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CONCEPTOS GENERALES SOBRE FERROCEMENTO
AYDE PATRICIA GUERRERO ZIGAPhD., PROFESORA TITULARFACULTAD DE INGENIERAS UNIVERSIDAD DEL VALLE
LUIS OCTAVIO GONZLEZ SALCEDOMSc., PROFESOR ASOCIADOFACULTAD DE INGENIERA Y ADMINISTRACIN UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE PALMIRA
Palmira, 2008
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CONCEPTOS GENERALES SOBRE FERROCEMENTO
AYDE PATRICIA GUERRERO ZIGAPhD., PROFESORA TITULARFACULTAD DE INGENIERAS UNIVERSIDAD DEL VALLE
LUIS OCTAVIO GONZLEZ SALCEDOMSc., PROFESOR ASOCIADOFACULTAD DE INGENIERA Y ADMINISTRACIN UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE PALMIRA
Mdulo para la asignatura Estructuras y Materiales de Construccin
Palmira, 2008
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CONTENIDOPgina Presentacin ... 1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. Introduccin al ferrocemento Definicin de ferrocemento .. Resea histrica . Caractersticas del ferrocemento . Componentes del ferrocemento .. Referencias . Materiales del ferrocemento . Generalidades . Mallas de refuerzo .. Acero de armazn .. Cemento .. Agregados ... Agua ........... Aditivos ....... Mortero ....... Referencias . Construccin con ferrocemento ... Generalidades Proceso constructivo Recubrimiento Aplicaciones en el almacenamiento de agua Aplicaciones en vivienda Aplicacin potencial de construcciones contra riesgo elico Otras aplicaciones en construcciones .. Referencias . Propiedades mecnicas del ferrocemento Introduccin Mdulo de elasticidad Comportamiento a la traccin .. Comportamiento a la compresin Comportamiento a la cortante .. Comportamiento a la flexin . Comportamiento al agrietamiento Comportamiento al impacto . Durabilidad .. Diseo en ferrocemento Referencias . Anexos ... 9 10 10 11 14 16 19 21 21 22 26 27 28 30 30 30 32 34 34 35 39 39 42 42 44 46 48 48 50 53 54 55 63 69 73 75 77 77 79
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NDICE DE FIGURASFigura 1. Elemento de origami de ferrocemento plegado [Bechthold]................... 14 Figura 2. La pera de Sydney, un ejemplo de aplicacin del ferrocemento [Aragn; Wainshtok 1998].................................................................................................... 15 Figura 3. Cafetera en forma de cavernas, del parque turstico Valle de la Prehistoria, Baconao Cuba, muestra la versatilidad geomtrica y espacial del ferrocemento [Aragn; Wainshtok 1998]. .............................................................. 16 Figura 4. Esquematizacin de una lmina de ferrocemento [Aragn]. .................. 17 Figura 5. Patrones de mallas tpicas usadas en el ferrocemento [Naaman 2000]. 24 Figura 6. Malla expandida de acero ES1 con abertura de 25.4 mm (1) [Wang et al.]. ........................................................................................................................ 25 Figura 7. Malla expandida de acero ES2 con abertura de 12.7 mm (0.5) [Wang et al.]. ........................................................................................................................ 25 Figura 8. Malla de Kevlar, 1500 Denier per Yarn [Wang et al.]. ............................ 25 Figura 9. Diagrama esfuerzo deformacin unitaria para la malla de gallinero usada por Adajar et al. 2006. ................................................................................ 27 Figura 10. Dimensiones y detalles de los especmenes [Abdullah et al. 2003]. .... 32 Figura 11. Especmenes elaborados por Adajar et al. 2006.................................. 33 Figura 12. Colocacin de varillas circulares de armado sin soldadura [Barzola]... 37 Figura 13. Colocacin de la malla de alambre [Barzola]. ..................................... 37 Figura 14. Colocacin de malla de alambre, tanto interna como externamente [Barzola]. ............................................................................................................... 37 Figura 15. Aplicacin del mortero [Barzola]........................................................... 38 Figura 16. Curado del tanque: Se realiza mediante el riego manual y mediante el riego por goteo con botellas plsticas [Barzola]. ................................................... 40 Figura 17. Construccin de una cisterna en Filipinas [Bagasao 1990].................. 42 Figura 18. Pasos en la construccin de cisternas de ferrocemento [CAIS-INCAP]44 Figura 19. Elementos constructivos elaborados en ferrocemento, aplicados en la construccin de vivienda. ...................................................................................... 45 Figura 20. Casa hecha de componentes de ferrocemento prefabricados y fundidos en el sitio, para el modelo constructivo propuesto por Adajar 2006 [Adajar et al. 2006]. .................................................................................................................... 46 Figura 21. Una estructura potencial de tecnologa con ferrocemento [Adajar et al. 2006]. .................................................................................................................... 46 Figura 22. Contenedor en ferrocemento [Wainshtok 1998]. .................................. 47
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Figura 23. Detalles de un paradero de bus en ferrocemento [Wainshtok 1998].... 47 Figura 24. Detalles de un puente peatonal en ferrocemento [Wainshtok 1998]. ... 47 Figura 25. Mobiliario decorativo urbano en ferrocemento [Wainshtok 1998]......... 48 Figura 26. Mtodo de la resonancia: a.- barra de mortero y PVC; b.- resonancia cuadrada para ferrocemento, mortero y PVC. La relacin de Poisson es obtenida de la relacin de frecuencia de la resonancia en A o en B [Moreno & Castillo 2001]. .................................................................................................................... 52 Figura 27. Mtodo de la velocidad de fase: G: audio variable; A: amplificador de potencia; T: transductor magntico [Moreno & Castillo 2001]. .............................. 52 Figura 28. Mtodo ultrasnico [Moreno & Castillo 2001]....................................... 52 Figura 29. Mdulo de elasticidad a la traccin: a.- antes de la primera grieta; b.despus de la primera grieta [Wainshtok 1998]. ................................................... 53 Figura 30. Diagrama tensin deformacin unitaria del ferrocemento [Wainshtok 1998]. .................................................................................................................... 55 Figura 31. Curva esfuerzo deformacin unitaria de mortero y ferrocemento en compresin axial [Wainshtok 1998]....................................................................... 57 Figura 32. Configuracin de la prueba [Al-Sulaimani et al. 1991].......................... 58 Figura 33. Curvas tpicas fuerza cortante deflexin para el efecto de las mallas en alambre en red [Al-Sulaimani et al. 1991]. ....................................................... 58 Figura 34. Curvas tpicas fuerza cortante deflexin para el efecto de las mallas en alambre en estribo [Al-Sulaimani et al. 1991]. .................................................. 58 Figura 35. Curvas tpicas fuerza cortante deflexin para el efecto de la relacin a / h [Al-Sulaimani et al. 1991].................................................................................. 59 Figura 36. Efecto de la cantidad de refuerzo con malla de alambre sobre la resistencia a cortante de rotura [Al-Sulaimani et al. 1991]. ................................... 59 Figura 37. Comparacin de los resultados experimentales con los obtenidos a travs de la ecuacin del ACI [Al-Sulaimani et al. 1991]. ...................................... 59 Figura 38. Dimensiones de los especmenes y configuracin de la carga [Ahmad et al. 1995]. ............................................................................................................... 60 Figura 39. Curva tpica carga deflexin mostrando el efecto del refuerzo con malla de alambre [Ahmad et al. 1995]................................................................... 61 Figura 40. Efecto del refuerzo con malla de alambre sobre la resistencia al agrietamiento por cortante [Ahmad et al. 1995]..................................................... 61 Figura 41. Efecto del refuerzo con malla de alambre sobre la resistencia al agrietamiento por cortante [Ahmad et al. 1995]..................................................... 62 Figura 42. Curva tpica carga deflexin mostrando el efecto de la resistencia a compresin del mortero [Ahmad et al. 1995]......................................................... 62 Figura 43. Curvas tpicas carga deflexin mostrando el efecto de la relacin a / h [Ahmad et al. 1995]. .............................................................................................. 63
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Figura 44. Efecto de la relacin a / h sobre la resistencia al agrietamiento por cortante [Ahmad et al. 1995]. ................................................................................ 63 Figura 45. Comparacin de resultados experimentales y del modelo propuesto para la resistencia al agrietamiento por cortante [Ahmad et al. 1995]................... 64 Figura 46. Comparacin de resultado de resistencia al agrietamiento experimental experimental y del modelo propuesto [Ahmad et al. 1995].................................... 64 Figura 47. Discretizacin del elemento finito de vigas de ferrocemento [Basunbul et al. 1991]. ............................................................................................................... 66 Figura 48. Representacin del acero de esqueleto [Basunbul et al. 1991]. .......... 66 Figura 49. Estado del material en una de las vigas, cerca de la falla [Basunbul et al. 1991]. ............................................................................................................... 67 Figura 50. Diagrama tpico de carga flecha [Wainshtok 1998]. .......................... 67 Figura 51. Efecto de la orientacin de la malla en flexin [Wainshtok 1998]......... 68 Figura 52. Efecto del acero de esqueleto en la flexin [Wainshtok 1998]. ............ 69 Figura 53. Efecto del nmero de capas y posicin del refuerzo sobre el diagrama de curvatura por momento: a.- bajo contenido de acero, 1%; b.- alto contenido de acero, 5%; c.- posicin del refuerzo con dos capas; d.- posicin del refuerzo con 6 capas [Soranakom & Mobasher 2006]. ................................................................. 70 Figura 54. Modelo del material homogenizado para los especimenes de ferrocemento: a.- modelo a tensin; b.- modelo a compresin [Soranakom & Mobasher 2006]. ................................................................................................... 70 Figura 55. Prediccin de la respuesta a deflexin por carga de una muestra con Vf = 1.51% usando elemento finito y el software ABAQUS [Soranakom & Mobasher 2006]. .................................................................................................................... 71 Figura 56. Dimensin y detalle de los especmenes [Abdullah et al. 2003]........... 76 Figura 57. Daos en los especmenes probados [Abdullah et al. 2003]................ 77 Figura 58. Captura de fotos por cmara de velocidad rpida [Abdullah et al. 2003]. .............................................................................................................................. 77 Figura 59. Matriz mortero cemento sin ceniza volante [Massod et al. 2003]. ........ 78 Figura 60. Matriz mortero cemento con ceniza volante [Massod et al. 2003]........ 78 Figura 61. Malla de alambre en un ambiente no salino [Massod et al. 2003]........ 79 Figura 62. Deterioro de la malla de alambre en un ambiente salino [Massod et al. 2003]. .................................................................................................................... 79
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NDICE DE TABLASTabla 1. Clases de mallas, dimetros y los tipos de estructuras que son empleadas como refuerzo [CEPIS OPS 2003]. .................................................................... 23 Tabla 2. Propiedades de las mallas usadas por Wang et al.................................. 25 Tabla 3. Propiedades de las fibras polimricas usadas por Wang et al. ............... 26 Tabla 4. Propiedades de barras de acero y malla de alambre, usadas por Kumar 2005, para la construccin de secciones en cajn de ferrocemento. .................... 26 Tabla 5. Propiedades fsicas y mecnicas del cemento usado por Kumar 2005, en la construccin de secciones en cajn de ferrocemento. ...................................... 29 Tabla 6. Especificacin ASTM C33-86 para agregado fino [CEPIS OPS 2000]. 29 Tabla 7. Anlisis granulomtrico de la arena usada por Kumar 2005, en la construccin de secciones en cajn de ferrocemento........................................... 30 Tabla 8. Anlisis granulomtrico de agregados finos utilizados por Adajar et al. 2006. ..................................................................................................................... 33
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NDICE DE ANEXOSAnexo: 1 2 3 4 Ejemplo de catlogos comerciales de mallas para ferrocemento Tipos de formas de los elementos de ferrocemento . Ejemplo de construcciones en ferrocemento patentadas . Ejemplos de diseo de estructuras en ferrocemento Pgina 79 83 84 86
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PRESENTACINEl ferrocemento es un material novedoso en nuestro medio, a pesar de tener ya un amplio historial desde su primera aparicin pblica y ocupar una privilegiada posicin como materia prima de la Ingeniera. El material que inicialmente se utiliz para la construccin de barcos, hoy en da es ampliamente usado para la fabricacin de elementos arquitectnicos y estructurales, con los cuales se hacen construcciones empleadas para ocupacin humana, puentes peatonales, estructuras de almacenamiento, entre otras. El ferrocemento es un material estructural por excelencia, no solo por sus propiedades mecnicas, extendidas a las solicitaciones dinmicas, sino tambin por sus propiedades de durabilidad, en ambientes altamente agresivos como el marino y el hidrulico. Esto permite inferir un futuro halagador del uso del ferrocemento en aplicaciones industriales, donde la combinacin de agentes dinmicos y agresivos, son duras pruebas para cualquier material de construccin que all se desee usar. Este documento, fue elaborado por los autores, a partir de la temtica escogida en el Seminario Avanzado de Estructuras, del Programa de Doctorado en Ingeniera de Materiales, de la Universidad del Valle, como un esfuerzo conjunto por dar conocer principios bsicos sobre el ferrocemento. Se ha preparado fundamentalmente para estudiantes de pregrado en Ingeniera Civil, Ingeniera Agrcola, Ingeniera Sanitaria, Ingeniera Ambiental, y Arquitectura, as como para carreras tecnolgicas relacionadas con la construccin, y profesionales del rea interesados en abordar un conocimiento inicial sobre el material, antes de emplearlo en forma.
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1. INTRODUCCIN AL FERROCEMENTO1.1. DEFINICIN DE FERROCEMENTOEl Arquitecto Ral Soto, define al ferrocemento como un sistema constructivo consistente en un mortero de arena cemento y una malla electrosoldada, con el que se logra un material de 2.5 centmetros de espesor. El ferrocemento es hoy, un material compuesto, considerado una alternativa verstil, hecho de mortero de cemento y capas de malla de alambre, o de un emparrillado de acero de dimetro pequeo similar, ligado ntimamente para crear una estructura rgida. Este material se considera tambin, una forma especial del concreto reforzado comn, pero que muestra caractersticas diferentes a ste, en relacin con su funcionamiento, resistencia y aplicaciones potenciales, que normalmente es clasificado en forma separada [Saavedra 2002]. Tambin se define el ferrocemento, de acuerdo con Chao 2005, como un concreto armado que cuenta con mayores proporciones de hierro, pero con espesores ms finos y mejor distribuidos, que permite aumentar el rendimiento frente a los esfuerzos mecnicos, y adems de ser fuerte es ligero, como para mantener a flote, barcos. Aragn define el ferrocemento como una lmina delgada de mortero altamente reforzada con acero, distribuido uniformemente en la masa de mortero, que se comporta como un material homogneo. El Comit 549 del Instituto Americano de Concreto define el ferrocemento como: Un tipo de hormign armado que se construye en secciones de pared delgada habitualmente utilizado con mortero de cemento hidrulico reforzado con capas muy juntas de malla de alambre continuas y de dimetro relativamente pequeo; la malla puede ser de acero u otro material que resulte adecuado [CAIS/INCAP]. Wang et al., definen al ferrocemento como un tipo de pared delgada de concreto reforzado construido con morteros de cemento hidrulico reforzado con capas espaciadas estrechamente de mallas continuas de alambre de tamao relativamente pequeo; en su papel como producto de concreto delgado y como compuesto laminado basado en cemento, el ferrocemento ha encontrado numerosas aplicaciones en nuevas estructuras y en la reparacin y rehabilitacin de estructuras existentes. Comparado con el concreto reforzado convencional, el ferrocemento es un reforzado en dos direcciones, entonces, tiene propiedades isotpicas homogneas en dos direcciones [Wang et al.; ACI 1997]. Definiciones
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similares son encontradas en la literatura [Wainshtok 1998; CEPIS-OPS-OMS 2000; Abdullah et al. 2003; Arns & Sez 2004]
1.2. RESEA HISTRICAEl Arquitecto Pier Luigi Nervi, 1891 1979, no slo construy edificios, ya que en su fase de inventor, elabor el ferrocemento, un material que le permiti trascender la belleza estructural que se puede encontrar en algunas construcciones de la antigua roma, sino que adems tambin pudo crear botes y veleros. El antecedente de este material est ligado a la construccin naval, y a Joseph Louis Lambot en Francia, en el ao 1852; idea que fue revivida por Nervi, 90 aos despus, con los cuales construy viviendas y diversos edificios en la dcada del 40. Se destaca un arco alzado, de tipologa cilndrica corrugada, el cual fue expuesto en la Exhibicin de Turn de 1949 1950, y que abarcaba 93 metros [Chao 2005]. Joseph Louis Lambot, francs patent en 1852, el fer-ciment, traduccin del hierro-cemento; construy dos botes de remos en 1848 y 1849, y revel su patente en la exhibicin de Pars de 1855 mostrando uno de sus botes. En el ao de 1849, Joseph Monier, tambin francs, comenz construyendo recipientes para flores y jardineras hechos de cemento y barras de hierro, que fue patentado en Julio 1867. El ferrocemento de ambos inventores, puede ser considerado como la primera aplicacin y el origen del concreto reforzado. En 1887, Boon, de origen holands, construy una pequea nave de ferrocemento, y varias barcazas de mortero reforzado para transportar cenizas y desperdicios en canales de agua [Naaman 2000]. En Rusia, el trabajo organizado sobre el ferrocemento se inici en 1957, y a partir de esa fecha ms de 10 millones de m2 de rea cubierta por estructuras de ferrocemento se desarrollaron. Para 1967, en toda la Unin Sovitica, se haba difundido normas y recomendaciones oficiales para el uso del ferrocemento en la construccin de edificaciones, existiendo una vigente en el actual territorio ruso, desde julio de 1986 [Wainshtok 1998]. Ya en 1950, se resea la utilizacin del ferrocemento en Checoslovaquia, citndose por Smola [Wainshtok 1998; Smola 1981], ejemplos de cubiertas colgantes, vigas para puentes, cubiertas de grandes dimensiones, y tubera de presin. En Polonia, se describe el uso del ferrocemento desde los aos 1960 en elementos prefabricados de cubierta, conductos y depsitos [Wainshtok 1998; Walkus 1975].
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A inicio de la dcada de 1960, la construccin con ferrocemento fue ampliamente aceptada en Australia, Nueva Zelanda, y en el Reino Unido; y miles de depsitos y estructuras en ferrocemento han sido construidos a partir de esta fecha. Viviendas en ferrocemento utilizando materiales locales como madera, bamb, y otros como reemplazo del acero han sido construidas en Bangladesh, Indonesia, y Papua Nueva Guinea, adems de elementos prefabricados en Filipinas, Malasia, Brasil, Papua Nueva Guinea, Venezuela y el Pacfico usados para techos, paneles para muros. En Sri Lanka, vivienda en ferrocemento resistente a huracanes ha sido desarrollada y construida; y en Singapur, India, Indonesia, Per, y Zimbabwe, techos corrugados prefabricados y reforzados con fibras locales comparables a hojas de asbesto y lminas galvanizadas, han sido usadas [Robles-Austriaco 1992; Adajar et al. 2006]. En Nueva Zelanda la compaa Ferrocement Ltd., debido a sus aos de experiencia en esta tecnologa elabor el Journal of Ferrocement, de gran difusin [CEPIS-OPS-OMS 2000]. En los aos 1960 1970, la FAO (Food and Agriculture Organization) promovi la utilizacin del ferrocemento en la construccin de silos y embarcaciones de pesca, debido a que la materia prima, por lo general resulta accesible, es de fcil aplicacin, y no requiere de maquinaria costosa [Chao 2005]. En 1972, la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos llev a cabo una reunin para discutir sobre el uso del ferrocemento en los pases en vas de desarrollo. En 1976, se estableci el International Ferrocement Information Center, en el Asian Institute of Technology en Bangkok, Tailandia con un gran apoyo internacional. A principios de 1977, el American Concrete Institute estableci el comit ACI 549 sobre ferrocemento, para revisar el estado actual de la tecnologa y para formular un reglamento de aplicacin para este material [ACI 1997]. Bagasao 1990, manifiesta que la caracterstica inoxidable del ferrocemento, permite la utilizacin de este material en la fabricacin y construccin de tanques de almacenamiento de agua, adaptable a diversas geometras de la estructura, ya sea cilndrica, rectangular o de cajn, y construida sobre el terreno o por debajo del mismo, y cuya durabilidad puede estar por el orden de 30 aos [Bagasao 1990]. En la actualidad, se est promoviendo el ferrocemento para construcciones de depsitos, cisternas u otras estructuras de bajo costo en pases en vas de desarrollo para apoyar a poblaciones de bajos recursos; la posibilidad de combinar mano de obra poco calificada y materiales de bajo costo es lo que hace del ferrocemento un material especialmente til para este tipo de estructuras. El ferrocemento es un material inoxidable, muy adaptable, utilizado para la12
fabricacin de tanques de almacenamiento tanto de alimentos como de agua; el elemento principal en este tipo de construcciones es la gran densidad de malla de alambre, ya sea tejido o soldado que tiene un mnimo de volumen de refuerzo por unidad de volumen del material. La construccin de tanques de almacenamiento de agua, en ferrocemento, se requieren materiales convencionales para la elaboracin de las mezclas de mortero, como cemento Prtland, arena limpia y cernida, y como refuerzo, malla de alambre; la construccin de un tanque de 4000 litros, requiere de cuatro trabajadores en cuatro das, lo que muestra la facilidad en la elaboracin del material y la construccin de la estructura [CAIS/INCAP; Bagasao 1990]. Las primeras aplicaciones de la tecnologa del ferrocemento en Chile, se realizaron en industria naval; a partir de 1980 se construy el primer casco de ferrocemento, el Poseidn, con un espesor de lmina de 20 mm, y posteriormente se construyeron otras siete unidades. En el rea habitacional ha habido diversos intentos a nivel de universidades, como el estudio de una vivienda, construida en sitio y artesanalmente en la Universidad Austral de Valdivia, as como experimentos con elementos menores en la Universidad de Santiago; En 1994, en la Universidad de Bo-Bo de Concepcin, se dio inicio a un proyecto destinado al desarrollo de un sistema constructivo prefabricado para edificar viviendas, el cual culmin en su etapa de investigacin y desarrollo en 1997, con la construccin de prototipos [Saavedra 2002]. En 1984, tanques cilndricos para la recoleccin de agua de lluvia, fabricados con ferrocemento, se introdujeron en las Filipinas. Anteriormente, los tanques se hacan de acero galvanizado o de fibra de vidrio. Sin embargo, estos materiales resultaron ser ineficaces, ya que el hierro mostraba tendencias a la oxidacin y la fibra de vidrio es muy costosa, siendo entonces el ferrocemento una alternativa lgica para disminuir costos y mejorar la eficacia. Los tanques de ferrocemento se construyeron en reas rurales, donde la ONG Capiz Development Foundation trabaj con las autoridades locales para financiar la construccin de estos tanques en proyectos pilotos [Bagasao 1990]. Investigaciones en Harvard Graduate School of Design, han estado sugiriendo nuevos procesos para la construccin de cscaras usando tecnologa CAD CAM; la exactitud de la fabricacin por CNC, ahora permite la descomposicin de grandes cscaras en fragmentos que pueden ser prefabricados, transportados, y ensamblados conformando cubiertas de gran escala. Un prototipo es el uso de sistemas de placas plegadas de ferrocemento (figura 1) con delgada losas de concreto reforzado en malla de acero. Este sistema vuelve a revivir un sistema olvidado y un material atractivo, el ferrocemento, que en algunos pases industrializados ya no se usa; el problema constructivo de las cscaras, ha13
encontrado en dichas investigaciones, una solucin obvia, usando un material que combina rigidez con cierta capacidad de plegado sin necesidad de un elaborado encofrado: lminas delgadas de ferrocemento reforzado con malla [Bechthold].
Figura 1. Elemento de origami de ferrocemento plegado [Bechthold].
1.3. CARACTERSTICAS DEL FERROCEMENTOEl ferrocemento ofrece las siguientes ventajas tcnicas [Saavedra 2002]: Sus partes y piezas, mediante modulacin, pueden ser livianas y fciles de transportar. Cada uno de sus componentes se basa en unidades estandarizadas. Permite la utilizacin de sistemas mixtos, en donde el ferrocemento puede ser usado con otros materiales. Permite mediante la conformacin de los paneles de muros y tabiques, que todas las instalaciones queden en su interior, pudindose conformar paneles sanitarios. Permite distintos tipos de terminaciones y texturas interiores como exteriores. Satisface en general las normas y estndares nacionales e internacionales. Permite la prefabricacin y la industrializacin por medios avanzados. No necesita prcticamente mantenimiento alguno, salvo la de agentes externos que ocasionen daos a los recubrimientos, tales como las pinturas. Facilidad de mantenimiento a bajo costo, sin mano de obra calificada.
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Buena resistencia al agrietamiento, lo que aumenta su impermeabilidad y resistencia a la corrosin. Buena resistencia a agentes mecnicos. Presenta excelentes condiciones de habitabilidad y comodidad, considerando su buen aislamiento trmico, acstico, resistencia al impacto, al fuego, a la abrasin e infiltracin. Permite la incorporacin de elementos estructurales tensados, disminuyendo secciones en los elementos mixtos.
Se puede resumir entonces, que el ferrocemento ofrece propiedades ventajosas como: aislamiento trmico, aislamiento acstico, resistencia a agentes mecnicos, resistencia al agrietamiento, facilidad de construccin y reparacin, escaso mantenimiento y bajos costos [Aragn]. Otra ventaja importante es la versatilidad de formas que se pueden lograr, lo que posibilita que la forma de la estructura contribuya a la rigidez y resistencia de los elementos. Es decir, permite disear arcos o elementos curvos que contribuyan estructuralmente, sin la necesidad de usar formaleta para su construccin, lo que constituye una nueva alternativa frente a los alcances del concreto, figuras 2-3 [Aragn; Wainshtok 1998].
Figura 2. La pera de Sydney, un ejemplo de aplicacin del ferrocemento [Aragn; Wainshtok 1998].
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Figura 3. Cafetera en forma de cavernas, del parque turstico Valle de la Prehistoria, Baconao Cuba, muestra la versatilidad geomtrica y espacial del ferrocemento [Aragn; Wainshtok 1998].
1.4. COMPONENTES DEL FERROCEMENTOLos componentes del ferrocemento se pueden enunciar y definir como [CEPISOPS-OMS 2003]: Acero del armazn: se emplea para dar forma a la estructura y sobre ella se colocan las capas de malla de alambre o refuerzo. stos se distribuyen uniformemente y se separan hasta un mximo de 30 cm. entre ellos, y generalmente no son considerados como parte del refuerzo estructural, sino como varillas de separacin para los refuerzos de la malla; sus dimetros son mucho mayores que el acero de refuerzo. Aditivo: material que no sea cemento Prtland, agregado o agua, que se aade al concreto para modificar sus propiedades. Agregado: material inerte que se mezcla con el cemento Prtland y agua para producir concreto. El agregado a emplearse en estructuras de ferrocemento es el agregado fino (arena natural), que no deber exceder de 7 mm de dimetro ni menor de 2 mm. Agua: deber ser fresca y limpia, en ningn caso se emplear agua de mar ni similar. Armadura de refuerzo: es el refuerzo total del sistema que puede estar conformada por la malla de refuerzo y el acero de armazn o solamente la primera. Malla de refuerzo: generalmente consiste en alambres delgados, entretejidos o soldados; una de las caractersticas ms importantes es que sea lo suficientemente flexible para poderla doblar en las esquinas agudas.16
Mortero: es la mezcla de cemento, arena y agua. Se debe emplear una dosificacin no menor a una parte de cemento por 1.5 a 2 partes de arena y 0.3 partes de agua.
En estructuras de ferrocemento, racionalmente concebidas, el refuerzo consiste en una malla de alambre de dimetro pequeo con la que se obtiene una distribucin uniforme del esfuerzo en todo el elemento. La distribucin de la malla en la matriz frgil del mortero de cemento ofrece posibilidades muy convenientes y prcticas de mejorar sus propiedades de resistencia fsico mecnicas; adems permite ampliar la alternativa de utilizacin del cemento con otros productos y elementos [Saavedra 2002]. El ferrocemento se compone de lminas de mortero que tienen un espesor de 2 a 5 cm., y se refuerza con mallas de alambre, fibras de vidrio u otro material sinttico, de 6 mm, como mximo, de dimetro (figura 4); este mortero debe ser de alta calidad, tener resistencias superiores a los 25 MPa y una impermeabilidad superior a la del concreto convencional. Esta impermeabilidad se logra al usarse arena con preponderancia de partculas redondeadas y con granulometras adecuadas; los contenidos de cemento estn alrededor de 600 kg / m3 de concreto, la relacin a / c oscila entre 0.35 a 0.60, y las relaciones arena cemento entre 1.5 y 3 [Aragn].
Figura 4. Esquematizacin de una lmina de ferrocemento [Aragn].
Los paneles de ferrocemento reforzados pueden ser fabricados en forma eficiente con moldes planos y reutilizables: las lneas predeterminadas de pliegues no son cubiertas con mortero durante este proceso y actan efectivamente como bisagras
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durante el plegado. Aqu la malla metlica de refuerzo admite manipulaciones y curvaturas, permitiendo que las placas planas puedan ser plegadas como origami en una estructura dimensional. Finalmente, despus de haber sido dobladas, las uniones abiertas se cubren con mortero [Bechthold]. El rpido desarrollo en reforzamiento con mallas y diseo de la matriz, requiere la continua investigacin para caracterizar el nuevo material y predecir su desarrollo; as que las mallas de acero han sido el principal reforzamiento del ferrocemento, pero recientemente las malla de plstico reforzado con fibras (FRP) fueron introducidas en el ferrocemento como una alternativa promisoria a las mallas de acero [Naaman & Al-Shannag 1994; Guerrero & Naaman 1998]. Comparadas con las de acero, los materiales FRP posee caractersticas ventajosas como bajo peso, esfuerzo a la tensin alta, y una inherente resistencia a la corrosin; sin embargo, a diferencia del acero, que tiene un relacin esfuerzo deformacin unitaria elastoplstica, los materiales FRP se comportan elsticamente hasta la falla, sin presencia de fluencia ni de ductilidad. Para prevenir una falla a tensin por flexin como material quebradizo, los miembros reforzados con FRP son usualmente diseados como miembros sobre reforzados [Wang et al.]. La tecnologa CAD / CAM moderniza el proceso diseo / produccin; complejos sistemas plegados son generados en forma digital y las herramientas integradas de anlisis estructural proporcionan una rpida retroalimentacin sobre la factibilidad de las configuraciones. Con la ayuda de software, los componentes de los modelos plegados son aplanados en patrones bidimensionales que se reproducen con ploteos de corte lser o routers CNC1; cada uno de estos fragmentos planos es fabricado rociando el mortero en forma manual o parcialmente automatizada sobre una malla de acero reforzada. Los pliegues deben ser realizados cuidadosamente, evitando una excesiva curvatura de las placas durante el plegado [Bechthold; Bechthold 2001]. Otras investigaciones se han enfocado hacia el desarrollo de un sistema de planos complejos de ferrocemento que son usados en el sitio como molde perdido para una capa estructuralmente de concreto reforzado preparado en obra; este enfoque, estrechamente relacionado con el uso que hizo Nervi del encofrado perdido en los aos cincuenta y sesenta, aborda especficamente la necesidad de reducir costos del molde al transformarlo en parte estructural de la cscara terminada. Los elementos de ferrocemento son fabricados con exactitud fuera de la obra utilizando mquinas CNC y proyectando mortero, de una manera que puede ser parcialmente automatizada [Bechthold].1
Control Numrico Computacional.
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1.5. REFERENCIASABDULLAH; TAKIGUCHI, K.; NISHIMURA, K.; HORI, S.; Behavior of Ferrocement Subjected to Missile Impact. In: Transactions of the 17th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 17) Prague, Czech Republic, August 17 22, 2003, 6p. ACI; "State-of-the-Art Report on Ferrocement", ACI Committee 549, ACI 549-R97, In: Manual of Concrete Practice, ACI, Detroit, 1997, 26pp. ADAJAR, J.C.; HOGUE, T.; JORDAN, C.; Ferrocement for Hurricane Prone State of Florida. In: Structural Faults + Repair 2006 Conference on June 13-15, Edinburgh, Scotland UK. 11p. ARAGN M., S; El ferrocemento: una opcin ms. En: Ingenieros y Arquitectos, Instituto Costarricense del cemento y del concreto, pp28-29. ARNS V, H.; SEZ A., L.; Reparacin de muros de albaileras con ferrocemento. En: Cuadernos de Investigacin y Tecnologa, Separata del CTH Informa, 25, diciembre 2004, Centro Tecnolgico del Hormign, 4p. BAGASAO, T.; Sistema para recoleccin de agua lluvia. En: El CIID Informa, Octubre 1990, pp20-21. BECHTHOLD, M.; Complex shapes in wood: Computer aided design and manufacturing techniques. Thesis (PhD). Harvard University, Cambridge, 2001. BECHTHOLD, M.; Sobre cascaras y blobs: Superficies estructurales de la era digital. En: Lecturas, ARQ Arqutitectura, Diseo, Urbanismo, Chile, No. 63, Santiago. CAIS/INCAP; Cisterna de ferrocemento. Fichas Tecnolgicas No. 6: Seguridad Alimentaria y Nutricional. 8p. CEPIS-OPS-OMS; Fundamentos para la aplicacin de ferrocemento. Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente Organizacin Panamericana de la Salud Organizacin Mundial de la Salud. Lima, 2000, 34p. CEPIS-OPS-OMS; Especificaciones tcnicas para el diseo de estructuras de ferrocemento. Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente Organizacin Panamericana de la Salud Organizacin Mundial de la Salud. Documento OPS/CEPIS/02.06. Lima, 2003, 22p. CHAO, E.; Pier Luigi Nervi, 1891 1979: Las fuerzas del equilibrio. En: Construccin y Tecnologa, Diciembre 2005, pp32-38. Disponible en Internet: www.imcyc.com [consultada marzo 2007] GUERRERO, P.; NAAMAN, A. E.; "Bending Behavior of Hybrid Ferrocement Composites Reinforced with PVA Meshes and PVA Fibers. In: Ferrocement 6 Lambot Symposium, Proceedings of Sixth International Symposium on Ferrocement, Naaman, A.E., Editor, University of Michigan, June 1998. NAAMAN, A.E.; Ferrocement and Laminated Cementitious Composites. Techno Press-3000, 1st edition, 2000. NAAMAN, A.E.; AL-SHANNAG, J.; "Ferrocement with Fiber Reinforced Plastic Meshes: Preliminary Investigation". In: Proceedings of the Fifth International
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2. MATERIALES DEL FERROCEMENTO2.1. GENERALIDADESEl ferrocemento se compone de lminas de mortero que tienen un espesor de 2 a 5 cm, y se refuerza con mallas de alambre, fibras de vidrio u otro material sinttico, de 6 mm, como mximo de dimetro; este mortero debe ser de alta calidad, tener resistencias superiores a 25 MPa y una impermeabilidad superior a la del concreto convencional, la cual se logra incorporando arenas con preponderancia de partculas redondeadas y con granulometras adecuadas. Los contenidos de cemento se encuentran aproximadamente en los 600 kg / m3 de concreto, la relacin agua cemento oscila entre 0.35 0.60 y las relaciones arena cemento entre 1.5 3 [Aragn]. Se pueden utilizar distintos tipos de alambres, por ejemplo, telas de malla de alambre de acero galvanizado, malla hexagonal torcida o tejida; retcula de alambre soldado de alta resistencia (hasta 600 MPa), con dimetros hasta de 6 mm; varillas, alambres y cables de acero estructural con dimetros hasta de 10 mm; alambres y cables de alto lmite elstico. La configuracin tpica es la de una malla de acero que forma el esqueleto y describe la forma de la estructura, y luego se agregan como mnimo, dos capas de tela de malla, cuya dimensin mxima de hueco debe ser de 25 mm [Aragn]. En general, las mallas de alambre empleadas tienen dimetros de 0.5 a 5 mm y su separacin vara del 0.25 a 2.5 cm, y el volumen de la malla vara del 1 al 8% del volumen total del elemento estructural [CEPIS OPS 2000]. La arena significa del 60 al 70 % del volumen total, y es vital su adecuada composicin granulomtrica; en trminos generales, las arenas deben cumplir criterios universales para la elaboracin de una matriz resistente e impermeable, por lo tanto, se requiere que sean materiales inertes, con limitaciones del 3 al 5% en el contenido de partculas que pasan la malla no. 200, y con densidades masivas de moderadas a altas. El tamao mximo del agregado depender de la dimensin del recubrimiento, pero por lo general no se recomienda que sea superior a 2.8 mm. Con respecto al cemento, es factible el uso de cemento de uso general o cemento con adiciones puzolnicas [Aragn].
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2.2. MALLAS DE REFUERZOLa funcin principal de estas mallas es la de actuar como marco para sostener el mortero en estado fresco, as como absorber los esfuerzos de tensin en el estado endurecido, que el mortero por s solo no podra resistir. Generalmente, consiste en alambres delgados, ya sean entretejidos o soldados, una de las caractersticas importantes es que sea lo suficientemente flexible para poderla doblar en las esquinas agudas; debe introducirse el suficiente acero de refuerzo para absorber los esfuerzos producidos por los golpes, torceduras y dobleces. El comportamiento mecnico del ferrocemento depende en gran parte del tipo, cantidad, orientacin y propiedades de la resistencia de la malla y de la varilla de refuerzo [CEPIS OPS 2000]. De los tipos de malla a usar, el alambre hexagonal es el ms popular, econmico y de fcil manejo, se le conoce comnmente como malla de alambre de gallinero y su dimetro se encuentra entre 0,5 y 1 mm. La malla de alambre utilizada en el ferrocemento por lo general tiene un dimetro de 0,5 a 5 mm y las aberturas varan de 0,5 a 2,5 cm. Existen las mallas de metal desplegado, mallas entretejidas o de cerramiento, etc., todas ellas utilizadas en menor grado debido a su baja resistencia a la tensin (malla de metal desplegado) o caractersticas de adherencia muy bajas (malla de cerramiento); siendo en algunos casos empleadas en estructuras de pequea y mediana envergadura [CEPIS OPS 2000]. En la actualidad existe un nuevo tipo de malla que fue diseada por Mesh Industries Ltd. en Nueva Zelanda, la cual consiste en alambres rectos de alta resistencia y en un alambre ondulado transversal que mantiene en posicin estos alambres. Los alambres de alta resistencia estn colocados en dos niveles paralelos uno al otro y estn separados de los primeros por alambre de acero dulce transversal; solamente el alambre ondulado de unin excede su lmite de elasticidad y slo en la proximidad del ondulado, esto significa que una vasta proporcin del alambre esta recto, sin ondulaciones, presiones, golpes o soldaduras; el resultado es una malla muy resistente que no est sujeta a ruptura durante el manejo o por esfuerzos en el momento del fraguado, esta malla permite una completa flexibilidad y libertad de forma [CEPIS OPS 2000]. Existen evidencias de estudios sobre la inclusin de fibras adicionales a los refuerzos de malla de alambres en las estructuras de ferrocemento, que permita mejorar algunas propiedades, como el desarrollo de una resistencia estructural mejor, reduccin de la permeabilidad del elemento, mayor resistencia a la fatiga, al
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impacto, as como prolongar su durabilidad. El comit ACI 544 en su publicacin State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete, seala las propiedades fsica-mecnicas, qumicas de las diversas fibras naturales, sintticas y cristalinas, empleadas en el reforzamiento de estructuras de concreto; parmetros que deben tomarse en cuenta para seguir investigando el comportamiento de estructuras de ferrocemento ante la inclusin de dichas fibras [CEPIS OPS 2000]. La tabla1, muestra en forma general los diferentes tipos de mallas utilizadas con refuerzo de las estructuras de ferrocemento [CEPIS OPS 2003]:Tabla 1. Clases de mallas, dimetros y los tipos de estructuras que son empleadas como refuerzo [CEPIS OPS 2003]. Tipos de mallas Dimetro (mm) Tipos de estructuras Malla de alambre hexagonal (malla de 0.5 1.0 Reservorios circulares de pequeo gallinero) y gran volumen, losas Malla cuadrada electro-soldada 4.2 9.5 Reservorios circulares de pequeo y gran volumen, cisternas, losas, tubos para alcantarillado Malla cuadrada tejida 1.5 2.2 Reservorios circulares de pequeo volumen Malla cuadrada soldada 0.8 2.8 Tanques circulares de reserva de pequeo volumen Malla de metal expandido Reservorios de pequeo volumen, letrinas, partes divisorias de ambientes
La figura 5, muestra esquemticamente el patrn de las mallas tpicas utilizadas en el ferrocemento [Naaman 2000]. En el anexo 1, se muestran catlogos tpicos comerciales de presentacin de las mallas usadas para ferrocemento [Wainshtok 1998]. Wang et al., para compuestos de cemento laminado y ferrocemento, incrementaron el nmero de capas de mallas, para lo cual incluyeron tres tipos de mallas, correspondiendo a dos mallas expandidas de acero y una malla de FRP2 de Kevlar, combinado con dos tipos de fibras sintticas denominadas Spectra y fibra PVA; las mallas expandidas de acero son de calibre 20, con un espesor de 0.76 mm, y tienen las siguientes caractersticas: la malla denominada ES1, tiene una abertura de 25.4 mm (1) en la direccin longitudinal; la otra malla es denominada ES2, con una abertura de 12.7 mm (0.5) en la direccin longitudinal; para ambas mallas, nicamente la direccin longitudinal es usada para la direccin de reforzamiento. Las mallas ES1 y ES2, son mostradas en las figuras 6 y 7, y la malla de Kevlar en la figura 8. Las propiedades mecnicas de estas mallas se2
Polmero reforzado con fibra.
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muestran en la tabla 2; y de las fibras utilizadas, PE Spectra 900 y PVA, son mostradas en la tabla 3 [Wang et al.].
Figura 5. Patrones de mallas tpicas usadas en el ferrocemento [Naaman 2000].
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Figura 6. Malla expandida de acero ES1 con abertura de 25.4 mm (1) [Wang et al.].
Figura 7. Malla expandida de acero ES2 con abertura de 12.7 mm (0.5) [Wang et al.].
Figura 8. Malla de Kevlar, 1500 Denier per Yarn [Wang et al.]. Tabla 2. Propiedades de las mallas usadas por Wang et al. Esfuerzo a Mdulo efectivo Factor de Eficiencia Elongacin la tensin Er (MPa) ltima MPa ErL ErT (%) L T 307 138 69 0.650 0.200 410 138 69 0.650 0.200 2800 124 0.625 0.375 2.8
Nombre de la malla ES1 ES2 Kevlar
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Tabla 3. Propiedades de las fibras polimricas usadas por Wang et al. Tipo de Longitud Dimetro Mdulo Esfuerzo a la fibra (mm) (GPa) tensin (MPa) (m) Spectra 900 19 38 120 2400 PVA1 12 190 29 900 PVA2 6 14 29 900
Arns & Sez 2004, en la reparacin de muros de albailera con ferrocemento, usaron como armadura una malla electrosoldada tipo ACMA C139 SE, fabricada con acero AT56-50H de alta resistencia, de abertura hexagonal de y dimetro del alambre de 0.71 mm. Kumar 2005, us malla de alambre y barras de acero, para la construccin de secciones en cajn de ferrocemento, cuyas propiedades son mostradas en la tabla 4 [Kumar 2005].Tabla 4. Propiedades de barras de acero y malla de alambre, usadas por Kumar 2005, para la construccin de secciones en cajn de ferrocemento. Esfuerzo Esfuerzo Mdulo de Tipo a la ltimo elasticidad fluencia (MPa) (MPa), x (MPa) 100000 Malla GI cuadrada tejida a mquina de tamao 6.35 mm x 522.8 522.8 2.1 6.35 mm, y dimetro promedio del alambre de 0.8 mm Barra de acero liso, de dimetro 6.0 mm 372.0 372.0 2.0
Adajar et al. 2006, utilizaron malla de alambre tejida hexagonal galvanizada de disponibilidad local, que es comnmente llamada malla de gallinero, como refuerzo; esta malla tiene un dimetro del alambre de 0.67 mm, y una abertura de aproximadamente 19 mm. Una curva de esfuerzo a tensin deformacin unitaria para la malla, es mostrada en la figura 9 [Adajar et al. 2006].
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Figura 9. Diagrama esfuerzo deformacin unitaria para la malla de gallinero usada por Adajar et al. 2006.
2.3. ACERO DE ARMAZNSirve para hacer el armazn de la estructura, sobre la cual se colocan las capas de malla; se distribuyen uniformemente y se separan hasta una distancia de 30 cm, generalmente no son tratadas como refuerzo estructural, sino que se les considera como soporte de la malla de refuerzo. En algunos casos el acero de armazn se separa a una distancia de 7,5 cm de centro a centro actuando as como un elemento de refuerzo de la malla de alambre, como sucede en estructuras de botes, embarcaciones, tanques, secciones tubulares, etc. [CEPIS OPS 2000]. El tamao de la varilla vara entre y , la de mayor uso es de . Puede combinarse varillas de diferentes dimetros dependiendo del tipo de estructura. En estructuras como tanques circulares de reserva, las mallas de alambre electrosoldada, son empleadas como esqueleto del armazn y cumplen adems la funcin de absorber los esfuerzos que se producen por el empuje hidrosttico del lquido almacenado [CEPIS OPS 2000]. Este refuerzo de armazn se necesita para construir el molde de la forma de la estructura a ser construida, alrededor del cual las capas de mallas son despus sujetas (generalmente por ambos lados). El uso de acero como armazn, cuando el espesor del ferrocemento lo permita, puede resultar muy efectivo en cuanto a costos. La armadura acta como un separador, conduciendo a ahorros en nmero de capas de malla. Esta tambin contribuye significativamente al aumento de27
tensin y resistencia del cortante por punzonamiento del ferrocemento. Mientras que la armadura no adiciona mucho a la superficie especifica del refuerzo (importante para el control de fisuras), si puede contribuir con importancia a la resistencia a flexin aunque menos efectivamente porque es generalmente colocada en la mitad de la seccin [Naaman 2000]. En los Estados Unidos las barras de refuerzo de dimetro pequeo deben tener una resistencia de cedencia de 420 MPa (60 ksi), un modulo elstico de 200 GPa (29,000 ksi), y una elongacin hasta rotura excediendo el 10 por ciento. Los cables de dimetro pequeo para preesfuerzo deben tener un modulo de elasticidad de 193 GPa (28,000 ksi), una resistencia de traccin de 1860 MPa (270 ksi), un valor arbitrario de resistencia de fluencia al 1 por ciento de la deformacin unitaria variando desde el 85 al 90 por ciento del valor ltimo de resistencia, y una deformacin unitaria de rotura del orden de 7 por ciento [Naaman 2000].
2.4. CEMENTONormalmente se usa el cemento Prtland, con el objeto de obtener elementos de ferrocemento que tengan resistencia a la compresin, impermeabilidad, dureza y resistencia lo ms elevada posible al ataque qumico y que su consistencia se mantenga uniforme, compacta, sin huecos, detrs de la concentracin del refuerzo [CEPIS OPS 2000]. Los tipos de cemento Prtland adecuados para la construccin de ferrocemento son el cemento tipo I y II. El cemento tipo I se usa para estructuras de ferrocemento generales, donde no se requieren de propiedades especiales; el cemento tipo II se usa cuando se desea alcanzar una resistencia final ms alta, a costa de perder resistencia inicial y logrando una estructura ms densa. El cemento Prtland tipo III es de endurecimiento rpido adquiere su resistencia ms rpidamente y se elige cuando se requiere de una resistencia inicial muy alta. El cemento Prtland tipo IV, posee bajo calor de hidratacin por lo tanto puede ser utilizado para la construccin de estructuras de ferrocemento. El cemento Prtland Tipo V, se recomienda principalmente para construcciones con ferrocemento en ambientes marinos y en estructuras susceptibles al ataque de los sulfatos, tienen un tiempo de fraguado promedio y por lo tanto no presionar al constructor para apresurar la obra durante la colocacin del mortero [CEPIS OPS 2000]. Kumar 2005, us para la construccin de secciones en cajn de ferrocemento, cemento cuyas propiedades fsicas y mecnicas son mostradas en la tabla 5 [Kumar 2005], que fueron comparadas con la IS [IS 1989].
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Tabla 5. Propiedades fsicas y mecnicas del cemento usado por Kumar 2005, en la construccin de secciones en cajn de ferrocemento. Caractersticas Resultado IS: 8112 - 1989 Finura (cm2/mg) 2443 2250 (mnimo) Tiempo de asentamiento inicial (minutos) 85 30 (mnimo) Tiempo de asentamiento final (minutos) 130 600 (mximo) Esfuerzo a la compresin a los 3 das (MPa) 23.5 23.0 (mnimo) Esfuerzo a la compresin a los 7 das (MPa) 32.5 33.0 (mnimo) Esfuerzo a la compresin a los 28 das (MPa) 43.01 43.0 (mnimo) Gravedad especfica 3.216
2.5. AGREGADOSLos agregados utilizados para la produccin de mortero de alta calidad para estructuras de ferrocemento deben ser fuertes, impermeables, libres de sustancias perjudiciales tales como polvo, terrones, pizarras, esquistos, lcalis, materia orgnica, sales u otras sustancias dainas, y deben ser capaces de producir una mezcla suficientemente trabajable con una relacin agua cemento mnima para lograr la penetracin adecuada en la malla [CEPIS OPS 2000]. El agregado normalmente a usar es la arena natural, debe tenerse mucho cuidado en la seleccin de dichas arenas, ya que las arenas blandas pueden verse seriamente afectadas por la abrasin y las reacciones qumicas. Un material poroso permitir la entrada de humedad dentro de secciones muy delgadas afectando la durabilidad y el comportamiento estructural del mortero [CEPIS OPS 2000]. La granulometra de las partculas de arena deber ser preferentemente continua, cumpliendo en lo posible con la especificacin C33-86 de la norma ASTM para los agregados de concreto, como se muestra en la tabla 6 [CEPIS OPS 2000].Tabla 6. Especificacin ASTM C33-86 para agregado fino [CEPIS OPS 2000]. Tamiz Porcentaje que pasa 3/8 (9,50mm) 100 No 4 (4,75mm) 95 100 No 8 (2,36mm) 80 100 No 16 (1,18mm) 50 - 85 No 30 (0,59mm) 25 - 60 No 50 (0,295mm) 10 - 30 No 100 (0,147mm) 2 - 10
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El ASTM C-150, establece una limitacin de 0,6% en el contenido de lcalis de los cementos para evitar la posibilidad de reaccin lcali-slice. La reaccin lcali carbonato produce al igual que la reaccin lcali- slice un gel expansivo [CEPIS OPS 2000]. Kumar 2005, us un agregado fino para la construccin de secciones en cajn de ferrocemento, cuyo anlisis granulomtrico basado en la IS [IS 1970], es mostrado en la tabla 7 [Kumar 2005]; el mdulo de finura obtenido fue de 3.02, la gravedad especfica fue de 2.63, el contenido de humedad fue de 0.5%, la absorcin de agua fue de 0.8%.Tabla 7. Anlisis granulomtrico de la arena usada por Kumar 2005, en la construccin de secciones en cajn de ferrocemento. Tamiz IS Porcentaje acumulado retenido en cada tamiz 4.75 mm 0.07 2.36 mm 1.90 1.18 mm 39.23 600 micrones 68.57 300 micrones 94.37 150 micrones 98.03
2.6. AGUALa calidad del agua para mezclar el mortero es de vital importancia para el ferrocemento endurecido resultante, las impurezas del agua pueden interferir en el fraguado del cemento y afectar adversamente la resistencia o provocar manchado en la superficie, causando florescencias y asimismo originar la corrosin del refuerzo. En ningn caso debe usarse agua de mar, generalmente el agua de servicios pblicos est considerada apta y no requiere ningn tratamiento adicional. Tambin se debe tener en cuenta que la resistencia del mortero es inversamente proporcional a la relacin agua cemento; as que la proporcin en peso recomendable para estructuras como tanques de reserva de ferrocemento es de 0,3 a 0,4, es decir lo ms bajo posible para darle calidad y trabajabilidad [CEPIS OPS 2000].
2.7. ADITIVOSSe puede definir al aditivo como un material distinto del agua, agregado o cemento; el que se aade muchas veces a la mezcla, antes o durante el mezclado con la finalidad de modificar algunas de sus propiedades. Los aditivos que mayormente se emplean en ferrocemento, son aquellos que permiten mejorar la
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trabajabilidad, reducir la exigencia de agua y prolongar el fraguado del mortero [CEPIS OPS 2000]. Estos aditivos comnmente utilizados en las estructuras de ferrocemento son [CEPIS OPS 2000]: Aditivos reductores de agua Tipo A : ASTM C494-71 Aditivos retardantes Tipo B : ASTM C494-71 Aditivos reductores de agua y retardantes tipo D : ASTM C494 - 71 Aditivos reductores de agua y acelerantes tipo E : ASTM C494-71
2.8. MORTEROLlamado tambin mortero de alta calidad o matriz, forma parte de los materiales del ferrocemento; junto con el refuerzo actan en conjunto para dar forma al elemento, soportar esfuerzos de compresin y evitar el ingreso de agentes externos que puedan contribuir a deteriorar la estructura. El mortero est constituido por cemento, agregados, agua y eventualmente aditivos. Las dosificaciones son establecidas por peso y de acuerdo al tipo de estructura y esfuerzos a la que estarn sometidas, es as que para estructuras hidrulicas Namman 2000 recomienda dosificaciones de 1 parte de cemento por 1,5 a 2 partes de arena y 0,3 partes de agua [CEPIS OPS 2000]. Abdullah et al. 2003, elabor siete paneles cuadrados de 750 mm con tres diferentes espesores, 80, 100 y 120 mm, como se muestra en la figura 10; para lo cual utiliz una malla de alambre galvanizado soldado, de abertura cuadrada de 10.0 mm y dimetro de 1.0 mm; el mortero elaborado consisti de cemento ordinario, arena natural con pasante a travs del tamiz JIS no. 2.5 (2.38 mm), y una relacin cemento arena de 1: 3.75, con una relacin agua cemento de 0.67.
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Figura 10. Dimensiones y detalles de los especmenes [Abdullah et al. 2003].
Arns & Sez 2004, en la reparacin de muros de albailera con ferrocemento, usaron un mortero con una dosificacin cemento arena de 1:2, y relacin agua cemento de 0.5. Kumar 2005, us la siguiente dosificacin de mortero, para la construccin de secciones en cajn de ferrocemento (cemento : arena : relacin agua/cemento): 1:1.5:0.35. Kumar & Rao 2005, elaboraron especmenes cilndricos y cbicos de mortero, para lo cual emplearon cemento gris, arena con pasante a travs del tamiz JIS no. 1.2 (1.18 mm), una dosificacin ptima de humo de slice y un aditivo qumico; la proporcin cemento arena de la mezcla fue 1.1 con una relacin agua cemento de 0.34; el humo de slice fue usado para reemplazar el 10% del cemento; y el aditivo qumico correspondi a un superplastificante reductor de agua. Adajar et al. 2006, elaboraron 162 especmenes de ferrocemento como se muestra en la figura 11, con proporciones de contenido cemento arena y relacin agua/cemento de: 1:2 (cemento : arena) y 45% (a/c), 1:2.5 y 50%, y 1:3 y 55%; la matriz usada consisti en un mortero hecho con cemento Prtland, agua y agregado; el cemento utilizado fue Tipo II, el agregado utilizado consisti de un agregado fino bien gradado (arena) que pasa a travs de la malla ASTM no. 832
(2.36 mm), y cuyo anlisis granulomtrico es mostrado en la tabla 8 [Adajar et al. 2006].
Figura 11. Especmenes elaborados por Adajar et al. 2006. Tabla 8. Anlisis granulomtrico de agregados finos utilizados por Adajar et al. 2006. Pasante Tamiz por peso (%) No. 10 (2.000 mm) 100.00 No. 20 (0.850 mm) 81.15 No. 40 (0.425 mm) 54.37 No. 60 (0.250 mm) 19.95 No. 80 (0.180 mm) 6.83 No. 100 (0.150 mm) 3.56
2.9. REFERENCIASABDULLAH; TAKIGUCHI, K.; NISHIMURA, K.; HORI, S.; Behavior of Ferrocement Subjected to Missile Impact. In: Transactions of the 17th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 17) Prague, Czech Republic, August 17 22, 2003. Paper J04-7, 6p. ADAJAR, J.C.; HOGUE, T.; JORDAN, C.; Ferrocement for hurricane prone State of Florida. In: Structural Fauls + Repair 2006 Conference on June 13-15, Edinburgh, Scotland, UK, 11p. ARAGN M., S.; El ferrocemento: una opcin ms del concreto. En: Ingenieros y Arquitectos, pp28-29. ARNS, H.; SEZ A., L.; Reparacin de muros de albaileras con ferrocemento. Centro Tecnolgico del Hormign, Cuadernos de Investigacin y Tecnologa. Separata del CTH Informa, no. 25, Diciembre 2004, 4p. CEPIS OPS; Fundamentos para la aplicacin de ferrocemento. Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Medio Ambiente;
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Organizacin Panamericana de la Salud; Organizacin Mundial de la Salud. Lima, 2000, 34p. CEPIS OPS; Especificaciones tcnicas para el diseo de estructuras de ferrocemento. Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Medio Ambiente; Organizacin Panamericana de la Salud; Organizacin Mundial de la Salud. Lima, 2003, 22p. IS: 8112-1989; 43 Grade Ordinary Portland Cement (Amendment 3)Specification. First Revision, Bureau of Indian Standards, New Delhi. IS: 383-1970; Specification for Coarse and Fine Aggregates from Natural Sources for Concrete-Reaffirmed. Second Revision, Bureau of Indian Standards, New Delhi, 1990. KUMAR, A; Ferrocement box sections viable option for floors and roof of multi storeyed building. In: Asian Journal of Civil Engineering (building and housing), Vol. 6, no. 6, 2005, pp569-582. KUMAR, R.P.; RAO, C.B.K.; Interaction curve for High Performance Ferrocement in Biaxial State of Tension. In: Journal of Asian Architecture and Building Engineering, November 2005, pp475-481. NAAMAN, A.E.; Ferrocement and Laminated Cementitious Composites. Techno Press-3000, 1st edition, 2000. WAINSHTOK, H.; Ferrocemento, diseo y construccin. 3 edicin. Flix Varela. Guayaquil, 1998, 227p. WANG, S.; NAAMAN, A.E.; LI, V.C.; Bending response of hybrid ferrocement plates with meshes and fibers. 14p. PDF.
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3. CONSTRUCCIN CON FERROCEMENTO3.1. GENERALIDADESUno de los principios fundamentales para la proyeccin de las estructuras de ferrocemento es la eleccin de la forma geomtrica ms racional y la tendencia al total aprovechamiento de las propiedades fsico mecnicas del material; el campo de utilizacin del ferrocemento puede ser considerablemente amplio a partir de las llamadas estructuras complejas en las cuales se combinan exitosamente las propiedades del ferrocemento y del hormign armado comn. La eleccin de los tipos de estructuras es una de las tareas ms importantes y debe tenerse en cuenta la relacin de la forma con su uso funcional, las condiciones de fabricacin y de montaje y la frecuencia de uso. La eleccin de la forma constructiva de los elementos portantes de ferrocemento es conveniente hacerla a partir de las siguientes recomendaciones [Wainshtok 1998]: El mtodo constructivo de las estructuras y de sus diferentes elementos debe establecerse teniendo en cuenta que se satisfagan los requisitos de resistencia, rigidez y estabilidad de todas las etapas del trabajo (fabricacin, transporte, montaje y explotacin). La forma de los elementos primarios debe ser simple, ya que una mayor complejidad en la geometra de los componentes, de los esqueletos de armaduras y del encofrado, conduce a una deficiente compacidad del mortero, a la formacin de defectos interiores en los lugares de difcil acceso y al aumento de los gastos por concepto de salario. La divisin de las estructuras en diferentes elementos prefabricados debe realizarse con el mnimo de juntas de montaje y utilizando las formas ms simples en los elementos primarios. La forma geomtrica de los elementos debe garantizar la posibilidad de industrializar los procesos de fabricacin. El mtodo de construccin y los parmetros geomtricos de los elementos deben satisfacer los requisitos de la tipificacin. La geometra de los elementos debe asegurar un aprovechamiento ms completo de las propiedades fsico mecnicas del ferrocemento.
Las particularidades del ferrocemento y del emplastecido de las estructuras de ferrocemento les han planteado a los ingenieros la necesidad de alcanzar la mxima sencillez de las formas geomtricas, que permiten fabricarlas con gastos35
mnimos de material, de trabajo y de tiempo. La figura del anexo 2 muestra los tipos ms conocidos de elementos de ferrocemento [Wainshtok 1998].
3.2. PROCESO CONSTRUCTIVOLos cuatro pasos principales en la construccin de ferrocemento son: colocacin de la malla de alambre en la posicin adecuada, mezcla del mortero, aplicacin del mortero, y el curado [OPS-CEPIS 2000, 2003]. A continuacin se hace una descripcin de cada uno de los pasos principales en el procedimiento de construccin.
3.2.1. COLOCACIN DEL REFUERZO La malla de refuerzo y acero del armazn deben estar firmemente soldados o sujetos cada uno de alguna forma, para que se mantengan en su posicin original durante la aplicacin del mortero y el vibrado, tambin deben estar bien tensados a fin de que cuando las solicitaciones lo requieran toda la armadura trabaje en conjunto; la longitud de traslape entre mallas vara de 25 a 30 cm, las varillas en las uniones generalmente se amarran con alambre de acero, pero en algunos casos se hacen uniones soldadas, cuando se cuenta con el equipo necesario (figuras 12-14 [Barzola]). Es importante dejar que la malla se acomode por s misma en cuanto sea posible, aunque esto signifique un traslape mayor en algunas partes; si los traslapes ocasionan dificultades para el trabajador, entonces se podr cortar el exceso del traslape; sin embargo, en todos los casos debe mantenerse una longitud mnima de traslape de 5 cm. Las mallas de refuerzo se amarran a las varillas de acero del armazn, con alambre de amarre en intervalos de 15 a 30 cm; en caso de encontrarse el acero de las armaduras con sustancias como grasa u otros contaminantes, deben de cepillarse antes de comenzar el trabajo de colocacin del mortero [OPS-CEPIS 2000, 2003].
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Figura 12. Colocacin de varillas circulares de armado sin soldadura [Barzola].
Figura 13. Colocacin de la malla de alambre [Barzola].
Figura 14. Colocacin de malla de alambre, tanto interna como externamente [Barzola].
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3.2.2. PREPARACIN DEL MORTERO En la preparacin del mortero se emplea una proporcin en peso de cemento arena que consiste en una parte de cemento por 1,5 a 2 partes de arena; la relacin agua cemento en peso, debe mantenerse lo ms baja posible entre 0,3 y 0,4 para darle al material calidad y trabajabilidad consistentes. Si es necesario e usan puzolana u otros aditivos al momento de hacer la mezcla de acuerdo con la cantidad prescrita, cumpliendo estos aditivos con los requisitos de la norma ASTM C-618; Se recomienda el uso de mezcladora para vaciado de volmenes importantes y el uso de trompos para vaciados pequeos [OPS-CEPIS 2000, 2003].
3.2.3. APLICACIN DEL MORTERO El mortero generalmente se coloca a travs del enlucido a mano, en este proceso el mortero es forzado a travs de la malla; de manera alternativa el mortero puede ser insertado a travs de un dispositivo de pistola pulverizadora. La aplicacin del mortero a mano ha resultado ser el medio ms conveniente, se utilizan los dedos y las palmas para aplicar el mortero sobre la estructura formada por la malla de alambre y debido a lo compacto de la mezcla, el mortero permanece en su posicin despus de colocado [OPS-CEPIS 2000, 2003] (figura 15 [Barzola]). Existen tcnicas de aplicacin del mortero, siendo las ms usadas la tcnica en una capa y la de dos capas, que son descritas a continuacin.
Figura 15. Aplicacin del mortero [Barzola].
3.2.3.1.
La tcnica en una capa
Consiste en reforzar el mortero de afuera hacia dentro de la malla y posteriormente darle el acabado final; nunca debe aplicarse el mortero simultneamente en los dos lados, pues esto da como resultado que quede aire atrapado entre las capas produciendo laminacin en la superficie del casco. Al usar la tcnica en una capa, la mejor manera de aplicar el mortero en un lado, es
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poniendo en el otro lado como encofrado temporal hojas de trplex y tiras similares de madera contra los cuales pueda trabajar los vibradores; en la mayor parte de los casos un vibrador manual con un pedazo de madera y un mango integrado es suficiente para lograr la penetracin total del mortero en la malla. Al aplicar el mortero tambin es importante asegurar que el recubrimiento final o capa de acabado que conforma la estructura, se coloque antes de que ocurra el fraguado final de la aplicacin de mortero principal [OPS-CEPIS 2000, 2003].
3.2.3.2.
La tcnica en dos capas
Este mtodo se prefiere mucho en la construccin de embarcaciones; la ventaja principal en este proceso es que al aplicar el mortero en el lado contrario puede colocarse al mortero sobre una superficie slida obtenindose una estructura ms densa, sin embargo la vibracin es esencial cuando se est aplicando la segunda capa de mortero. Despus de terminar la primera aplicacin del mortero en la operacin en 2 capas y de haber aplanado la superficie de la manera acostumbrada, debe dejarse curar la estructura con humedad al menos durante 10 a 14 das; antes de aplicar la segunda capa, es esencial limpiar bien la superficie y quitar todo el material suelto. Despus puede extenderse o aplicarse a manera de pintura, sobre la superficie una lechada de cemento con consistencia gruesa, antes de la aplicacin del mortero; esta tcnica trata de evitar el riesgo de separacin entre las dos capas, pero an quedan dudas respecto a la calidad absoluta de la unin entre las dos capas [OPS-CEPIS 2000, 2003].
3.2.4. CURADO El curado que se da a las estructuras de ferrocemento es de vital importancia para lograr una buena hidratacin en el cemento en sus fases de endurecimiento; el propsito del curado es conservar saturado el mortero, hasta que el espacio originalmente lleno de agua en la pasta de cemento fresco, se haya llenado al grado deseado por los productos de hidratacin del cemento; el curado se puede lograr aplicando diferentes mtodos como son: el curado por humedad, con membrana impermeable y con vapor; cabe destacar que el curado por humedad se hace por un espacio de 10 a 14 das consecutivos [OPS-CEPIS 2000, 2003] (figura 16 [Barzola]).
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Figura 16. Curado del tanque: Se realiza mediante el riego manual y mediante el riego por goteo con botellas plsticas [Barzola].
3.3. RECUBRIMIENTOSAunque se indique que las estructuras de ferrocemento no necesitan de proteccin, a menos que estn expuestas a condiciones ambientales severas, en las oportunidades que se requieran poner revestimientos, se deben usar aquellos que cumplan con las siguientes caractersticas [OPS-CEPIS 2000, 2003]: Debe tener buena adherencia al mortero. Debe tener tolerancia a la alcalinidad del ferrocemento. Debe tener buena resistencia qumica a la abrasin. Impermeabilidad al agua y a las sustancias qumicas
Para estructuras que no estn sometidas a esfuerzos considerables se recomiendan recubrimientos mnimos de 0,15 cm y mximos de 1,25 cm. Para que los recubrimientos cumplan la funcin de proteccin a cabalidad es importante la preparacin adecuada de la superficie sobre la que se debe aplicar, para ello debe estar libre de polvo e impurezas y si hubo un recubrimiento anterior se le debe quitar con aire comprimido, con chorro de arena o con cepillos de alambre. El recubrimiento debe aplicarse generalmente a temperaturas no inferiores a 10 C y para aplicacin de adhesivos de resinas epxicas al mortero se sugiere una temperatura mnima de 15 C. La diversificacin del uso de ferrocemento en el mundo, est llevando a los investigadores a estudiar los recubrimientos ms
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recomendables para cada caso y el tratamiento que debe darse en funcin del uso que se tenga que dar a las estructuras [OPS-CEPIS 2000, 2003].
3.4. APLICACIONES EN EL ALMACENAMIENTO DE AGUAEn muchos lugares del mundo, donde el agua actualmente tiene que recogerse diariamente desde largas distancias mediante el esfuerzo humano, existe la gran necesidad de buscar donde almacenarla para su consumo. Es as que se reporta que la mayor demanda de almacenamiento de agua en las granjas de Nueva Zelanda ha propiciado la introduccin de los tanques de ferrocemento [OPSCEPIS 2000, 2003]. El Structural Engineering Research Center (Madrs), en la India, construy tanques prefabricados de ferrocemento para agua, que son utilizados en pueblos y pequeas comunidades, estos tanques tienen una capacidad para 600 litros [OPSCEPIS 2000, 2003]. En 1984, tanques cilndricos para la recoleccin de agua de lluvia, fabricados en ferrocemento, se introdujeron en las Filipinas, en reemplazo de los tanques de acero galvanizado o de fibra de vidrio, que anteriormente all existan; stos tanques en ferrocemento se construyeron en reas rurales (figura 17) donde la poblacin estaba dispersa y las superficies de los techos estaba eran tan abiertas que permitan recolectar grandes cantidades de lluvia [Bagasao 1990]. Este tipo de tecnologa tambin tiene gran aplicacin en los pases en vas de desarrollo como el nuestro, pudiendo ser aplicado en forma masiva en las poblaciones rurales donde se puede aprovechar el uso de materiales locales y mano de obra barata. Es por ello que en los ltimos aos diversos pases de Centro y Sudamrica se han interesado en la tecnologa alternativa que ofrece ferrocemento, en especial para la construccin de sistemas de agua potable y saneamiento para las zonas urbano marginales y rurales, donde se requiere del uso de tanques de reserva, filtros, sistemas caseros de tratamiento de aguas servidas, cubiertas para viviendas, revestimientos de canales, etc. [OPS-CEPIS 2000, 2003].
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Figura 17. Construccin de una cisterna en Filipinas [Bagasao 1990].
En Ecuador se construy por primera vez un tanque circular de ferrocemento para almacenamiento de agua en el ao 1986, con una capacidad de 50 m3, obtenindose como resultado en esta primera experiencia que su implementacin produca considerables ahorros tanto en costos como en tiempos de construccin. Luego en 1991 se construy un tanque de 100 m3 para el sistema de agua potable de la comunidad de Palugo en Quito, combinando mampostera de ladrillo, columnas de hormign armado y ferrocemento como recubrimiento interior de la pared del tanque de reserva. Actualmente se han elaborado diseos para tanques de 5 a 500 m3 de capacidad [OPS-CEPIS 2000, 2003]. En Colombia se han construido tanques circulares de 10 m3 para el condominio Portal del Valle, as mismo tanques de paredes onduladas conformados por bvedas prefabricadas, presentando la ventaja desde el punto de vista de capacidad casi ilimitada, habindose construido por el grupo San Carlos de Brasil tanques de 900 y 2700 m3 de capacidad, con unos ahorros en costos del orden del 40% con respecto a los tanques cilndricos de concreto [OPS-CEPIS 2000, 2003]. El procedimiento de ejecucin de un tanque en ferrocemento se describe a continuacin3: Delimitacin del lugar y ejecucin de la base: lo cual comprende la limpieza y preparacin de la cimentacin; la obtencin de los materiales; y la ejecucin de la cimentacin. Ejecucin del refuerzo de los muros: lo cual comprende la colocacin del encofrado; y la fijacin de la armadura.
3
ANNIMO; Captulo 4: Ejecucin de tanques de ferrocemento. 33p.
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Realizacin del acabado del tanque: lo cual comprende la insercin de tubos de desage; la preparacin de la mezcla de mortero; y el extendido del mortero en los muros. Curado: Despus de haber aplicado el mortero, se deben cubrir con un plstico negro o sacos hmedos. En ambientes muy calurosos, el tanque debe cubrirse entre las sucesivas aplicaciones de capa y capa. En condiciones ms suaves el tanque se deja abierto hasta haberse aplicado la ltima capa y luego se cubre durante una semana o ms para el curado.
CAIS INCAP, sugiere los siguientes pasos en la construccin de cisternas de ferrocemento [CAIS-INCAP]: Cortar a la medida la electro malla y colocarla en una superficie plana (figura 18-a). Recubrir la electromalla con malla de gallinero por ambos lados, tejiendo la malla o amarrando al menos en cuatro puntos de cada cuatro electromallas (figura 18-b). Con la electromalla recubierta, se dobla y se forma el cilindro, unido en sus extremos con alambre de amarre, con traslapo de dos cuadros de la electro malla (figura 18-c). Se hace una parrilla en la base del depsito. Se amarra el cilindro con el emparrillado, doblando las puntas de la electro malla y apretando con alambre de amarre. Se formaletea y se funde la base con un espesor de la menos 20 cm, el cilindro fundido 10 cm (figura 18-d). Se coloca el cimbrado en el interior de cilindro y se inicia el repellado por el lado externo, cubrindose la malla con la mezcla, y se llana el repello hasta obtener el acabado final (figura 18-e).
3.5. APLICACIONES EN VIVIENDASEl ferrocemento tiene una amplia aplicacin en la edificacin de viviendas, ya que muchos de sus elementos constructivos son posibles de hacerlos con este material; encontrndose lo siguiente: elementos prefabricados (figura 19-a [Carrasco & Soto 2003]), paneles para paredes (figura 19-b [Carrasco & Soto 2003]), paneles aligerados, hojas corrugadas para cubiertas (figura 19-c [Carrasco & Soto 2003]), cascarones para cubiertas (figura 19-d [Wainshtok 1998]), pisos aligerados, protectores solares, y piscinas (figura 19-e [Wainshtok 1998]).
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a.
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d. e. Figura 18. Pasos en la construccin de cisternas de ferrocemento [CAIS-INCAP]
El registro de patentes de los Estados Unidos, registro el 20 de enero de 1976, una estructura y mtodo de construccin realizado por Thad E. Matras, y cuyo registro completo que incluye las figuras mostradas es anexado a este documento (Anexo 3) [Matras 1976].
3.6. APLICACIN POTENCIAL DE CONSTRUCCIN CONTRA RIESGO ELICOLos huracanes han causado daos significantes a edificaciones, viviendas, y otras construcciones en diversos lugares. Adajar 2006, propone un mtodo constructivo usado en la edificacin de una casa usando paneles y techos prefabricados en ferrocemento, como se muestra en la figura 20 [Adajar et al. 2006]. Otro ejemplo importante de mostrar, figura 21, es el Domo de un Hogar, ubicado en Pensacola, Florida, el cual ha sufrido daos menores al paso de los huracanes Alberto, Erin y Opal, mostrando como la tecnologa del ferrocemento es benfica para este tipo de construcciones hechas para resistir eventos elicos drsticos [Adajar et al. 2006].
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d.
e.
Figura 19. Elementos constructivos elaborados en ferrocemento, aplicados en la construccin de vivienda.
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Figura 20. Casa hecha de componentes de ferrocemento prefabricados y fundidos en el sitio, para el modelo constructivo propuesto por Adajar 2006 [Adajar et al. 2006].
Figura 21. Una estructura potencial de tecnologa con ferrocemento [Adajar et al. 2006].
3.7. OTRAS APLICACIONES EN CONSTRUCCIONESEl ferrocemento es usado en otras aplicaciones de construccin [Naaman 2000], las cuales se nombran a continuacin: construccin agrcola (depsitos y silos para almacenamiento de granos, revestimiento para pozos y canales de irrigacin, tuberas, cobertizos para granjas avcolas y pisccolas), infraestructura energtica rural (contenedores y digestores para biogs, figura 22 [Wainshtok 1998], incineradores), infraestructura para abastecimiento y remocin de agua (tanques de sedimentacin, recubrimientos de pozos, tanques spticos, lavamanos y letrinas, revestimientos para piscinas, tanques para combustibles), mobiliario urbano (paraderos de buses, figura 23 [Wainshtok 1998], puentes peatonales,
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figura 24 [Wainshtok 1998], resbaladeros para recreacin), formaletas permanentes y obras de arte y arquitectura, figura 25 [Wainshtok 1998], (esculturas, modelos, hojas difusoras de luz).
Figura 22. Contenedor en ferrocemento [Wainshtok 1998].
Figura 23. Detalles de un paradero de bus en ferrocemento [Wainshtok 1998].
Figura 24. Detalles de un puente peatonal en ferrocemento [Wainshtok 1998].
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Figura 25. Mobiliario decorativo urbano en ferrocemento [Wainshtok 1998].
De igual manera, es utilizado en la rehabilitacin y reparacin, debido a la facilidad y economa en su utilizacin y aplicacin, tanto para obras pequeas de reparacin, como en otros tipos como es el caso del encamisado de columnas de concreto reforzado para mejorar su resistencia ssmica, entre otros [Naaman 2000]. Tambin se ha reportado el uso de ferrocemento para la reparacin de muros de albailera [Arns & Sez 2004], con los siguientes resultados: los muros agrietados y reparados con ferrocemento recuperan el 93% de la tensin de corte de los muros originales, y al reforzar un muro de albailera con ferrocemento con la forma indicada anteriormente, se aumenta la tensin bsica al corte en un 20%.
3.8. REFERENCIASADAJAR, J.C.; HOGUE, T.; JORDAN, C.; Ferrocement for hurricane prone State of Florida. In: Structural Faults + Repair 2006. Conference on June 13-15, Edinburgh, Scotland UK. ANNIMO; Captulo 4: Ejecucin de tanques de ferrocemento. 33p. ARNS V., H.; SEZ A., L.; Reparacin de muros de albaileras con ferrocemento. En: Cuadernos de Investigacin y Tecnologa. Separata del CTH Informa 25, Diciembre 2004. 4p. Centro Tecnolgico del Hormign, Chile. BAGASAO, T.; Sistema de recoleccin de agua lluvia. En: El CIID Informa, Octubre de 1990, pp20-21. BARZOLA G., C.; Ferrocemento aplicado en la construccin de un tanque soluciona problemas en asentamiento urbano. 3p. CAIS-INCAP; Cisternas de ferrocemento. CARRASCO B., V.; SOTO C., R.; ltimos avances en la fabricacin y construccin de viviendas de ferrocemento. En: XIV Jornadas Chilenas del Hormign. Octubre 2003.
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MATRAS, T.E.; Ferrocement Structures and Method. United States Patent. January 20, 1976, 14p. NAAMAN, A.E.; Ferrocement and Laminated Cementitious Composites. Techno Press-3000, 1st edition, 2000. OPS-CEPIS; Fundamentos para la aplicacin del ferrocemento. Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente; Organizacin Panamericana de la Salud; Organizacin Mundial de la Salud. Lima, 2000, 34p. OPS-CEPIS; Especificaciones tcnicas para el diseo de estructuras de ferrocemento. Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente; Organizacin Panamericana de la Salud; Organizacin Mundial de la Salud. Lima, 2003, 22p. WAINSHTOK, H.; Ferrocemento, diseo y construccin. 3 edicin. Offset Abad, Guayaquil, 1998. 227p.
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4. PROPIEDADES MECNICAS DEL FERROCEMENTO4.1. INTRODUCCINMuchas de las propiedades del ferrocemento se derivan de contener una relativamente alta cantidad de refuerzo constituido por telas de mallas de alambre de pequeo dimetro y distribuida en toda la seccin. Entre estas propiedades su gran elasticidad y resistencia al agrietamiento es una de las ms importantes, lo que permite considerarlo como un material homogneo y casi elstico para determinados regmenes de carga [Wainshtok 1998]. Carrasco, 2003, sugiere que los antecedentes especficos para el diseo de elementos de ferrocemento se deben establecer en cada pas, segn sus condiciones particulares, y cuando no existe un cdigo de diseo, se puede utilizar el documento Guide for the design, Construction on repair of Ferrocement del American Concrete Institute (ACI) y la norma brasilea ABNT 1259 Proyeto e execucao de orgamassa armada, ambos complementados por el documento Building cade requeriments for reinforced concrete (ACI 318) del ACI. En trminos generales se destaca su alta capacidad a la resistencia axial, alta resistencia a la compresin, alta flexibilidad y alta resistencia al impacto. Se hace hincapi en uno de los aspectos importantes del ferrocemento; esto es la cantidad de acero que debe disponerse en trminos de volumen y de superficie, de acuerdo con lo siguiente [Carrasco 2003]: Fraccin de volumen de refuerzo correspondiente a la razn entre el volumen total de refuerzo y el volumen total de la mezcla. Superficie especfica, correspondiente a la relacin entre el rea total de refuerzo y el rea de la seccin transversal.
Puede utilizarse el mtodo de diseo elstico o el mtodo de diseo de rotura. En el caso del diseo en hormign armado, la tendencia est orientada al diseo a la rotura, bsicamente establecido en el cdigo ACI 318, que se podra extender al diseo del ferrocemento. Otros aspectos del diseo que es importante destacar en la confeccin del ferrocemento es lo siguiente [Carrasco 2003]: Recubrimiento de refuerzo:
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o Ambiente no agresivo > 4 mm o Ambiente medianamente agresivo > 6 mm o Ambiente agresivo Proteccin especial Tolerancias: o Recubrimiento 2 mm o Espesor de muros 10% del espesor, < 3 mm o Dimensin mayor < 5 m 10 mm 5 m y < 15 m 15 mm 15 m 20 mm o Desviacin lineal L/1000 Refuerzo mnimo (mallas): o Espesor de muro < 20 mm 1 malla o Espesor de muro > 20 mm 2 mallas o Cuanta de acero 0,3 % en cada direccin o Dimetro (alambre de malla) > 0,56 mm y < 3,00 mm o Espesor (metal desplegado) > 0,3 mm y < 16 mm o Mayor espacio de malla 50 mm (electrosoldada) 25 mm (tejida) 38 mm (expandida) Refuerzo mnimo (barras): o Dimetro < 1/4 del espesor y < 12 mm o Espaciamiento > 3 > 10 mm o Consideracin constructiva > 3 mm (en esquinas y dobleces) Adherencia y anclaje (malla de acero): o En el borde de apoyos libres en flexin o Largo del soporte > 3 veces el espesor, > 40 mm o Largo de la malla > 20 (electrosoldada), > 30 (tejida) Traslapos: o Malla soldada > 3 espacios de malla, largo > 60 mm o Malla tejida o metal desplegado > 4 espacios de malla, largo > 100 mm
Moreno & Castillo 2001, describen el uso de ensayos dinmicos y de resonancia, velocidad de fase, y ultrasonido, en la medicin de espesores, y evaluacin de la elasticidad y viscoelasticidad en el ferrocemento. Los esquemas de los ensayos realizados son mostrados en las figuras 26-28 [Moreno & Castillo 2001].
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Figura 26. Mtodo de la resonancia: a.- barra de mortero y PVC; b.- resonancia cuadrada para ferrocemento, mortero y PVC. La relacin de Poisson es obtenida de la relacin de frecuencia de la resonancia en A o en B [Moreno & Castillo 2001].
Figura 27. Mtodo de la velocidad de fase: G: audio variable; A: amplificador de potencia; T: transductor magntico [Moreno & Castillo 2001].
Figura 28. Mtodo ultrasnico [Moreno & Castillo 2001].
4.2. MDULO DE ELASTICIDADTericamente el mdulo de elasticidad del ferrocemento puede obtenerse de la ley de los materiales compuestos [Wainshtok 1998]:
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(1) Donde, Eft es el mdulo de elasticidad del ferrocemento en traccin; Eb es el mdulo de elasticidad del mortero; Ea es el mdulo de elasticidad del acero en mallas; EA es el mdulo de elasticidad del acero en barras; Vb es la fraccin de volumen de mortero; Va es la fraccin de volumen del acero en mallas; VA es la fraccin de volumen del acero en barras. Naaman y Shah, demostraron que el lmite inferior de los valores del mdulo de elasticidad del compuesto puede ser previsto asumiendo que la fraccin de volumen del mortero es igual a la unidad, como es mostrado en la figura 29, as [Wainshtok 1998]: (2) Donde, Eal es el mdulo de elasticidad del acero en mallas en la direccin longitudinal; EAl es el mdulo de elasticidad del acero en alambrn en direccin longitudinal; Val es la fraccin de volumen del acero en mallas; VAl es la fraccin de volumen del acero en alambrn.
Figura 29. Mdulo de elasticidad a la traccin: a.- antes de la primera grieta; b.- despus de la primera grieta [Wainshtok 1998].
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Paul y Pama proponen con acierto la inclusin de un factor que puede ser interpretado como el factor de eficiencia de la tela de mallas en la direccin establecida, y que depende de las propiedades geomtricas de la malla y su orientacin, obtenindose valores muy cercanos a los experimentos [Wainshtok 1998] (3) Si el mortero se agrieta bajo la carga actuante, el mdulo de elasticidad se reduce a [Wainshtok 1998]: (4) Walkus, para valores de S = 1.62 cm-1 determin un mdulo de 21000 MPa y 3300 MPa despus del agrietamiento. Bezukladov propone cuando no se tengan otros datos a utilizar 5000 MPa en traccin y 20000 MPa en compresin para S < 2 cm1 ; Rao y Pama, dan valores del mdulo a compresin, Efc, del orden de 30000 MPa [Wainshtok 1998]. Con respecto al mdulo de elasticidad en flexin, para una seccin rectangular y teniendo en cuenta la diferencia entre el mdulo de elasticidad del ferrocemento en traccin y compresin considerando que se cumple la ley de Hook, se tiene que [Wainshtok 1998]:
(5) Donde, Er es el mdulo de elasticidad reducido a flexin; Eft es el mdulo de elasticidad a la traccin; Efc es el mdulo de elasticidad a la compresin. Bezukladov plantea valores para Er de 25000 MPa, pero sugiere para el diseo 20000 MPa para cargas de corta duracin y 10000 MPa para cargas de larga duracin. Wainshtok encontr valores para la relacin Efc / Eft en el ferrocemento sometido a flexin, y antes de agrietamiento tiene un valor de uno, posteriormente al agrietamiento es de 3 a 4, coincidiendo con los valores de Bezukladov para el diseo [Wainshtok 1998].
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4.3. COMPORTAMIENTO A LA TRACCINEl ferrocemento tiene una mayor resistencia a la traccin debido a su relativamente alto contenido de acero y a la gran dispersin de ste. Cuando un elemento de ferrocemento es sometido a esfuerzos de traccin, tres estados se pueden observar en el diagrama tensin deformacin unitaria, mostrada en la figura 30 [Wainshtok 1998].
Figura 30. Diagrama tensin deformacin unitaria del ferrocemento [Wainshtok 1998].
En el estado plstico la curva tensin deformacin es prcticamente lineal, no se observan grietas, el material es totalmente impermeable. Walkus limita este estado hasta una deformacin unitaria de 200 x 10-6 y ancho de fisuras hasta 20 . El final de esta primera fase y el inicio de una segunda estn determinados por la deflexin ms o menos acentuada, en dependencia de la cantidad y tipo de refuerzo del diagrama, con la formacin de una primera fisura microscpica convencional no siempre visible a simple vista ni con dispositivos pticos de poca resolucin [Wainshtok 1998].
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En el estado plstico la curva esfuerzo deformacin unitaria se desva de la linealidad. A partir de la primera grieta un nmero creciente de stas se presentan, crecen muy lentamente al inicio de sus aberturas hasta que el nmero de grietas se estabiliza y aumenta entonces rpidamente. Walkus limita este estado desde la ocurrencia de la primera grieta de 20 hasta una abertura de 100 y una deformacin unitaria de 645 x 10-5 [Wainshtok 1998]. En el estado de falla, el mximo nmero de grietas ha aparecido y el aumento de las deformaciones se debe fundamentalmente al crecimiento en la abertura de las mismas, hasta la falla del elemento por la ruptura del acero [Wainshtok 1998]. Un estudio sobre el comportamiento del ferrocemento es estado biaxial es importante para el establecimiento de un diseo racional; Kumar y Rao, 2005, llevaron a cabo una investigacin sobre el ferrocemento bajo diferentes condiciones de esfuerzo biaxial, tensin tensin, sobre especimenes cilndricos huecos. Ellos propusieron una curva de interaccin para estimar la resistencia en este estado, y presentaron tambin la relacin entre el esfuerzo normal y el cortante octadrico (expresin (6)) [Kumar & Rao 2005]. (6)
4.4. COMPORTAMIENTO A LA COMPRESINLa resistencia a la compresin del ferrocemento est dada fundamentalmente por el
