ejemplo reflexionar sobre el grado de aproximación con que se puede determinar la acción máxima debida a sismo que puede presentarse sobre un edificio durante su vida útil.

Determinar el efecto de las acciones de diseño en el modelo de estructura elegido. En esta etapa, que constituye el análisis propiamente dicho, se determinan las fuerzas internas (momentos flexionantes y de torsión, fuerzas axiales y cortantes), así como las deflexiones y deformaciones de la estructura. Los métodos de análisis suponen en general un comportamiento elástico lineal. El desarrollo de los métodos numéricos asociados al empleo de las computadoras ha hecho posible la evolución de los métodos de análisis. Se cuenta con procedimientos de cálculo de solicitaciones en modelos sumamente refinados de estructuras muy complejas, los cuales pueden tomar en cuenta efectos como la no linealidad del comportamiento de los materiales, la interacción de la estructura con el suelo y el comportamiento dinámico. Sin 11

embargo, sin menospreciar las ventajas de realizar análisis refinados de un modelo estructural que represente en forma realista y detallada una estructura, cabe llamar la atención acerca del peligro que representa que un proyectista poco familiarizado con un procedimiento de análisis muy refinado, pierda el sentido físico del problema que está resolviendo, que no sepa determinar de manera adecuada los datos que alimentan al modelo y que no tenga sensibilidad para juzgar sobre si los resultados que está obteniendo son o no realistas.

con frecuencia en comparaciones con casos semejantes y en algunos cálculos muy simples. Es en esta fase donde juega un papel preponderante el criterio del proyectista estructural.

Diseño estructural Se realizan las actividades que, según se ha mencionado anteriormente, constituyen las etapas del proceso de diseño estructural, pero a un nivel tosco que se denomina comúnmente “prediseño”, en el cual se pretende definir las características esenciales de la estructura en diversas alternativas, con el fin de identificar posibles problemas en su adopción y, principalmente, de poder cuantificar sus partes y llegar a una estimación de los costos de las diversas soluciones. La elección de la opción más conveniente no se basará solamente en una comparación de los costos de la estructura en cada caso; hay que considerar también la eficacia con la que ésta se adapta a los otros aspectos del proyecto, la facilidad de obtención de los materiales necesarios, la rapidez y grado de dificultad de las técnicas de construcción involucradas, los problemas relacionados con el mantenimiento, el aspecto estético de la solución y, en obras de gran importancia, también diversos factores de tipo socioeconómico, como la disponibilidad de recursos nacionales y la contribución a la generación de empleos.

Diseño detallado. Una vez seleccionada la opción más conveniente, se procede a definirla hasta su detalle, realizando de manera refinada todas las etapas del proceso; aún aquí es necesario con frecuencia recorrer más de una vez las diversas etapas, ya que algunas de las características que se habían supuesto inicialmente pueden tener que modificarse por los resultados del dimensionamiento y hacer que se repita total o parcialmente el análisis.

Transferencia de los resultados del diseño. No basta haber realizado un diseño satisfactorio; es necesario que sus resultados sean transmitidos a sus usuarios, los constructores, en forma clara y completa. La elaboración de 12

planos que incluyan no sólo las características fundamentales de la estructura, sino la solución de los menores detalles, la especificación de los materiales y procedimientos y la elaboración de una memoria de cálculos que facilite la implantación de cualquier cambio que resulte necesario por la ocurrencia de condiciones no previstas en el diseño, son partes esenciales del proyecto Dimensionamiento Se entiende por dimensionamiento la determinación de las propiedades geométricas de los elementos estructurales y en el caso de elementos de concreto reforzado y mampostería reforzada, también comprende la determinación de la cantidad y ubicación del acero de refuerzo. Se define en detalle la estructura y se revisa si cumple con los requisitos de seguridad establecidos. Se diseñan los elementos del sistema estructural adoptado hasta llegar a la elaboración de planos detallados y las especificaciones de construcción correspondientes. Estas actividades están ligadas a la aplicación de uno o más reglamentos y códigos que rigen el diseño de la estructura en cuestión. Los códigos y procedimientos son peculiares del material y sistema de construcción elegido. Lo que constituye un aspecto general son los criterios de seguridad y el enfoque con que se aborda el diseño.

Se requiere primero una definición clara de las funciones que debe cumplir la estructura y de las restricciones que impone el entorno físico y de las que fijan otros aspectos del proyecto general. Es necesario tener datos al menos preliminares sobre condiciones ambientales y requisitos de proyecto. En esta fase es particularmente necesaria la interacción entre el estructurista y los especialistas de los demás sistemas de la obra para definir las necesidades básicas de cada uno de ellos y para analizar las soluciones generales que se vayan proponiendo. De una evaluación esencialmente cualitativa surge un número limitado de soluciones que tienen perspectivas de resultar convenientes. Revisión estructural Puede parecer injustificado considerar la supervisión de la obra como una fase del proceso de diseño. Su inclusión aquí tiene como objetivo destacar la importancia de que las personas responsables del proyecto estructural comprueben que se esté interpretando correctamente su diseño y, sobre todo, que puedan resolver los cambios y adaptaciones que se presentan en mayor o menor grado en todas las obras, de manera que éstos no alteren la seguridad de la estructura y sean congruentes con los criterios de cálculo adaptado.

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3. Influencia del material estructural Concreto Reforzado en la etapa de análisis conceptual de los elementos en bóvedas. Tipo de Bóveda por estudiar: Bóveda para flujo de agua 3.1 Conceptualización Estructural Se considera como bóveda, la obra de drenaje transversal formado por muros unidos por uno o varios arcos y que soportan as cargas de transito de vehículo, a través de un relleno. Otra definición de bóveda puede ser: son obras civiles constituidas por una superestructura apoyada sobre una subestructura, en donde la primera es la encargada de soportar las cargas de tráfico vehicular y/o del relleno de suelo sobre ella y estas son transferidas a la subestructura, la cual se encarga de transmitirlas al suelo soportante. La importancia de las bóvedas radica en que por medio de ellas se pueden aprovechar el área utilizada por drenaje naturales como las barrancas, las quebradas y los ríos; así como también son obras de paso para salvar accidentes naturales del terreno. Su uso se aconseja cuando no se puede colocar tubos, cuando la pendiente transversal es muy fuerte y cuando la profundidad de la quebrada es muy grande. El arco puede ser en forma parabólica, de sección uniforme o variable y estará conformado con los muros; estos a su vez sirven como muros de retención, cuya función es la de contener el relleno sobre la obra, para que no se derrame al cause u obstáculo a salvar. Al arco se le llama superestructura y a los estribos y pila (si es necesaria), subestructura. 3.1.1 Estudio Geotécnico de bóvedas de concreto reforzado Para poder diseñar y construir bóvedas se necesita conocer ciertas características del entorno del obstáculo, así como del mismo obstáculo, para ello se realizan diversos estudios, los cuales se mencionan a continuación: 

Levantamiento topográfico: Consiste en el establecimiento a distancias y noveles a uno y otro lado de la línea central del alineamiento, ampliándose esto, si es necesario, con el din de tener información suficiente para establecer cotas de fundación, curvas de derrame, pendiente del cauce, etc. 14



Estudios de suelos: para conocer cotas de fundación, así como para dimensionar la geometría de la obra en función de las características y resistencia de los materiales en los cimientos, determinándose estos, previa realización de perforaciones en los puntos donde supuestamente se ubican los estribos y pilas si las hubiese.



Estudios hidrológicos e hidráulicos de las cuencas y subcuencas de los ríos o quebradas: Con el fin de conocer el caudal de diseño de estos y en base a ello encontrar el área hidráulica resultante y definir la magnitud de la obra, estos estudios deben hacerse usando métodos, los más exactos posibles, que dependen de la cantidad y calidad de la información con que se cuente.



Además de los factores mencionados, para procurar lograr el máximo de economía en el diseño, se debe de escoger el sitio de la obra, al evaluar alternativas propuestas en los estudios de los alineamientos del camino.

3.1.2 Selección de materiales para bóvedas Existen otros tipos de bóvedas que trabajan como un solo elemento estructural de tal manera que no se puede dividir sus partes en superestructura y subestructura. La geometría es variable, así las hay circulares, rectangulares, cuadradas, elípticas, etc., y los materiales con que se construyen pueden variar también. A continuación, se mencionan dos ejemplos de este tipo de bóvedas.  Bóvedas Cajón: Es una estructura de concreto reforzado de forma cuadrada o rectangular construida monolíticamente. Las partes que lo componen son: losa superior, paredes laterales y losa de fundación. Estas permiten eliminar el relleno de tierra sobre ella.  Bóvedas metálicas: este tipo de bóvedas, se fabrican de planchas de acero con corrugaciones en sentido perpendicular a su longitud. Estas bóvedas se utilizan en la construcción de puentes pequeños, alcantarillas, entubamiento de arroyos, pasos inferiores de peatones y ganado, depósitos de almacenaje, embalses, arcones e instalaciones similares. Existen también otro tipo de bóvedas que no son para el flujo de agua:  Bóvedas de techo: Son elementos arquitectónicos utilizados en diferentes lugares que permite la cobertura del espacio existente entre dos apoyos, estas bóvedas por lo tanto sirven como cubierta o compone el techo de la construcción.  Bóvedas para salvaguardar terrenos: Son construcción creadas para cuidar algún terreno que no se esté utilizando.

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 Bóvedas de carreteras: Creadas para el paso vehicular, estas también sirven para la protección en derrumbes y caídos. Para las diferentes bóvedas antes mencionadas se pueden utilizar diversos materiales para su construcción como son: Ladrillo

Hormigón armado

Acero

Piedra

Para la construcción de bóvedas de drenaje transversal el mejor material a utilizar es el concreto reforzado o también llamado hormigón armado porque es el material idóneo para elementos que estén sometidos únicamente a esfuerzos de compresión y las piezas y componentes de una bóveda trabajan a compresión. Pero eventos externos como sismos pueden generar esfuerzos multidireccionales que someten elementos tanto a compresión como a tensión, pero siendo la capacidad para resistir tensión del concreto cercana al 10% de su capacidad a compresión, es necesario suplirle un soporte o elemento que pueda sopesar esta carencia, y ese soporte es normalmente el acero estructural ya que posee una resistencia a tensión de más de 100 veces la del concreto. El concreto reforzado obtiene sus ventajas al combinar características del concreto y el acero y compensar las carencias de uno con el otro. Las propiedades de estos dos materiales del cual esta constituidos el concreto reforzado con las siguientes: Propiedades del concreto: La facilidad con que puede colocarse dentro de los encofrados de casi cualquier forma, mientras aún tiene una consistencia plástica; Su elevada resistencia a la compresión lo que le hace adecuado para elementos sometidos fundamentalmente a compresión; Su elevada resistencia al fuego y a la penetración del agua. Propiedad del acero: Alta resistencia; Uniformidad y homogeneidad; Rango elástico amplio; durabilidad; ductilidad y tenacidad; y rapidez de construcción. 3.1.3 Estudio técnico de los materiales estructurales Estas características o propiedades estructurales se miden a partir de pruebas de laboratorio, conocidas como ensayo de materiales. En este caso ensayo de laboratorio de acero y concreto. Con estos ensayos se establecen parámetros de comportamiento, bajo los cuales se percibe si los elementos que se diseñan podrían tener la capacidad adecuada para resistir las cargas aplicadas. Para el ensayo del concreto se debe cumplir las especificaciones de la norma ASTM C192 donde mencionan las dimensiones, forma y métodos de consolidación. Para el ensayo del acero se debe cumplir las especificaciones de la norma ASTM A370. 16

Figura 1. Resultados de ensayo del acero

Figura 2. Resultados de ensayo del concreto. Los resultados de las pruebas de resistencia

Este ensayo se utiliza para medir la ductilidad a la compresión se usan fundamentalmente como la resistencia del acero. El valor de la para determinar que la mezcla de concreto resistencia es directamente utilizado en todo suministrada cumpla con los requerimientos lo que se refiere a diseño.

de la resistencia especificada del proyecto.

3.1.4 Estructuración La superestructura de una bóveda es aquel elemento estructural al que se le denomina arco, el cual esta apoyada directamente sobre la subestructura y cuya función principal es soportar con seguridad las caras a las que se vera sometido. Estas cargar provienen de las presiones originadas por el relleno de tierra, por el trafico vehicular y por su mismo peso. La geometría del arco puede ser de directriz parabólico, circular, elíptica o formada por la combinación de ellas, siendo de espesor constante o variables, y elaborado de concreto reforzado, o mampostería de bloque de concreto. El arco puede ser construido directamente en el sitio que le corresponde en la bóveda.

La subestructura de una bóveda esta constituida por los elementos estructurales conocidos como estribos, estos se presentan en pareja ya que sirven de apoyo a ambos extremos del arco. La 17

función de los estribos es la de transmitir reacciones del arco al suelo soportante. Los estribos pueden ser constituidos por diferentes materiales como mampostería de piedra, concreto reforzado. Su geometría depende del tipo de material con el que se haya diseñado una vez alcanzada su estabilidad.

A veces se suele construir una 'pila' de Distribución de empuje que debe ser contrarrestado con un estribo.

bóvedas que se apoyan unas contra otras.

3.1.5 Predimensionamiento En

general,

construyen

con

las

bóvedas

se

mampostería

de

tercera y mortero de cemento 1:5. Para construir el arco se requiere un molde de madera, que se aprovecha también para colocar la clave a lo largo de la obra. La clave, de concreto simple de f´c= 100 Kg/m2, cierra el arco en el centro con juntas radiales y tienen un ancho medio mínimo de 35 cm. Las piedras del arco tienen hasta donde es posible, juntas radiales, con cuatropeo longitudinal y una mayor dimensión del estrado. Cuando se use cemento normal, el descimbrado se hará a los catorce días de colocada la clave, tiempo a partir del cual se construirá el terraplén. El zampeado del piso y los dentellones ubicados aguas arriba y abajo para proteger el suelo contra la erosión pueden omitirse en terrenos rocosos. Para eliminar el empuje hidrostático sobre

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los muros, se coloca una capa de 30 cm de espesor de material graduado en el respaldo de cada estribo.

4. Influencia del material estructural concreto reforzado en la etapa de análisis numérico de los elementos de bóveda. 4.1. Cargas Actuantes en el Análisis de Bóvedas Tipos de Carga Según las normas AASHTO, las estructuras están sometidas a los siguientes tipos de carga, cuando estas existan: carga viva, carga muerta, carga de impacto, carga de viento y otras fuerzas como: Fuerzas longitudinales, fuerzas centrífugas, térmicas, efectos debido a terremotos, etc. En la superestructura de una bóveda, no actúan todos los tipos de cargas antes mencionados, por lo que deberá determinarse cuáles están presentes y bajo que combinación de éstos deberá diseñarse la estructura. 4.1.1. PRESIONES DE TIERRA: La presión de tierra vertical y lateral en bóvedas debe ser analizada por procedimientos y técnicas basadas en principios de mecánica de suelos, o interacción

de

las

estructuras

con

el

suelo.

a) Presión Vertical de Tierra: La presión vertical consiste en el peso del suelo de relleno sobre la bóveda. Para encontrar la presión ejercida por el relleno sobre el arco, puede aplicarse la teoría de Terzaghi con la expresión siguiente:

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b) Presión Lateral de tierra: En una bóveda enterrada, se tendrá siempre un relleno de tierra sobre y a los lados de ésta, de tal manera que existirá una presión lateral a ambos lados de la misma y una presión vertical sobre ella. Para el cálculo de la presión lateral se puede utilizar la teoría de Rankine, que establece que la presión lateral es una fracción de la presión vertical de tierra. Así define un coeficiente de presiones activas (Ka) que relaciona la presión vertical con la lateral.

4.1.2. CARGA MUERTA: La carga muerta sobre la superestructura de una bóveda la constituirá el peso del arco, incluyendo la acera, calzada, tuberías, conductos, cables y otros servicios públicos. Para estimar el cálculo de peso del arco, será necesario estimar la forma y dimensiones del mismo por medio de un pre-dimensionamiento.

Se tiene

diferentes formas para poder determinar tal espesor una de ellas es una fórmula elaborada por el Ing. Simón Goldenhorn en el cual a partir de la presión originada por la carga viva y por el suelo, se establece un área preliminar de concreto. La ecuación es: 𝑒 = 𝐿 + 11.5 + ℎ𝑡 Donde L es la longitud del claro del arco en metros, ht es la altura del relleno de tierra más una altura de relleno equivalente que produciría la carga viva. 4.1.3. CARGA VIVA: Este tipo de carga, en el caso de bóvedas considera el peso de las cargas móviles, es decir, el peso de vehículos que transitan por esta obra de paso consistente

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en camiones de carga o carriles de carga, estos últimos son sobrecargas equivalentes a trenes de camiones. 4.1.4

CARGA SISMICA: Para este tipo de carga se considera dos tipos para generar el evento extremo más desfavorable y estas son:  Carga uniforme distribuida (lateral) 𝑊𝑙𝑑𝑒 : Que es la multiplicación del 0.1 por el peso de la estructura más el peso del relleno.  Carga puntual en el eje vertical de la bóveda 𝑃𝑣𝑒 : La multiplicación de 2/3 por 𝑊𝑙𝑑𝑒

4.1.5

CARGA DE IMPACTO: Los esfuerzos producidos debidos a carga viva, serán incrementados debido a efectos dinámicos vibratorios por el impacto, cuando el espesor de relleno sobre la bóveda sea menor de 3 pulgadas.

4.2.

Esfuerzo:

Esfuerzo Axial, es el resultante de las tensiones perpendiculares(normales) a la sección transversal de un prisma mecánico.

4.3.

Deformaciones:

Para bóvedas solo se consideran únicamente el efecto de la deformación por flexión. Los efectos de la deformación por esfuerzo cortante y de la deformación axial no son considerados, dado que su contribución a la energía total de la deformación es insignificante.

21

5.

Reseña histórica del concreto reforzado

5.1 CONCRETO El Concreto es una mezcla de: cemento, agua y áridos (Arena y Grava) como componentes principales. Además, pueden añadírsele adiciones (hasta un 35% del peso de cemento, dependiendo del tipo de adición) y aditivos (<5% del peso de cemento). En peso, las proporciones aproximadas de cada uno de los componentes de un concreto típico vienen reflejadas en la figura

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5.1.1. CEMENTO: El cemento Portland es un conglomerante o cemento hidráulico que cuando se mezcla con áridos, agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada concreto. Es el más usual en la construcción y es utilizado como conglomerante para la preparación del hormigón. Como cemento hidráulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas propiedades aglutinantes. Óxido de calcio (44%) Óxido de silicio (14,5%)

Clínker

Óxido de Aluminio (3,5%)

Yeso

Óxido de hierro (3%)

Cemento

Óxido de magnesio (1,6%)

Composición del Cemento Extracción El calcio (que es el ingrediente principal) puede obtenerse a partir de piedra caliza; la piedra caliza se extrae de una cantera que previamente ha sido detonada mediante voladuras controladas. Mientras que el silicio se puede obtener a partir de arena y / o arcilla, para el caso de la arcilla esta se obtiene a través del uso de excavadoras. Aluminio y hierro se pueden extraer a partir de bauxita y mineral de hierro, y sólo se necesitan pequeñas cantidades.

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Almacenamiento El cemento se almacena en silos donde luego son empaquetados en sacos de cartón apilados entre sí para evitar la circulación del aire, son colocados en lugares secos sobre tarimas para evitar el contacto con el agua. Producción Una vez obtenidos los elementos necesarios para preparar el cemento, estos son sometidos a una serie de procesos (Prehomogenización, Almacenado y dosificación, Molienda, Fabricación de clínker, Premolienda, Molienda) este pasa a ser almacenado en silos separados según sus clases. Presentaciones 

De acuerdo a su composición, estos pueden ser:



Cemento Portland normal



Cemento Portland Puzolánico



Cemento Portland con Escoria de alto horno



Cemento Portland Compuesto



Cemento Portland con humo de Sílice

Uso General Cemento Portland normal: Se utiliza principalmente en la producción de concreto para estructuras, caminos y otros propósitos generales que no requieren de propiedades especiales. 24

Cemento Portland Puzolánico: Mejora los resultados de la construcción de las obras donde se requiere mayor resistencia al ataque de medios agresivos en suelos salitrosos y/o cercanos al mar, puede utilizarse además para obras de aguas servidas, subterráneas y plantas de tratamiento de aguas. Cemento Portland con Escoria de alto horno: Está diseñado para obras donde se requiera una alta resistencia agresiones químicas empleándose además en las construcciones de concreto en general. Cemento Portland Compuesto: Resulta conveniente en morteros de albañilería, concretos que serán colocados en elementos estructurales simples o armados donde no se requiere propiedades del cemento en función de condiciones especiales de durabilidad, resistencia temprana y/o importancia del color. Cemento Portland con humo de Sílice: Resulta adecuado en la utilización de concreto pretensado, concreto que contiene áridos reactivos y concreto para desencofrado.

5.1.2. ÁRIDOS Los áridos son materiales granulares inertes formados por fragmentos de roca o arenas utilizados en la construcción (edificación e infraestructuras) y en numerosas aplicaciones industriales, pueden dividirse en dos tipos para el caso del concreto: árido grueso (conocido también como grava) y árido fino (arena).

Fuente de explotación en una cantera de Áridos

Extracción Para la extracción de los áridos, previamente es necesario proceder al retirado y acopio de la cobertera vegetal y de la roca alterada. Una buena norma de actuación es acopiarlos de manera adecuada con el fin de que puedan ser utilizados con posterioridad durante la 25

fase de restauración. La mayoría de las explotaciones se realizan a cielo abierto mediante la apertura de uno o varios frentes de explotación (lugar de donde se saca el material) que avanzan en una determinada dirección.

En función del grado de consolidación que presenten los materiales que constituyen los yacimientos de áridos, las explotaciones se clasifican en dos grandes grupos: Graveras: Se conoce con este nombre a aquellas explotaciones en las que los materiales a beneficiar presentan bajo grado de consolidación. Esta particularidad es la que permite que los áridos se extraigan del yacimiento utilizando medios mecánicos convencionales, sin que sea necesario el empleo de explosivos o maquinaria específica como son las palas provistas de martillos hidráulicos. Canteras: Este término se utiliza para designar a aquellas explotaciones en las que los materiales que constituyen el yacimiento presentan un alto grado de consolidación. Se trata de macizos rocosos en los que es necesario realizar voladuras controladas para romper la cohesión de la roca y obtener así fragmentos de tamaño tal que sea posible la carga y transporte de estos a la planta de tratamiento. Alternativamente a las voladuras se pueden emplear palas provistas de martillos neumáticos. Almacenamiento Se sitúan en acopios lo más cerca de la planta de hormigón, se debe limpiar el suelo que cubrirá los acopios, colocando una capa del mismo material, compactada; el piso debe tener una leve pendiente para permitir el drenaje, debe existir un acopio diferente para cada tipo de árido.

Producción En la planta de tratamiento los áridos son sometidos a un conjunto de operaciones tecnológicamente complejas y automatizadas con el fin de hacerlos aptos para los distintos usos demandados. En líneas generales el proceso de tratamiento de los áridos se resume

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en las siguientes etapas: trituración y molienda, clasificación, desenlodado y lavado y almacenamiento. Presentaciones En función de su naturaleza, los áridos pueden clasificarse en los siguientes grupos: Áridos naturales. Son aquellos áridos que se obtienen de los yacimientos geológicos utilizando únicamente procedimientos mecánicos. Proceden, bien de depósitos detríticos no consolidados (graveras) o voladuras con explosivos (canteras). Este tipo de árido es, con diferencia, el más consumido a nivel mundial. Áridos artificiales. Esta terminología se reserva para aquellos áridos resultantes de procesos industriales que conllevan modificaciones físico-químicas o de otro tipo, como por ejemplo, las escorias de alto horno. Áridos reciclados. Este tipo de árido es el resultado de un tratamiento inorgánico de los materiales que previamente ya han sido utilizados en la construcción. Otra clasificación se basa en el destino final al que van dirigidos. Así, los áridos se clasifican en áridos ligeros, áridos para hormigón, para morteros, para escollera, para balasto de ferrocarril, para capas de rodadura y para bases y subbases de carreteras. Uso general En edificaciones, el árido constituye el componente mayoritario de los morteros, así como de sus múltiples tipos de prefabricados. Algo similar ocurre con el hormigón utilizado en el sector de la construcción, bien en masa (pavimentos),

o

bien

en

estructuras

(vigas,

pilares,

cimentaciones, etc.). En la construcción de carreteras, los áridos están presentes en todas las secciones que las constituyen, desde los rellenos de terraplenes, pedraplenes, hasta las capas específicas que van desde las explanadas, subbases, bases granulares (con o sin tratamiento de conglomerantes hidráulicos o ligantes bituminosos), hasta las capas de rodadura o los firmes rígidos de hormigón

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En los ferrocarriles se emplean también los áridos en las capas de subbalasto y balasto, de igual manera, en presas, tanto de tierras como de hormigón, el árido es el componente mayoritario con funciones de relleno, filtro-dren, etc. Otras aplicaciones que merecen mención son las escolleras y gaviones de protección de taludes colocados en las laderas y márgenes de ríos que presentan problemas de inestabilidad o de erosión y los filtros utilizados en sondeos de captación de agua y drenes. 5.1.3. AGUA El agua cumple con dos funciones vitales en la fabricación del concreto. Como agua de mezclado y como agua de curado. Extracción La única limitante para el agua utilizada en el concreto es su pureza, generalmente el agua utilizada proviene de las tuberías de agua potable de uso común. Almacenamiento Como se explicó en el punto anterior, el agua proviene generalmente de las tuberías de agua potable, sin embargo, puede almacenarse en tanques o provenir directamente de los ríos. Presentaciones 

Agua Ácida: Tiene un pH menor a 7.



Agua Alcalina: Tiene un pH superior a 7



Agua Salina: Es agua que tiene una mayor salinidad que el agua dulce, pero no tanto como el agua de mar. La salinidad expresa la cantidad de sal disuelta o el contenido de sal de una determinada cantidad de agua



Agua Salina: Es agua que tiene una mayor salinidad que el agua dulce, pero no tanto como el agua de mar. La salinidad expresa la cantidad de sal disuelta o el contenido de sal de una determinada cantidad de agua



Agua Potable: El agua potable es el tipo de agua que es ideal para el consumo humano. Es por lo tanto un tipo de agua baja en sales y muy limpia.

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Uso general

Aplicaciones de las tipologías de agua en concreto 5.2. ACERO El Acero es una aleación de hierro que contiene entre un 0,04 y un 2,25% de carbono y a la que se añaden elementos como níquel, cromo, manganeso, silicio o vanadio, entre otros. La Siderurgia es la tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero y las fundiciones.

Composición del Acero

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5.2.1. HIERRO Extracción del Mineral de Hierro El mineral extraído de una mina de fierro puede ser de carga directa a los altos hornos o puede requerir de un proceso de peletización para ser utilizado en la producción del acero, esto según sea su calidad. En ocasiones se extrae de la chatarra, es decir, a través del reciclado de automóviles, electrodomésticos, etc. Almacenamiento Es almacenado en forma ordenada por encima del nivel del terreno, sobre plataformas, largueros u otros soportes de material adecuado y deberá ser protegido, hasta donde sea posible, contra daños mecánicos y deterioro superficial, incluyendo los efectos de la intemperie y de ambientes corrosivos Producción El primer paso será hacer explotar la roca, por ejemplo, con dinamita, el material que se ha soltado gracias a la explosión se carga en camiones. Todos los pasos que siguen tienen como objetivo separar la parte del mineral que tiene hierro (mena), de la tierra, rocas y otras impurezas (ganga). Se alimenta por la parte superior de un alto horno una carga con capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral de menas de hierro. Un alto horno es virtualmente una planta química que reduce de forma continua el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro.

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Presentaciones Las formas comerciales del hierro son muy variables basta consultar los catálogos de la casa distribuidoras para verificar la gran diversidad. Las podemos dividir: 

Largos: Barras cuadradas o redondas y alambres.



Planos: Superficies de diferentes espesores, las más finas se denominan chapas.



Perfiles: Barras con formas especiales: U, triangular, etc.



Lingotes: Bloques obtenidos al vaciar metal líquido en un molde. Mecanizado.

Uso General El hierro es un material utilizado para diversas finalidades, ya que, al ser un elemento metálico moldeable, se le pueden asignar diversas funciones. Sus características lo hacen uno de los metales más importantes en la industria debido a que es uno de los metales duros más utilizados. A partir del hierro puro se obtienen aleaciones como el acero, entre otras. La utilización de hierro en la construcción de edificios o viviendas, garantiza una mayor resistencia de las estructuras, pues al ser uno de los materiales de mayor resistencia y peso, podrá brindar un buen soporte al peso de las mismas. Al ser un metal maleable se pueden hacer diferentes tipos de objetos y herramientas y con diferentes grados de dureza. Algunos de los usos del hierro en la construcción: -Vigas

-Tubos

-Chapas

-Estribos

-Columnas

-Placas

5.2.2. CARBONO Extracción Se prepara insuflando, en un generador de gases, una corriente de vapor de agua a través de una capa de carbono caliente: C(s) + H2O(g) ---- CO(g) + H2(g) También se obtiene como co-producto en la combustión incompleta de las sustancias que contienen carbono en su composición.

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Almacenamiento Al encontrarse dentro de otros elementos el carbono se almacena dentro del elemento que lo contiene, hasta su extracción mediante los procesos metalúrgicos para los que desea emplearse. Presentaciones Las formas más comunes de encontrar el carbono son a través de estos materiales: 

Grafito: Se encuentra en algunos yacimientos naturales muy puro. Se obtiene artificialmente por descomposición del carburo de silicio en un horno eléctrico.



Diamante: Existen en la naturaleza, en el seno de rocas eruptivas y en el fondo del mar. En la industria se obtiene tratando grafito a 3000 K de temperatura y a una presión entre 125 - 150katm. Por ser la velocidad de transformación de grafito en diamante muy lenta, se utilizan metales de transición, en trazas, como catalizadores (hierro, níquel, platino).



Carbón de coque: muy rico en carbono, es el producto residual en la destilación de la hulla.

Producción y uso general Todas las formas de este elemento tienen diversas aplicaciones. Los diamantes se usan en joyería, pero las variedades grises y otras se utilizan como abrasivos en la industria, debido a su extrema dureza. Por ello en el borde de las herramientas de corte se colocan pequeños diamantes. El grafito se usa para fabricar minas de lápices o, por su calidad aceitosa, como lubricante. El carbón constituye un combustible fundamental en gran parte de las regiones del globo, tanto más cuanto a partir de él se fabrica coque, gas de hulla y una amplia gama de productos químicos indispensables. Se obtiene acero preparando una aleación de hierro con carbono. La carbonilla - aparte de sus usos en dibujo- produce carbón activado que es carbón de leña que ha sufrido un tratamiento con calor, para eliminar impurezas. En forma pura, el carbón es muy reactivo y absorbe las impurezas. El carbón activado elimina vapores y olores y decolora sustancias. El negro de humo constituye un carbono muy negro, finamente pulverizado, que se emplea como pigmento en tintas y en la producción de goma. El grafito amorfo se conoce como negro de humo (hollín negro) y es usado como un pigmento.

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5.2.3. MANGANESO El manganeso es un elemento químico de número atómico 25 situado en el grupo 7 de la tabla periódica de los elementos y se simboliza como Mn. Se encuentra como elemento libre en la naturaleza, a menudo en combinación con el hierro y en muchos minerales. Extracción El metal se obtiene por reducción de los óxidos con aluminio, y el ferromanganeso se obtiene también reduciendo los óxidos de hierro y manganeso con carbono. Almacenamiento El manganeso se almacena separado de ácidos, asegurándose de mantenerlo en lugar seco. Presentación El óxido de Manganeso es un polvo entre verde grisáceo y verde oscuro. Tiene la estructura de la sal de roca y es insoluble en agua. Forma una extensa serie de sales con casi todos los aniones corrientes, la mayoría son solubles en agua y cristalizan en el agua como hidratos, puede también presentarse en forma gaseosa y forma líquida, otra de sus presentaciones es en forma de roca de color grisáceo o negro Producción y Uso General •

El manganeso se utiliza en las baterías desechables estándar.

•

El manganeso es esencial para producir el acero y el hierro. El manganeso es un

componente esencial para la fabricación de acero inoxidable de bajo costo. •

El manganeso es aleado con aluminio para producir una aleación que es más resistente

a la corrosión. La mayoría de las latas de aluminio para bebidas contienen entre el 0,8 % y el 1,5 % de manganeso. •

En química, el óxido de manganeso se utiliza para oxidar el alcohol bencílico.

•

La contaminación de hierro puede hacer que el vidrio se tinte de color verde. Ya desde

tiempos antiguos se añade un compuesto de manganeso al vidrio para contrarrestar este efecto.

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6. Aplicación del material según configuración estructural a desarrollar Los materiales empleados en su configuración estructural pueden ser de piedra, llamados dovelas, ladrillo, acero, hormigón armado, etcétera. Estos materiales pueden variar en base al tipo de bóveda a fabricar. En este estudio, hacemos referencia a las bóvedas de drenaje transversal.

El concreto reforzado es aplicado en diferentes partes de la bóveda, ya sea como acero y concreto o solamente concreto como relleno en la estructura, se puede hacer mención de las siguientes partes:  Arco: El arco o súper estructura se ubica sobre los estribos, tiene la forma parabólica o semicircular formada por acero estructural recubierto de concreto.  Relleno: El relleno es en su totalidad de concreto u hormigón, se ubica en la parte superior al arco de la bóveda, esta rellena toda la parte arriba del arco de la bóveda, dando rigidez en la parte superficial de la bóveda.  Estribos: Son muros de apoyo lateral del o los arcos que conforman la bóveda, estos muros están construidos a base de concreto reforzado.  Fundaciones: También llamada base sirve de apoyo a los estribos de la bóveda, se ubican sobre el terreno de construcción y son de forma rectangular, están compuestas en su totalidad de concreto reforzado.  Losas de concreto reforzado: Estas losas se encuentran en la parte externa superior de la bóveda, están formadas completamente de concreto reforzado y su función es ser la superficie de apoyo cualquiera fuese la función de la bóveda.  El coping o muro de coronamiento: Es el cual protege la parte vista del arco y está compuesto de concreto reforzado.

Entre otras partes más específicas de la bóveda, las cuales son elementos estructurales específicos fabricados de concreto reforzados.

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7. Evaluar los factores: Costo – Beneficio por el uso del material en cuestión En el siguiente cuadro comparativo podemos observar algunas características fundamentales de las bóvedas de concreto reforzado comparada aleatoriamente con una bóveda de metal.

Aspectos a comparar

Uso en construcción

Propiedades mecánicas del material

Tiempo de construcción

Fallas en el material de la estructura

Mantenimiento de la estructura

TIPO DE BOVEDA Bóveda de concreto reforzado

Bóveda Metálica

Es principalmente en carreteras Se utilizan en puentes para drenajes de agua. pequeños, alcantarinas, paso de peatón y ganado. Es bastante pesada, su propiedad principal es su gran resistencia a la compresión, resistente a cualquier fenómeno natural.

Es liviano, posee gran resistencia a la ruptura, inmunidad al daño por incendios.

Este tipo de bóveda por el material del cual está hecha, lleva cierto tiempo de fabricación principalmente por la espera de que el concreto reforzado llegue al punto óptimo de rigidez.

Las bóvedas metálicas tienen gran facilidad de armado debido a que su material es de un único tiempo de fabricación y después de eso está listo para ser utilizado.

Deterioro superficial, grietas, El deterioro en este tipo de fractura de elementos, corrosión material es prácticamente nulo, de las armaduras, etc. debido a sus propiedades mecánicas. Puede tener un mantenimiento recurrente, preventivo o correctivo dependiendo de la falla o degaste que presente el material.

Esta presenta gastos mínimos de conservación y adaptabilidad a cambio de condiciones.

Comparando los costos de ambos tipos de bóvedas, podemos concluir que el costo de una bóveda metálica debido a su tamaño que no es proporcional al tamaño de una bóveda de concreto reforzado, su gasto en hacer una estructura metálica sería más económica que hacer una de concreto reforzado, pero si se quisiera hacer una bóveda de metal de igual magnitud que una de concreto el costo de ambas sería prácticamente parecido.

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8. Ventajas del uso del material en la configuración estructural La aplicación del concreto reforzado en bóvedas proporciona a la estructura de ciertas propiedades mecánicas que hacen de esta una estructura con grandes beneficios comparados con otros materiales, algunas de estas propiedades que dota el concreto reforzado a la estructura son:  La estructura de bóveda de concreto reforzado está diseñada para soportar grandes cargas a compresión, siendo el concreto el material idóneo a rigidez para esfuerzos a compresión.  Tiene una adaptabilidad de conseguir diversas formas arquitectónicas, ya que las bóvedas pueden ser de tipos rectangulares, semicircular, entre otras.  Posee un alto grado de ductilidad haciendo que la estructura pueda tener deformaciones sin presentar fallas o rupturas en ella, este caso el material a destacar del concreto reforzado es el acero de refuerzo ya que en él se presenta mayor ductilidad en el material compuesto.  Analizando el acero estructural que está recubierto de concreto en la estructura proporciona Resistencia a la tensión, es la máxima fuerza de tracción que soporta la barra, cuando se inicia la rotura, dividida por el área de sección inicial de la barra.  El mantenimiento que requiere la estructura es mínimo, es ventajoso que el mantenimiento sea mínimo así el costo se reduce y se demuestra que el material tiene durabilidad.  La uniformidad es una ventaja ya que Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.  Otras ventajas y no menos importantes del concreto reforzado es que posee aceptación universal debido a los materiales que lo componen

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9. Desventajas en el uso del material para configurar el sistema estructural. Requiere el uso de grandes secciones con grandes pesos: si comparamos el hormigón armado con el acero, nos encontramos que las secciones de la estructura son mucho mayores, limitando la capacidad de esbeltez de las subestructuras.  Dependencia del clima: la puesta en obra del hormigón depende en gran medida de las condiciones meteorológicas durante la puesta en obra y curado. Esto tiene como consecuencia que las estructuras de hormigón armado son más vulnerables a los retrasos en la planificación y ejecución de la estructura.  Tiene poca resistencia a la tracción, aproximadamente la décima parte de su resistencia a la compresión. Aunque el acero se coloca de modo que absorba estos esfuerzos, la formación de grietas es inevitable y por lo tanto la conducta del comportamiento es más desconocida y su respuesta es aleatoria.  Requiere de un permanente control de calidad, pues ésta se ve afectada por las operaciones de mezcla, colocación, curado, etc.  El tiempo es más largo en la construcción por ser fruto de varias etapas en comparación con el acero estructural que tiene una fácil aplicación en la obra y por lo tanto aumentan los costos en mano de obra por requerir más tiempo.  La reutilización del material es en su mayor parte nula, en cambio el acero estructural puede ser reutilizado a través de la fundición de la chatarra y otros elementos que lo contengan contribuyendo así al desarrollo sustentable.  Al integrar ambos materiales las exigencias de la estructura deben aumentar debido a las condiciones de soporte del acero dentro del concreto.

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10. Esquematización estructurales de elementos en edificios y de elementos de máquinas según su destino como sistema estructural y como elementos.

Arco:

Relleno o timpano:

Estribos:

Los estribos son muros colocados en los extremos de una bóveda que sirven para soportar el peso y recibir el L

empuje, hechos de concreto reforzado.

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Losas Una losa es un elemento estructural utilizado para disponer superficies en construcciones en este caso estará enfocado a una bóveda generalmente horizontal aunque pueden ser cilíndricas también, son capaces de transmitir cargas que soporta así como su propio peso a los demás elementos de la estructura hasta que todas las cargas llegan a la cimentación.

Fundaciones o cimientos Es aquella parte de la estructura encargada de transmitir las cargas al terreno. En general se puede decir que son piezas de volumen considerable, con respecto al volumen de las estructuras y comúnmente son construidos de concreto reforzado debido a la resistencia y durabilidad de este.

En la siguiente figura se muestra de forma de conjunto las fundaciones a base de concreto armado para una bóveda.

El

siguiente

dimensiones

esquema tentativas

muestra

las

para

diseño

el

de

las

fundaciones que se requieren para llevar a cabo la construcción

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El esquema siguiente muestra de forma aislada lo que es una parte de las fundaciones con los distintos elementos que la conforman.

Muros Es la parte se la estructura mayor destinados a soportar cargas, cerrar o dividir espacios, cuyo espesor siempre es menor que su altura y longitud. Estos elementos tienen la función principal de soportar cargas comúnmente sometidos a compresión por las diversas cargas aplicadas sobre la estructura comúnmente este tipo de muro con los que cuenta la bóveda se puede clasificarse como muro de contención ya que soporta cargas laterales que tienden a desplazarlos horizontalmente además tienen como función contener y confinar distintos materiales o elementos en este caso sería tierra, agua etc.

La siguiente imagen muestra el ensamble de los elementos que componen el muro para una bóveda donde se puede apreciar los la disposición de los materiales estructurales. Y el detalle del acero de refuerzo utilizado en la construcción del muro.

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En el diseño de este elemento que compone la estructura llamase bóveda se debe de tener en cuentas aspectos importantes como lo son las dimensiones aproximadas que contara dicha estructura como lo son el ancho, largo y alto así como también los materiales que se utilizaran.

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CONCLUSIONES Gracias al proceso del diseño estructural aplicado en cada etapa e investigado para un mejor diseño y construcción de bóvedas de drenaje transversal podemos concluir que el concreto reforzado es un material excelente para la construcción de este sistema estructural y de muchos otros sistemas, también un buen análisis de este proceso ayuda al buen mantenimiento y duración de cualquier sistema estructural.

Los materiales extraídos para la producción de concreto reforzado requieren de hacer grandes modificaciones en el ecosistema para la creación de canteras y graveras, aunque actualmente se apliquen métodos de reciclado de materiales para la extracción del hierro y carbono por ejemplo, los daños en el medio ambiente siguen en aumento así como la dificultad para obtener las materias primas debido a las características que las canteras y/o graveras deben de cumplir; sin embargo la aplicación de estos materiales es fundamental en la construcción debido a la gran cantidad de aplicaciones que el concreto reforzado tiene en la fabricación de elementos y subelementos estructurales.

En las bóvedas de drenaje transversal se observa que el material base para la construcción de estas es el concreto reforzado, debido a las condiciones de diseño que se presentan. La aplicación del concreto reforzado está prácticamente en cada elemento estructural del sistema estructural ya sea como concreto reforzado o separados como acero o concreto.

Evaluando los factores beneficio-costo y comparando esta estructura de concreto reforzado junto a otra igual pero de distinto material, podemos deducir que para la magnitud de diseño y las condiciones de esta bóveda de drenaje, el concreto reforzado presenta mayores beneficios sobre sus propiedades mecánicas con respecto al otro material, también así siendo el concreto reforzado un poco más tardío en construcción pero su costo total de obra compensa el tiempo de construcción.

El concreto de refuerzo para bóvedas de drenaje es el material ideal de construcción debido a su cantidad de ventajas en las propiedades mecánicas del acero así como las del concreto, debido a que esta estructura es diseñada para soportar esfuerzos a compresión, el acero y el concreto siendo materiales dúctiles y rígidos son los ideales para que este sistema estructural pueda soportar cualquier desastre natural y cualquier carga que active el sistema; también

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presentan la ventaja de que el sistema una vez construido, el mantenimiento de éste será prácticamente nulo debido a su durabilidad generando un ahorro en costos después de realizada la obra.

Como cualquier otro material de construcción el concreto de refuerzo presenta inconvenientes incluso en la fabricación de bóvedas, al ser un elemento que se somete constantemente a cargas vivas y efectos sísmicos requieren de controles periódicos para verificar la seguridad y la vida útil de la estructura debido a que si bien el acero reforzado absorbe los esfuerzos a tracción que pueden llegar a producirse, el agrietamiento del concreto es inevitable y por estas grietas, puede llegarse a producir oxidación en el acero como efecto secundario, dejando a la estructura en condiciones críticas frente a cualquier esfuerzo generado.

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BIBLIOGRAFIA https://www.ieca.es/proceso-de-fabricacion/ Instituto Español del Cemento y Sus Aplicaciones

Diseño de Estructuras de Concreto Duodécima edición ARTHUR H. NILSON 1999, por McGRAW-HILL INTERAMERICANA, S.A.

HORMIGÓN ARMADO Y PRETENSADO (CONCRETO REFORZADO Y PREESFORZADO) ENRIQUE HERNÁNDEZ MONTES LUISA MARÍA GIL MARTÍN GRANADA 2007

https://www.pdfcoke.com/doc/105412108/TEORIA-Y-DISENO-ESTRUCTTURAL-DE-UNABOVEDA Diseño y estructuración de una bóveda “ESTUDIO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE BOVEDAS COMO SOLUCION A LA PROBLEMÁTICA QUE GENERA LA QUEBRADA DEL ARENAL DE MEJICANOS EN LA UNIVERSIDAD

DE

EL

SALVADOR”

Tesis realizada en tesis en 1993 Milton Rafael Linares Linares

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