Capítulo 2. La fatiga del hormigón: planteamiento del problema
2.2. Generalidades de la fatiga
2.2.3. El proceso de fatiga del hormigón Conceptos previos
La respuesta del hormigón frente a las cargas repetidas es diferente a lo explicado en el apartado 2.2.2, en parte debido a que ya el comportamiento bajo carga monótona es fundamentalmente distinto. El comportamiento mecánico del hormigón es complejo,
fuertemente no lineal, y caracterizado por grandes diferencias entre el trabajo a compresión y a tracción [Neville, A. M., 1995].
Aunque en el Capítulo 4 se efectúa un estudio más detallado del comportamiento del hormigón en tracción, aquí se hace una pequeña introducción necesaria para el estudio del comportamiento en compresión. El trabajo del hormigón en tracción está dominado por la fisuración. En general, el valor de las tensiones de tracción que es capaz de soportar el hormigón es bastante bajo. Al ensayar una probeta sometida a un alargamiento creciente de forma monótona ∆L, se observa que la fuerza necesaria para ello sigue dos fases (Figura 2. 6): en la primera, la tensión (fuerza por unidad de superficie) es creciente hasta que se alcanza la resistencia a tracción fct; después de ella
se produce un ablandamiento en las tensiones hasta que la probeta finalmente se parte
en dos.
Figura 2. 6. Probeta de hormigón sometida a un alargamiento creciente
La fisura se origina en el punto más débil de la probeta, ya que la heterogeneidad del material hace que la resistencia de cada sección sea distinta. En el Capítulo 4 se profundiza en la respuesta a tracción del hormigón, incluyendo los conceptos de localización y ablandamiento que hacen que las curvas σ – ∆L sean dependientes de la base de medida, pero el esquema de la Figura 2. 6 ya indica que es un material que no cumple el criterio de plastificación a pequeña escala, necesario para seguir la teoría clásica de MFEL. Por la forma de la zona en proceso de fractura, al hormigón se le ha llamado un material cuasifrágil [Bazant Z.P. y Planas J., 1998].
elástico-lineal
ablandamiento endurecimientono lineal
σ σ
endurecimiento no lineal ablandamiento
elástico-lineal elástico-lineal
ablandamiento endurecimientono lineal
σ
MATERIALES FRÁGILES MATERIALES DÚCTILES MATERIALES CUASIFRÁGILES
Figura 2. 7. Tipos de materiales en función de la zona en proceso de fractura, caracterizada por la distribución de tensiones desde la punta de la grieta
La Figura 2. 7 esquematiza los diferentes tipos de material en cuanto a la zona en proceso de fractura. Los materiales cuasifrágiles se caracterizan por una pequeña zona plástica, igual que los materiales frágiles, pero una gran zona total en proceso de
∆L σ fct wc GF F F L F A=
fractura con tensiones de ablandamiento. En consecuencia, el estudio de la propagación de grietas por fatiga no puede hacerse según las hipótesis de MFEL, apartado 2.2.2.
Figura 2. 8. Respuesta tensión – deformación del hormigón en compresión
La respuesta macroscópica (diagrama tensión - deformación) de una probeta de hormigón sometida a un acortamiento creciente de forma monótona (Figura 2. 8) es una consecuencia de la evolución del material en el micro-nivel. La progresiva microfisuración se debe a concentraciones de tensiones de tracción debidas a la propia heterogeneidad del material, formado por partículas de árido embebidas en una matriz de cemento. La aparición de microgrietas en la dirección perpendicular a la principal de compresión, en la que es cargada la probeta, puede ser debido a [Bazant Z.P. y Planas J., 1998] (Figura 2. 9):
• Existencia de poros con microfisuras (Figura 2. 9a).
• Diferencias de rigidez entre las partículas de árido y la pasta de cemento (Figura 2. 9b).
• Pérdidas de contacto en la interfase árido – pasta (Figura 2. 9c).
• Zonas de deslizamiento en la propia pasta de cemento (Figura 2. 9d).
[Bennett E.W. y Raju N.K., 1969] realizaron en su trabajo un análisis de la distribución de tensiones alrededor de una inclusión rígida y de un poro en una pasta con comportamiento elástico (casos a y c de la Figura 2. 9). Los resultados mostraron la aparición local de altas tensiones de tracción transversales al campo de compresiones causado por la carga externa, lo que indicaría la formación de microfisuras.
Estas microfisuras se van uniendo a medida que aumenta la carga aplicada, hasta que se alcanza la resistencia a compresión, fc (Figura 2. 8). En caso de que la
solicitación sea una deformación impuesta, aparece una rama de ablandamiento que indica la unión de microfisuras en una macrofisura que causa la rotura. La capacidad de ablandamiento del hormigón es muy dependiente del confinamiento del material, que controla la evolución de las microfisuras [Mier J.G.M. van, 1984], [Soliman M.T.M. y Yu C.W., 1967]. La influencia del tamaño de la probeta en la rama de ablandamiento también produce que la respuesta sea más frágil cuanto mayor sea la probeta.
Unión de micro- fisuras con defectos de la matriz Formación de microfisuras Estado inicial: material compacto Formación de su- perficies de rotura fc c ε ε σ
Figura 2. 9. Diversos mecanismos de microfisuración del hormigón, Bennett y Raju (1969)
El efecto de las cargas repetidas es el progresivo incremento de la microfisuración en el hormigón. Diferentes estudios de la evolución de las deformaciones, exámenes microscópicos o toma de medidas ultrasónicas han mostrado que la propagación interna de microgrietas se correlaciona con el cambio en el comportamiento macroscópico de la probeta de hormigón. Los trabajos de [Bennett E.W. y Raju N.K., 1969], [Shah S.P. y Chandra S., 1970] así lo confirman.
Globalmente, las probetas sufren una expansión volumétrica tras una fase inicial de disminución (consolidación). Además, en la última fase de la vida de la probeta, el crecimiento de volumen se acelera. Analizando las deformaciones, se observa que la deformación longitudinal crece durante todo el ensayo. Igualmente lo hace la deformación transversal, que además muestra un incremento muy importante en la segunda fase del ensayo, causando el incremento de volumen de la probeta. En la Figura 2. 10 se muestra un ejemplo.
También en esta figura se representa comparativamente la respuesta de una probeta de hormigón con otra hecha sólo con la pasta de cemento. La deformación longitudinal de compresión es comparable, pero la probeta de cemento se consolida durante todo el ensayo, lo que se constata también a través de la evolución de la deformación transversal y especialmente en la última fase del ensayo. La clara diferencia en el comportamiento transversal revela que la presencia de áridos es la aceleradora de la microfisuración. El estudio de Bennett y Raju afirma además que, en hormigones normales, las grietas en la adherencia árido – pasta son las más importantes.
(a) (b)
(d) (c)
Figura 2. 10. Evolución de deformaciones en un proceso cíclico (probetas de hormigón y cemento) en función del número de ciclos N relativo a la vida a fatiga Nf, Shah y Chandra (1970)
Como conclusión a estos estudios generales, se puede afirmar:
• El comportamiento del hormigón bajo cargas repetidas conlleva una progresiva microfisuración interna debida a la concentración de tracciones en la dirección perpendicular a la principal de compresión. Además, las grietas iniciales se forman mayoritariamente en la interfase árido – pasta.
• El fallo por fatiga del hormigón es menos frágil que el que sucede bajo la actuación de una carga monótona, y completamente diferente al de la fatiga de los metales. Es muy importante durante el proceso el crecimiento de la deformación total y remanente.
• Existe una fase final en la vida del hormigón a fatiga en la que el crecimiento de la deformación aumenta muy rápidamente hasta producirse el fallo.
• La naturaleza de compuesto del hormigón juega un papel relevante en el comportamiento bajo carga repetida, ya que se ha visto la diferencia con la respuesta dada por probetas de pasta de cemento, que reflejan diferentes mecanismos de microfisuración.