Comportamiento de Losas de Concreto

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FACULTAD DE INGENIERÍA 
Carrera de Ingeniería Civil 
 
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE LOSAS 
MACIZAS DE CONCRETO REFORZADAS CON 
VARILLAS DE BASALTO 
 
Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil 
 
ORAL KELVIN ASTO GARCIA 
 
Asesor: 
Dr. Ing. Miguel Augusto Díaz Figueroa 
 
Lima - Perú 
2020
 
II 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La humildad es la base sólida de 
todas las virtudes. 
Confucio
 
III 
 
1 Índice de Contenidos 
Dedicatoria ...................................................................................................................... XVII 
Agradecimiento .............................................................................................................. XVIII 
Resumen ............................................................................................................................ XIX 
Abstract .............................................................................................................................. XX 
Introducción ........................................................................................................................... 1 
Capítulo I: Planteamiento del Problema ................................................................................ 3 
1.1 Situación Problemática ............................................................................................ 3 
1.2 Formulación del Problema ....................................................................................... 5 
1.2.1 Problema General. ............................................................................... 5 
1.2.2 Problemas Específicos. ........................................................................ 5 
1.3 Justificación de la Investigación .............................................................................. 5 
1.3.1 Aporte Científico. ................................................................................ 5 
1.3.2 Aporte Social. ...................................................................................... 6 
1.3.3 Aporte Económico. .............................................................................. 6 
1.4 Objetivos .................................................................................................................. 6 
1.4.1 Objetivo General. ................................................................................. 6 
1.4.2 Objetivos Específicos. ......................................................................... 6 
Capítulo II: Marco Teórico .................................................................................................... 7 
2.1 Antecedentes del Problema ..................................................................................... 7 
2.1.1 Antecedentes Internacionales. ............................................................. 7 
2.1.2 Antecedentes Nacionales. .................................................................. 11 
2.2 Bases Teóricas ....................................................................................................... 11 
 
IV 
 
2.2.1 Comportamiento Estructural. ............................................................. 11 
2.3 Marco Conceptual .................................................................................................. 15 
2.3.1 Losas Macizas. ................................................................................... 15 
2.3.2 Acero Corrugado. .............................................................................. 15 
2.3.3 El Basalto. .......................................................................................... 16 
Capítulo III: Hipótesis y Variables ...................................................................................... 21 
3.1 Hipótesis ................................................................................................................ 21 
3.1.1 Hipótesis General. .............................................................................. 21 
3.1.2 Hipótesis Específicas. ........................................................................ 21 
3.2 Identificación de las Variables .............................................................................. 21 
3.3 Operacionalización de las Variables ...................................................................... 22 
Capítulo IV: Metodología .................................................................................................... 24 
4.1 Tipo y Diseño de Investigación ............................................................................. 24 
4.1.1 Tipo de Investigación. ....................................................................... 24 
4.1.2 Diseño de Investigación. .................................................................... 24 
4.2 Población y Muestra .............................................................................................. 25 
4.2.1 Población. .......................................................................................... 25 
4.2.2 Muestra. ............................................................................................. 25 
4.3 Técnicas e Instrumentos de Investigación ............................................................. 25 
4.3.1 Técnicas. ............................................................................................ 25 
4.3.2 Instrumentos. ..................................................................................... 25 
4.4 Procedimiento de Recolección de Datos ............................................................... 26 
 
V 
 
Capítulo V: Análisis y Discusión de Resultados .................................................................. 26 
5.1 Estudio del Comportamiento Mecánico del Basalto ............................................. 26 
5.2 Disposición de Ensayo para Varillas de Basalto ................................................... 27 
5.2.1 Curva Esfuerzo Deformación Experimental del Basalto. .................. 29 
5.3 Análisis Comparativo del Acero Dulce y el Basalto ............................................. 35 
5.4 Interpretación del Nivel de Daños en las Varillas del Basalto .............................. 36 
5.5 Definición de los Casos de Estudio ....................................................................... 37 
5.5.1 Losas Reforzadas con Varillas de Basalto. ........................................ 38 
5.5.2 Losas Reforzadas con Varillas de Acero. .......................................... 39 
5.6 Diseño de los Especímenes .................................................................................... 40 
5.6.1 Diseño del Espécimen LA01. ............................................................ 42 
5.6.2 Diseño de los Especímenes LA02 y LA03. ....................................... 46 
5.6.3 Diseño del Espécimen LB01. ............................................................ 50 
5.6.4 Diseño del Espécimen LB02. ............................................................ 53 
5.6.5 Diseño del Espécimen LB03. ............................................................ 57 
5.7 Ensayo de los Especímenes ................................................................................... 60 
5.7.1 Esquema de Aplicación de Cargas. ................................................... 60 
5.8 Curvas Cargas Deflexión Experimentales ............................................................. 63 
5.8.1 Curva Carga Deflexión Espécimen LA01. ........................................ 63 
5.8.2 Curva Carga Deflexión Espécimen LA02. ........................................ 64 
5.8.3 Curva Carga Deflexión Espécimen LA03. ........................................ 65 
5.8.4 Curva Carga Deflexión Espécimen LB01. ........................................ 66 
 
VI 
 
5.8.5 Curva Carga Deflexión Espécimen LB02. ........................................ 67 
5.8.6 Curva Carga Deflexión EspécimenLB03. ........................................ 68 
5.9 Interpretación del Nivel de Daños en los Ensayos de los Especímenes ................ 69 
5.10 Evaluación de los Diagramas Momento Curvatura ........................................... 72 
5.10.1 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LA01. ............................ 74 
5.10.2 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LA02. ............................ 74 
5.10.3 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LA03. ............................ 75 
5.10.4 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LB01. ............................ 75 
5.10.5 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LB02. ............................ 76 
5.10.6 Diagrama Momento Curvatura Espécimen LB03. ............................ 76 
5.11 Comparación de Resultados Experimentales ..................................................... 77 
5.11.1 Comparación de Especímenes LA01 y LB01. ................................... 77 
5.11.2 Comparación de Especímenes LA02 y LB02. ................................... 80 
5.11.3 Comparación de Especímenes LA03 y LB03. ................................... 83 
5.12 Deflexiones Experimentales de los Especímenes .............................................. 85 
Capítulo VI: Conclusiones y Recomendaciones .................................................................. 88 
6.1 Conclusiones .......................................................................................................... 88 
6.1.1 Conclusión General. .......................................................................... 88 
6.1.2 Conclusiones Específicas. .................................................................. 88 
6.2 Recomendaciones .................................................................................................. 90 
Referencias ........................................................................................................................... 91 
Anexos .................................................................................................................................. 94 
 
VII 
 
Anexo I – Matriz de Consistencia y Operacionalización de las Variables ...................... 95 
Anexo II – Panel Fotográfico .......................................................................................... 98 
Panel Fotográfico de la Fabricación de los Especímenes Diseñados.................. 99 
Panel Fotográfico de los Ensayos de los Especímenes ..................................... 103 
Panel Fotográfico del Equipo Técnico .............................................................. 105 
 
 
VIII 
 
Índice de Tablas 
Tabla 1 Deflexiones máximas permisibles por el código ACI (ACI-Tabla 9.5.b.) ............. 14 
Tabla 2 Dimensiones y pesos nominales Aceros ASTM A615 ........................................... 16 
Tabla 3 Composición química del BCR ............................................................................. 18 
Tabla 4 Comparación de varillas de acero (Steel Rebar) con barras de refuerzo compuestas 
de basalto (BCR) ................................................................................................... 19 
Tabla 5 Esfuerzo, deformación unitaria y módulo de elasticidad de las varillas de basalto 
ensayadas .............................................................................................................. 20 
Tabla 6 Definición conceptual de las variables ................................................................. 22 
Tabla 7 Operacionalización de la variable "Varillas de Basalto"..................................... 23 
Tabla 8 Operacionalización de la variable "Varillas de Acero" ....................................... 23 
Tabla 9 Operacionalización de la variable "Comportamiento Estructural" ..................... 23 
Tabla 10 Resultados del ensayo de resistencia a la tracción axial de las varillas de basalto
 ............................................................................................................................... 33 
Tabla 11 Esfuerzo, deformaciones últimas y módulo de elasticidad de las varillas de basalto 
ensayadas .............................................................................................................. 34 
Tabla 12 Características de los especímenes reforzados con basalto ............................... 39 
Tabla 13 Cuantías geométricas y mecánicas de los especímenes estudiados de basalto .. 39 
Tabla 14 Características de los especímenes reforzados con acero .................................. 40 
Tabla 15 Resumen de las cantidades de acero requeridas – espécimen LA01 .................. 46 
Tabla 16 Resumen de las cantidades de acero requeridas – espécimen LA02 y LA03 ...... 49 
Tabla 17 Resumen de las cantidades de basalto requeridas – espécimen LB01 ............... 53 
Tabla 18 Resumen de las cantidades de basalto requeridas – espécimen LB02 ............... 56 
Tabla 19 Resumen de las cantidades de basalto requeridas – espécimen LB03 ............... 60 
Tabla 20 Características mecánicas del espécimen LA01 y LB01 ..................................... 79 
 
IX 
 
Tabla 21 Características mecánicas del espécimen LA02 y LB02 ..................................... 81 
Tabla 22 Características mecánicas del espécimen LA03 y LB03 ..................................... 84 
Tabla 23 Matriz de consistencia ......................................................................................... 96 
Tabla 24 Matriz de operacionalización ............................................................................. 97 
 
X 
 
Índice de Figuras 
Figura 1. Curva de un elemento. Adaptado de “Apuntes del Curso Concreto Armado”. . 12 
Figura 2. Comparación de las curvas esfuerzo deformación del FRP y el Acero. Adaptado 
de “FRP Reinforcement for Structures” ............................................................... 19 
Figura 3. Esfuerzo deformación, otros autores. ................................................................. 20 
Figura 4. Ensayo de las varillas de basalto en una máquina de ensayo de tracción del 
CISMID-FIC-UNI. ................................................................................................ 28 
Figura 5. Estado previo al ensayo y después del ensayo, CISMID-FIC-UNI. .................. 28 
Figura 6. Estado de la varilla de basalto después del ensayo de resistencia a la tracción.. 29 
Figura 7. Curva fuerza desplazamiento obtenida de la varilla de basalto de 12 mm de 
diámetro. ............................................................................................................... 30 
Figura 8. Curva esfuerzo deformación obtenida de la varilla de basalto de 12 mm de 
diámetro. ............................................................................................................... 30 
Figura 9. Curva fuerza desplazamiento obtenida de la varilla de basalto de 14 mm de 
diámetro. ............................................................................................................... 31 
Figura 10. Curva esfuerzo deformación obtenida de la varilla de basalto de 14 mm de 
diámetro. ............................................................................................................... 31 
Figura 11. Curva fuerza desplazamiento obtenida de la segunda varilla de basalto de 14 mm 
de diámetro. ........................................................................................................... 32 
Figura 12. Curva esfuerzo deformación obtenida de la segunda varilla de basalto de 14 mm 
de diámetro. ........................................................................................................... 32 
Figura 13. Comparación de las curvas esfuerzo deformación del acero y el basalto......... 35 
Figura 14. Deslizamiento en el ensayo de 12mm de varilla de basalto. ............................ 36 
Figura 15. Deslizamiento en el ensayo de 14mm de varilla de basalto. ............................ 36 
Figura16. Deslizamiento en el ensayo de 14mm de varilla de basalto. ............................ 37 
 
XI 
 
Figura 17. Primera disposición de varillas de basalto, 4φ12mm+1 φ 14mm. ................... 38 
Figura 18. Segunda disposición de varillas de basalto, 2φ14mm+3 φ 12mm. .................. 38 
Figura 19. Tercera disposición de varillas de basalto, 4φ14mm. ....................................... 38 
Figura 20. Vista en planta típica de los especímenes. ........................................................ 40 
Figura 21. Corte A-A, mostrando el detalle del refuerzo. .................................................. 41 
Figura 22. Corte B-B, mostrando el detalle del refuerzo. .................................................. 41 
Figura 23. Formas de acero requeridas para el diseño estructural. .................................... 41 
Figura 24. Modelado de la sección LA01, software SAP2000. ......................................... 42 
Figura 25. Diagrama esfuerzo deformación característico del concreto fc=21 MPa, software 
SAP2000. .............................................................................................................. 42 
Figura 26. Diagrama esfuerzo deformación del acero fy=420 MPa, software SAP2000. . 43 
Figura 27. Diagrama momento curvatura losa LA01, software SAP2000. ....................... 43 
Figura 28. Modelo idealizado y cargas aplicadas al espécimen estudiado. ....................... 44 
Figura 29. Diagrama de momentos flectores actuando en la losa, debido a las cargas 
aplicadas. ............................................................................................................... 44 
Figura 30. Diagrama de fuerzas cortantes actuando en la losa. ......................................... 44 
Figura 31. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LA01......... 46 
Figura 32. Modelado de la sección LA02 y LA03, software SAP2000. ............................ 46 
Figura 33. Diagrama esfuerzo deformación característico del concreto fc=21 MPa, software 
SAP2000. .............................................................................................................. 47 
Figura 34. Diagrama esfuerzo deformación del acero fy=420 MPa, software SAP2000. . 47 
Figura 35. Diagrama momento curvatura para la losa LA02 y LA03, software SAP2000.
 ............................................................................................................................... 48 
Figura 36. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LA02 y LA03.
 ............................................................................................................................... 49 
 
XII 
 
Figura 37. Modelado de la sección LB01, software SAP2000. ......................................... 50 
Figura 38. Diagrama esfuerzo deformación del concreto fc=35 MPa, software SAP2000.
 ............................................................................................................................... 50 
Figura 39. Diagrama esfuerzo deformación del basalto, software SAP2000. ................... 51 
Figura 40. Diagrama momento curvatura característico de la losa LB01, software SAP2000.
 ............................................................................................................................... 51 
Figura 41. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LB01. ........ 53 
Figura 42. Modelado de la sección LB02, software SAP2000. ......................................... 53 
Figura 43. Diagrama esfuerzo deformación del concreto fc=35 MPa, software SAP2000.
 ............................................................................................................................... 54 
Figura 44. Diagrama esfuerzo deformación del basalto, software SAP2000. ................... 54 
Figura 45. Diagrama momento curvatura de la losa LB02, software SAP2000. ............... 55 
Figura 46. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LB02. ........ 56 
Figura 47. Modelado de la sección LB03, software SAP2000. ......................................... 57 
Figura 48. Diagrama esfuerzo deformación del concreto fc=35 MPa, software SAP2000.
 ............................................................................................................................... 57 
Figura 49. Diagrama esfuerzo deformación del basalto, software SAP2000. ................... 58 
Figura 50. Diagrama momento curvatura de losa LB03, software SAP2000. ................... 58 
Figura 51. Resumen de refuerzo requerido en la losa analizada – espécimen LB03. ........ 60 
Figura 52. Máquina de ensayo de elementos estructurales del CISMID-FIC-UNI. .......... 61 
Figura 53. Esquema de colocación de losa de concreto y aplicación de carga. ................. 62 
Figura 54. Disposición de los transductores de deformación del estudio. ......................... 62 
Figura 55. Colocación de los transductores de deformaciones en el espécimen a ensayar.
 ............................................................................................................................... 63 
Figura 56. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LA01. ........................ 64 
 
XIII 
 
Figura 57. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LA02. ........................ 65 
Figura 58. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LA03. ........................ 66 
Figura 59. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LB01. ........................ 66 
Figura 60. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LB02. ........................ 68 
Figura 61. Diagrama carga deflexión experimental del espécimen LB03. ........................ 69 
Figura 62. Nivel de daños del espécimen LB01. ............................................................... 70 
Figura 63. Nivel de daños del espécimen LB02. ............................................................... 70 
Figura 64. Nivel de daños del espécimen LB03. ............................................................... 71 
Figura 65. Deslizamiento de las varillas de basalto. .......................................................... 71 
Figura 66. Deslizamiento y desprendimiento del corrugado de las varillas de basalto. .... 72 
Figura 67. Radio de curvatura asociado al paño central de la viga. ................................... 72 
Figura 68. Diagrama momento curvatura del espécimen LA01. ....................................... 74 
Figura 69. Diagrama momento curvatura del espécimen LA02. ....................................... 74 
Figura 70. Diagrama momento curvatura del espécimen LA03. ....................................... 75 
Figura 71. Diagrama momento curvatura del espécimen LB01. ....................................... 75 
Figura 72. Diagrama momento curvatura del espécimen LB02. ....................................... 76 
Figura 73. Diagrama momento curvatura del espécimen LB03. ....................................... 76 
Figura 74. Gráfico comparativo entre las curvas fuerzas deflexión de losas reforzadas con 
acero y basalto LA01 y LB01. .............................................................................. 78 
Figura 75. Gráfico comparativo entre las curvas fuerzas deflexión de losas reforzadas con 
acero y basalto LA02 y LB02. .............................................................................. 81 
Figura 76. Gráfico comparativo entre las curvas fuerzas deflexión de losas reforzadas con 
acero y basalto LA03 y LB03. .............................................................................. 84 
Figura 77. Perfil experimental de deflexiones probadas a una carga de 75 kN entre losas 
LA01 y LB01. ....................................................................................................... 86 
 
XIV 
 
Figura 78. Perfil experimental de deflexiones probadas a una carga de 75 kN entre losas 
LA02 y LB02. .......................................................................................................86 
Figura 79. Perfil experimental de deflexiones probadas a una carga de 75 kN entre losas 
LA03 y LB03. ....................................................................................................... 87 
Figura 80. Armado de la cimbra usada para la fabricación de los especímenes. ............... 99 
Figura 81. Armado final de la cimbra y armado del refuerzo de corte. ............................. 99 
Figura 82. Colocación de las varillas de refuerzo dentro del encofrado. ........................... 99 
Figura 83. Colocación de dados de concreto y preparación de materiales para la mezcla de 
concreto. .............................................................................................................. 100 
Figura 84. Preparación de las mezclas de concreto y medida del asentamiento. ............. 100 
Figura 85. Colocación de la mezcla de concreto dentro del encofrado correspondiente. 100 
Figura 86. Preparación de los especímenes cilíndricos para evaluación e la resistencia a la 
compresión. ......................................................................................................... 101 
Figura 87. Preparación de las seis losas a ensayar. .......................................................... 101 
Figura 88. Desmoldado de la losa y desmoldado de los especímenes cilíndricos. .......... 101 
Figura 89. Losas de concreto finalizadas y ensayo de espécimen cilíndrico de losas LA01, 
LA02 y LA03. ..................................................................................................... 102 
Figura 90. Falla del espécimen cilíndrico y curva esfuerzo deformación asociada. ........ 102 
Figura 91. Ensayo de espécimen cilíndrico de losas LB01, LB02 y LB03. .................... 102 
Figura 92. Falla del espécimen cilíndrico y curva esfuerzo deformación asociada. ........ 103 
Figura 93. Inicio de aplicación de carga y medida de las deformaciones en la losa LB01.
 ............................................................................................................................. 103 
Figura 94. Inicio de aplicación de carga y deformaciones en la losa LB02. ................... 103 
Figura 95. Inicio de aplicación de carga y deformaciones en la losa LB03. ................... 104 
Figura 96. Estado final de la losa de basalto LB03 ensayada. ......................................... 104 
 
XV 
 
Figura 97. Inicio de aplicación de carga y medida de las deformaciones en la losa LA02.
 ............................................................................................................................. 104 
Figura 98. Ensayo de los especímenes de cilíndrico día de los ensayos de losas a los 28 
días. ..................................................................................................................... 105 
Figura 99. Equipo 01 de fabricación de los especímenes. ............................................... 105 
Figura 100. Equipo 02 de la fabricación de los especímenes. ......................................... 106 
Figura 101. Preparación para la realización de los ensayos en la CISMID-FIC-UNI 
Laboratorio de Estructuras. ................................................................................. 106 
Figura 102. Equipo 01 de profesionales CISMID-FIC-UNI inspeccionando la realización 
de los ensayos...................................................................................................... 107 
Figura 103. Equipo 02 de profesionales CISMID-FIC-UNI inspeccionando la realización 
de los ensayos...................................................................................................... 107 
 
 
 
XVI 
 
Glosario de Abreviaciones 
 
LA01: Losa de concreto armado con refuerzo de acero - espécimen 01 
LA02: Losa de concreto armado con refuerzo de acero - espécimen 02 
LA03: Losa de concreto armado con refuerzo de acero - espécimen 03 
LB01: Losa de concreto armado con refuerzo de basalto - espécimen 01 
LB02: Losa de concreto armado con refuerzo de basalto - espécimen 02 
LB03: Losa de concreto armado con refuerzo de basalto - espécimen 03 
ASTM: American Society of Testing Materials 
ACI: American Concrete Institute 
NTP: Norma Técnica Peruana 
SR: Steel Rebar 
BCR: Basalt Compound Reinforcement 
FRP: Fiber Reinforced Polymer 
LVDT: Linear Variable Differential Transformer 
USIL: Universidad San Ignacio de Loyola 
CISMID: Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres 
FIC: Facultad de Ingeniería Civil 
UNI: Universidad Nacional de Ingeniería 
 
XVII 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedicatoria 
 
A mi padre, por su dedicación y esfuerzo para poder cumplir mis metas. 
A mi madre, que desde el cielo me muestra el camino correcto. 
A mis hermanas, por mostrarme su apoyo. 
A mis amigos, con quienes aprendimos el valor del esfuerzo para poder cumplir nuestros 
objetivos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
XVIII 
 
 
 
 
 
Agradecimiento 
 
A Dios, por permitirme la vida. 
A mis familiares, por apoyarme en este proyecto. 
Al Dr. Ing. Miguel Díaz, asesor del presente estudio de investigación, por su constante apoyo 
para la realización y culminación de la tesis. 
A mi alma mater USIL, quienes lo conforman la administración y los catedráticos de la Carrera 
de Ingeniería Civil, quienes me inculcaron la educación de calidad. 
A la CISMID-FIC-UNI, por el apoyo y disposición del Laboratorio de Estructuras 
comprometiéndose con el proyecto de investigación. 
A la empresa LIDERA TRES TORRES S.A.C., por el apoyo de los materiales para la 
realización de esta investigación. 
A mis compañeros de estudio, con quienes compartimos los trabajos en equipos con un solo 
objetivo. 
En general, gracias a todas las personas que se involucraron de manera directa o indirecta para 
poder cumplir este objetivo. 
 
 
 
 
 
XIX 
 
Resumen 
 
La práctica de la ingeniería de estructuras requiere de materiales que, además de ser resistentes 
mecánicamente, sean duraderos y con características predecibles en el tiempo; aunque el acero 
de construcción es uno de los materiales más fiables, en la actualidad es altamente vulnerable 
a la corrosión, por lo que sus propiedades mecánicas no son permanentes. En este sentido el 
presente trabajo de investigación propone el estudio de materiales de construcción alternativos, 
específicamente de las varillas de basalto, y sus posibles aplicaciones en la construcción de 
elementos de concreto reforzado, en especial en las losas de concreto. Por ello el objetivo de 
esta investigación fue determinar el comportamiento estructural de las losas macizas de 
concreto reforzadas con varillas de basalto. La metodología empleada fue de tipo aplicativo, 
experimental y cuantitativo. Se empleó el método de juicio por experto para la determinación 
de la muestra, tomando la opinión de un ingeniero experto dando como muestra a seis (06) 
losas macizas de las cuales tres (03) losas reforzadas con basalto y otras tres (03) losas 
reforzadas con acero corrugado, mismas que fueron posteriormente ensayadas en el 
Laboratorio de Estructuras CISMID-FIC-UNI. Los resultados han mostrado que, aunque las 
varillas de basalto tuvieron mayor resistencia a las varillas de acero convencionales, su rigidez 
fue significativamente menor. Asimismo, en cuanto a las losas de concreto, se observó que la 
rigidez de las losas de basalto fue significativamente menor al ser comparadas con sus pares de 
acero convencional. 
 
 
 
 
Palabras clave: Comportamiento estructural, varillas de basalto, varillas de acero. 
 
XX 
 
Abstract 
 
The practice of structural engineering requires materials that, in addition to being mechanically 
resistant, are durable and with characteristics predictable over time; Although construction 
steel is one of the most reliable materials, it is currently highly vulnerable to corrosion, so its 
mechanical properties are not permanent. In this sense, thisresearch paper proposes the study 
of alternative construction materials, specifically of basalt rods, and their possible applications 
in the construction of reinforced concrete elements, especially in concrete slabs. Therefore, the 
objective of this research was to determine the structural behavior of solid concrete slabs 
reinforced with basalt rods. The methodology used was of an application, experimental and 
quantitative type. The expert judgment method was used for the determination of the sample, 
taking the opinion of an expert engineer giving as sample six (06) solid slabs of which three 
(03) basalt reinforced slabs and three (03) slabs reinforced with corrugated steel, which were 
subsequently tested in the Structures Laboratory CISMID-FIC-UNI. The results have shown 
that, although basalt rods had greater resistance to conventional steel rods, their stiffness was 
significantly lower. Also, in terms of concrete slabs, it was observed that the stiffness of basalt 
slabs was significantly lower when compared to their conventional steel pairs. 
 
 
 
 
 
 
Keywords: Structural behavior, basalt rods, steel rods. 
 
 
1 
 
Introducción 
Dentro de la industria de la construcción el acero es uno de los materiales de mayor importancia 
en la actualidad, no solo por la cantidad empleada de este material en todo tipo de obras civiles, 
sino porque es responsable directo de la resistencia de numerosos elementos estructurales, en 
especial cuando son aplicados en la fabricación de estructuras de concreto armado. 
Lamentablemente, pese a las bondades mecánicas de este insumo, el mayor problema que 
aqueja a este material es sin duda la corrosión. La corrosión es un fenómeno a nivel molecular 
en el que el material de base se va transformando en una sustancia química diferente, lo que 
provoca que el material base vaya disminuyendo su sección efectiva y por tanto disminuyendo 
sus capacidades mecánicas en sus aplicaciones al concreto armado. Como consecuencia de este 
fenómeno, las estructuras tienen que ser reparadas, trayendo esto cuantiosas pérdidas 
económicas. 
De acuerdo con un estudio realizado en los Estados Unidos de Norteamérica por Gerhardus, 
Varney, Thompson, Moghissi, Gould & Payer (2016) afirman que “el costo global por 
corrosión es de 2.5 trillones de dólares, lo cual es equivalente a 3.4% del Producto Bruto Interno 
(PBI) global del año 2013” (p.12). 
Como se pude observar de los datos comentados, las aplicaciones del acero estructural 
pueden acarrear sobrecostos a largo plazo que harían su uso como material base en la industria 
de la construcción mucho más costoso de lo que aparentan las cifras en el inicio de la vida de 
un proyecto, ya que son muy pocos los proyectos que contemplan partidas para el 
mantenimiento preventivo de la corrosión el acero estructural. Aunque en la actualidad existen 
paliativos para enfrentar este problema, en este trabajo se propone la investigación en 
materiales alternativos, especialmente los materiales sintéticos que han demostrado tener 
resistencias incluso superiores al acero, como por ejemplo las barras de refuerzo de polímeros 
de vidrio (GFRP), carbono (CFRP), aramida (AFRP) y basalto (BFRP). 
 
2 
 
Además, es importante mencionar que algunos de estos materiales ya han sido utilizados 
con éxito en algunos proyectos de construcción emblemáticos, como es el caso del edificio de 
Eyecatcher de 1999 en Suiza donde se usaron polímeros de GFRP. Algunos otros proyectos 
materializados son los puentes Lleida y Asturias en España con materiales de GFRP. 
Con base en lo antes mencionado el presente estudio tiene como objetivo principal el estudio 
del comportamiento de varillas de basalto cuando se usan para sustituir el acero de refuerzo 
convencional. Este trabajo en particular se separa en los siguientes capítulos. 
En el Capítulo I, se desarrolla de manera concisa el problema de investigación, 
desglosándose en la situación problemática que da la respectiva formulación del problema, la 
justificación de la investigación y los objetivos, 
En el Capítulo II, el marco teórico donde se ve el los antecedentes internacionales y 
nacionales, las bases teóricas y finalizando con el marco conceptual. 
En el Capítulo III, se ve la hipótesis general y específica, identificación de las variables y la 
operacionalización de las variables. 
En el Capítulo IV, se tiene la parte metodológica empleada en esta investigación, revisando 
el tipo de investigación y diseño de investigación, determinación de la población y muestra, 
técnicas e instrumentos empleados en el presente estudio. 
En el Capítulo V, se ve la parte de los resultados, estudio mecánico del basalto, casos de 
estudio de losas reforzadas con basalto y acero, diseño de los especímenes, fabricación de los 
especímenes, análisis comparativo, ensayo experimental, evaluación y comparación de los 
resultados. 
En el Capítulo VI, se presentan las conclusiones derivándose en las conclusiones generales 
y conclusiones específicos y finalmente se realiza las recomendaciones del presente estudio de 
investigación del comportamiento estructural de losas macizas de concreto reforzadas con 
varillas de basalto. 
 
3 
 
Capítulo I: Planteamiento del Problema 
1.1 Situación Problemática 
Tomando como referencia a Ammar (2014) manifiesta que “El deterioro de las estructuras de 
hormigón armado debido a la corrosión de las barras de acero de refuerzo es una preocupación 
importante. El uso de materiales frente al dominio de ambientes agresivos son el origen del 
problema de corrosión (Boyle y Karbhari, 1994)” (p.1). Por otro lado, Valles (2014) afirma 
que: 
Si estudiamos la historia del hormigón armado se encuentran pocos casos donde una estructura haya 
fallado debido a cargas mecánicas que no hayan sido consideradas en la fase de diseño. Las normativas 
técnicas dan bastante información a la hora de ofrecer una guía para diseñar una estructura apropiada 
para soportar todas las cargas mecánicas. El problema, entonces, puede aparecer a causa de la falta de 
conocimiento y sensibilidad cuando se hace frente a cuestiones como la corrosión. Como se ha dicho 
anteriormente, pocas veces se encuentran fallos de las estructuras debido a sobrecargas, pero se conoce 
un elevado número de estructuras en las que la corrosión y principalmente la corrosión de la armadura 
ha conducido a reparaciones costosas y fallos prematuros. (p.33) 
Existen estudios acerca de la cuantificación de reparaciones en estructuras de concreto 
armado por causas de la corrosión del acero. Por ejemplo, Gerhardus et al. (2014) mostraron 
que en los Estados Unidos de Norteamérica “el costo global por corrosión es de 2.5 trillones 
de dólares, lo cual es equivalente a 3.4% del PBI global del año 2013” (p.12) lo que conlleva 
en reparaciones de las estructuras. Asimismo, Ammar (2014) hace referencia que “el ministerio 
de transporte de Quebec Canadá gasta la mitad del presupuesto de mantenimiento en la 
reparación de estructuras de concreto armado (CA) dañadas por la corrosión (El Salakawi et 
al., 2003)” (p.21). 
La corrosión del acero es de gran preocupación debido que las estructuras de concreto llevan 
como refuerzo las varillas de acero, estas brindan la resistencia a la tracción. Que en conjunto 
con el concreto tiene un gran aporte a la compresión, formando así las estructuras de concreto 
armado. Evitando así las fallas por flexión y tensión que se puedan presentar ya sea por las 
cargas vivas, muertas, de viento y entre otros. Cuando el acero se corroe pierde la adherencia 
 
4 
 
con el concreto formándose un fenómeno de carbonatación del concreto. Por ende, la capacidad 
estructural de la construcción va disminuyendo en medida que el área de las varillas de acero 
también va disminuyendo en función de su corrosión. 
De esta manera se plantea tener materiales menos contaminantes. Y buscar otras soluciones 
frentea la corrosión, en los últimos dos décadas las fibras de polímeros han sido estudiados y 
analizados como material alternativo del acero de refuerzo tales como: barras de refuerzo de 
polímeros de vidrio, carbono, aramida y basalto. Por ello, esta investigación presenta como 
alternativa a las varillas de basalto en reemplazo de las varillas de acero como un refuerzo del 
concreto, por lo cual se hará un estudio de su capacidad de rendimiento frente a esfuerzos de 
flexión. Según Subramanian (2010), las principales características que presenta el basalto son: 
La alta resistencia a la corrosión, buena adherencia con el concreto. Lo cual lo hace ideal para el uso 
en estructuras marinas, estructuras de estacionamiento, cubiertas de puentes, carreteras en ambientes 
extremos, y a estructuras altamente susceptible a la corrosión (industria papelera y química) y para 
pavimentos de concreto permeable. (p.4) 
A la actualidad se presentan estudios sobre las características mecánicas de las varillas del 
basalto, teniendo como resultado aceptable para su uso. Sin embargo, después de revisar los 
estudios de los diferentes autores respecto a la implementación del material del basalto; 
Ovitigala, Ibrahim e Issa (2016), concluyeron que: “Estos estudios han llevado a cabo una 
investigación exhaustiva sobre las características de las barras de basalto; sin embargo, se 
realizó una investigación limitada para estudiar el comportamiento estructural completo del 
basalto” (p.757). 
Después de lo expuesto, referente esencialmente al factor de la corrosión del acero, y del 
limitado estudio del comportamiento estructural del basalto, se puede derivar la siguiente 
pregunta: ¿Qué efecto tiene la aplicación de varillas de basalto en el comportamiento 
estructural de losas macizas de concreto? 
 
5 
 
1.2 Formulación del Problema 
1.2.1 Problema General. 
¿Cómo será el comportamiento estructural de las losas macizas de concreto reforzadas con 
varillas de basalto? 
1.2.2 Problemas Específicos. 
a. ¿Cuáles son las propiedades mecánicas de las varillas de basalto? 
b. ¿Qué propiedades mecánicas tienen los diagramas momento curvatura de las 
secciones de concreto reforzadas con varillas de basalto frente al refuerzo 
convencional de varillas de acero? 
c. ¿Qué niveles de resistencia por servicio es posible alcanzar en losas reforzadas con 
varillas de basalto? 
d. ¿Cuál será la deflexión para las losas macizas reforzadas con varillas de basalto 
frente a losas macizas reforzadas con acero? 
1.3 Justificación de la Investigación 
Esta investigación muestra el diseño, estudio y análisis del comportamiento estructural de losas 
macizas reforzadas con varillas de basalto, incorporándose como material alternativo en 
reemplazo del acero; debido que, el acero tiende a corroerse por las causas mencionadas en el 
planteamiento del problema. Por otro lado, según las investigaciones de otros autores que 
estudiaron al basalto en su comportamiento mecánica, dejaron un vacío respecto al 
comportamiento estructural del basalto como refuerzo del concreto armado. Por ello en esta 
investigación abarca conocer dicho vacío. 
1.3.1 Aporte Científico. 
Esta investigación deja muchos aspectos metodológicos que pueden ser empleados por otros 
investigadores que buscan saber sobre el comportamiento estructural de losas macizas 
reforzadas con basalto. Asimismo, los investigadores visualizaran los diseños, cálculos y 
 
6 
 
análisis de los ensayos experimentales. Así, ellos tendrán una data de referencial y así poder 
implementar este sistema de reforzamiento con varillas de basaltos como una alternativa de 
solución frente al problema de la corrosión del acero. 
1.3.2 Aporte Social. 
Hoy en la actualidad, se busca optar por materiales menos contaminantes como hace referencia 
Subramanian (2010). “Se espera que estas barras livianas y no corrosivas como el basalto se 
utilicen en nuestras construcciones del futuro, para lograr la sostenibilidad de los recursos” 
(p.1). Asimismo, Ramirez (2002), afirma que: 
La aplicación de los criterios de sostenibilidad, conlleva a una utilización racional de los recursos 
naturales disponibles para la construcción, requerirá realizar unos cambios importantes en los valores 
que ésta tiene como cultura propia. Estos principios de sostenibilidad, llevan hacia una conservación 
de los recursos naturales, una maximización en la reutilización de los recursos, una gestión del ciclo de 
vida, así como una reducción de la energía y agua global aplicados a la construcción del edificio y a su 
utilización durante su funcionamiento. (Criterios de Sostenibilidad, párr.1) 
1.3.3 Aporte Económico. 
Valles (2014) realiza un estudio económico de reforzamiento estructural entre el acero y basalto 
de lo cual concluye que: “es rentable realizar construcciones en zonas de fácil corrosión, ya 
que los gastos por mantenimiento y reparación de las posibles lesiones aumentaría mucho más 
que la realización de la estructura con basalto” (p.162). 
1.4 Objetivos 
1.4.1 Objetivo General. 
Comprender el comportamiento estructural de las losas macizas de concreto reforzadas con 
varillas de basalto para su implementación como material alternativo en la construcción. 
1.4.2 Objetivos Específicos. 
a. Establecer las propiedades mecánicas de las varillas de basalto. 
b. Determinar los niveles de resistencia mecánica de los diagramas momento curvatura 
de las de losas reforzadas con varillas de basalto frente a las losas reforzadas con 
acero. 
 
7 
 
c. Determinar niveles de resistencia por servicio alcanzables en losas reforzadas con 
varillas de basalto. 
d. Establecer de manera experimental la deflexión para las losas macizas reforzadas 
con varillas de basalto y acero. 
 
Capítulo II: Marco Teórico 
2.1 Antecedentes del Problema 
2.1.1 Antecedentes Internacionales. 
A continuación, se presenta algunos estudios que guardan relación con el tema de nuestra 
investigación. 
Mohsen, Issa, Ovitigala & Mustapha (2016) realizó una investigación que tiene como título 
“Shear Behavior of Basalt Fiber Reinforced Concrete Beams with and without Basalt FRP 
Stirrups”. Este articulo tiene como objetivo registrar y analizar el comportamiento de las vigas 
reforzadas con basalto con confinamiento y sin confinamiento. El diseño utilizado para este 
estudio es experimental, porque se realizó ensayos en laboratorio a una muestra de 6 vigas con 
confinamiento y 6 vigas sin confinamiento. Los resultados debido al ensayo de las vigas son el 
fisuramientos de la muestra frente a momentos constantes. También, se presentaron fisuras en 
la zona de cortante constante. Finalmente, este estudio tiene como conclusiones, el 
confinamiento con basalto tiene mejores resultados que una viga sin confinar. Las fórmulas 
brindadas por el ACI 440, presentan resultados muy conservadores. 
Ovitigala, Ibrahim, & Issa (2016). En su libro titulado “Serviceability and Ultimate Load 
Behavior of Concrete Beams Reinforced with Basalt Fiber- Reinforced Polymer Bars”. Cuyo 
objetivo principal fue el estudio del comportamiento de vigas reforzadas con basalto bajo 
condiciones de cargas últimas y de servicio. Esta investigación presento un diseño 
experimental, teniendo como muestra 4 vigas de diferentes tamaños y cuantías de 
 
8 
 
reforzamiento. Las conclusiones obtenidas para este estudio fue que los modelos del ACI 440 
y de Rafi y Nadjai presentan diferencias significativas con respecto a los resultados del 
experimento. 
Ammar (2014) en su tema de tesis titulado “Bond Durability of Basalt Fiber-Reinforced 
Polymers (BFRP) Bars Under Freese and Thaw Conditions”. Teniendo como objetivo principal 
estudiar el comportamiento y características del refuerzo como son el basalto. Haciendo uso de 
una metodología experimental, que consistió en realizar ensayos a 45 muestras reforzadas con 
basalto y 18 muestras reforzadas con vidrio. Estos fueronprocesados mediante modelos 
analíticos. Entre las conclusiones se afirma que las curvas de desplazamiento par los refuerzos 
con basalto y vidrio son casi semejantes, otra conclusión es cuando se presenta el concreto a 
sistemas de hielo y deshielo no contribuyendo a la mejora de esfuerzos. 
Mahroug (2013) realizó una investigación sobre “Behaviour of Continuous Concrete Slabs 
Reinforced with FRP Bars”. Cuyo objetivo general fue investigar el comportamiento de losas 
de concreto reforzadas con basalto y con barras de carbono. El estudio fue una investigación 
experimental, en lo cual se probaron dos losas simplemente apoyadas y cuatro losas continuas 
tanto para el caso con refuerzo con barras de basalto y con carbono con la finalidad de poder 
compararlos. La combinación y el tipo de refuerzo de las barras de basalto y carbono fueron 
los parámetros que se investigaron. Los resultados de la investigación, han posibilitado 
identificar la naturaleza de las barras del basalto y carbono frente a una carga puesta a la mitad 
de la luz de la losa. Pudiendo así determinar la deflexión y la carga final a la que estas puede 
estar sometidas. A partir de los resultados se puede concluir que las fibras de basalto y carbono 
elevó el momento de falla tanto en losas simplemente apoyada y continúas. Esto se debe al 
efecto de corte combinado con la flexión en el caso de la falla. 
Ovitigala (2012) en su tesis para el grado de PhD. Con el tema de “Structural Behavior of 
Concrete Beams Reinforced with Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) Bars”. El objetivo 
 
9 
 
principal fue incursionar las barras de basalto en el concreto armado con la finalidad de obtener 
un buen desempeño de las propiedades mecánicas de las estructuras como es el caso de la viga. 
Se realizó una investigación experimental, que consistió en una viga simplemente apoyada bajo 
el cual se procedió a poner una carga puntual al medio de la viga. Obteniendo como resultado 
la resistencia a la tracción, el módulo de ruptura y la longitud de desarrollo requerida. Entre las 
conclusiones se halló que el ensayo de flexo tracción nos brinda datos erróneos para la 
resistencia de flexión en comparación del ensayo de compresión diametral que si nos brinda 
datos aproximados a lo real. Además, en las vigas no se puede encontrar la mayor longitud 
pegada con concreto debido que la falla por cizallamiento puede ocurrir antes que alcance la 
ruptura final. 
Neela (2010) en su tesis de maestría presenta una investigación titulada “Flexural Behavior 
of Basalt FRP Bar Reinforced Concrete Members With and Without Polypropylene Fiber”. 
Teniendo como objetivo principal determinar la relación entre el esfuerzo deformación, 
también otro de sus objetivos fue de estudiar el comportamiento de las cargas. El tipo de diseño 
que se presenta es de tipo experimental. Se realizaron los respectivos ensayos, considerando en 
la primera fase una cantidad de uso de basalto de 8.9 kg/m3 del volumen y en la segunda serie 
se presentó con 4.45 kg/m3 del volumen. Las losas fueron ensayas a flexión. Las conclusiones 
que se presentó en esta investigación son: la curva de esfuerzo deformación predicha por las 
ecuaciones del ACI 440 fueron cercanos a los resultados. Así también la capacidad de carga 
fue incrementando en función al incremento de los basaltos. 
Adhikari (2009) en su proyecto de tesis titulado “Mechanical Properties and Flexural 
Applications of Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) Bars”. Presenta como objetivo 
general determinar las propiedades mecánicas del refuerzo de basalto en tres tamaños 
diferentes y su aplicación como refuerzo en las vigas. Se presentó una investigación 
experimental, que se rigió de acuerdo a las normas ASTM, así como también en una revisión 
 
10 
 
de distintas bibliografías de investigaciones similares. Estudiando modelos analíticos se creó 
una data de cargas y desplazamiento de cada modelo finalmente se propuso un modelo, 
realizando una predicción bajo los diseños del ACI y también utilizando la curva de esfuerzo 
deformación. En conclusión, se determinó el módulo de elasticidad fue de 86.3 GPa en 
promedio. También en función a los ensayos se pudo determinar la longitud de anclaje de 25 
cm para que se logre una buena y completa resistencia a la tracción. 
Brik (2003) en su libro “Advanced Concept Concrete Using Basalt Fiber/BF Composite 
Rebar Reinforcement”. Cuyo objetivo fue de determinar el rendimiento de las vigas de concreto 
reforzadas con varillas de basalto corrugadas en lo cual se determinó la fuerza ultima y se 
realizó una comparación entre el momento ultimo experimental versus el momento calculado 
según las normativas del ACI. Tuvo como metodología experimental, aplicándose una prueba 
llamada “Pull Out Test”. Este ensayo tiene la particularidad de someter al concreto a la 
compresión y a la varilla de basalto a tracción empleando una misma fuerza. Entre los 
resultados se presentó que las vigas tuvieron una falla por corte y flexión después de aplicarse 
la fuerza. En cuanto a las conclusiones se tiene que se presentó una muy buena adherencia 
entre las barras y el concreto lo cual se pudo observar hasta la rotura. Así como también el 
momento último del experimento fue mayor que el momento calculado. Generalmente las vigas 
fallaron por flexión y muy pocas por corte. 
Brik (1998) es un artículo publicado “Performance Evaluation of 3-D Basalt Fiber 
Reinforced Concrete and Basalt Rod Reinforced Concrete”. Con el objetivo de evaluar el 
rendimiento del concreto reforzado con barras compuestos con fibras basálticas. Empleando 
una investigación experimental, donde se utilizó un método estándar japonés de calcular el 
factor de tenacidad de flexión y la flexión equivalente de fuerza. Se ensayaron vigas de con 
refuerzo de basalto, así como también únicamente a las barras y fibras de basalto. Esta prueba 
japonesa tiene en cuenta la energía absorbida hasta la deflexión de L/150. En lo cual se obtuvo 
 
11 
 
como resultado la medición ultima de carga de falla, el comportamiento de deflexión, 
deformación del concreto y el modo de falla. Se tiene como conclusión del ensayo de las barras 
y fibras de basalto que el comportamiento fue muy similar a las demás fibras que se tiene 
actualmente. La adición de fibras en el concreto hizo un cambio en cuanto a su modo de falla 
es decir de frágil a dúctil. En cuanto al ensayo de las vigas con basalto, se tiene indican que no 
se presentó una buena adherencia entre la barra de basalto lisa y el concreto por ello no se llegó 
a la carga ultima. También, se presentó una falla dúctil debida que a cada incremento de carga 
la viga se desplazaba de forma gradual. 
2.1.2 Antecedentes Nacionales. 
Hinostroza (2018) realizó una tesis de investigación con el tema de “Estudio del 
Comportamiento Estructural de Vigas de Concreto Reforzadas con Varillas de Basalto”. Con 
el objetivo de estudiar el uso del basalto como material reemplazante del acero en el concreto 
armado. Utilizando un diseño cualitativo. Teniendo como muestra el diseño de vigas con 
refuerzo de basalto, los cuales fueron analizados mediante procesos comparativos con los 
experimentos estudiados. Finalmente concluyendo, que el promedio del módulo elástico (E) es 
de 86.3 GPa. Asimismo, también concluyó que las vigas sobre reforzadas con basalto presentan 
mejores propiedades que la una viga convencional que es el caso con los refuerzos de acero 
corrugado. 
2.2 Bases Teóricas 
2.2.1 Comportamiento Estructural. 
Haciendo referencia a Chang (2015) menciona que “el comportamiento de los materiales que 
conforman el concreto armado depende de muchas variables, por ejemplo: la carga y la 
interacción entre los materiales que conforman, (…) lo cual implica la existencia de muchos 
modelos con diversos grados de complejidad (…)” (p.14). 
 
12 
 
Asimismo, Ottazzi (2015) menciona que “(…) si una estructurase ve sobrecargada hasta la 
falla, si su comportamiento es dúctil y ciertas porciones de la estructura pueden fluir sin fallar, 
la estructura puede ser capaz de soportar grandes deflexiones cerca de su capacidad máxima 
de carga. (…)” (p.100). 
2.2.1.1 Diagrama Momento Curvatura. 
Según Ottazzi (2015) “El diagrama momento curvatura es la representación gráfica del lugar 
geométrico definido por los momentos flectores y las curvaturas asociadas a los mismos para 
una sección determinada” (p.110). También Ottazzi (2015) menciona que la construcción de 
diagramas momento curvatura permite el estudio de la ductilidad de una sección y del 
elemento, así como permite entender el desarrollo de rótulas plásticas y redistribución de 
momentos flectores. 
Teniendo un aspecto fundamental como lo es la curvatura Ottazzi (2015) menciona que “la 
curvatura se define como el cambio de rotación que existe en una sección, y puede entenderse 
como el cambio de giro por unidad de longitud de un elemento sometido a flexión” (p.102). 
Esta referencia se muestra en la Figura 1. 
 
Figura 1. Curva de un elemento. Adaptado de “Apuntes del Curso Concreto Armado”. 
Fuente: Ottazzi. (2015) 
De la gráfica se desprende la siguiente ecuación: 
φ =
εc
𝐶
=
εs
𝑑 − 𝐶
=
εc + εs
𝑑
 
 
13 
 
Otro aspecto en consideración es conocer la ductilidad de la curvatura, según Ottazzi (2015) 
define “La ductilidad se define como la relación entre la deformación de agotamiento y la 
deformación que marca el inicio del comportamiento inelástico de un elemento o sección. La 
ductilidad permite expresar de manera cuantitativa la capacidad de deformación inelástica 
disponible” (p.102) y se “puede entenderse como la capacidad de un elemento para soportar 
deformaciones inelásticas sin presentar una pérdida importante de capacidad” (Chang, 2015, 
p.5). 
μφ =
φu 
φy 
 
2.2.1.2 Resistencia por Cargas de Servicio. 
Para Ottazzi (2015) la resistencia por cargas es “(…) analizar la estructura para las cargas de 
servicio (con factores de carga unitarios), asumiendo comportamiento elástico de la misma bajo 
la acción de las cargas que puedan actuar sobre ella durante su vida útil (cargas muertas, 
sobrecargas, viento, sismo)” (p.65). Por otro lado, Yanez et al. (2000) menciona que: 
(…) “carga permanente” y “sobrecarga” se refieren a las cargas sin mayorar (cargas de servicio) 
definidas o especificadas en la ordenanza de construcciones local. Las cargas de servicio deben 
emplearse donde lo establece el código, para dimensionar o verificar elementos de manera que tengan 
una adecuada serviciabilidad, como en la sección 9.5, control de deformaciones. Las cargas utilizadas 
para dimensionar un elemento para una resistencia adecuada se definen como “cargas mayoradas”. Las 
cargas mayoradas son cargas de servicio multiplicadas por los factores de carga apropiados, 
especificados en la sección 9.2, para obtener la resistencia requerida. El término “cargas de diseño”, 
como se empleaba en la edición 1971 del ACI 318 para referirse a las cargas multiplicadas por factores 
de cargas apropiados (…). (p.16) 
Asimismo, Yanez et al. (2000) afirma que “los elementos de hormigón armado sujetos a 
flexión deben diseñarse para tener una rigidez adecuada a fin de limitar cualquier deformación 
que pudiese afectar adversamente la resistencia o la condición de servicio de una estructura” 
(p.143). 
A continuación, se muestra el control de las deflexiones máximas admisibles propuesto por 
el código ACI-9.5.2.6. Mostradas en la Tabla 1. 
 
14 
 
Tabla 1 
Deflexiones máximas permisibles por el código ACI (ACI-Tabla 9.5.b.) 
Tipo de elemento Deformación considerada 
Límite de 
deformación 
Azoteas planas que no soporten ni estén 
ligadas a elementos no estructurales 
susceptibles de sufrir daños por grandes 
deformaciones. 
Deformación inmediata debida a la 
sobrecarga, L 
 
Entrepisos que no soporten ni estén ligados 
a elementos no estructurales susceptibles de 
sufrir daños por grandes deformaciones. 
Deformación inmediata debida a la 
sobrecarga, L 
 
Sistema de entrepiso o azotea que soporte o 
esté ligado a elementos no estructurales 
susceptibles de sufrir daños por grandes 
deformaciones. 
La parte de la deformación total que 
ocurre después de la unión de los 
elementos no estructurales (la suma de la 
deformación a largo plazo debida a todas 
las cargas permanentes, y la deformación 
inmediata debida a cualquier sobrecarga 
adicional) 
 
Sistema de entrepiso o azotea que soporte o 
esté ligado a elementos no estructurales no 
susceptibles de sufrir daños por grandes 
deformaciones. 
 
Nota: Adaptado de ACI-318 – 08, por American Concrete Institute, 2008. 
2.2.1.3 Deflexiones. 
La deflexión es el grado de deformación frente a la aplicación de fuerzas como el peso propio, 
cargas de sismo, cargas vivas y entre otros. Estos pueden determinarse en laboratorios o 
mediante modelos matemáticos. También, tomando como referencia a Herrera, Rodriguez, 
Gomez y Bolaño (2018) define “la deflexión es la deformación que se presenta en un elemento 
al ser aplicada una fuerza sobre el mismo, siendo generada por una flexión interna o también 
puede decirse que es una respuesta estructural ante la aplicación de cargas” (sección de Teoría, 
párr.1). “Hablar de respuesta estructural es hacer referencia al análisis estructural, es decir, 
hacer uso de las ecuaciones utilizadas en resistencia de materiales, con las que es posible hallar 
tensiones, deformaciones y esfuerzos internos en un elemento” (Herrera et al., 2018, sección 
de Teoría, párr.1). Herrera et al. Menciona tres métodos para el cálculo de deflexiones: método 
de doble integración, método de área de momentos y método de tres momentos. 
𝑙
180
 
𝑙
360
 
𝑙
480
 
𝑙
240
 
 
15 
 
2.3 Marco Conceptual 
2.3.1 Losas Macizas. 
Las losas son elementos estructurales horizontales que tienen como función la generación de 
superficies de soporte de las actividades para las que la estructura ha sido diseñada. Desde el 
punto de vista estructural las losas deben de soportar su propio peso, acabado de pisos y cargas 
de servicios a la que ha sido proyectada; además, tiene la importante función de integrar los 
elementos verticales, junto con el sistema de vigas. Según Nilson (1999) las losas macizas son: 
Como elementos estructurales dispuestos en posiciones horizontales, verticales y/o inclinadas, 
sometidas a cargas perpendiculares a su plano, razón por la cual resisten principalmente esfuerzos de 
flexión y corte. Presentan un espesor (peralte) pequeño en comparación con sus dimensiones en planta, 
cuyas superficies superior e inferior son paralelas entre sí, todo su espesor está constituido por concreto 
y barras de acero. (p.14) 
Las losas macizas se pueden clasificar de acuerdo a sus apoyos: losas apoyadas sobre muros 
o vigas y losas apoyadas únicamente sobre columnas. También se clasifica de acuerdo a su 
comportamiento estructural: losas unidireccionales y losas bidireccionales. Para esta 
investigación se tomó las losas macizas en una dirección o unidireccionales. 
2.3.2 Acero Corrugado. 
Los aceros corrugados son varillas circulares que tienen resaltes o corrugas (Hi bond) que 
permiten la buena adherencia con el concreto, estas se pueden encontrar en el mercado como 
varillas de nueve metros de longitud en diferentes diámetros como se puede mostrar en la Tabla 
2. 
 
 
 
 
 
 
 
16 
 
Tabla 2 
Dimensiones y pesos nominales Aceros ASTM A615 
Diámetro de barra Sección Perímetro Peso métrico nominal 
Pulg. mm (mm2) (mm) (kg/m) 
- 6 28 18.8 0.220 
- 8 50 25.1 0.395 
3/8 - 71 29.9 0.560 
- 12 113 37.7 0.888 
1/2 - 129 39.9 0.994 
5/8 - 199 49.9 1.552 
3/4 - 284 59.8 2.235 
1 - 510 79.8 3.973 
1 3/8 - 1,006 112.5 7.907 
Nota: Adaptado de “Construye seguro manual del maestro constructor”, (p.10), por Aceros Arequipa, 
2016. 
Estas varillas tienendiferentes usos en el campo de la construcción como son en los 
edificios, viviendas, puentes y diferentes obras de arte de la ingeniería. Estas barras se 
clasifican de acuerdo a la resistencia mínima de la fluencia (fy), el primero es de grado 40 
(2800 kgf/cm2), segundo de grado 60 (4200 kgf/cm2), tercero de grado 75 (5200 kgf/cm2) y el 
cuarto de grado 80 (5500 kgf/cm2). 
Para este estudio de investigación se utilizará las varillas de grado 60 con un esfuerzo 
fluencia (fy) mínima de 4200 kgf/cm2 y un esfuerzo de tracción (fu) mínimo de 6300 kgf/cm2, 
debido que estas están en el mercado peruano y son de mayor uso. Donde la composición 
química, sus propiedades mecánicas y tolerancias se basan en normas técnicas americanas 
como es la American Society of Testing Materials ASTM A615 Grado 60 y la Norma Técnica 
Peruana (NTP) 341.031 Grado 60. 
2.3.3 El Basalto. 
El basalto son rocas oscuras marrones o negras de procedencia ígnea volcánica, Subramanian 
los clasifica en tres tipos: 
 
17 
 
2.3.3.1 Piedras de Basalto. 
Subramanian (2010), los caracteriza como una roca compuesto principalmente de Plagioclasa, 
Piroxeno y Olivino, esta roca es muy abundante en el mundo que se forma al momento de salir 
al exterior de las profundidades de la corteza terrestre. Se forman en tres ambientes en 
específicos: puntos de acceso oceánicos, plumas de manto y puntos calientes debajo de los 
continentes y fronteras oceánicas divergentes. Este tipo de roca se caracteriza por la dureza 
pudiéndose clasificar en la escala de Mohs en el rango de 5 a 9, la alta durabilidad, resistencia 
y por sus propiedades térmicas. Presentando una densidad entre los 2.8 g/cm3 y 2.9 g/cm3. Las 
rocas trituradas de basalto son utilizadas comúnmente para la base de carreteras, también son 
usadas como agregado del concreto y pavimentos asfalticos. Asimismo, este material también 
se ha incursionado en el campo de la industria como baldosas de basalto, monumentos, chapas 
y entre otros materiales. 
2.3.3.2 Fibras de Basalto. 
En 1923 se produjeron las primeras fibras de basalto en los Estados Unidos y después lo siguió 
la Unión Soviética y Europa, crearon específicamente como producción militar y 
aeroespaciales. Entre los años de 1985 y 2000 las empresas de Ucrania y Japón lanzaron una 
producción en masa de las fibras de basalto. Actualmente, la producción anual del basalto es 
entre 3000 a 5000 toneladas. Las fibras de basalto son muy finas similares a la fibra industrial 
del carbono y vidrio, pero el basalto presenta una mayor propiedad mecánica y físicas y son 
económicas en comparación del carbono. Las fibras de basalto se obtienen de la roca triturada 
lo cual se funde a altas temperaturas entre 1400 °C a 1700 °C por 6 horas. Después, pasan por 
un proceso de enfriamiento resultando una estructura más resistente que el acero. La 
producción de estas fibras es menos contaminante que la producción del acero y no produce 
desperdicio alguno (Subramanian. 2010). 
 
18 
 
2.3.3.3 Refuerzo Compuesto de Basalto. 
Subramanian (2010), nos menciona que las barras de basalto son un compuesto del 80% de 
filamentos de basalto y el resto lo compone poliéster y resinas epoxi y se obtiene mediante un 
proceso de pultrusión. Las principales ventajas que presenta el refuerzo de basalto es la alta 
resistencia, y sobre todo a la gran resistencia que presenta a la corrosión en comparación con 
el acero. Una de las características que presenta la varilla es que tiene una buena adherencia 
con el concreto, pero principalmente se caracteriza por ser un material anisotrópica que cambia 
las propiedades y características mecánicas tanto en dirección transversal y longitudinal, en 
comparación con el acero que es un material isotrópico, es decir presenta mismas propiedades 
mecánicas tanto en dirección transversal como longitudinal. La barra de basalto tiene esta 
particularidad de anisotropía debido a su composición una parte de ella es de fibras actuando 
en las propiedades longitudinales y la otra parte las resinas actúan en las propiedades 
transversales. 
Subramanian (2010), nos hace referencia en la Tabla 3, los componentes de las varillas de 
basalto y en la Tabla 4 nos muestra las principales propiedades mecánicas comparativas entre 
el acero y el basalto. En la Figura 2 se muestra la gráfica esfuerzo deformación comparativa. 
Tabla 3 
Composición química del BCR 
Element % 
SiO2 58.7 
Al2O3 17.2 
Fe2O 10.3 
MgO 3.82 
CaO 8.04 
Na2O 3.34 
K2O 0.82 
TiO2 1.16 
P2O5 0.28 
MnO 0.16 
Cr2O3 0.06 
Nota: Adaptado de “Sustainability of RCC Structures Using Basalt 
Composite Rebars”, (p.160), por Subramanian, 2010. 
 
19 
 
Tabla 4 
Comparación de varillas de acero (Steel Rebar) con barras de refuerzo compuestas de basalto (BCR) 
Item Characteristics SR BCR Comments 
1 Density, g/cm3 7.8 1.95 
BCR in 4 times lighter than 
SR 
2 
Weight of 1 linear meter, 
kg 
 
 10 mm diameter 0.617 0.15 
 12 mm diameter 0.888 0.221 
3 Ultimate strength, N/mm2 
 Tensile 485 1200 
BCR is more than 2 times 
stronger than SR 
 Compressive 485 420 
4 Young's Modulus, GPa 200 52-57 
5 
Thermal conductivity 
coefficient, kcal/(hr m °C) 
38 0.35-0.59 
BCR has 66-111 times less 
heat conductivity than SR 
6 
Coefficient of linear 
thermal expansion, 10-6 
m/m K 
12 1.0 
Expansion of BCR is 12 
times less than SR 
7 
Amount of 1 metric ton of 
rebars, linear meters 
 
With BCR we can transport 
4 times more rebars at a time 10 mm diameter 1621 5848 
 12 mm diameter 1126 4330 
8 Percentage elongation 14.5 2.2 
BCR not suitable for EQ 
zones 
9 Poisson's Ratio 0.3 NA 
Nota: Adaptado de “Sustainability of RCC Structures Using Basalt Composite Rebars”, (p.160), por 
Subramanian, 2010. 
 
Figura 2. Comparación de las curvas esfuerzo deformación del FRP y el Acero. Adaptado de “FRP 
Reinforcement for Structures” 
Fuente: Prince Engineering. (2011) 
 
 
20 
 
En consulta a otras fuentes de los resultados del ensayo a tracción de varillas de basalto se 
obtiene la siguiente Tabla 5, donde se compara el esfuerzo máximo, deformación unitaria y el 
módulo elástico, asimismo, se muestra la Figura 3 de las mismas comparaciones. 
Tabla 5 
Esfuerzo, deformación unitaria y módulo de elasticidad de las varillas de basalto ensayadas 
Autores 
Esfuerzo axial 
máximo (MPa) 
Deformación unitaria 
máxima (mm/mm) 
Módulo de 
elasticidad 
(GPa) 
Ovitigala et al. (14mm) 1,082 .020 54.1 
Brik et al. (13mm) 1,379 .025 55.2 
Subramanian (14mm) 1,410 .025 56.4 
Valles 1,200 .025 48.0 
Adhikari (3mm) 2,400 .030 80.0 
Ovitigala (6mm) 1,103 .030 36.8 
Nota: Elaboración propia, 2020. 
 
 
Figura 3. Esfuerzo deformación, otros autores. 
Fuente: Elaboración propia. (2020) 
 
 
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
E
sf
u
er
zo
 (
M
p
a)
Deformación (mm/mm)
Ovitigala et al. (14mm)
Brik et al. (13mm)
Subramanian (14mm)
Valles
Adhikari (3mm)
Ovitigala (6mm)
 
21 
 
Capítulo III: Hipótesis y Variables 
3.1 Hipótesis 
3.1.1 Hipótesis General. 
El efecto del basalto como refuerzo en el concreto mejora su comportamiento estructural en 
losas macizas. 
3.1.2 Hipótesis Específicas. 
a. Las propiedades mecánicas del basalto son comparables a las del acero de refuerzo 
convencional presentando cierta ventaja. 
b. Las losas macizas de concreto reforzadas con varillas de basalto tendrán niveles de 
resistencia mecánica comparables con las obtenidas en el caso de losas reforzadas 
con varillas de acero convencionales visualizadas en los diagramas momento 
curvatura. 
c. Se presenta buena resistencia mecánica para diseños por servicio para losas 
reforzadas con varillas de basalto. 
d. Las deflexiones de las losas macizas de concreto armado reforzadas con varillas de 
basalto son mayores que las losas macizas reforzadas con varillas de acero. 
3.2 Identificaciónde las Variables 
Las variables de estudio se muestran en la Tabla 6 las cuales son: varillas de basalto, varillas de 
acero, comportamiento estructural de en losas de concreto. 
 
 
 
 
 
 
 
22 
 
Tabla 6 
Definición conceptual de las variables 
Definición conceptual 
Varillas de basalto Varillas de acero 
Según Subramanian (2010) define “las 
varillas de basalto son materiales 
anisotrópicos que implican la variación de las 
propiedades mecánicas en dirección 
longitudinal y transversal. La anisotropía de 
las varillas de basalto es el resultado del 
hecho de que las propiedades longitudinales 
están gobernadas por las propiedades de la 
fibra, mientras que las propiedades 
transversales y de corte están gobernadas por 
las propiedades de la resina” (p.158). 
Según Ottazzi (2015) menciona que “(…) las 
barras de acero longitudinal, colocadas cerca 
de la superficie en tracción, se encargan de 
resistir las tracciones originadas por la 
flexión. Adicionalmente se suele colocar 
refuerzo transversal, en la forma de estribos, 
que ayudan a resistir los esfuerzos de 
tracción diagonal en el concreto causados por 
las fuerzas cortantes” (p.43). 
Comportamiento estructural 
El comportamiento estructural se rige específicamente por dos factores. El primero, Según 
Ottazzi (20154) menciona “el diagrama momento curvatura es la representación gráfica del 
lugar geométrico definido por los momentos flectores y las curvaturas asociadas a los 
mismos para una sección determinada” (p.110). Y el segundo, Herrera, Rodriguez, Gomez, 
y Bolaño (2018) define “la deflexión es la deformación que se presenta en un elemento al 
ser aplicada una fuerza sobre el mismo, siendo generada por una flexión interna o también 
puede decirse que es una respuesta estructural ante la aplicación de cargas” (sección de 
Teoría, párr.1). 
Nota: Elaboración propia, 2020. 
3.3 Operacionalización de las Variables 
En la Tabla 7, Tabla 8 y Tabla 9 se muestran la operacionalización de las variables 
mostrados en la Tabla 6. 
 
 
 
 
23 
 
Tabla 7 
Operacionalización de la variable "Varillas de Basalto" 
Dimensiones Indicadores 
Propiedades del basalto 
-Esfuerzo 
-Deformaciones 
-Rigidez 
-Modulo elástico 
Nota: Elaboración propia, 2020. 
 
 
Tabla 8 
Operacionalización de la variable "Varillas de Acero" 
Dimensiones Indicadores 
Propiedades del acero 
-Esfuerzo 
-Deformaciones 
-Rigidez 
-Modulo elástico 
Nota: Elaboración propia, 2020. 
 
Tabla 9 
Operacionalización de la variable "Comportamiento Estructural" 
Dimensiones Indicadores 
Diagrama momento curvatura 
-Inicio de agrietamiento 
-Fluencia del material 
-Momento ultimo 
Resistencia por servicio 
-Esfuerzo 
-Deflexiones máximas admisibles 
Deflexiones 
-Carga 
-Sección fisurada 
Nota: Elaboración propia, 2020. 
 
 
24 
 
Capítulo IV: Metodología 
4.1 Tipo y Diseño de Investigación 
4.1.1 Tipo de Investigación. 
El tipo de investigación según el objeto de estudio fue aplicativo porque: 
Busca el conocer para hacer, para actuar, para construir, para modificar para actuar, basándose en 
resolver los problemas de la manera más práctica, con un margen de generalización limitado, asimismo 
la información obtenida a través de esta investigación debería ser también aplicable en cualquier lugar 
y por tanto ofrece oportunidades significativas para su difusión (campaña de concientización). (Zorrilla, 
1993, p.43) 
Esta investigación también presentó un estudio experimental, debido que “la hipótesis se 
verifica mediante la manipulación deliberada por parte del investigador de las variables, 
determinando la relación causa efecto de un fenómeno físico (…)” (Borja, 2012, p.13). 
Asimismo, la investigación fue de tipo cuantitativa, debido que se usó magnitudes numéricas 
debido a la recolección de datos los cuales fueron analizados y verificados para probar que 
cumplan las respectivas hipótesis. 
4.1.2 Diseño de Investigación. 
En primer lugar, se tuvo la recolección de información sobre losas macizas y vigas de concreto, 
reforzados con varillas de acero corrugado y basalto, que fueron ensayados en laboratorios por 
los diferentes investigadores (Brik, 1998 y 2003; Adhikari, 2009; Ovitigala, 2012 y Mahroug, 
2013), estos sirvieron para la obtención de información de los ensayos preexistentes. 
En segundo lugar, se tuvo el aspecto numérico donde se diseñaron las losas macizas 
reforzadas con basalto y acero. Utilizando ecuaciones numéricas y de diseño propuestos por el 
American Concrete Institute (ACI) 440. 
Y finalmente, se procedió al ensayo experimental para los diseños de las losas macizas con 
refuerzo de basalto. Los cuales pasaron una etapa de evaluación y análisis con la finalidad de 
obtener las pérdidas de ductilidad de deformaciones por flexión, la resistencia máxima y la 
 
25 
 
respuesta final. Estos fueron comparados con los modelos numéricos realizados y mediante el 
software SAP2000. 
4.2 Población y Muestra 
4.2.1 Población. 
La población lo constituyen todas las losas unidireccionales y bidireccionales, que según su 
composición se clasifica en losas macizas, aligeradas, lamina acanalada de acero (losacero) y 
placa fácil. 
4.2.2 Muestra. 
En esta investigación se utilizó un muestreo no probabilístico, haciendo uso del método de 
juicio por experto. Se tomó en cuenta la opinión de un Ingeniero experto en el campo para 
hallar el tamaño de la muestra. Se determinó realizar un total de seis (06) losas macizas 
unidireccionales, de los cuales tres (03) losas macizas unidireccionales fueron reforzadas con 
basalto y otras tres (03) losas macizas unidireccionales reforzadas con acero, finalmente estas 
fueron ensayadas para entender los objetivos, responder las preguntas de investigación y 
validar las hipótesis. 
4.3 Técnicas e Instrumentos de Investigación 
4.3.1 Técnicas. 
La técnica que se utilizó para esta investigación fue por observación estructurada, debido que 
sabemos exactamente lo que queremos investigar. Así mismo se utilizó la técnica por 
observación de laboratorio. Estas técnicas nos permitieron realizar una descripción detallada y 
sistemática que permitió finalmente validar las hipótesis. 
4.3.2 Instrumentos. 
Los recursos a emplear para la recolección de datos fueron: 
 Fichas técnicas 
 Grabaciones 
 
26 
 
 Fotografías 
 Lista de datos 
 Escalas 
 Sistema de medición como Linear Variable Differential Transformer (LVDT) 
 Monitoreo computacional mediante software del esfuerzo vs deformación 
 Manejos de software SAP2000 
Validez: Las evidencias de la validez se dieron por el personal del laboratorio quien aportó 
con las consultas de juicio por expertos, así mismo nos brindó los formatos propuestos para los 
respectivos ensayos. 
Confiabilidad: La confiabilidad se dio por el número de ensayos que se propuso a realizar, 
la muestra es considerada representativa debido que fue consultado por juicio de experto a un 
Ingeniero especialista en el tema. 
4.4 Procedimiento de Recolección de Datos 
Las losas macizas unidireccionales reforzadas con basalto y acero fueron ensayos en el 
laboratorio, donde se tomó los datos de las mediciones haciendo uso los instrumentos 
mencionados. Las datas fueron analizados y comparados para la validación de las hipótesis 
acordes a sus indicadores propuestos en la definición de variables. 
 
Capítulo V: Análisis y Discusión de Resultados 
5.1 Estudio del Comportamiento Mecánico del Basalto 
La determinación del comportamiento mecánico de un elemento estructural depende 
directamente de las propiedades y características mecánicas de los materiales que lo componen. 
De hecho, como se recuerda de la teoría de vigas de concreto reforzados con varillas de acero, 
el comportamiento mecánico de estos elementos se ve estrechamente vinculado con la cantidad 
de acero provisto, así, si la cuantía de acero está por debajo de una magnitud,