Concreto Simple de Peso Normal.

UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD DISTRIT DISTRITAL AL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS PROGRAMA DE TECNOLOGÍA EN CONSTRUCCIÓN E INGENIERÍA CIVIL

ASIGNATURA: MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN I Tecnología del concreto Guía TÉCNICA # 7 Diseño de mezclas de concreto simple de peso normal. DOCENTE: MILTON Mena Serna. Ingeniero Civil Universidad del Valle Magister en Construcción Universidad Nacional

Diseño de mezclas – Tabla de contenido –

F i c ha téc nic ni c a de la c las e... .. .

Diseño de mezclas – Tabla de contenido –

F i c ha téc nic ni c a de la c las e... .. .

Diseño de mezclas – Alcances –

Diseño de mezclas de concreto – Generalidades –

SECUENCIA PARA DOSIFICAR MEZCLAS DE CONCRETO Datos previos

1, Datos de la obra 2, Datos materiales

Elegir el asentamiento Elegir tamaño máx.. nominal Estimar contenido de aire Estimar cantidad de agua de mezclado Elegir la relación A/C

A conti c ontinu nuaci ación ón s e explic ex plic a los pas pas os ...

Calcular la cantidad de cemento

SI

Verificar si los agregados cumplen normas granulométricas ICONTEC 174

Estimar contenido de agregado grueso y fino

NO

Optimizar granulométrica Ajustar la cantidad de agua por el contenido de humedad del agregado Ajustar la mezcla de prueba (repetir ciclo)

Diseño de mezclas – Ejemplo –

Ejemplo de diseño


Ejemplo de aplicación: 1 Datos generales de la obra: Se necesita elaborar el hormigón para construir las columnas (25 x 25) de una edificación, dicha construcción no estará expuesta a condiciones agresivas ambientales. Por tanto, NO se considera grado alguno de exposición. Se desea una trabajabilidad de media a alta, puesto que la estructura es mediamente reforzada. El diseño estructural exige una resistencia a la compresión a los 28 días sea de 3000 PSI – 210 Kg/ cm2 – (21 M Pa). Para garantizar un acomodamiento adecuado del concreto, el proceso de vibrado se hará con el uso de equipos especiales.


2

Datos de los materiales de la obra: De los materiales disponibles para la elaboración del concreto se conoce.

Datos del material disponible CARACTERISTICAS DEL MATERIAL GRAVA ARENA OTROS Curva Granulométrica. Tamaño máximo del agregado Tañamo máximo nominal Masa unitaria compacta (MUC) Masa unitaria suelta (MUS) Densidad aparente Absorción agregado Humedad natural Origen del material Forma Textura Contenido de arcilla Ensayo colorimétrico Modulo de finura

Si hay 25.4 19 1620

Si hay No aplica No aplica 1650

2420 2 3 Aluvial Angular Rugosa No aplica No aplica No aplica

2590 1 5 Aluvial Redondeada Lisa

No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica

UNIDADES

OBSERVACIONES

No aplica mm mm Kg/ m3 Kg/ m3 Kg/ m3 % % No aplica No aplica No aplica % No aplica Sin dimenciones

Verificar existencia

Agua del acueducto de la localidad (Bogotá) Tipo I, densidad de 3100 Kg / m3 No utliza aditivos de ningun tipo

Agua Cemento Aditivos

Datos de la obra a realizar Elemento estructural a construir Cantidad de refuerzo Condiciones extras Grados de exposición Tipo de clima Normativas que aplican

No aplica

Construcción de columna de una edificación. Mediamente reforzada Ninguna (elemento no expuesto a la intemperie) Suave Moderado Suave Moderado NTC 174 y NSR - 98

Severo Severo

Granulometría Datos del material Granulometría

mm Pulg. GRAVA 25.4 1 100 19 3/4 95 12.7 1/2 70 9.51 3/8 40 4.76 N° 4 12 2.38 N° 8 1.19 N° 16 0.595 N° 30 0.297 N° 50 0.149 N° 100

ARENA

100 78 65 45 35 25 15

Procedimiento de dosificación pas o a pas o...

Diseño de mezclas – Solución –

Solución: Ejemplo de aplicación: 1

Paso: Elección del asentamiento: Según el tipo de estructura (columna) se tiene que se puede elegir un asentamiente entre 5 y 10 cm. (se hace en función del grado de trabajabilidad deseado – en nuestro caso

medio alto). Para este ejemplo:

USE: Asentamiento = 6 cm Ver grafica en hoja siguiente: Criterios para seleccionar el valor del asentamiento

Criterios para seleccionar el valor del asentamiento Valores de asentamiento recomendados para diversas clases de construcciones CONSISTENCIA ASENTAMIENTO

MUY SECA 0 a 2 cm

GRADO DE TRABABILIDAD

Muy pequeña.

APLICABLE

SECA 2.5 a 3.5 cm

Vigas o pilotes de alta resistencia con vibrador de formaleta.

SEMI - SECA 3.5 a 5.0 cm

Pequeña.

Pequeña.

Pavimentos vibrados con métodos mecánicos.

Construcciones de masa voluminosa, losas medianamente reforzadas con vibración. Cimientos En concreto simple. Pavimento con Vibración manual.

CONSISTENCIA ASENTAMIENTO

MEDIA 5.0 a 10 cm

HÚMEDA 10 a 15 cm

GRADO DE TRABABILIDAD

Media.

Alta.

APLICABLE

Losas medianamente reforzadas y Pavimentos compactados a mano. Columnas, Vigas, cimentaciones y muros contención

Secciones con mucho refuerzo. Trabajos donde la colocación sea díficil. Revestidos de túneles. No recomendable

Diseño de mezclas – Solución – 2

Paso: Elección del TMN: Según la tabla siguiente, los valores recomendados de TMN según las características de la estructura (25 x 25 cm de sección transversal):

USE: TMN = 3/4 Ver en la hoja siguiente: Criterios para seleccionar el valor del TMN

Granulometría mm 25.4 19 12.7 9.51 4.76 2.38 1.19 0.595 0.297 0.149

Pulg. GRAVA 1 100 3/4 95 1/2 70 3/8 40 N° 4 12 N° 8 N° 16 N° 30 N° 50 N° 100

ARENA

100 78 65 45 35 25 15



Paso: Estimación del contenido de aire. Según el tipo de estructura y las condiciones iníciales del diseño donde NO considera que la columna está expuesta a condiciones de ambienteles agresivas y puesto que la trabajabilidad es buena, es decir NO requiere el uso de incorporadores de aire. Por tanto se considera que el contenido de aire atrapado en el concreto es de 2.0 % Según la tabla siguiente se toma el contenido de aire en función del TMN de 19 mm (3/4 pulgada ) es del 2% = (2/100) 0.020 m3/m3), este % se presenta en volumen.

USE: contenido de aire = 2 % Ver en la hoja siguiente: Criterios para seleccionar el valor del Contenido de aire

El volumen de aire total en el concreto es de 0.02 m3 de aire / por m3 de concreto Esto es volumen por m3



Paso: Estimación de la cantidad de agua. Según las condiciones iniciales del diseño para un TMN de 19 mm (3/4 pulgada) agregado (grueso) de forma angula y textura rugosa, asentamiento de 7 cm sin aire incluido de manera artificial. De la grafica siguiente se obtiene 200 Kg de agua asentamiento)

/ por m 3 de concreto (según

USE: contenido de agua = 200 Kg / m3

Esto es peso por m3

Ver en la hoja siguiente: Criterios para seleccionar el valor del Contenido de aire

Para obtener el volumen de agua total en el concreto hay que dividir el contenido de agua por la densidad del agua Esto es Es decir: 200 kg/m3 / 1000 Kg/m3 = volumen 0.2 m3 de agua / por m3 de concreto por m3


Paso: Estimación de la relación a/c. Según las condiciones iníciales del diseño para una resistencia a la compresión a los 28 días de 3000 PSI que es lo mismo que 210 Kg / m 2 a los 28 días. El concreto no tiene aire incluido. a /c = 0.57

USE: relación agua / cemento = 0.57 Ver en la hoja siguiente: Criterios para seleccionar el valor

Nota: Si deseamos reducir el contenido de a/c, podemos mejorar la resistencia, es decir aumentarla de 210 a 280 kg/cm2, recordemos que la relación agua cemento esta asociada a la resistencia, durabilidad y manejabilidad. Por tanto, hay dos variables que se mejoran y una que se afecta.


Relación agua / cemento = A/C Manejabilidad 2

1 Resistencia Habilidad para resistir Cargas en el tiempo Sin fallar ni deformarse

Efectos ?

A C

Facilidad para mezclar los agregados y colocación en obra.

3 Durabilidad

Habilidad para resistir las acciónes físicas, mecánicas, químicas y biologícas ambientales.

> Relación A/C < resistencia A compresión del concreto

< Relación A/C > durabilidad del concreto

Resistencia

Durabilidad

1

3

+

2 –

–

+

A C

< Relación A/C < manejabilidad del concreto Manejabilidad

–

A C

–

A C


Paso: Estimación de la cantidad de cemento. Según la formula. C = a / (a/c) = 200 / 0.57 = 351 Kg de cemento por cm cubico de concreto para lograr una resistencia de 210 Kg / m 2 a los 28 días. El concreto no tiene aire incluido y el a /c = 0.57 y el agua de 200 Esto es peso por USE: contenido de cemento = 351 Kg / m3 m3 Para obtener el volumen de cemento total en el concreto hay que dividir el contenido de cemento por la densidad del cemento Es decir: 351 / 3100 = 0.11 m3 de cemento / por m3 de concreto Esto es volumen por m3

a C= A/C

Donde: C= Cantidad de cemento requerido. a= Cantidad de agua calculada. A/C= Relación agua cemento deseada.


A nivel de resumen hasta el momento tenemos: MATERIAL CEMENTO AIRE AGUA GRAVA ARENA TOTAL RELACIÓN A/C

PESO Kg/m3 351 0 200

El Volumen total debe sumar 1 m3

DENSIDAD Kg/m3 3100 0 1000

VOLUMEN m3/m3 0.11 0.02 0.2

0.33 0.57


Paso: Verificación de las especificaciones granulométricas.

Chequeo que cumpla la NTC 174 mm 25.4 19 12.7 9.51 4.76

Limite inferior NTC Granulometría a 174 comparar Pulg. 1 3/4 1/2 3/8 N° 4

9.51 3/8 4.76 N° 4 2.38 N° 8 1.19 N° 16 0.595 N° 30 0.297 N° 50 0.149 N° 100

Limite superior NTC 174

CHEQUEO DE CUMPLIMIENTO

100 90 0 20 0

100 95 70 40 12

100 100 0 55 5

Ok Ok Ok Ok No cumple

100 95 80 50 25 10 2

100 78 65 45 35 25 15

100 100 100 85 60 30 10

Ok No cumple No cumple No cumple Ok Ok No cumple


Para verificar las granulometrías, se utiliza la grafica NTC 174 (para el agregado fino y grueso), en caso de no cumplir la normativa, se debe OPTIMIZAR el agregado fino y grueso. Si cheque uno de los dos, igual se optimiza para conocer cual es el % de agregado grueso y fino utilizable.

Ver tablas de la NTC 174

AGREGADO GRUESO Según la norma ICONTEC 174 Se ingresa según el TMN

AGREGADO FINO

Según la norma ICONTEC 174 Se ingresa según la granulometría del material

Conclusión: se debe optimizar la granulometría por el método RNL (Road Note Laboratory) PASOS PARA APLICAR EL MÉTODO PRACTICO 1. Se hace un dibujo parecido al ejemplo que sigue, tenga en cuenta que el grafico es un cuadrado (todos sus lados son iguales ). 2.

Se enumera y rotula igual que el ejemplo.

3.

En los ejes verticales se coloca los tamices y el pasa de la granulometría de la arena y grava donde correspondan según el punto 1.

4.

Se unen con líneas rectas los puntos correspondientes a cada tamiz en las dos granulometrías, se obtiene diversas líneas inclinadas que representan los posibles porcentajes de mezcla de agregado que puede pasar por cada uno de los tamice.

5.

Se traza la curva de Fuller y Thomson ó la Bolomey, según sea el caso, la cual corresponde a la gradación de corrección ideal para cada tamiz (en las curvas se ingresa según el valor del TMN).

NOTA: La mejor curva corresponde a la Bolomey, puesto que se obtienen mezclas más manejables ( ver el ejemplo siguiente donde se grafican los dos casos). 6.

Se traza una línea promedio entre los puntos para obtener el % de arena y grava sugerido. De todos modos es recomendable que el nuevo material se verifique con la NTC 174.

Original

Granulometría Pulg. 1 3/4 1/2 3/8 N° 4 N° 8 N° 16 N° 30 N° 50 N° 100

GRAVA 100 95 70 40 12

ARENA

100 78 65 45 35 25 15

Granulometría recomendada Bolomey

Granulometría recomendada Fuller y Thomson

Según Bolomey 1

3/8

3/4

N° 4 1/2 N° 8

N° 16 3/8 N° 30 N° 50 N° 4

N° 100

Según Fuller y Thomson 1

3/8

3/4

N° 4 1/2 N° 8

N° 16 3/8 N° 30 N° 50 N° 4

N° 100


Paso: Se obtiene el porcentaje adecuado de agregado grueso y fino, según el proceso de optimización fuller. % grava = 45 % % arena = 55 %

TOTAL = 100 % 9

Paso: Se obtiene los porcentajes de las granulometrías optimas, con el corte en cada tamiz de la línea punteada de optimización.

Granulometría óptima Pulg. 1 3/4 1/2 3/8 N° 4 N° 8 N° 16 N° 30 N° 50 N° 100

GRAVA 100 95 70 40 12

ARENA

100 78 65 45 35 25 15

MIXTO 100 98 87 73 48 36 25 19 14 8

Nueva granulometría a utilizar, material MIXTO


Paso: Estimación del contenido de grava y arena. Sabemos que Vta = 1 – (Vc+Va+Vai) DONDE: Vta= Volumen total de agregado (fino y grueso) Vc= Volumen de cemento Va= Volumen de agua MATERIAL PESO DENSIDAD VOLUMEN Vai= Volumen de aire CEMENTO AIRE AGUA GRAVA ARENA TOTAL RELACIÓN A/C

Kg/m3 351 0 200

Kg/m3 3100 0 1000

m3/m3 0.11 0.02 0.2

0.33 0.57

Este valor debe sumar la unidad (1 m3) LUEGO: V t a = 1 – (Vc+Va+Vai) : Vta = 1 – (0.11+0.02+0.2) = 0.67 m3 Por tanto el volumen del agregado (fino y grueso) total es de 0.67 m3

Diseño de mezclas – Solución – 11 Paso: Estimación del contenido de grava (en volumen): Sabemos que Vta = 0.67 m3 Y sabemos que de la optimización se obtuvo que requerimos 45% de grava Por tanto, V (grava) = Vta * 45% V(grava) = 0.67 * 0.45 = 0.31 m3 correspondiente al 45 % USE: 0.31 m3 de grava / por m3 de concreto. 12

Paso: Estimación del contenido de arena (en volumen): Sabemos que Vta = 0.67 m3 Y sabemos que de la optimización se obtuvo que requerimos 55% de arena Por tanto, V (arena) = Vta * 55% V(arena) = 0.67 * 0.55 = 0.37 m3 correspondiente al 55 % USE: 0.37 m3 de arena / por m3 de concreto.

Datos en volumen de agregado por m3 de concreto


LUEGO: Calculo la masa del agregado grueso (grava): M = D * V M. agregado grueso = D. promedio * Volumen total de agregado * % de grava optimizado M. Agregado grueso = 2513.5 * 0.67 * 0.45 = 758 Kg de grava / por m3 de concreto USE: 758 Kg de grava / m3

14

LUEGO: Calculo la masa del agregado fino (arena): M = D * V M. agregado fino = D. promedio * Volumen total de agregado * % de arena optimizado M. Agregado fino = 2513.5 * 0.67 * 0.55 = 926 Kg de arena / por m3 de concreto USE: 926 Kg de arena / m3 MATERIAL CEMENTO AIRE AGUA GRAVA ARENA TOTAL RELACIÓN A/C FORMULACIÓN

PESO Kg/m3 351 0 200 758 926

DENSIDAD Kg/m3 3100 0 1000 2513.5 2513.5

VOLUMEN m3/m3 0.11 0.02 0.2 0.30 0.37 1.00

0.57 Densid * Vol

Masa /Vol

Masa / Densid

Los agregados traen toda la humedad natural la cual puede afectar la relación agua cemento, por tanto hay que hacer corrección de humedad.


Paso: CALCULAMOS EL PESO DEL AGREGADO GRUESO EN ESTADO HÚMEDO (Ajuste de agregado por HÚMEDAD NATURAL). Para calcular el peso del agregado en estado húmedo, se utiliza la siguiente formula Mg (pero húmedo de la grava) = M ( 1 + H g ) Donde: Mg= Peso húmedo de la grava en Kg M= Peso de la grava seca en Kg Hg= Humedad natural grava en %

PARA EL AGREGADO GRUESO SE TIENE QUE: M = 758 Kg ( Peso de la grava NOTA: se toma el material optimizado 45%)

Humedad del agregado grueso: Hg = 3% = 3/100=0.03 ENTONCES: Peso (M) peso húmedo de la grava = 758 (1 + (0.03)) = 781 Kg de grava / por m3 de concreto.

USE peso húmedo: 781 Kg de grava / cm3 de concreto


Paso: CALCULAMOS EL PESO DEL AGREGADO FINO EN ESTADO HÚMEDO (Ajuste de agregado por HÚMEDAD NATURAL). Para calcular el peso del agregado en estado húmedo, se utiliza la siguiente formula Mg (pero húmedo de la ARENA) = M ( 1 + H g ) Donde: Mg= Peso húmedo de la arena en Kg M= Peso de la arena seca en Kg Hg= Humedad natural arena en %

PARA EL AGREGADO FINO SE TIENE QUE: M = 926 Kg ( Peso de la arena NOTA: se toma el material optimizado 55%)

Humedad del agregado FINO: Hg = 5% = 5/100=0.05 ENTONCES: Peso (M) m3 de concreto.

peso húmedo de la ARENA

= 926 (1 + (0.05)) =972 Kg de ARENA / por

USE peso húmedo: 972 Kg de arena / cm3 de concreto

17

Paso: CALCULO LA CANTIDAD AGUA REAL PARA UTLIZAR EN LA MEZCLA Donde: DATOS (para el agregado FINO): Af= Peso agua exceso en Kg M= Peso de la arena seca en Kg M = 926 Kg ( Peso de la arena seca) Hf= Humedad natural arena en % Absorción agregado fino Abs.f = 1% = 1/100=0.01 Abs.f = Absorción agregado fino en % Humedad natural: Hf=5%=5/100=0.05

a Si la Hf > Abs.f esto indica que el agregado tiene agua en exceso, Por tanto hay que quitarle agua a la mezcla. Y la formula para calcular el exceso de agua es A f = M * ( H f – Abs.f) b

Importante

Si la Hf < Abs.f esto indica que el agregado necesita agua para llegar al Estado SSS, por tanto hay que agregarle agua a la mezcla. Y la formula para calcular el faltante de agua es Af = M * ( Hf + Abs.f)

Con relación a nuestro ejemplo, se tiene Hf > Abs. f, por tanto hay que quitarle agua a la mezcla y utilizamos la siguiente formula:

A f = M * ( H f – Abs.f) = 926 *( 0.05 - 0.01) = 37.04 Kg

USE agua exceso que aporta la arena 37. 04 Kg de agua / cm3 de concreto

18

Paso: CALCULO LA CANTIDAD AGUA REAL PARA UTLIZAR EN LA MEZCLA DATOS (para el agregado GRUESO): Donde: M = 758 Kg ( Peso SECO de la grava) Ag= Peso agregado con agua exceso en Kg Absorción agregado grueso: Abs.g = 2 % = 2/100=0.02 Humedad natural: Hg=3%=3/100=0.03

a

M= Peso de la grav a seca en Kg Hg= Humedad natural grava en % Abs.g = Absorción agregado grueso en %

Si la Hg > Abs.g esto indica que el agregado tiene agua en exceso, Por tanto hay que quitarle agua a la mezcla. Y la formula para calcular el exceso de agua es A g = M * ( H g – Abs.g)

b

Importante

Si la Hg < Abs.g esto indica que el agregado necesita agua para llegar al Estado SSS, por tanto hay que agregarle agua a la mezcla. Y la formula para calcular el faltante de agua es Ag = M * ( Hg + Abs.g)

Con relación a nuestro ejemplo, se tiene Hg > Abs. g, por tanto hay que quitarle agua a la mezcla y utilizamos la siguiente formula:

A g = M * ( H g – Abs.g) = 758 *( 0.03 - 0.02) = 7.6 Kg

USE agua exceso que aporta la grava 7.6 Kg de agua / cm3 de concreto

19

Paso: Calculo del total de agua en exceso en kg (peso). A = Ag + Af = 37.04 + 7.6 = 44.64 Kg

Donde: Af= Peso agua exceso que aporta la arena en Kg Ag= Peso agua exceso que aporta la grava en Kg A= Peso agua exceso total (grava + arena) en Kg

De tal manera que la cantidad del nuevo agua de mezclado será de: AGUA DE MEZCLADO – AGUA TOTAL DE EXCESO 200 – 44.64 = 155.36 Kg por m3 de concreto.

USE en peso la nueva cantidad de agua de mezclado 155,36 Kg de agua / por cm3 de concreto

20

Paso: Realizo la nueva tabla resumen con todos los nuevos datos y las correcciones por humedad. NOTA: pero como el agua cambio, también cambia la cantidad de cemento. C = a / (a/c) = 155.36 / 0.57 = 273 Kg

MATERIAL CEMENTO AIRE AGUA GRAVA ARENA TOTAL RELACIÓN A/C FORMULACIÓN

PESO Kg/m3 351 0 200 758 926

DENSIDAD Kg/m3 3100 0 1000 2420 2590

VOLUMEN m3/m3 0.11 0.02 0.20 0.31 0.36 1.00

0.57 Densid * Vol. Masa /Vol.

Pesos para mezclar ajustado por humedad Kg /m3 273 0 155.36 781 972 0.57

Masa / Densid

NOTA: Se puede dejar la misma cantidad de cemento inicial, para mejorar la durabilidad del elemento estructural, con esto se obtendrá una relación agua cemento de 0.44 y mayor resistencia. Aunque no es necesario puesto que las condiciones ambientales del proyecto son benéficas para la obra.


Modelo con la misma cantidad de cemento

MATERIAL CEMENTO AIRE AGUA GRAVA ARENA TOTAL RELACIÓN A/C FORMULACIÓN

PESO Kg/m3 351 0 200 758 926

DENSIDAD Kg/m3 3100 0 1000 2420 2590

VOLUMEN m3/m3 0.11 0.02 0.20 0.31 0.36 1.00

0.57 Densid * Vol. Masa /Vol.

Pesos para mezclar ajustado por humedad Kg /m3 351 0 155.36 781 972 0.44

Masa / Densid


Con el mismo contenido de cemento

21

Paso: ENTREGA DE LA DOSIFICACIÓN TEÓRICA DE LA MEZCLA. C = cemento A = arena G = grava

C : A: G Esta dosificación se expresa en peso del CEMENTO:

273 / 273 1 1

: : :

972 / 273 3.56 4

: 781 / 273 : 2.86 : 3

Use dosificación al 1:4:3

Concreto Simple de Peso Normal.

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