Recorrido histórico sobre la experimentación de anclajes

A continuación se expone un breve resumen del recorrido histórico experimental sobre per- nos conectores, a través del cual se puede observar cómo se han incorporado progresivamente las distintas variables que intervienen en el problema.

Durante las décadas de 1950 y 1960 los pernos conectores obtuvieron rápidamente la atención de los investigadores y despertaron un interés experimental por el aumento tan signicativo de su utilización. De este primer período de investigación destaca la aparición de los primeros ensayos documentados. Se trata del ensayo denominado push-out realizado por Viest [74] en la Universidad de Illinois, cuya conguración se puede observar en la gura 2.12. La información técnica del ensayo push-out se recoge posteriormente en el apartado 3.2.5.2 junto al resto de ensayos habituales de pernos aislados y de pernos embebidos en hormigón.

Los ensayos realizados por Viest en 1956 [74] consistieron en 12 piezas mixtas con pernos conectores en los que se estudian las dos primeras variables del problema:

La longitud efectiva de embebido en el hormigón hef

El diámetro del fuste de los pernos d1.

En esta investigación se estudió la inuencia de estas dos variables en el modo de fallo mediante su cociente, al que se denominará en adelante coeciente de embebido,Ke=hef/d1. Las probetas ensayadas se fabricaron con pernos de distintas dimensiones dentro del rango de coecientes de embebido de 2,47 ≤Ke ≤7,00. En este momento Viest identicó este pará-

metro como factor enormemente signicativo para determinar el tipo de fallo que se produce en los anclajes de pernos conectores, siempre que no intervienen condiciones de proximidad a bordes libres. Otro factor importante que se identicó para el comportamiento mecánico de los anclajes fue la adherencia supercial entre la placa de anclaje y el hormigón, aunque no se evaluó su inuencia. Para la ejecución material de las probetas de ensayo se impregnó una capa de grasa en las alas de los perles, con la intención de evitar la trasferencia de parte del cortante por el rozamiento entre el acero y el hormigón.

2.3. REVISIÓN HISTÓRICA DE LAS INVESTIGACIONES 27

Figura 2.12: Primer ensayo push-out planteado por Viest en 1956

Pocos años después, en 1963, Shoup y Singleton [125] realizaron el ensayo de 9 probetas en las que dispusieron dos las de pernos, como se puede ver en la gura 2.13. De este modo se estudió una nueva variable del problema: la separación entre los ejes de los pernos s1 (dispuestos en una única columna de dos las). En la realización de estos ensayos se varió el coeciente de embebido, Ke, tomando valores comprendidos entre 5,20 < Ke < 9,65, de

modo que se adoptaron pernos de mayor esbeltez respecto a la investigación de Viest.

Figura 2.13: Ensayo push-out planteado por Shoup y Singleton en 1963

En 1965 Chinn [79] y Buttry [89] incorporaron una nueva variable al problema estudian- do el efecto que los hormigones ligeros producen en los anclajes de pernos conectores. Con este planteamiento se desarrolló la Tesis doctoral de Steele [46] en la que se realización nue- vos ensayos push-out en vigas mixtas conectadas mediante pernos y formadas por hormigón aligerado.

En 1967 Davies [22] continuó en esta línea de investigación y aumentó una la de pernos a la conguración anterior, como se puede observar en la gura 2.14. Se realizaron un total de 19 probetas mediante push-out para estudiar la inuencia que suponen los grupos de pernos en comparación con los resultados ofrecidos por las probetas de una y dos las de pernos.

Posteriormente Mainstone y Menzies [81] llevaron a cabo una investigación en la que se incorporó el factor del modo de carga. Se realizó una campaña experimental de ensayos en la que se aplicaron ciclos continuos de carga y descarga con el n de estudiar el comportamiento frente a la fatiga del acero de los pernos. Se ensayaron un total de 11 probetas formadas

Figura 2.14: Ensayo push-out planteado por Davies en 1967

por una única la de pernos con un coeciente de embebido constante de Ke = 4,67. Se

compararon los resultados obtenidos mediante cargas dinámicas con los datos publicados en las investigaciones previas, realizados mediante cargas estáticas. El análisis comparativo muestra que las probetas push-out ensayadas bajo el efecto de cargas dinámicas sufren una reducción tanto en la resistencia de los anclajes como en la ductilidad, en comparación con las probetas sometidas a cargas estáticas.

En 1968 Goble [69] incorporó una nueva variable del problema al estudiar el efecto que supone la placa de anclaje. La placa de anclaje puede encontrarse embebida o no en el hormi- gón y tiene la función de transmitir las acciones externas del anclaje hasta los pernos, a través de las soldaduras. En esta investigación se analizó principalmente el efecto que producía la variación del espesor de la placa en el comportamiento global de los pernos. Los resultados obtenidos muestran que las características mecánicas de la placa son relevantes en el compor- tamiento global de los anclajes para que se pueda producir una redistribución de esfuerzos entre los distintos pernos.

En 1971 Ollgaard et al. [100] incorporaron dos nuevas variables al estudiar la inuencia que las variaciones de la densidad y de la resistencia del hormigón implican en el funcionamiento global de los anclajes. Se desarrolló un estudio experimental con un total de 48 ensayos push- out en los que se utilizó hormigón estándar y hormigón aligerado. Para facilitar la comparación entre los resultados se unicó la dimensión de los pernos al utilizar un coeciente de embebido de Ke= 3,26 común para todos los pernos. De los resultados obtenidos cabe destacar que la

utilización de hormigones aligerados en algunas probetas dio lugar a una rotura conjunta del fuste del acero de los pernos y del hormigón.

En la década de 1980 se produjo una extensión del uso de los pernos hacia nuevas aplicacio- nes. Este fenómeno inuyó en la búsqueda de nuevas formas de ensayo y experimentación que pudieran reproducir con mayor delidad las condiciones de uso. En 1982 Klingner y Mendoca [90] proponen un nuevo método de ensayo alternativo al push-out, que era el más extendido hasta la fecha. El esquema básico de ensayo propuesto se reeja en la gura 2.15. Este nuevo modo de ensayo es utilizado posteriormente por numerosos investigadores entre los que se destacan Hawkins y Mitchell [40], Zhao [66], Gattesco et al. [50] y Anderson y Meinheit [99]. En esta nueva conguración de ensayo para pernos embebidos en hormigón tiene algunos inconvenientes. Entre ellos se destaca la dicultad de aplicación de la carga del anclaje, ya que para su ejecución no es válida una máquina hidráulica convencional sustentada por bastidores. La máquina a utilizar se sustituye por un gato móvil que debe ajustarse a un sistema de anclaje horizontal. El mayor inconveniente que presenta es la necesidad de un complejo sistema de anclaje de la probeta de ensayo. Cabe destacar que con este tipo de ensayos se aumenta

2.3. REVISIÓN HISTÓRICA DE LAS INVESTIGACIONES 29

Figura 2.15: Ensayo de anclajes planteado por Hawkins y Mitchell en 1982

considerablemente el volumen de hormigón necesario para cada probeta, aunque se facilita el proceso de fabricación. En su favor elimina la simetría de los ensayos push-out anteriores por lo que se reduce la inuencia del rozamiento y se facilita así la interpretación de los resultados. También se elimina la excentricidad de la entrada de la carga.

En el año 2004 Topkaya el al. [130] investigó experimentalmente la inuencia de los pernos conectores en proximidad de bordes libres mediante el ensayo de 24 probetas. Pocos años des- pués Meinheit y Anderson [121] llevaron a cabo la mayor cantidad de ensayos experimentales realizados hasta el momento.

De este recorrido histórico resumido sobre los estudios experimentales realizados hasta el momento se puede extraer una visión global de la que se destaca que los ensayos europeos generalmente han sido realizados con la intención de reducir el rozamiento entre las placas de anclaje y el hormigón. La intención de extraer la adherencia del problema se ha realizado mediante la utilización de diferentes tratamientos superciales, como pueden ser la aplicación de distintas grasas o vinilos. Por el contrario, generalmente los ensayos americanos son eje- cutados sin tratamientos superciales, lo que explica unos valores ligeramente más favorables en comparación con los europeos.

En este resumen se puede observar que la tipología de ensayo más utilizada es la del push-out, surgida a partir de los planteamientos de Viest en 1956. Este método de ensayo ha llegado nalmente a su estandarización normativa que ha sido recogida en el Eurocódigo 4 [59], con su primera versión en 1992 y una actualización posterior en el año 2004.

Con los ensayos realizados hasta el momento, de los cuales se ha resumido la gran mayoría en este apartado, se cuenta actualmente con una amplia cantidad de datos experimentales sobre el comportamiento mecánico de anclajes mediante pernos conectores. Estos datos se pueden encontrar en publicaciones como [125, 119, 81, 82, 123, 124, 121]. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de datos experimentales sobre los que basar el estudio de las uniones, no quedan resueltos todos los aspectos para la utilización de los pernos conectores en uniones mixtas entre pilares metálicos y vigas o losas de hormigón.

2.3.1.1. Resumen histórico de los ensayos realizados

A continuación se resume en la tabla 2.2 un breve listado de los ensayos realizados en anclajes de pernos sometidos a cortante por los diferentes investigadores más destacados. En el resumen se incluye el coeciente de embebido y el número de ensayos realizados, en gran parte extraído del trabajo de Pallarés y Hajjar [72].

Tabla 2.2: Resumen histórico de ensayos realizados

Investigador Año Número de Ensayos Coeciente de

embebido Ke

Viest [74] 1956 12 2,47. . .7,00

Shoup and Singleton [125] 1963 9 5,2. . .8,65

Chapman y Balakrishnan [119] 1964 9 2,00. . .7,29

Buttry [89] 1965 22 2,00. . .7,38

Chinn [79] 1965 10 3,33. . .5,38

Mainstone and Menzies [81] 1967 11 4,67

Davies [22] 1967 19 4,67 Steele [46] 1967 18 3,50 Dallam [94] 1968 17 4,00. . .7,38 Baldwin [87] 1970 26 3,50. . .7,38 Menzies [82] 1971 6 4,67 Hawkins [98] 1971 22 2,00. . .4,67 Ollgaard et al. [100] 1971 48 3,50. . .4,21

Klingner and Mendonca [90] 1982 8 11

Hawkins and Mitchell [40] 1984 2 3,33

Chan and [29] 1989 1 4,30 Zhao [66] 1993 18 2,27. . .4,09 An and [88] 1996 8 3,51 Gattesco et al. [50] 1996 1 6,58 Saari et al. [123] 2004 2 6,67 Shim et al. [124] 2004 17 4,70. . .5,68

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