Ensayos de adherencia

Se han llevado a cabo en los últimos años numerosas investigaciones con el objeto de caracterizar el fenómeno de la adherencia, sobre todo relativas a los métodos de ensayos entre los que cabe destacar el de arrancamiento o pull − out y el ensayo en vigas o beam test, siendo éste último el adoptado por la Instrucción Española EHE (1998) para la caracterización de barras de acero. Este ensayo queda descrito en la norma UNE 36748:98.

El método normalizado del ensayo pull − out y beam test en Europa fue propuesto por la RILEM/CEB/FIP (1970), aunque todavía no han concluido los esfuerzos de desarrollar un método de ensayo definitivo de adherencia. De hecho, las discusiones actuales dentro del fib Task Group 4.5 “Bond Models” (2001, 2002), grupo responsable de la formulación relacionada con la adherencia en el futuro Código Modelo, parecen indicar que es más apropiado desarrollar un sistema de ensayos de adherencia que se completen entre sí en vez de establecer un único

ensayo, debido a la diversidad de formas en las que la adherencia puede afectar al comportamiento estructural.

A continuación se describen los principales ensayos de adherencia, el ensayo de arrancamiento pull − out y, el ensayo de la viga beam test.

III.4.1.1. Ensayo de arrancamiento Pull − Out

Las directrices para la realización de este ensayo quedan recogidas en el boletín número 13 del CEB (1983), revisión al propuesto en 1970. Este ensayo mide la fuerza necesaria que se aplica para romper la adherencia de una barra embebida en una probeta de hormigón. De este ensayo se obtienen los diagramas tipo que relacionan la tensión de adherencia local y el desplazamiento de la barra en el extremo opuesto al que se aplica la carga respecto a la superficie de la probeta de hormigón (extremo pasivo). Para medir la deformación del acero se puede emplear

strain gauges situados en la superficie de la barra cuyo número y distribución

dependerá de la intención de la medida.

Existe en la literatura gran discrepancia sobre las gráficas de adherencia que puede ser justificada por los diferentes parámetros de los ensayos como el confinamiento, el recubrimiento, las propiedades del hormigón y del acero, la separación entre barras, el refuerzo transversal, etc.

Al no ser posible medir directamente la tensión de adherencia local y el deslizamiento relativo de la barra respecto al hormigón a lo largo de una longitud determinada, un método para obtener estos valores consiste en medir la fuerza aplicada y asumir una distribución uniforme de la tensión, únicamente en el caso de pequeñas longitudes de anclaje. Para mayores longitudes la tensión de adherencia local y el deslizamiento varían considerablemente a lo largo de la barra y los resultados de los ensayos son más difíciles de evaluar. En este último caso, la tensión de adherencia local y el deslizamiento se determinan indirectamente midiendo la deformación del acero y el desplazamiento del final de la barra.

En los ensayos pull − out generalmente la longitud adherente se sitúa en el centro de una probeta prismática o cilíndrica de hormigón, de diferentes dimensiones, algunas veces relacionadas con el diámetro de la barra o simplemente un valor constante.

Existen otros ensayos basados en el pull − out desarrollados para analizar específicamente el fallo por splitting por ser el de mayor fragilidad y más relevante para el comportamiento estructural.

A continuación se realiza un análisis de los diferentes tipos de ensayos pull − out en función de la longitud adherente.

Los ensayos con “longitudes adherentes cortas” se refieren a aquéllos en los que la relación entre la longitud adherente y el diámetro (l/φ) es U 5. Dentro de estos ensayos se consideran dos tipos: los que carecen de compresión transversal y se produce generalmente el deslizamiento de la barra y los que tienen algún tipo de confinamiento como cercos, espirales, anillos, etc. en los que se produce el fallo junto con la fisuración del recubrimiento. En ambos casos únicamente hay adherencia hormigón − acero en una zona de la barra, colocando en el resto unos protectores de plástico tipo “manguitos” que impiden la interacción entre los dos materiales.

En los primeros ensayos pull − out prismáticos, Rehm (1969) sitúa la longitud adherente en el centro de la barra, surgiendo ciertos problemas por el rozamiento entre la probeta y la placa de apoyo. Por este motivo se normaliza el ensayo pull − out (RILEM/CEB/FIP 1970), donde la longitud adherente (l = 5φ) se desplaza respecto al ensayo de Rehm al extremo pasivo de la barra. La dimensión de la probeta es 10φ. Para evitar el rozamiento se coloca una plancha de goma y una placa metálica entre la superficie de apoyo y la probeta (Figura 12).

Este ensayo normalizado en 1970, sufre ciertas modificaciones RILEM/CEB/FIP (1983), principalmente en lo referente al tamaño de la probeta, 10φ y 200 mm de dimensiones mínimas frente a los 10φ propuestos con el fin de reducir la tendencia a la rotura por splitting.

En cuanto a este tipo de ensayos, hay que destacar los trabajos de Delibes et. al

(1985), dentro de la Comisión VII del CEB para comparar los métodos de ensayo y las mejoras introducidas por el boletín CEB del ensayo pull − out en la versión del año 1983 respecto a la anterior en cuanto al tamaño mínimo de la probeta. Según los resultados obtenidos por estos autores puede decirse que se obtienen tensiones de adherencia mayores para carga máxima con el nuevo método propuesto. A su vez, la forma de rotura de las probetas es por deslizamiento de la barra, evitándose el modo de fallo por splitting.

Figura 12. Ensayo pull − out: a) Rehm (1969) y, b) RILEM/CEB/FIP (1970).

Tepfers (1973) desarrolla ensayos pull − out con variaciones en el recubrimiento y en el diámetro de la barra en probetas prismáticas de dimensiones 200x150 mm y 3,13φ de espesor para analizar la influencia de la relación recubrimiento/diámetro en la tensión última de adherencia.

Respecto a modelos cilíndricos, Losberg (1979) realiza ensayos con la longitud adherente de la barra (l = 3φ) en el centro de la probeta de 150 mm de diámetro, midiendo el desplazamiento relativo en ambos extremos, activo y pasivo, respecto a la superficie de hormigón. Se coloca un anillo en la base de apoyo para disminuir la excentricidad de la reacción. Con la intención de estudiar el efecto de cargas cíclicas, Tassios (1981) incorpora una célula de carga reversible (tracción y

b) RILEM/CEB/FIP P ø P/4 P/4 Longitud Adherente 5 ø Soporte de Goma Placa Metálica a) REHM P Captador Deslizamiento 2ø 10ø 1 0ø

compresión) y Magnusson (1997) dispone de strain gauges tanto en el extremo donde se aplica la carga como en el opuesto para estudiar la distribución de la tensión de adherencia a lo largo de la barra.

En los ensayos que se describen a continuación aparece cierto confinamiento transversal para estudiar su influencia y el tipo de fallo producido en el comportamiento adherente.

En los trabajos de Bertero y Eligehausen (1981, 1983) las probetas tienen compresión transversal. Según los resultados obtenidos de 125 ensayos, a partir de una determinada cuantía de armadura transversal no existen mejoras en la tensión de adherencia.

Figura 13. Ensayo ring test, Tepfers y Olsson (1992), a) probeta y, b) diagrama de la fuerza aplicada y deformación radial del anillo exterior εsr en función

del deslizamiento (δ).

Para analizar la componente normal de la tensión de adherencia local, Tepfers y Olsson (1992) proponen el ensayo ring test en el que la probeta cilíndrica se

encuentra protegida por una camisa de acero. Midiendo la deformación radial εsr en

las paredes del cilindro exterior mediante strain gauges se obtiene la componente normal de la tensión de adherencia (tensión de splitting, τtanα en la Figura 13 a). El objeto de este trabajo es analizar la influencia del tamaño, de la separación y del área relativa de corrugas en la tensión de adherencia. La geometría de la probeta (a) y, el diagrama de la carga aplicada y la deformación radial en el anillo en función del deslizamiento de la barra (b) se presenta en la Figura 13 (con línea continua la carga aplicada y con línea de trazos la deformación radial según el deslizamiento del extremo pasivo).

Al aumentar el ángulo α, ángulo que forma la tensión de adherencia τ con la barra, también lo hace la tendencia al splitting. A partir de un determinado valor de la carga aplicada Fr, se produce un incremento del deslizamiento, debido a la

fisuración del recubrimiento y se deforma el anillo según la curva de la línea de trazos.

Figura 14. Ensayos pull − out Malvar (1991, 1992) con confinamiento, diagrama tensión de adherencia − deslizamiento según la presión transversal.

Malvar (1991,1992) para estudiar la evolución del splitting en probetas con y sin confinamiento realiza ensayos en probetas cilíndricas de 75 mm de diámetro y 100 mm de altura con barras de 19 mm de diámetro y una relación l/φ = 3,5. Las probetas están rodeadas por un tubo metálico roscado y sobre las que se aplica

una presión transversal mediante un anillo de confinamiento. En la Figura 14 se presentan los diagramas tensión de adherencia − deslizamiento obtenidos del ensayo pull −out según el confinamiento transversal, donde se aprecia una mejora considerable de la tensión de adherencia con la presión transversal.

Giuriani (1991) considera el confinamiento producido por cargas laterales, por el refuerzo transversal y por la tensión residual de tracción entre fisuras. Ghandehari (1999) mejora estos métodos de ensayo con un mejor conocimiento de la componente tangencial y normal de la tensión de adherencia combinando métodos experimentales y numéricos. Noghabai (1995) realiza ensayos pull − out en probetas cilíndricas huecas de hormigón con y sin confinamiento aplicando una presión hidrostática en el interior mediante un manguito, para estudiar el fenómeno de la fisuración longitudinal. Durante los ensayos se registran las presiones interiores aplicadas y las deformaciones radiales de la superficie de la probeta en las dos direcciones.

Figura 15. Ensayos de adherencia prefisurados, según Gambarova (1996), a) geometría de la probeta y, b) diagramas tensión de adherencia /

resistencia del hormigón τ/fc en función de la relación

Para evaluar la adherencia residual después de la fisuración longitudinal en la superficie del hormigón se realizan ensayos tipo pull − out en probetas prismáticas fisuradas. Se han llevado a cabo numerosos estudios en este sentido, entre los que cabe destacar los de Gambarova (1989, 1996). Los parámetros han sido el ancho de fisura, la longitud adherente y el diámetro de barra, aplicando un confinamiento externo perpendicular al plano de splitting que permite controlar el ancho de fisura. Como conclusiones destacar que la tensión de adherencia aumenta con el confinamiento y con la disminución del ancho de fisura y que la presencia de armadura transversal mejora el comportamiento adherente sobre todo, después del

splitting.

En la Figura 15 se presenta los ensayos de Gambarova (1996) y la relación tensión de adherencia (τ) – deslizamiento (δt) en barras de diámetro 14, 18 y 25 mm para

diferentes anchos de fisura (δn). Estos diagramas son de gran utilidad para evaluar

la tensión de adherencia residual en estructuras de hormigón armado con fisuras longitudinales, conocido el ancho de la misma y el diámetro de la armadura.

Los ensayos anteriores están destinados a analizar la relación tensión de adherencia local − deslizamiento. Para conocer otros aspectos de la adherencia, tales como la variación de la tensión de adherencia a la que está sometida la barra anclada o solapada, evolución del proceso de splitting en una longitud mayor, calcular la acción confinante y conocer la relación entre la armadura transversal y la capacidad adherente (Plizzari et al., 1996, 1998), se han realizado ensayos con longitudes adherentes mayores (l>5φ). Para medir la tensión de adherencia se disponen strain gauges a lo largo de la barra pegadas a la superficie o dentro de la armadura. Estos ensayos proporcionan, además, información útil respecto a anclajes y solapos de las barras y son una referencia importante para los análisis numéricos que se han realizado utilizando el método de elementos finitos.

Este tipo de ensayos es el empleado en la presente Tesis (Capítulo IV) para determinar la influencia del recubrimiento en la tensión de adherencia.

III.4.1.2. Ensayo de adherencia en vigas, beam test

Este ensayo es el adoptado por el CEB (1978) y por la Instrucción Española EHE (1998) para determinar las características de adherencia de barras corrugadas empleadas como armadura pasiva en estructuras de hormigón. Estos ensayos surgen de la necesidad de homologar estos elementos y comparar los resultados con los valores de referencia, ya que presentan propiedades adherentes algo diferentes según la geometría, el método de fabricación y el suministro.

a)

b)

Figura 16. Ensayo tipo beam test para la homologación de la adherencia en barras corrugadas: a) geometría de vigas para φ<16 mm, y, b) geometría de vigas para ≥ 16 mm, (cotas en cm).

La viga tipo en este ensayo está formada por dos bloques paralelepípedos unidos mediante una rótula metálica en la parte superior y mediante la barra a ensayar en su parte inferior. La misión de la rótula es garantizar que la resultante de las tensiones del hormigón pase por ese punto, de esta forma es posible calcular las tensiones en el acero. Consiste en aplicar dos cargas puntuales simétricas sobre

P/2 L 10 ø L 15 DE DESLIZAMIENTO δi L 10 ø L 4 15 5

DISPOSITIVO DE MEDIDA DE DESLIZAMIENTO

δi P/2 L 10 ø L 4 15 5 110 20 P/2 τ 60 60 F δd 37.5 L 10 ø L 10 5 37.5 P/2 δd 65 UNE 36740:98 ø< 16 mm ø> 16 mm, BT2 + BT3 τ ø6 ø10 DISPOSITIVO DE MEDIDA

una viga biapoyada hasta la rotura total de la adherencia midiendo el deslizamiento en ambos extremos de la barra respecto a la superficie de hormigón. De este tipo de ensayos se obtienen igual que en el ensayo pull −out los diagramas tensión de adherencia − deslizamiento.

Al igual que en el ensayo anterior pull − out la zona no adherente se obtiene mediante la colocación de manguitos de plástico alrededor de la barra. La zona adherida, de dimensiones igual a diez veces el diámetro de la barra, se sitúa en el centro de cada bloque. Tanto las dimensiones de la viga como de la rótula superior dependen del diámetro de la barra a ensayar. La geometría de la probeta y el armado, descritos en la norma UNE 36740:98, aparece en la Figura 16 a) para

φ<16 mm y en la Figura 16 b) para φ≥ 16 mm. Para una mejor claridad del dibujo en la semiviga de la derecha se ha representado únicamente la barra objeto de ensayo con la disposición de los manguitos y la zona adherida en el centro y en la semiviga de la izquierda se ha representado la armadura transversal existente.

Planteando el equilibrio de la probeta se obtiene la tensión de adherencia τ a partir de la tensión en la barra σs que viene dada por una de las expresiones siguientes:

τ = σs / 40 φ < 16 mm σs = 1,25 ⋅ P / A s

φ≥ 16 mm σs = 1,50 ⋅ P / A s

(Ec. 7.) (Ec. 8.)

Según se aprecia en la figura la barra objeto de ensayo tiene un confinamiento elevado por la armadura transversal, 7 cercos separados 5 cm en cada semiviga para ensayos en barras de diámetro <16 mm (Figura 16 a) y 11 cercos separados 5 cm en cada una de las semivigas para ensayos en diámetros de barra ≥ 16 mm (Figura 16 b). El recubrimiento es en todos los casos 50 mm, lo que supone para una barra de diámetro 16 mm: 2,6φ y para un diámetro de 25 mm: 1,5φ.

Se considera como tensión de adherencia media τbm la media entre las

correspondientes a los desplazamientos de 0,01 mm; 0,1 mm y 1 mm, siendo igual a:

3 1 1 . 0 01 . 0 bm

τ

τ

τ

τ

Este ensayo lo realizan organismos autorizados para la obtención de los certificados obligatorios específicos de adherencia para armaduras pasivas según recoge la Instrucción Española EHE (1998).

Los ensayos beam test forman parte de la investigación experimental desarrollada en la presente Tesis (Capitulo V) para proponer una relación tensión de adherencia – deslizamiento en barras corrugadas.