Generalidades y Especificaciones Del Concreto Reforzado

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    20-Oct-2015

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GENERALIDADES Y ESPECIFICACIONES DEL CONCRETO REFORZADO

1.1 Antecedentes histricos del concreto

La mayora de la gente piensa que el concreto se ha estado usando durante muchos siglos, pero no es as. En efecto, los romanos utilizaron una especie de cemento, llamado puzolana, antes del nacimiento de Cristo. Encontraron grandes depsitos de ceniza volcnica arenosa, cerca del Vesubio y en otros lugares de Italia. Cuando mezclaron este material con cal viva y agua, adems de rea y grava, dejando endurecer la mezcla, se produjo una substancia rocosa que utilizaron en la construccin. Se podra pensar que resultara una especie de concreto relativamente pobre, en comparacin con las normas actuales, pero algunas estructuras de concreto romanas siguen en pie hoy en da. Un ejemplo notable es el Partenn, que se encuentra en Roma y fue terminado en el ao de 126 de nuestra era.

El arte de hacer concreto puzzolanico se perdi durante la edad media y no fue resucitado hasta los siglos dieciocho y diecinueve. En Inglaterra se descubri en 1796 un depsito de piedra natural de cemento que fue vendida como cemento romano. Se descubrieron otros depsitos de cemento natural tanto en Europa como en Amrica, que fueron explotados durante varias dcadas.

En 1824, Joseph Aspidin, un albail ingles, despus de largos y laboriosos experimentos, obtuvo una patente para un cemento que el llamo cemento portland debido a que su color era muy similar al de la piedra de una cantera en la isla de Portland en la costa inglesa. El hizo un cemento con ciertas cantidades de arcila y piedra caliza que pulverizo y quemo en la estufa de su casa moliendo despus la escoria resultante para obtener un polvo fino. En los primeros aos tras su invencin, ese cemento se uso principalmente en estucos1. Este extraordinario producto fue aceptado poco a poco por la industria de la construccin y fue introducido a los Estados Unidos en 1868; el primer cemento portland fue fabricado en los Estados Unidos durante la dcada de los 70 de siglo pasado.

Los primeros usos del concreto reforzado no son bien conocidos. Muchos de los trabajos iniciales, fueron hechos por dos franceses, Lambot y Joseph Monier, Alrededor de 1850, Lambot construyo un bote de concreto reforzado con una red de alambres barras paralelas. Sin embargo, se le acredita a Monier la invencin del concreto reforzado. En 1867 el recibi una patente para la construccin de receptculos de concreto reforzado con una malla de alambre de hierro. Su meta al trabajar con este material era obtener un bajo peso sin tener que sacrificar resistencia.

De 1867 a 1881 Monier recibi patentes para la fabricacin de durmientes, losas de piso, arcos, puentes peatonales, edificios y otros elementos de concreto reforzado en Francia y en Alemania. Otro francs, Franois Coignet, construyo estructuras simples de concreto reforzado y desarrollo mtodos bsicos de diseo. En 1861 publico un libro en el que se presentaba un buen nmero de aplicaciones. Fue la primera persona en darse cuenta que la adicin de mucha agua a la mezcla reduca considerablemente la resistencia del concreto. Otros europeos que experimentaron con el concreto reforzado en sus etapas inciales fueron los ingleses William Fainbairn y William B. Wilkinson, el alemn G.A. Wayss y otro francs, Franois Hennebique.William E. Ward construyo el primer edificio de concreto reforzado en Estados Unidos en Port Chester, N.Y., en 1875. En 1883 presento una disertacin ante la American Society of Mechanical Engineers donde afirmaba haber obtenido la idea del concreto reforzado al observar a trabajadores ingleses en 1867 intentando limpiar el cemento endurecido de sus herramientas de hierro.

Thaddeus Hynatt, un americano, fue probablemente la primera persona en analizar correctamente los esfuerzos en una viga, de concreto reforzado y en 1877 publico un libro de 28 pginas titulado An Account of Some Experiments with Portland Cement Concrete, Combined with Iron as a Building Material. En este libro encomio el uso del concreto reforzado y dijo que las vigas laminadas tienen que aceptarse con base en un acto de fe. Hyatt puso mucho nfasis en la alta resistencia del concreto al fuego.

E.L. Ransome, de San Francisco, supuestamente uso concreto reforzado en los primeros aos de la dcada de 1870 y fue el inventor de las barras corrugadas, para las que obtuvo una patente en 1884. Estas barras, que eran escuadradas en su corte transe versal, se torcan en frio con una vuelta completa en una longitud de no ms de 12 veces el dimetro de la barra (el propsito de torcerlas era proporcionar mejor adherencia entre el concreto y el acero.) En 1890, en San Francisco, Ransome construyo el museo Leland Standford Jr. Se trata de un edificio de concreto reforzado de 312 pie de largo y dos pisos de altura en el que se uso como refuerzo de tensin, el alambre de los cables de desecho del sistema de tranvas. Este edificio sufri pocos daos en el sismo de 1906. Desde 1980 el desarrollo y uso del concreto reforzado en los Estados unidos ha sido muy rpido.

El concreto nos permite crear edificios, calles, avenidas, carreteras, presas y canales, fabricas, talleres y casas, dentro del ms alto rango de tamao y variedades nos dan un mundo nuevo de comodidad, de proteccin y belleza donde realizar nuestros mas ansiados anhelos, un mundo nuevo para trabajar, para crecer, para progresar, para vivir.

1824: - James Parker, Joseph Aspdin patentan al Cemento Portland, materia que obtuvieron de la calcinacin de alta temperatura de una Caliza Arcillosa.

1845: - Isaac Johnson obtiene el prototipo del cemento moderno quemado, alta temperatura, una mezcla de caliza y arcilla hasta la formacin del clinker.

1868: - Se realiza el primer embarque de cemento Portland de Inglaterra a los Estados Unidos.

1871: - La compaa Coplay Cement produce el primer cemento Portland en los Estados Unidos.

1904: -La American Standard For Testing Materials (ASTM), publica por primera vez sus estandares de calidad para el cemento Portland.

1906: - En C.D. Hidalgo Nuevo Len se instala la primera fabrica para la produccin de cemento en Mxico, con una capacidad de 20,000 toneladas por ao.

1992: - CEMEX se considera como el cuarto productor de cemento a nivel MUNDIAL con una produccin de 30.3 millones de toneladas por ao.

1.2 Caractersticas fsicas y mecnicas del concreto

El indicador fundamental de la resistencia de el concreto es la resistencia especifica a la comprensin denominada fc. Este es el esfuerzo unitario de compresin utilizado en el diseo estructural y el objetivo en el diseo de una mezcla. En general, se indica en unidades de lb/pulg2, por lo que es comn referirse a la calidad estructural del concreto al denominarlo simplemente mediante un nmero: por ejemplo, concreto de 3000 lb.

En el diseo por resistencia, este valor se utiliza para representar la resistencia ltima a la comprensin del concreto. En el caso del diseo por esfuerzo de trabajo, los esfuerzos mximos admisibles se basan en este lmite, especificado como una fraccin de fc. La tabla indica los diversos esfuerzos admisibles que se usaron en el mtodo de los esfuerzos de trabajo en tal reglamento.

El ACI code de 1989 contiene parte de estas condiciones en el mtodo del diseo descrito en el apndice A. el uso de estas referencias se explica en las varias secciones de esta parte. El valor del modulo de elasticidad del concreto se establece mediante una frmula que incorpora variables del peso (densidad) del concreto y su resistencia. La distribucin de los esfuerzos y la deformaciones en elconcreto reforzado dependen del modulo del concreto, ya que el modulo del acero es una constante. Cuando se somete a un esfuerzo excesivo y de larga duracin, el concreto tiende a sufrir una deformacin plstica por fatiga, un fenmeno en el cual la deformacin se incrementa con el tiempo bajo esfuerzos contaste. Esto influye en las deflexiones y en la distribucin de esfuerzos entre el concreto y el refuerzo. Algunas de estas condiciones que percuten en el diseo se estudian en el diseo de vigas y columnas.

La dureza del concreto se refiere, en esencia, a su densidad en la superficie.Esta depende, principalmente, de la resistencia bsica, que se indica por medio del valor del esfuerzo de comprensin. Sin embargo, las superficies pueden ser un poco ms blandas que la masa central del concreto, debido a la desecacin acelerada en la superficie. Algunas tcnicas se utilizan para endurecer las superficies deliberadamente, en especial las de la parte superior de las losas. El trabajo fino con llana tendera a llevar hacia la superficie un material muy rico en cemento, lo cual da por resultado una densidad mejorada. Tambin se utilizan endurecedores qumicos, lo mismo que selladores que atrapen el agua superficial. El modulo de elasticidad Ec del concreto terminado es una medida de su resistencia a la deformacin. La magnitud de Ec depende de w, el peso del concreto, y de fc, su resistencia. Su valor se puede determinar mediante la expresin.

Ec=w1.533fc para valores de w comprendidos entre 90 y 155lb/pie3 para concreto de peso normal (145lb/pie3), Ec se puede considerar como igual a 57000 fc{ Ec=w1.50.043fc para valores de w entre 1440 y 2480kg/m3. Para concreto de peso normal (2320kg/m3),Ec puede considerarse como igual a 4730fc} en el diseo de miembros de concreto reforzado, se emplea el termino n. Este representa la relacin entre el modulo de elasticidad del acero y el de concreto, o bien, n=Es/EcEs se considera como de 29000 kilolibras/ pul2 {200000MPa}. Considere un concreto para el cual fc es 4000 lb/pul2 y w es 145 lb/pie3 por tanto, Ec=57000fc=57000 4000=3600000 lb/pul2y n =Es/Ec=29000/3600=8.055. los valores en n par cuatro resistencias diferentes del concreto se dan en la tabla. Al igual que en la prctica comn. Tal como se explico en otras secciones, existen varias formas de control que pueden aplicarse para garantizar el tipo deseado de material en la forma de concreto terminado. Las tres propiedades de mayor inters son el contenido de agua de la mezcla hmeda, la densidad y la resistencia a la comprensin del concreto terminado. Los medios generales para controlar el producto final son: el diseo de la mezcla, el manejo de la mezcla hmeda y el curado del concreto despus de ser colado.

Adems de las propiedades bsicas estructurales, existen varias propiedades del concreto que se relacionan con su uso como material de construccin y, en algunos casos, son su integridad estructural.

PROPIEDADES:

Trabajabilidad: este trmino se refiere, en general, a la propiedad del concretohmedo mezclado para ser manipulado, colocado en las cimbras y darle un acabado mientras aun es fluido. Un cierto grado de trabajabilidad es esencial para el cimbrado y acabado adecuado del material. Sin embargo, la naturaleza, fluida de la mezcla queda determinada, en gran parte, por la cantidad de agua presente, por lo que la manera ms fcil de volverla ms manejable es aadir agua. Hasta cierto punto esto puede ser aceptable, pero el agua adicional por lo comn significa menor resistencia, mayor porosidad y mayor contraccin, que son en realidad propiedades indeseables. A menudo se utilizan la vibracin, los aditivos y otras tcnicas para facilitar el manejo del concreto sin incrementar el contenido de agua, a fin de obtener el concreto de la mejor calidad.

Impermeabilidad. En general, es aconsejable un concreto no poroso. Este puede ser primordial para muros o para pisos, compuestos de losas de pavimentacin, pero por lo comn es bueno para proteger el refuerzo de la corrosin. La impermeabilidad se obtiene al fabricar un concreto bien mezclado de alta calidad (con bajo contenido de agua, etc.), bien colado en las cimbras y con superficies densas con poco agrietamiento o huecos. Sin embargo, se est sometido a la presencia continua de agua, el concreto se saturara por ser absorbente. Cuando la penetracin del agua deba ser evitada de manera definitiva, deben usarse barreras aprueba de la humedad o impermeables.

Densidad. El peso unitario del concreto, en esencia, est determinado por la densidad del agregado grueso (comnmente, dos tercios o ms del volumen total) y por la cantidad de aire en la masa de concreto terminado. El concreto que fragua al aire pesa alrededor de 145 lb/pie3, con agregado de grava ordinaria y el aire limitado a no ms del 4% del volumen total. El uso de agregados fuertes pero ligeros puede reducir el peso de 100lb/pie3, con resistencias comparables, en general, con las obtenidas cuando se utiliza grava. Las densidades bajas se alcanzan con la inclusin de aire de hasta un 20% del volumen y mediante el uso de agregados muy ligeros, pero la resistencia y otras propiedades se reducen con rapidez.

Resistencia al fuego. El concreto es incombustible, por lo que su naturaleza aislante y protectora contra el fuego se utiliza para preservar el refuerzo de acero. Sin embargo cuando se expone durante periodos largos al fuego, el material se deforma y agrieta, lo cual produce el colapso estructural o una capacidad reducida que requerir el reemplazo o reparacin despus del fuego. El diseo para resistencia al fuego requiere las siguientes consideraciones bsicas:

1.- Espesor de las partes. Las losas o muros delgados se agrietaran con rapidez, lo que permite la penetracin del fuego o gases.

2.- Recubrimiento del esfuerzo.Se requiere que sea ms grueso para tener una resistencia mayor al fuego.

3.- La naturaleza del agregado. Algunos son ms vulnerables que otros a la accin del fuego.

Las especificaciones de diseo y los reglamentos de construccin se ocupan de estos temas, algunos de los cuales se analizan en la explicacin en la explicacin de las ilustraciones del diseo de edificios, en el captulo 12.

Contraccin (producida por la reduccin de la humedad). Los materiales mezclados con agua, como el yeso, el mortero y el concreto, tienden a contraerse durante el proceso de endurecimiento. En el caso del concreto simple, la contraccin es, en promedio, de aproximadamente un 2% del volumen. Por lo general, el cambio dimensional real de los miembros estructurales es menor debido a la presencia de varillas de acero; sin embargo, es necesario hacer algunas consideraciones en cuanto a los efectos de la contraccin. Los esfuerzos provocados por estas son, en cierto modo, similares a los que son provocados por los cambios de temperatura; la combinacin origina especificaciones de refuerzo mnimo en dos dimensiones en muros y losas. Para la estructura en general, la contraccin casi siempre se maneja limitando el volumen de cada vaciado de concreto, ya que la contraccin mayor por lo comn se produce rpidamente en el concreto fresco. En situaciones especiales, es posible modificar el concreto con aditivos o cementos especiales que provocan una ligera expansin para compensar la contraccin normal.

Consistencia: Est definida por el grado de humedecimiento de la mezcla, depende principalmente de la cantidad de agua usada.

Segregacin: (Cangrejera): Es una propiedad del concreto fresco, que implica la descomposicin de este en sus partes constituyentes o lo que es lo mismo, la separacin del Agregado Grueso del Mortero.Es un fenmeno perjudicial para el concreto, produciendo en el elemento llenado, bolsones de piedra, capas arenosas, cangrejeras, etc.La segregacin es una funcin de la consistencia de la mezcla, siendo el riesgo mayor cuanto ms hmeda es esta y menor cuando ms seca lo es.En el proceso de diseo de mezclas, es necesario tener siempre presente el riesgo de segregacin, pudindose disminuir este, mediante el aumento de finos (cemento o Agregado fino) de la consistencia de la mezcla.Generalmente procesos inadecuados de manipulacin y colocacin son las causas del fenmeno de segregacin en las mezclas. La segregacin ocurre cuando parte del concreto se mueve ms rpido que el concreto adyacente, por ejemplo, el traqueteo de las carretillas con ruedas metlicas tiende a producir que el agregado grueso se precipite al fondo mientras que la lechada asciende a la superficie.Cuando se suelta el concreto de alturas mayores de 1/2 metro el efecto es similar.Tambin se produce segregacin cuando se permite que el concreto corra por canaletas, sobre todo si estas presentan cambios de direccin.El excesivo vibrado (meter y sacar) de la mezcla produce segregacin.Exudacin: (Estado Plstico): Se define como el ascenso de una parte del agua de la mezcla hacia la superficie como consecuencia de la sedimentacin de los slidos. Este fenmeno se presenta momentos despus de que el concreto ha sido colocado en el encofrado.La exudacin puede ser producto de una mala dosificacin de la mezcla, de un exceso de agua en la misma, de la utilizacin de aditivos, y de la temperatura, en la medida en que a mayor temperatura mayor es la velocidad de exudacin.La exudacin es perjudicial para el concreto, pues como consecuencia de este fenmeno la superficie de contacto durante la colocacin de una capa sobre otra puede disminuir su resistencia debido al incremento de la relacin agua cemento en esta zona.Durabilidad:El concreto debe ser capaz de resistir la intemperie, accin de productos qumicos y desgaste, a los cuales estar sometido en el servicio. Gran parte de los daos por intemperie sufrido por el concreto pueden atribuirse a los ciclos de congelacin y descongelacin.

1.3 Caractersticas fsicas y mecnicas del acero de refuerzo

El Acero es una mezcla de metales (aleacin) formada por varios elementos qumicos, principalmente hierro y carbn como componente minoritario (desde el 0,25% hasta el 1,5% en peso).

El acero es una combinacin de hierro con carbono donde este ultimo material es el qu mayor efecto tiene en las propiedades del acero, tambin se puede decir que es una aleacin en caliente de carbono con el metal hierro y puede tener ms aleaciones como el azufre, fsforo, manganeso, etc. en la produccin del acero, se tiene el producto final cuando se le elimina todo el xido que trae de su estado natural siendo el material ms importante para la construccin.

Las propiedades fsicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribucin. Antes del tratamiento trmico, la mayora de los aceros son una mezcla de tres sustancias, ferrita, perlita, cementita. La ferrita, blanda y dctil, es hierro con pequeas cantidades de carbono y otros elementos en disolucin. La cementita es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una composicin especfica y una estructura caractersticas, sus propiedades fsicas con intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado trmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido de carbono ms rgido se vuelve el acero pero ms quebradizo a la vez.

El acero es uno de los ms importantes materiales estructurales. Entre sus propiedades de particular importancia en los usos estructurales, estn la alta resistencia, comparada con cualquier otro material disponible, y la ductilidad.

El acero como un material estructural tiene diversas cualidades deseables, como alta resistencia, gran rigidez (resistencia a la deformacin) y gran ductilidad, es el material ms fuerte, verstil y econmico disponible para la industria de la construccin, y su gran ductilidad le permite resistir grandes deformaciones a niveles altos de esfuerzo sin romperse. El acero es un producto fabricado de acuerdo con una estricta disciplina de control de calidad establecido en la fbrica. El acero puede ser, ya sea aleado, o aleado y tratado trmicamente para obtener tenacidad, ductilidad y gran resistencia, segn lo requiera la aplicacin. El acero es producido en una amplia gama de formas, tamaos y grados que proporcionan mxima flexibilidad en el diseo. La falla o el colapso de las estructuras de acero o con acero, por lo general es precedida por deflexiones muy visibles.Entre los tipos de aceros se encuentran:

1. Acero al Carbono: Es aquel que tiene entre 0,1 y 1,9% de carbono en su contenido y no se le aade ningn otro material (otros metales).2. Acero de baja aleacin: Es aquel acero al que se le aaden otros metales para mejorar sus propiedades.

PROPIEDADES MECNICAS DEL ACERO.

Las propiedades mecnicas dependen, principalmente, de la composicin qumica, los procesos de laminado y el tratamiento trmico de los aceros; otros factores que pueden afectar estas propiedades son las tcnicas empleadas en las pruebas, tales como la rapidez de carga de la muestra, las condiciones y geometra de la muestra, el trabajo en fro y la temperatura existente al llevarse a cabo la prueba. Estos factores pueden producir una apreciable variedad de resultados para un mismo tipo de acero.

Resistencia al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando est en contacto de friccin con otro material.

Tenacidad. Es la capacidad que tiene un material de absorber energa sin producir Fisuras (resistencia al impacto).

Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar.

Elasticidad: corresponde a la capacidad de un cuerpo para recobrar su forma al dejar de actuar la fuerza que lo ha deformado.

Plasticidad: es la capacidad de deformacin de un metal sin que llegue a romperse si la deformacin se produce por alargamiento se llama ductilidad y por compresin maleabilidad.

Fragilidad: es la propiedad que expresa falta de plasticidad y por lo tanto tenacidad los metales frgiles se rompen en el lmite elstico su rotura se produce cuando sobrepasa la carga del lmite elstico.

Ductilidad: es la capacidad que tienen los materiales para sufrir deformaciones a traccin relativamente alta, hasta llegar al punto de fractura.Re silencia: Es la capacidad que presentan los materiales para absorber energa por unidad de volumen en la zona elstica.

Resistencia a la tensin: La resistencia a la tensin se define como el cociente de la carga axial mxima aplicada sobre la muestra, dividida entre el rea de la seccin transversal original. En algunos casos, ste es un valor arbitrario, til para propsitos de referencia, porque la resistencia real a la tensin debe basarse en la curva real de esfuerzo-deformacin.

Punto de fluencia: Se define el punto de fluencia como el esfuerzo en el material para el cual la deformacin presenta un gran incremento sin que haya un aumento correspondiente en el esfuerzo. Algunos aceros presentan inicialmente un punto su-perior de fluencia pero el esfuerzo se reduce despus hasta llegar a una parte plana, la cual se denomina esfuerzo inferior de fluencia. El punto superior de fluencia es el que aparece en las especificaciones de diseo de todos los aceros.

Resistencia a la fatiga: Se llama resistencia a la fatiga al esfuerzo al cual el acero falla bajo aplicaciones repetidas de carga; se denomina tambin lmite de aguante.

PROPIEDADES FSICAS

Propiedades de los cuerpos: encontramos entre otrasMateria, Cuerpo, Estado de agregacin, Peso, Masa, Volumen, Densidad, peso especifico (m/v)

Propiedades Trmicas: estn referidas a los mecanismos de calor existen tres mecanismos:

Conduccin: se produce cuando la fuente emisora est en contacto directo con el que se desea aumenta T

Radiacin: Se produce porque la fuente de calor se encuentra en contacto en forma directa con el ambiente. Esta fuente emisora genera rayos infrarrojos que sirven de medio de transferencia de calor.

Propiedades Elctricas: Estn relacionadas con la capacidad de conducir la corriente elctrica.

Propiedades Magnticas: Estn referidas a la capacidad que poseen los materiales metlicos para inducir o ser inducidos por un campo electromagntico, es decir actuar como imn o ser atrados por un imn.

DESVENTAJAS DEL ACERO

Oxidacin: Los aceros tienen una alta capacidad de oxidarse si se exponen al aire y al agua simultneamente y se puede producir corrosin del material si se trata de agua salina.

Transmisor de calor y electricidad: El acero es un alto transmisor de corriente y a su vez se debilita mucho a altas temperaturas, por lo que es preferible utilizar aceros al nquel o al aluminio o tratar de protegerlos haciendo ventilados y evitar hacer fbricas de combustible o plsticos con este tipo de material. Estas dos desventajas son manejables teniendo en cuenta la utilizacin de los materiales y el mantenimiento que se les d a los mismos.

Esfuerzos residuales o remanentes: son los que existen en un miembro de acero antes de la aplicacin de cualquier carga externa. Se relacionan con la deformacin plstica que ocurre durante el proceso de fabricacin. Por ejemplo, esos esfuerzos pueden deberse a enfriamiento desigual a temperatura ambiente de los perfiles despus de laminarlos en caliente o de soldarlos; tambin pueden deberse a operaciones como enderezamiento en fro mediante rotacin o calibracin; o pueden derivarse de operaciones de fabricacin, como corte con flama, curvado en fro y otros ms.

Bibliografa

Diseo simplificado de concreto reforzado. Autor: Parker, Ambrose. Editorial: Limusa.

Diseo de acero estructural. Autor: Joseph E. Bowles catedrtico.

Design of concrete structures. Autor: Christian Meyer.

Estructuras de acero: Comportamiento y LRFD. Autor: Sriramulu Vinnakota, editorial Mc Graw Hill.

Diseo de estructuras de acero. Autor: Bresler, Lin y Scalzi. Editorial Limusa.

Diseo de concreto reforzado. Autor: Jack C. McCormac. Editorial Alfaomega.