estructuras subterráneas, tanques de almacenamiento, torres de televisión, estructuras de exploración y producción petrolera, represas, y aun barcos.
1.2 Mecánica del Concreto Reforzado
El concreto es muy resistente a la compresión pero muy débil a la tensión. Como resultado, la aplicación de cargas, los cambios de temperatura o la contracción restringida dan paso a esfuerzos de tensión en exceso de su resistencia, produciéndose grietas. En la viga de concreto simple mostrada en la figura 1-3b el momento alrededor del punto O debido a las cargas aplicadas es resistido por un par interno de tensión-compresión que produce tensión en el concreto. Tal viga falla abruta y completamente una vez que se forma la primera grieta. En una viga de concreto reforzado (figura 1-3c), se colocan varillas de acero dentro del concreto de tal forma que las fuerzas de tensión necesarias para lograr el equilibrio de momentos después del agrietamiento es provisto por las varillas.
De forma alternativa, se pueden colocar varillas de refuerzo en un ducto cerca de la cara inferior de la viga, como se muestra en la figura 1-4, para luego estirarlas o preesforzarlas, de forma tal que reaccionen con el concreto de la viga. Esto pondría al refuerzo en tensión y al concreto en compresión. Esta compresión retrazaría el agrietamiento de la viga. A un elemento como el descrito se le denominaría una viga de concreto pre-esforzado. Al refuerzo de una viga como la descrita se le denomina tendón de pre-esforzamiento y consiste de acero de muy alta resistencia.
La construcción de un elemento de concreto reforzado requiere de la utilización de una formaleta o molde con la forma del elemento a construir. La formaleta debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar el peso y la presión hidrostática del concreto húmedo así como todas las fuerzas aplicadas a éste por los trabajadores, el equipo de construcción utilizado, y otras cargas a las que pueda estar sujeta la estructura de la cual forma parte el elemento en cuestión: viento, sismo, etc. El concreto debe ser colocado en la formaleta durante el proceso de colado. Una vez que éste ha endurecido, se puede proceder a remover la formaleta.
1.3 Elementos de concreto reforzado
Las estructuras de concreto reforzado están compuestas de una serie de “elementos” individuales que interactúan para soportar las cargas aplicadas a la misma. El segundo piso del edificio mostrado en la figura 1-5 está construido a base de losa y vigueta. Aquí una serie de nervaduras o viguetas paralelas soportan la carga proveniente de la parte superior de la losa. Las reacciones que resisten a las viguetas aplican a la vez cargas sobre las vigas, las cuales están apoyadas sobre las columnas. En este tipo de piso, la
losa tiene dos funciones: (1) transfiere lateralmente la carga hacia las viguetas, y (2) sirve como ala superior de las viguetas, las cuales se comportan como vigas T que transmiten las cargas a las vigas principales ubicadas en ángulo recto a las viguetas. El primer piso del edificio de la figura 1-5 está formado de un arreglo de losa y vigas en dos direcciones perpendiculares. Losa se apoya directamente sobre las vigas, las cuales descansan sobre las columnas. Las cargas en las columnas son aplicadas a las fundaciones, las cuales distribuyen la carga sobre un área de suelo lo suficientemente grande como para evitar una sobrecarga del mismo. Algunos tipos de suelos podrían requerir el uso de fundaciones de pilotes u otros tipos de fundaciones profundas. En el perímetro del edificio, las cargas de piso son transferidas directamente a los muros (figura 1-5) o bien a columnas exteriores (figura 1-6). Los muros y las columnas están a su vez apoyados en muros de sótano o muros de fundación.
Suponemos que las losas en la figura 1-5 transfieren las cargas en la dirección Norte-Sur hacia las viguetas (2 piso) o las vigas (1er piso), éstas a su vez transfieren las cargas en la dirección Este-Oeste a otras vigas, columnas o muros. A este comportamiento se le denomina como acción de losa en una dirección y es análogo al de un piso de madera en una casa, en la cual la estructura de piso transmite las cargas a las viguetas ubicadas perpendicularmente a ellas, y luego éstas a las vigas principales, etc.
La posibilidad de formaletear y construir losas de concreto hace posible encontrar tipos
de las losas o placas como las mostradas en la figura 1.6. En ellas, las cargas aplicadas al techo y al piso intermedio son transmitidas en dos direcciones hacia las columnas mediante acción de placa. A estas losas se les conoce como losas en dos direcciones.
El primer piso de la figura 1.6 está construido con una losa plana que contiene áreas de mayor espesor denominadas drop panels y ubicadas en la intersección con las columnas. Adicionalmente, la parte superior de las columnas está ensanchada en forma de capiteles. Este engrosamiento provee una profundidad adicional para aumentar la resistencia al momento y al cortante adyacente a las columnas. Además contribuyen a disminuir las deflexiones de la losa.
El techo del edificio mostrado en la figura 1-6 tiene un espesor uniforme siempre. A este tipo especial de losa plana se le denomina placa plana. Pisos a base de placas planas son muy usados en edificios de apartamentos porque el envés de la losa es plano y puede ser usado de cielo raso del piso inferior. De igual importancia resulta el hecho de que la formaleta de una placa plana es generalmente más barata que la de losas planas con drop panels o para pisos con losas y vigas en una dirección.
Un tipo de losa muy usado en Costa Rica se basa en la utilización de viguetas pretensadas que son colocadas sobre vigas secundarias perpendiculares a éstas. A la vez, las vigas secundarias pueden descansar sobre vigas principales o muros. El espacio entre viguetas es rellenado con bloques de concreto de tipo cajón. Este espacio entre viguetas es luego nivelado con una loseta de muy pequeño espesor. Los bloques de concreto terminan formando una serie de ductos internos en el entrepiso que permite la colocación de tuberías para conducción de los diferentes servicios en el edificio: agua, electricidad, etc. Adicionalmente, estos entrepisos resultan de un espesor mucho más grande que el de una losa plana. Usualmente de 200 a 300 mm, lo que les da una mayor rigidez y por lo tanto evita las deflexiones excesivas. Además por esta misma característica, termina teniendo una apariencia similar a las placas planas en cuanto a que su envés resulta de un espesor uniforme lo cual lo hace atractivo para edificios de apartamentos y para locales comerciales pequeños.
1.4 Factores incidentes en la escogencia del concreto para una estructura
La escogencia de si una estructura deberá ser construida de concreto, acero, mampostería, o madera depende de la disponibilidad de los materiales y de un número de decisiones de índole económico y social. Algunas de las consideraciones pueden resumirse de la siguiente manera:
1. Economía. Frecuentemente, la consideración más importante es el costo total de la estructura. Este es, desde luego, función de los costos de los materiales, de la mano de obra y del tiempo necesario para concluir la obra. Los entrepisos de concreto tienden a ser más delgados que los de los sistemas en acero estructural porque las vigas principales, las secundarias y las viguetas todas caben dentro del mismo peralte, como se mostró en la figura 1-5, o bien los entrepisos son placas planas como se mostró en la figura 1-6. Esto termina produciendo una reducción en la altura total del edificio comparado con la misma construcción en acero. Este hecho conduce a (a) menores cargas de viento porque habrá menos área expuesta a viento y (b) ahorros en fachadas y en dispositivos mecánicos y eléctricos. Sin embargo, es frecuente que el costo total se vea afectado más por el tiempo total de construcción debido a que el contratista así como el dueño deben poner su dinero para realizar la construcción y no tendrán ganancia en su inversión hasta tanto la edificación no esté lista para ser ocupada. Como resultado, el ahorro financiero debido a una construcción rápida puede resultar mucho más ventajoso que cualquier ahorro en materiales y formaletas. Los materiales para edificaciones de concreto reforzado tienen gran disponibilidad y pueden ser producidos conforme se vayan necesitando, en contraposición al acero estructural, el cual debe ser ordenado y pagado en forma parcial de antemano. Cualquier medida que el diseñador pueda implementar para estandarizar la geometría de los elementos y sus formaletas redundará en un ahorro global. Por ejemplo, los tamaños de las columnas pueden ser iguales para varios pisos con el objeto de
ahorrar dinero en formaletas, aunque compensando la estandarización mediante cambios en la resistencia del concreto o en el porcentaje de varillas de refuerzo utilizadas que reflejen la variación sobre la demanda de carga en las columnas.
2. Pertinencia del material ante su función arquitectónica y estructural. Un sistema estructural a base de concreto reforzado con frecuencia permite al diseñador combinar tanto las funciones estructurales como las arquitectónicas. El concreto tiene la ventaja de que es colocado en una condición plástica y se le da la forma deseada y la textura mediante formaletas y técnicas de
acabados. Esto permite que elementos tales como placas planas y otros tipos de losas sirvan como elementos de carga mientras proveen a la vez el entrepiso acabado y las superficies de cielo raso. En forma similar, los muros de concreto reforzado pueden proveer superficies arquitectónicamente atractivas en adición a tener la habilidad de resistir cargas de gravedad, viento o fuerzas sísmicas. Finalmente, la escogencia del tamaño y la forma es definida por el diseñador y no es impuesta mediante la disponibilidad de elementos manufacturados.
3. Resistencia al fuego. La estructura en un edificio debe resistir los efectos del fuego y permanecer en pie mientras el edificio es evacuado y el fuego es extinguido. Un edificio de concreto tiene una resistencia al fuego de 1 a 3 horas sin necesidad de ningún tratamiento especial. Los edificios de acero estructural o de madera deben ser sometidos a revestimientos especiales para lograr un comportamiento similar al mencionado para el concreto.
4. Rigidez. Los ocupantes de un edificio pueden encontrar molestas las oscilaciones causadas por el viento o las vibraciones en los entrepisos encontradas en los edificios de acero. En el caso de los edificios de concreto reforzado, debido a su mayor masa y rigidez, las vibraciones mencionadas rara vez ocurren.
5. Bajo mantenimiento. Los elementos de concreto inherentemente requieren menor mantenimiento que los de acero o madera. Esto es particularmente cierto si se ha usado concreto denso, con inclusión de aire, en estructuras expuestas a efectos ambientales y si se ha tenido el cuidado de diseñar desagües que no interfieran con la estructura.
6. Disponibilidad de materiales. Arena, piedra, cemento y las instalaciones apropiadas para realizar la mezcla del concreto son elementos ampliamente disponibles. Adicionalmente, el acero de refuerzo es más fácilmente transportable a los sitios de construcción que el acero estructural. Como resultado, el concreto estructural es utilizado aun en localidades muy remotas.
Por otro lado, hay un número de factores que pueden hacer que se escoja otro material diferente. Estos incluyen:
1. Baja resistencia a la tensión. Como se dijo anteriormente, la resistencia a la tensión del concreto es mucho más baja que su resistencia a la compresión (aproximadamente
/), y consecuentemente, el concreto está sujeto al agrietamiento. En casos de uso estructural, este problema es superado mediante el uso de varilla de refuerzo el cual
toma las fuerzas de tensión y a la vez limita los anchos de grietas a valores aceptables. Por lo tanto deben tomarse las precauciones necesarias durante el diseño y la construcción para que las grietas que se presenten no causen sensación de inseguridad a los usuarios, ni que permitan la penetración del agua.
2. Formaletas y apuntalamiento. La construcción en concreto reforzado colado en sitio requiere de tres pasos que no son necesarios para las construcciones en acero o en madera. Estos son (a) la instalación de formaletas, (b) la remoción de las
formaletas y (c) el apuntalamiento del nuevo concreto para soportar su peso hasta que este alcance una resistencia adecuada. Cada uno de estos pasos requiere de mano de obra y materiales innecesarios para otros métodos constructivos.
3. Resistencia por unidad de peso o volumen relativamente baja. La resistencia a la compresión del concreto es de un 8 a un 15 % la del acero, mientras que su densidad es aproximadamente un 30% de la del acero. Como resultado, una estructura de concreto requiere un mayor volumen y mayor peso que lo que requiere una estructura comparable de acero estructural. Por esta razón, usualmente se utiliza acero estructural para estructuras de luces muy grandes.
4. Cambios de volumen en el tiempo. Tanto el concreto como el acero estructural se ven sometidos a las mismas expansiones y contracciones térmicas. Como hay menos masa de acero sometida a estos cambios de temperatura, y además como el acero es un mejor conductor, el efecto térmico es más evidente sobre éste que sobre el concreto. Por otro lado, el concreto sufre contracciones por resecamiento que pueden causar deflexiones y agrietamiento. Más aun, las deflexiones tienden a crecer con el tiempo debido al flujo plástico ante cargas constantes.
Figura 1–1 Torre de enfriamiento con 200 m de alto y 153 m de diámetro basal y espesor que varía de .27 a .21 m apoyado sobre 48 columnas de 14.7 m de alto. Niederaussem, Alemania. (Tomado de SEI Vol 11, n 2, mayo 2001).
Figura 1–2 Ayuntamiento de Toronto, Canadá. Dos torres de 20 y 27 pisos de altura con un auditorio circular entre ellas.
Figura 1–3 Puente sobre el río Colorado, Ruta Nacional 1, Costa Rica.
Figura 1–4 Entrepiso de viguetas pretensadas de la empresa Holcim.
Figura 1–5 Vigas de concreto simple y concreto reforzado. 
Figura 1–6 Viga de concreto pre-esforzado. 
Figura 1–7 Elementos de un edificio de concreto reforzado. (Tomado de CRSI, 1971) 
Figura 1–8 Elementos de un edificio de concreto reforzado. (Tomado de CRSI, 1971)
