Comportamiento de estructuras de hormigón armado con una deficiente transferencia de tensiones hormigón-acero : análisis experimental y propuesta de un modelo de evaluación estructural

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA

DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS DE EDIFICACIÓN

COMPORTAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE

HORMIGÓN ARMADO CON UNA DEFICIENTE

TRANSFERENCIA DE TENSIONES HORMIGÓN-ACERO.

ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y PROPUESTA DE UN

MODELO DE EVALUACIÓN ESTRUCTURAL

TESIS DOCTORAL

PRESENTADA POR: MARTA MOLINA HUELVA ARQUITECTA

MADRID, 2005

DIRIGIDA POR: D. JOSÉ PEDRO GUTIÉRREZ JIMÉNEZ

Dr. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

Dª. MARÍA DOLORES GARCÍA ALONSO Dra. ARQUITECTA

COMPORTAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO CON

UNA DEFICIENTE TRANSFERENCIA DE TENSIONES HORMIGÓN-ACERO.

ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y PROPUESTA DE UN MODELO DE

EVALUACIÓN ESTRUCTURAL

Presentada por: MARTA MOLINA HUELVA

Directores de la Tesis: D. JOSÉ PEDRO GUTIÉRREZ JIMÉNEZ, Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Dª. MARÍA DOLORES GARCÍA ALONSO, Dra. Arquitecta

EL TRIBUNAL CALIFICADOR

Presidente:

Vocal 1:

Vocal 2:

Vocal 3:

Vocal Secretario:

AGRADECIMIENTOS

A mis directores de tesis José Pedro Gutiérrez y a Mª Dolores García por haberme proporcionado la formación necesaria para la realización de este trabajo, por su esfuerzo, apoyo y entera dedicación.

Al Ministerio de Educación y Ciencia y al Consejo Superior de Investigaciones Científicas por la concesión de becas y ayudas para el desarrollo de esta tesis doctoral.

A los profesores Ralejs Tepfers, Giovanni Plizzari y John Cairns por la gran oportunidad de recibir su ayuda y sus fructíferas conversaciones en la parte inicial de este trabajo. También a Renata Carpi y a Laura de Lorenzis.

Al Instituto Eduardo Torroja donde se ha desarrollado esta tesis, al personal de la nave de ensayos, biblioteca, asistencia técnica, fotocopias, informática, caja, compras, etc. por la ayuda prestada en todo momento y sobre todo porque durante mi estancia en Madrid me sintiese como en casa, en especial a Isabel Escobar, Tere Medarde, Pilar Sánchez, Mª Carmen Sánchez y Adela Zamora. También a Ángel Arteaga, Víctor López, Inés Díaz y Ana de Diego.

Al profesor Jaime Navarro de la ETSA de Sevilla por sus consejos y orientación.

A mis amigos, por sus constantes ánimos.

RESUMEN

La adherencia es el principio básico del funcionamiento del hormigón armado como material estructural por la cual se transmiten los esfuerzos de tracción del hormigón al acero. Una de las hipótesis básicas en el cálculo de estructuras de hormigón es suponer la misma deformación para ambos materiales admitiendo que la adherencia es perfecta. Sin embargo, algunos síntomas patológicos que se producen durante las diferentes fases del proceso constructivo, del período de utilización o de mantenimiento, pueden debilitar el mecanismo de transferencia de tensiones entre las armaduras y el hormigón y disminuir la capacidad portante y las condiciones de seguridad de las estructuras actualmente en servicio.

La investigación desarrollada en esta tesis doctoral está motivada por la necesidad de incorporar en el campo del análisis y de la evaluación de estructuras de hormigón armado existentes aspectos relacionados con la degradación de la adherencia acero – hormigón. Los trabajos se han abordado principalmente de forma experimental y comprenden:

o Determinar la influencia de la relación c/φ (recubrimiento/diámetro de la barra)

en la capacidad de adherencia de elementos estructurales mediante un programa de ensayos.

o Propuesta de una relación tensión de adherencia – deslizamiento en barras de

diámetros representativos.

o Análisis experimental del efecto del deterioro de la transferencia de tensiones

hormigón – acero en el comportamiento resistente de piezas solicitadas a flexión, cuando dicho deterioro está cuantificado y caracterizado con independencia de cual haya sido su origen.

o A partir de los resultados del programa experimental se ha establecido un

modelo aproximado de análisis para la evaluación del comportamiento de elementos de hormigón armado con degradación en la interacción acero – hormigón teniendo en cuenta los tramos de pieza con armadura no adherida, e incorporando diversos estados de deterioro de la adherencia debido a recubrimientos deficientes, existencia de coqueras y defectos de geometría, fallos en los materiales, etc.

ABSTRACT

The behaviour of reinforced concrete as a structural material is based on bond between the two materials by the stress transfer from the concrete to the steel. It is a general rule to calculate structures supposing the same deformation for both materials in the contact area and a perfect bond between steel and concrete. Nevertheless, the stress transfer mechanisms between the reinforcement and the concrete can weaken during different stages in the building process, lifetime or maintenance and decrease the structural behaviour and the structural safe conditions.

The research develop in this thesis is motivated by the need to incorporate in the reinforced concrete analysis and structural assessment field aspects related to the steel – concrete bond degradation. These works have been approached mainly experimentally. Apart from the state of art on bond phenomenon, the main aims have been:

o To determine the influence of the c/φ relationship (concrete cover/ bar diameter)

on the bond capacity in structural elements by means of experimental programme.

o To propose a bond – slip relationship for reinforcement bars of representative

diameters.

o Experimental analysis of bond degradation effect on the structural behaviour on

elements submitted to flexure, when the damage is quantified and characterized regardless off its causes.

o From the results of the experimental program, an analytical model has been

established to assess reinforced concrete elements with steel – concrete bond degradation taking into account the element sections with no bonded bars and incorporating different degradation stages because of concrete cover loss, geometry defects, materials faults, etc.

ÍNDICE

RESUMEN

CAPÍTULO I.

INTRODUCCIÓN

1

CAPÍTULO II. OBJETIVOS

6

CAPÍTULO III. ESTADO DEL CONOCIMIENTO

10

III.1 Adherencia en el hormigón armado.

Consideraciones iniciales . . . 10

III.1.1. Antecedentes . . . 12

III.1.2. Mecanismos de adherencia entre el hormigón y el acero . . . 14

III.1.3. Influencia de la adherencia en el comportamiento estructural . . . 18

III.2 Factores que intervienen en la adherencia hormigón – acero . . . 20

III.2.1. Propiedades del hormigón . . . 21

III.2.2. Propiedades del acero . . . 22

III.2.3. Recubrimiento . . . 24

III.2.4. Posición de las barras respecto a la dirección de hormigonado . . . 26

III.2.5. Confinamiento . . . 27

III.2.6. Historia de carga . . . 28

III.2.7. Otros factores . . . 28

III.3 Causas frecuentes de patología por una deficiente transferencia de tensiones hormigón – acero . . . 30

III.4 Métodos de caracterización de la adherencia hormigón – acero . . . 35

III.4.1. Ensayos de adherencia . . . 35

III.4.2. Modelos existentes para la caracterización de la adherencia . . . 45

CAPÍTULO IV. ENSAYOS TIPO PULL – OUT. PROGRAMA

EXPERIMENTAL

53

IV.1 Resumen . . . 53

IV.2 Introducción . . . 54

IV.3 Programa de ensayos . . . 55

IV.3.1. Geometría y disposición del ensayo . . . 56

IV.3.2. Series de ensayo . . . 68

IV.3.3. Instrumentación y procedimiento de ensayo . . . 64

IV.3.4. Propiedades de los materiales utilizados . . . 66

IV.4 Resultados . . . 66

IV.5 Análisis de los resultados . . . 78

IV.5.1. Estimación de la capacidad de adherencia de barras con recubrimiento variable . . . 90

IV.5.2. Modos de fallo . . . 93

IV.6 Conclusiones . . . 99

CAPÍTULO V. ENSAYOS TIPO BEAM – TEST.

PROGRAMA EXPERIMENTAL

102

V.2 Introducción . . . 103

V.3 Programa de ensayos . . . 103

V.3.1. Materiales . . . 104

V.3.2. Diseño de vigas . . . 104

V.3.3. Dispositivo de ensayo . . . 104

V.4 Resultados . . . 105

V.5 Análisis de resultados . . . 110

V.5.1. Modelo propuesto tensión de adherencia local – deslizamiento . . . 111 V.6 Conclusiones . . . .. . . 119

CAPÍTULO VI. ELEMENTOS DETERIORADOS POR

FALTA DE ADHERENCIA. PROGRAMA EXPERIMENTAL

121

VI.2 Introducción . . . 122

VI.3 Vigas de esbeltez media con hormigón de resistencia media (Serie I) . . . 123

VI.3.1. Programa experimental . . . 123

VI.3.1.1. Materiales . . . 123

VI.3.2. Resultados . . . 128

VI.3.3. Análisis de Resultados . . . 129

VI.3.3.1. Estudio del comportamiento a flexión cuando el recubrimiento de las armaduras traccionadas es escaso . 129 VI.3.3.2. Influencia de la pérdida parcial de adherencia . . . 132

VI.3.3.3. Modos de fallo . . . 136

VI.3.4. Conclusiones Serie I . . . 139

VI.4 Vigas de esbeltez media con hormigón de alta resistencia (Serie II) . . .

141

VI.4.1. Programa Experimental . . . 142

VI.4.1.1. Materiales . . . 142

VI.4.1.2. Diseño de vigas . . . 143

VI.4.1.3. Procedimiento de ensayo . . . 144

VI.4.2. Resultados . . . 146

VI.4.3. Análisis de Resultados . . . 147

VI.4.3.1. Influencia de la pérdida parcial de adherencia . . . 147

VI.4.3.2. Modos de fallo . . . 149

VI.4.4. Conclusiones Serie II . . . 152

VI.5 Vigas de pequeña esbeltez (Serie III) . . . 152

VI.5.1. Programa Experimental . . . 153

VI.5.1.1. Materiales . . . 153

VI.5.1.2. Diseño de vigas . . . 153

VI.5.1.3. Procedimiento de ensayo . . . 155

VI.5.2. Resultados . . . .. . . 159

VI.5.3. Análisis de Resultados .. . . 159

VI.5.3.1. Estudio del comportamiento a flexión cuando el recubrimiento de las armaduras traccionadas es escaso 159 VI.5.3.2. Influencia de la pérdida parcial de adherencia . . . 162

VI.5.3.3. Modos de Fallo . . . 166

VI.5.4. Conclusiones Serie III . . . 170

CAPÍTULO VII. MODELO DE COMPORTAMIENTO PARA

LA EVALUACIÓN DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN

ARMADO CON DEFICIENTE TRANSFERENCIA DE

TENSIONES HORMIGÓN - ACERO

172

VII.2 Introducción . . . 173

VII.3 Modelo de comportamiento propuesto . . . 175

VII.4.2. Proceso de cálculo matricial . . . 182

VII.4.3. Resultados . . . 183

VII.4.4. Materiales. Leyes constitutivas utilizadas . . . 185

VII.5 Ejemplos de cálculo . . . 187

VII.5.1. Ajuste del modelo . . . 187

VII.5.1.1. Vigas A2 y DA3 . . . 188

VII.5.1.2. Vigas B2 y DB3 . . . 189

VII.5.1.3. Análisis de resultados . . . 191

VII.5.2. Ejemplos . . . 193

VII.5.2.1. Ejemplo 1 A . . . 195

VII.5.2.2. Análisis de resultados . . . 196

VII.5.2.3. Ejemplo 1 B . . . 197

VII.5.2.4. Análisis de resultados . . . 198

VII.6 Conclusiones . . . 200

CAPÍTULO VIII. CONSIDERACIONES FINALES Y

CONCLUSIONES

202

VIII.2 Aportaciones de la tesis . . . 207

VIII.3 Conclusiones . . . 209

VIII.4 Sugerencias para futuras investigaciones . . . 213

BIBLIOGRAFÍA

215

ANEJOS

225

Anejo 02. Instrumentación y equipamiento . . . 228

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN

La investigación que se desarrolla en esta Tesis introduce aspectos novedosos a tener en cuenta en el comportamiento resistente del hormigón armado y concretamente en la evaluación estructural, de gran importancia en nuestros días, tanto por el auge de la rehabilitación y recuperación de estructuras existentes como por la necesidad de realizar las inspecciones de edificios, su mantenimiento, el control del comportamiento y la evaluación de las estructuras ya construidas en términos de seguridad.

Un aspecto importante a tener en cuenta en la evaluación de una estructura existente de hormigón armado es la caracterización de los mecanismos de transferencia de tensiones entre el acero y el hormigón. La complejidad del fenómeno de la adherencia entre el hormigón y el acero se debe a que son muchos los factores y parámetros que intervienen, tanto de carácter físico como químico. Además de los relacionados con las características de la barra hay que tener en cuenta otros aspectos tales como las propiedades del hormigón, el recubrimiento, la posición de las barras respecto a la dirección de hormigonado, el confinamiento, la

historia de carga, etc., (CEB−FIP 1996).

Para caracterizar el fenómeno de la adherencia se emplean curvas tensión de adherencia local – deslizamiento que se obtienen de ensayos normalizados pull – out o beam test, en las que se pueden apreciar los diferentes mecanismos resistentes que intervienen en el fenómeno de la adherencia: adhesión química, rozamiento e interacción mecánica; dependiendo la importancia de cada uno de ellos de las características superficiales de la armadura. Por ejemplo, para barras lisas la adherencia depende fundamentalmente de la adhesión química y, tras el deslizamiento, del rozamiento, mientras que para barras corrugadas depende de la interacción mecánica existente entre las corrugas y el hormigón que las rodea (Tepfers 1973).

Los fallos que se desencadenan por una falta de adherencia dependen principalmente del tipo de barra y de las condiciones de confinamiento. Pueden ser

coincide con la del refuerzo, exponen la armadura en toda su longitud y pueden resultar peligrosas (Giuriani 1991). Factores como la separación lateral entre barras, la presión transversal, la cuantía de armadura transversal, etc., condicionan el tipo de fallo de adherencia, en estructuras de hormigón armado con barras corrugadas el fallo de adherencia más común es el asociado a la fisuración longitudinal del recubrimiento (fib 2000). El splitting ha sido analizado por numerosos investigadores en los últimos años, sobre todo en anclajes y solapes (Tepfers 1973, Gambarova 1997) donde es de especial importancia, ya que un fallo de este tipo podría desencadenar una rotura imprevista.

Entre las principales causas que pueden originar, bien la degradación de la adherencia hormigón – acero o bien la aparición de fisuras paralelas a la armadura desencadenantes de un fallo de adherencia se pueden mencionar los errores de proyecto, los fallos de ejecución que generan una mala compacidad del hormigón, longitudes de anclaje y solape insuficientes, recubrimientos escasos, etc., el deterioro de los materiales constitutivos, hormigón y acero, la agresividad medioambiental, y un nulo o insuficiente control y mantenimiento, que podría evitar en muchos de los casos el deterioro de las estructuras.

En cuanto a los modelos para la evaluación de estructuras existentes actualmente son escasos, principalmente por lo complejo de suponer el comportamiento de estructuras con determinadas patologías de las que generalmente se desconocen una gran cantidad de parámetros tales como: la resistencia real del hormigón colocado, la cuantía y localización de las armaduras, el estado real de cargas, el comportamiento resistente de secciones y piezas reales, etc. El modelo propuesto en esta tesis doctoral considera algunos de estos factores con el objeto de caracterizar la respuesta de una estructura afectada por una pérdida de adherencia.

I.1. CONTENIDO DEL DOCUMENTO

A continuación se describe brevemente la estructura del presente documento y los temas tratados en cada uno de los capítulos.

En el Capítulo II se establecen los objetivos generales de la Tesis, concretando los trabajos que se desarrollan.

El Capítulo III corresponde al estado del conocimiento y a la revisión bibliográfica de los antecedentes relacionados con la adherencia y su influencia en el comportamiento estructural a partir de trabajos tanto experimentales como teóricos elaborados por investigadores nacionales y extranjeros. Se describen los mecanismos en los que se basa el fenómeno de la adherencia, los factores que intervienen, los principales síntomas patológicos que pueden originar un deterioro de la adherencia y los métodos de evaluación, referentes a ensayos y a normativa.

En el Capítulo V se presenta la investigación llevada a cabo para obtener una relación tensión de adherencia – deslizamiento en barras corrugadas mediante ensayos normalizados beam test. Se ha propuesto un modelo de adherencia considerando los siguientes parámetros: tensión de adherencia τ, tensión de

adherencia residual τf, valores representativos de deslizamiento s1, s2, s3,

resistencia a compresión del hormigón fcy diámetro del refuerzo φ.

El Capítulo VI describe los ensayos desarrollados para determinar la influencia de determinados parámetros, como el porcentaje de armadura que no presenta adherencia, la resistencia del hormigón, el recubrimiento y la existencia o no de armadura transversal en el comportamiento de piezas solicitadas a flexión. Con ello se analiza la influencia de una falta de transferencia de tensiones hormigón – acero en el comportamiento estructural de estos elementos. En estos ensayos se contemplan tres niveles de deterioro: nivel bajo, medio y alto, aproximadamente con un 30%, 50% y 70% de pérdida de adherencia respectivamente.

A partir de los resultados obtenidos en el programa experimental, en el Capítulo VII se propone un modelo analítico para la evaluación de estructuras existentes de hormigón armado. Este modelo incorpora los fenómenos de degradación de la adherencia hormigón – acero que afectan tanto a la geometría de la estructura como a los materiales.

CAPÍTULO II. OBJETIVOS

La investigación desarrollada en la presente Tesis introduce aspectos novedosos que se deben tener en cuenta en el comportamiento resistente del hormigón armado y concretamente en la evaluación estructural, actualmente de gran importancia tanto por el creciente auge de la rehabilitación y recuperación de estructuras existentes como por la necesidad de realizar inspecciones de edificios, su evaluación y mantenimiento.

de investigación son: determinar mediante el análisis experimental la influencia de diversos parámetros en la tensión de adherencia, estudiar empíricamente la influencia del deterioro de la adherencia en el comportamiento de elementos flectados, y proponer un modelo de evaluación de estructuras en servicio afectadas por una pérdida de adherencia hormigón – acero.

Los temas tratados tienen una relevancia científica importante dentro del campo de las estructuras de hormigón armado, como lo demuestra la celebración de reuniones científicas y congresos periódicos específicos sobre adherencia (Bond in Concrete) organizados por las entidades y organismos más prestigiosos internacionales como son la fib y el ACI, entre otros, y la existencia de grupos de trabajo estables internacionales de carácter científico, técnico y normativo.

Los objetivos principales de la presente Tesis se pueden concretar en los siguientes puntos:

Determinar la influencia del recubrimiento y de la relación c/ø en la

tensión de adherencia

Con este objetivo se pretende estimar la tensión de adherencia con la que se puede contar en piezas de hormigón armado con un recubrimiento nulo o insuficiente, o una baja relación c/φ.

Se determina la influencia de la relación c/φ (recubrimiento/diámetro de la barra) en la capacidad de adherencia mediante ensayos tipo pull – out en probetas prismáticas. Para cada diámetro se han contemplado recubrimientos teóricos desde una posición centrada de la barra hasta una posición tangente a una de las caras de la probeta, y se ha diseñado un dispositivo para la realización de los ensayos.

En particular, la investigación se ha concretado en los siguientes aspectos:

¾ Estudio de los principales fallos derivados por una disminución o degradación de la adherencia hormigón −acero.

¾ Propuesta de una ecuación teórica para obtener, a partir de c/φ, la tensión de adherencia residual para su aplicación en el modelo propuesto (Capítulo VII).

Propuesta de una relación tensión de adherencia – deslizamiento

El objetivo es establecer una relación tensión de adherencia – deslizamiento en barras de diámetros representativos. Esta curva se determina mediante ensayos normalizados tipo beam test para diámetros de barras de las series media y gruesa. Se ha adoptado como base el tipo de curva propuesto por el Código Modelo CEB – FIP 90 (1996), definida por cuatro tramos.

Determinar la influencia de la posible disminución de la adherencia por

recubrimientos escasos o nulos en la capacidad a flexión

Con este fin se han realizado ensayos a flexión en elementos con adherencia parcial de la armadura de tracción. Se han llevado a cabo dos series según la esbeltez del elemento, denominadas series I y II. Las variables han sido el recubrimiento (0, 10 mm y 20 mm) y el grado de confinamiento, alto y bajo, proporcionado por estribos.

Determinar la influencia de la pérdida parcial de adherencia en la

capacidad a flexión

crecientes hasta la rotura. El rango de niveles de deterioro en función del porcentaje de la armadura traccionada está comprendido entre un nivel bajo (aproximadamente 30% de falta de adherencia) y un nivel alto (aproximadamente 70% de falta de adherencia). En cada ensayo se registra la curva carga – desplazamiento, el mapa de formación de fisuras, la carga de rotura y la forma de producirse. Se han llevado a cabo tres series de ensayos en vigas de resistencia normal y de resistencia elevada.

Los resultados obtenidos para alcanzar este objetivo son de aplicación en el modelo propuesto.

Propuesta de un modelo teórico de evaluación de estructuras

CAPÍTULO III. ESTADO DEL CONOCIMIENTO

III.1.

ADHERENCIA EN EL HORMIGÓN ARMADO.

CONSIDERACIONES INICIALES

En el hormigón armado se presupone la acción conjunta del acero y del hormigón y gracias al fenómeno de la adherencia se desarrolla la colaboración entre estos dos materiales. Si no existiese, la armadura deslizaría sin encontrar resistencia ante cualquier esfuerzo de tracción. Además representa un papel fundamental en el anclaje y solape de barras.

La adherencia afecta a varios aspectos del comportamiento estructural, no sólo para estados límites últimos, sino también en situaciones de servicio, en aspectos relacionados por ejemplo con la fisuración y la deformación.

El principal síntoma de una deficiente transferencia de tensiones hormigón − acero en una estructura es la aparición de fisuras paralelas a la dirección de la armadura. Al fallo asociado a este fenómeno se le conoce con el nombre de splitting. Es un tipo de rotura frágil muy peligroso, en el que se fisura el recubrimiento y la armadura puede deslizar si no tiene otro tipo de anclaje dentro de la pieza de hormigón. Además el control de la fisuración es de gran importancia para garantizar la protección de las armaduras frente a agentes agresivos, ambientes marinos, humedad, etc. que pueden acelerar el proceso de deterioro.

Sin embargo, a pesar de la importancia que sobre el comportamiento de estructuras de hormigón armado tiene la reducción o pérdida parcial de la adherencia entre el hormigón y el acero, no se han encontrado muchos trabajos experimentales que evalúen estructuras cuando dicho deterioro está cuantificado y localizado, independientemente de cual haya sido su origen.

III.1.1. Antecedentes

La adherencia ha sido considerada de interés desde hace más de un siglo debido al papel tan importante que desempeña en estructuras de hormigón armado. En un principio se suponía que la adherencia entre el acero y el hormigón era una interacción perfecta sin que existiese deslizamiento relativo entre estos dos materiales. Es el investigador Morsch (1908) quien distingue dos tipos de fallos de

adherencia, pull − out y splitting. Abramsin (1913) señala que la tensión de adherencia es función del desplazamiento relativo de la barra respecto al hormigón que la rodea.

Han sido numerosas las contribuciones de investigadores para describir el mecanismo de adherencia en el hormigón armado. Entre todas destaca la de Tepfers (1973) quien afirma que la transferencia de tensiones desde la barra embebida al hormigón se produce mediante unas fuerzas inclinadas de compresión según un ángulo α. Equilibrando a la componente radial de esta fuerza aparece un

anillo de tracciones que provoca fisuras internas (Figura 1). Según las condiciones de confinamiento de la barra, el fallo se puede producir por splitting, fisuración del

recubrimiento, o por pull − out, deslizamiento de la barra. Según Cairns (1995) (a) el fallo por splitting se origina cuando el recubrimiento es menor que tres veces el diámetro de la barra, ya que al aumentar la carga las fisuras se propagan radialmente y un mayor recubrimiento retrasa la aparición de fisuras en la superficie.

Lutz y Gergely (1967), Lutz (1970), Goto (1971), Tepfers (1973), Orangun et al. (1977), Eligehausen et al. (1983) estudiaron los mecanismos en los que se basa la adherencia. En general, una barra lisa embebida en un elemento de hormigón permanece adherida debido fundamentalmente a la adhesión química entre los dos materiales y al rozamiento. Si la longitud de anclaje no es suficiente, se produce un deslizamiento de la barra.

Sin embargo, si la longitud es suficiente, se consigue transferir las tensiones de tracción desde la barra embebida al hormigón. A medida que la carga aumenta, la adhesión química se deteriora y permanecen las tensiones de rozamiento entre el hormigón y el refuerzo.

a)

b)

Figura 2. a) fisuras primarias y secundarias transversales alrededor de una barra de acero de 32 mm de diámetro en la superficie de una fisura de splitting y, b) fisuración del hormigón alrededor de la barra tras la formación de fisuras internas, (Goto 1971).

adherencia, clasificándolas en: primarias, secundarias y longitudinales. La Figura 2 a) presenta la sección longitudinal de una probeta de hormigón cilíndrica de un ensayo pull − out seccionada longitudinalmente por el plano de una fisura de

splitting. En la Figura 2 b) aparece la fisuración del hormigón: la fisura primaria (de

longitud ro), que alcanzan la superficie y, las secundarias (fisuras transversales

internas de longitud ri).

III.1.2.

Mecanismos de adherencia entre el hormigón y el acero

Del mismo modo que para caracterizar el comportamiento mecánico de los materiales como el acero y el hormigón, se emplean diagramas que relacionan la tensión con la deformación, para estudiar la adherencia se utilizan diagramas que relacionan la tensión de adherencia local con el deslizamiento relativo de la barra. Este tipo de diagramas de adherencia se obtienen a partir de ensayos

experimentales (pull − out o beam test) y dependen de una gran variedad de parámetros.

Existen varios mecanismos resistentes en los que se basa la adherencia: a)

adhesión química, b) rozamiento y, c) interacción mecánica. En barras lisas la adherencia se debe principalmente a la adhesión química y al rozamiento y, en el caso de barras corrugadas éstos son despreciables y la adherencia se logra sobre todo mediante la interacción mecánica entre el hormigón y las corrugas.

Figura 3. Relación tensión de adherencia local – deslizamiento esquemática: curva a) situación bien confinada, curva b) sin confinamiento y fallo por splitting y, curva c) situación confinada, splitting al que sigue un fallo por pull − out. En la figura de la derecha la sección de referencia que se toma para medir el deslizamiento, (Magnusson 2000).

III.1.2.1. Adhesión Química

En esta primera fase la tensión de adherencia se debe a la interconexión físico – química de partículas de la pasta de cemento con la rugosidad de la superficie de contacto de la armadura (tramo A del diagrama de adherencia). La gráfica es lineal y los pequeños deslizamientos que se registran son debidos a la deformación del hormigón. Corresponde a tensiones de adherencia bajas, según el fib Bond Models

III.1.2.2. Rozamiento

Al ir aumentando la carga aplicada en la barra “N”, lo hace la tensión de adherencia, la adhesión química entre los dos materiales se anula y, comienza un mecanismo de adherencia por rozamiento que depende principalmente de las características e irregularidades de la barra.

En el caso de barras corrugadas las corrugas inducen tensiones en el hormigón situado en la parte superior de éstas apareciendo fisuras transversales internas en el mismo, (fisuras secundarias según Goto 1971, Figura 2) y permiten cierto deslizamiento de la barra. Estas primeras fisuras transversales internas justifican el cambio de pendiente del diagrama en esta fase (B) y los deslizamientos que se producen, (ver Figura 3). Corresponde según fib Bond Models (2000) a una tensión de adherencia comprendida entre 0,8fcty 1,0fct.

Esta tensión de adherencia, en la que aparece la fisuración transversal, depende de numerosos factores entre los que destacan: la resistencia a tracción del hormigón, la posición y la dirección de la solicitación, el recubrimiento, etc. A esta etapa corresponde pequeños valores de tensión, lo que implica que ya para estados iniciales de carga se produce una fisuración interna en el hormigón armado. Si no existiera confinamiento en el elemento, el fallo se producirá cuando estas fisuras transversales internas alcancen la superficie.

III.1.2.3. Interacción Mecánica

Al aumentar la carga se modifica el comportamiento del elemento de hormigón y aumenta considerablemente el deslizamiento de la barra debido a la fisuración interna por lo que en esta fase intervienen de una forma muy activa el confinamiento, el recubrimiento, la armadura transversal, etc. Esta fase corresponde a una tensión de adherencia comprendida entre 1fcty 3fct.

III.1.2.4. Fallo

valor de τ máxima también depende entre otros factores de la resistencia del hormigón, del índice de corrugas y de la posición de la barra. Una vez superada la tensión máxima se produce un descenso brusco de tensiones. Los fallos según el tipo de barra y condiciones de confinamiento pueden ser:

Splitting

Consiste en la aparición de fisuras longitudinales en el recubrimiento según la dirección de la armadura. Se produce cuando las tensiones de tracción generadas por la adherencia superan la resistencia a tracción del hormigón y no existe confinamiento adicional al proporcionado por el recubrimiento. Debido a que la dirección de estas fisuras coincide con la del refuerzo, exponen a la armadura en toda su longitud y resultan peligrosas sobre todo desde el punto de vista de la durabilidad de la estructura (Giuriani 1998 (a), (b)).

Este tipo de fallo de adherencia es el más común en estructuras de hormigón armado con barras corrugadas, debido a los escasos recubrimientos y a las cuantías de armadura transversal normalmente utilizadas en nuestras estructuras.

El splitting ha sido analizado por numerosos investigadores en los últimos años,

sobre todo en anclajes y solapes (Tepfers 1973, Gambarova 1997, Vogel 2002) y para grandes diámetros de barras.

Pull − Out

Consiste en el deslizamiento de la armadura dentro del elemento de hormigón. Se pueden distinguir dos tipos:

¾ Deslizamiento de la barra, generalmente se produce en barras lisas y,

adherencia entre el hormigón y el acero. En estructuras reales este tipo de fallo se produce en raras ocasiones.

Mientras que la rama ascendente del diagrama de adherencia ha sido ampliamente analizada, no ocurre lo mismo para la rama descendente debido principalmente a la gran cantidad de factores que influyen en ella.

III.1.3. Influencia

de

la adherencia en el comportamiento estructural

La acción conjunta del hormigón y del acero se ve comprometida al deteriorarse los mecanismos que garantizan la adherencia. En este caso las deformaciones de estos dos materiales no serían iguales y no resultaría válida la hipótesis de deformación plana de Bernoulli. Además, en elementos solicitados a flexión con cierto deterioro de la adherencia en las zonas traccionadas, incluso podría alterarse el comportamiento de la viga, pasando de trabajar como un elemento flectado, donde la parte central se encuentra solicitada a tensiones elevadas, a comportarse como un arco atirantado donde las tensiones se concentran en la zona del anclaje.

La adherencia es un factor a considerar en la capacidad última de carga de una estructura. Además juega un papel importante en la deformación bajo carga de servicio y en la fisuración, principalmente en el ancho de fisura y separación entre ellas, aunque en estructuras bien calculadas no es probable que aparezcan fisuras de adherencia significativas bajo cargas de servicio (Guía de diseño GEHO CEB, 1996). Aunque ciertas fisuras originadas por otras causas, como las de retracción plástica, pueden alinearse en la dirección de la armadura y desencadenar un fallo local de adherencia.

La disminución de la resistencia de un elemento solicitado a flexión con pérdida de adherencia dependerá de varios factores, principalmente de la longitud de armadura que no presente adherencia, de la cuantía geométrica de armadura de tracción, del recubrimiento de la armadura y del grado de confinamiento.

No existen antecedentes directos de investigaciones sobre la influencia del deterioro de la transferencia de tensiones hormigón − acero en la capacidad portante y en la respuesta estructural cuando la pérdida de adherencia está cuantificada y localizada. Sí existen, sin embargo, trabajos destinados a evaluar estructuras con falta de adherencia debida a la corrosión de armaduras, como los de Eyre (1992), Rodríguez (1998), etc. e investigaciones destinadas a evaluar la capacidad de elementos a flexión cuando las armaduras quedan descubiertas por la reparación del hormigón que las recubre, como los estudios de Cairns (1995) (c), Zhang (1995) y Raoof (1996).

Teóricamente debido a la pérdida de interacción hormigón − acero debe disminuir en gran medida la capacidad resistente de las estructuras de hormigón armado, pero los ensayos desarrollados por Cairns y Zhao (1993), Cairns (1995) (c) y Eyre y Nokhasteh (1992) demuestran que si la armadura de tracción permanece anclada en sus extremos, en vigas simplemente apoyadas no disminuye la capacidad resistente, ya que puede modificarse el comportamiento de la viga y de trabajar a flexión pasa a convertirse en un arco atirantado en la zona del vano donde el refuerzo está expuesto.

armadura sin adherencia no hay pérdida de resistencia para secciones con poca cuantía de armadura (<1,5%), siempre que queden garantizadas unas condiciones de anclaje óptimas. Sin embargo, para cuantías de armadura mayores (>1,5%), la pérdida de resistencia es notable incluso para menores longitudes de armadura descubierta (fib 2000).

En el modelo teórico desarrollado por Zhang (1995) se estima la resistencia a flexión de vigas de hormigón con la armadura de tracción descubierta. Una de las conclusiones de este trabajo es que la existencia de armadura de compresión proporciona un incremento notable de la capacidad portante de las vigas con la armadura de tracción expuesta. Incluso se simulan los ensayos publicados por Cairns y Zhao (1993) obteniendo una correlación óptima entre los resultados del modelo y los experimentales.

Raoof y Lin (1996) estudian como afectan distintas variables a la pérdida de resistencia en vigas sin recubrimiento y sin adherencia en algunas zonas como la cuantía de armadura a tracción y la existencia o no de armadura superior. Establecen como conclusiones que secciones sin armadura de compresión son más susceptibles a una pérdida de resistencia. Estos resultados coinciden con los anteriores.

Estos estudios constituyen principalmente los antecedentes de esta investigación aunque la intención sea evaluar la capacidad estructural de vigas que durante un breve período de tiempo van a quedar descubiertas debido a la reparación del hormigón.

III.2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ADHERENCIA

HORMIGÓN − ACERO

recubrimiento, la posición de la armadura respecto a la dirección de hormigonado, el confinamiento, la historia de carga, ya que influyen en el estado tensional del hormigón que rodea a la barra (CEB 1982). A continuación se describen cada uno de ellos.

III.2.1.

Propiedades del hormigón

Las propiedades mecánicas del hormigón empleado y, en especial, la resistencia a tracción, influyen decisivamente en el comportamiento adherente. Aunque es difícil cuantificar la influencia de este parámetro en la tensión de adherencia, se puede considerar según la monografía de Ache (2000) sobre “Armaduras pasivas en la Instrucción EHE”, la siguiente formulación:

bm co

ck b

f

f

τ

⋅













=

τ

α

(Ec. 1.)

siendo τb la tensión media de adherencia para un hormigón de resistencia fck, τbm la

tensión media de adherencia obtenida del ensayo beam test, fco la resistencia a

compresión del hormigón de las probetas de ensayo, fck la resistencia característica

del hormigón a compresión y α un coeficiente experimental para hormigones de resistencia menor de 30 MPa y cuyo valor es: 1 para fck <17,5 MPa, 2/3 para 17,5

<fck<25 MPa y 0,5 para fck>25 MPa. Estos datos se han obtenido de ensayos sobre

barras de acero realizados en el IETcc (Ache, 2000).

De igual modo el Eurocódigo 2 (UNE-ENV-1992, 1-1:93) proporciona la tensión de adherencia de cálculo, que denomina fbd, en función de la resistencia característica

del hormigón a compresión según el tipo de barra, de alta adherencia – barras

corrugadas – y de baja adherencia – barras lisas – según la siguiente formulación:

a) Para barras lisas:

b) Para barras corrugadas:

fbd = (2,25⋅fctk0.05) / γc´ (Ec. 3.)

El EC2 propone unos valores de la tensión de adherencia de cálculo fbd tabulados

según la resistencia a compresión del hormigón con “buenas” condiciones de adherencia, obtenida a partir de las ecuaciones 2 y 3, con un coeficiente de

minoración γc´ = 1,5 para barras lisas y barras de alta adherencia.

Tabla 1. Valores de cálculo de tensión de adherencia fbd, en MPa, según EC2 para buenas condiciones de adherencia (γc´ = 1,5).

fck[MPa] 12 16 20 25 30 35 40 45 50

Barras lisas 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

Barras de alta adherencia

para φ≤32 mm 1,9 2,0 2,3 2,7 3,0 3,4 3,7 4,0 4,3

Entre las propiedades del hormigón que afectan a la adherencia, además de la resistencia, hay que considerar otros factores como la dosificación ya que la tensión de adherencia aumenta cuando disminuye la relación agua − cemento, (Tilantera y Rechardt, 1977), (fib 2000).

La dosificación del hormigón influye sobre todo en la retracción plástica y en el asentamiento plástico, factores muy relacionados con la fisuración del recubrimiento.

III.2.2.

Propiedades del acero

La tensión de adherencia disminuye al aumentar el diámetro de la armadura. La geometría del refuerzo y concretamente la distribución, la separación, la altura y el

tipo de corrugas influyen en la transferencia de tensiones hormigón − acero ya que evitan el deslizamiento físico de la barra embebida en el hormigón (fib 2000).

Además, la separación y altura de corrugas tienen un efecto importante en el tipo de fallo que se produce, ver Figura 4 (Rehm 1969), en la que aparece la influencia de la altura a, y la separación c´. En el primer caso, para una relación c´/a menor, al aplicar una fuerza de tracción sobre la barra se produce el fallo por rotura del hormigón situado entre dos corrugas y, en el segundo caso, para una relación mayor de c´/a, el fallo se produce por la rotura del hormigón situado alrededor de cada corruga en forma de cuña. A medida que aumenta la altura y espesor de corrugas se puede decir que aumenta la adherencia (Balazs 1986, Eligehausen 1979). Rehm (1969) propuso que la relación adecuada entre la altura a y, la distancia entre corrugas c´, debe estar comprendida entre 0,07 y 0,1 suponiendo que el espesor de las corrugas es despreciable frente a la separación entre ellas.

Figura 4. Influencia de la altura de corruga a y, separación entre corrugas c´, en el tipo de fallo, (Rehm 1969).

Es posible relacionar todas las propiedades geométricas de las corrugas que influyen en la adherencia mediante un factor fr “índice de corrugas”. El índice de

corrugas relaciona el área de la proyección de una corruga Ar sobre la sección

transversal de la barra, el diámetro de la barra db , y la separación entre corrugas sr,

r b

R r

s d A f

⋅ ⋅ π

= (Ec. 4.)

El factor fr determina las propiedades adherentes de las barras corrugadas, es

decir, que barras con distinta geometría pero con el mismo índice fr tendrían

teóricamente las mismas propiedades adherentes.

En cuanto al ángulo que forman las corrugas con el eje de la barra, si son perpendiculares (90º) presentan mejores propiedades adherentes que las corrugas inclinadas (Malvar 1992), aunque esta inclinación produce mayores tensiones en el hormigón e incluso fisuras radiales. También este ángulo influye en el tipo de fallo: para ángulos de corrugas comprendidos aproximadamente entre 40º y 105º la rotura del hormigón se produce entre dos corrugas, mientras que para ángulos comprendidos entre aproximadamente 30º y 45º se forma una rotura en cuña en el hormigón situado al lado de cada corruga.

Se ha estudiado ampliamente por numerosos investigadores cual es el tipo de corrugado que proporciona mejor capacidad adherente. La tendencia actual en el diseño de corrugas es disminuir la altura y separación entre ellas con el objeto de evitar tensiones elevadas en el hormigón (Cairns 1995b, Darwin 1993, Zuo 2000).

III.2.3. Recubrimiento

El recubrimiento no sólo es fundamental en aspectos como la durabilidad de las estructuras de hormigón armado por suponer una barrera física ante la entrada de agentes agresivos, sino que también desempeña un papel decisivo en la adherencia hormigón – acero, al determinar el tipo de fallo (Rehm 1979). De ahí la importancia de la colocación de separadores para mantener el espesor de recubrimiento de las armaduras en estructuras de hormigón armado.1

1 _{La Instrucción de Hormigón Estructural EHE (1998) en el art. 66.2 establece la distancia entre estos}

El recubrimiento se puede considerar confinamiento pasivo. Al aumentar éste la capacidad adherente entre la barra y el hormigón es mayor ya que retrasa la aparición de las fisuras en la superficie. Aunque realmente es la relación

recubrimiento − diámetro (c/φ) el factor a tener en cuenta, (Bâzant 1995, Gambarova 1997). La capacidad adherente aumenta con el recubrimiento hasta un determinado valor a partir del cual permanece constante. Este valor del recubrimiento varía con las condiciones del elemento y, según algunos

investigadores está comprendido entre 2,5φ y 3,5φ (Vandewalle 1992, Cairns 1995a y Walker 1999).

En el caso de producirse las fisuras de splitting por una falta de transferencia de tensiones entre el hormigón y el acero, se iniciarán en una zona determinada del elemento en función de la separación entre barras, el diámetro y el recubrimiento.

Figura 5. Fallo por splitting: A) fisuras iniciales debido al escaso recubrimiento cy,

B) cono de rotura y, C) fisuración de una capa completa tras el splitting lateral debido al escaso recubrimiento lateral cx y separación entre barras

(Tepfers 1973).

En elementos donde el recubrimiento inferior cy es mínimo (o cuando la relación c/φ

es pequeña), la fisuración se inicia siguiendo la directriz de la armadura en la zona inferior, Figura 5 a) para terminar formando un cono de rotura, Figura 5 b). Sin embargo, si el recubrimiento mínimo de la pieza está en el lateral del elemento cx, y

III.2.4. Posición de las barras respecto a la dirección de

hormigonado

Otro factor influyente en la adherencia acero – hormigón es la posición de la armadura en la fase de hormigonado: horizontal, vertical o inclinada y, zona superior o inferior.

Por un lado, si las barras se encuentran en la misma dirección que el hormigonado, es decir, verticales presentan mejor adherencia y por otro lado, barras horizontales colocadas en la zona inferior del elemento ofrecen un mejor comportamiento adherente que aquéllas situadas en la parte superior. Consecuencia de este factor es la clasificación de la posición I y II en la Instrucción Española EHE (1998)2 _para

la determinación de las longitudes básicas de anclaje:

a) Posición I: Buena adherencia, para armaduras que durante el hormigonado

forman con la horizontal un ángulo comprendido entre 45º y 90º o en el caso de formar un ángulo inferior a 45º están situadas en la mitad inferior de la sección o a una distancia igual o mayor a 30 cm de la cara superior de una capa de hormigón. En este caso la longitud básica de anclaje en prolongación recta es la necesaria para anclar una fuerza Asfyd de una barra

suponiendo una tensión de adherencia constante y es igual a la siguiente expresión:

l

= m

⋅φ

≥

20 fyk

⋅φ

siendo: m el coeficiente función del tipo de acero y de la resistencia característica del hormigón, obtenido a partir de los resultados experimentales del ensayo de adherencia de barras, φ diámetro de la barra en centímetros, y fyklímite elástico garantizado del acero en N/mm2.

b) Posición II: Adherencia deficiente, para las armaduras que no se encuentren

en los casos anteriores. La longitud básica de anclaje es igual a:

l

= 1,4

⋅

m

⋅φ

≥

14 fyk

⋅φ

La longitud básica de anclaje lb depende además de la posición que ocupen las

barras en el elemento de hormigón armado, de las propiedades adherentes de éstas obtenidas experimentalmente, de la calidad del hormigón, y del tipo de acción (ya que para cargas dinámicas aumenta la longitud en 10φ).

En la Figura 6 b) se presenta una gráfica del aumento de la tensión de adherencia con la armadura situada en la dirección de hormigonado frente a la otra figura, con la posición perpendicular Figura 6 a), (Rehm 1969). Según esta gráfica para una relación entre la longitud de la barra y el diámetro ld / db igual a 10, la tensión de

adherencia τb correspondiente a deslizamientos de 0,1 mm y 0,01 mm disminuye

con las barras perpendiculares al hormigonado, Figura 6 a).

a) b)

Figura 6. Influencia de la posición de la barra en la tensión de adherencia para ensayos pull − out y deslizamientos correspondientes a 0,01 mm; 0,1 mm y los correspondientes a τmáx, (Rehm 1969).

III.2.5. Confinamiento

En cuanto a la acción del recubrimiento como confinamiento pasivo ya se expuso en el apartado III.2.3. Respecto al refuerzo transversal, confina al hormigón que rodea la armadura longitudinal y su principal efecto es retrasar la aparición de fisuras y en caso que se produzcan mejorar el comportamiento adherente (Plizzari 1998). Su eficacia depende del tipo de armadura que se emplee (barras rectas, estribos o espirales), de la posición y separación.

En cuanto a la presión transversal hay que destacar el efecto positivo que produce, sobre todo en las zonas de apoyo y en los anclajes de barras sin adherencia adecuada.

III.2.6.

Historia de carga

La duración, velocidad y tipo de solicitación a la que se ve sometida la estructura influyen en la adherencia, así como el estado tensional del hormigón que rodea a la barra. Un factor importante es además el sentido de la carga, que puede ser aplicada en una sola dirección comprimiendo o traccionando al elemento, o alternativamente en ciclos de tracción y compresión, típico de acciones sísmicas (fib

2000).

III.2.7. Otros

factores

Otros factores que influyen directamente en la transferencia de tensiones hormigón

− acero son: la temperatura, la degradación del hormigón, los ambientes agresivos o con alto grado de humedad, etc.

Se ha demostrado que la tensión de adherencia se ve afectada positivamente por

Figura 7. Relación tensión de adherencia – deslizamiento para diferentes temperaturas, (Diederichs 1981).

Además es fundamental el análisis de la adherencia ante temperaturas elevadas, para su aplicación al caso de estructuras deterioradas por la acción del fuego. Las barras lisas son más sensibles a altas temperaturas que las barras corrugadas. Las investigaciones de Diederichs y Schneider (1981) y Morley y Royles (1983) apuntan que un elemento de hormigón armado sometido a temperaturas elevadas sufre pérdidas considerables de resistencia. Los ensayos demuestran que la pérdida de adherencia en barras corrugadas es del mismo orden de magnitud que la pérdida de resistencia a compresión del hormigón (Diederichs y Schneider 1981). Para una temperatura de 200°C la tensión de adherencia sufre una reducción severa entre el

80% y 90% respecto a una temperatura inicial de +20°C, además de cambios en la

gráfica adherencia − deslizamiento, (Katz 2000). En la Figura 7 se muestran

diferentes curvas tensión de adherencia − deslizamiento para temperaturas de: 20,

300, 370, 500, 600 y 800°C según Diederichs (1981) obtenidas de ensayos pull –

Por último, destacar el papel que desempeña el recubrimiento en la resistencia última de estructuras afectadas por temperaturas elevadas: la tensión máxima de adherencia y el deslizamiento máximo disminuyen con el recubrimiento, principalmente debido al tipo de fallo que se produce.

Concluyendo, los diferentes aspectos enunciados anteriormente demuestran que en los fenómenos de adherencia intervienen un gran número de variables que hacen de este un problema realmente complejo.

III.3. CAUSAS FRECUENTES DE PATOLOGÍA POR UNA

DEFICIENTE TRANSFERENCIA DE TENSIONES HORMIGÓN

– ACERO

Los síntomas patológicos que afectan a las estructuras de hormigón armado en servicio pueden originar una degradación de la adherencia hormigón - acero. En la Figura 8 se presentan algunas fisuras típicas de adherencia en un elemento solicitado a flexión según el boletín número 10 del fib 2000. Cabe destacar en esta figura las fisuras de splitting en la zona inferior de la viga en el solape de barras debido a un recubrimiento insuficiente o en el extremo, por escasa longitud de anclaje o por tensiones elevadas en las armaduras.

Figura 8. Principales tipos de fisuras en un elemento de hormigón armado por una deficiente transferencia de tensiones hormigón  acero (fib 2000).

En primer lugar, los errores en el proyecto y en el diseño de estructuras de hormigón armado pueden generar desde fallos en el aspecto estético hasta ocasionar el colapso de la estructura por splitting. Los errores que afectan a la adherencia son principalmente: escasas longitudes de anclaje y solapes, falta de definición en el proyecto de nudos y encuentros, inexistencia de armadura transversal, dosificaciones inadecuadas, etc. En especial hay que destacar los recubrimientos menores que los especificados en la Instrucción.

a)

b)

Figura 9. Patología en un forjado reticular por pérdida de adherencia (cortesía IETcc).

diseño CEB de durabilidad de estructuras de hormigón (1996) para evitar la concentración de armaduras que impida el paso del hormigón.

a)

b)

Otro aspecto a considerar es la limpieza de las armaduras en el transporte, apilado y colocación para evitar manchas de grasa que impidan una correcta transferencia de tensiones hormigón – acero. Para garantizar la protección de las armaduras, la Instrucción EHE (1998) contempla unos recubrimientos mínimos que dependen del tipo de ambiente, clase de exposición y del hormigón utilizado. A su vez, exige la colocación de "separadores" con una determinada distancia entre ellos para garantizar no sólo el recubrimiento previsto sino la posición de las armaduras durante el hormigonado (art. 37.2.5 EHE).

Figura 10. a) hormigonado defectuoso debido a una incorrecta disposición de armaduras, b)

recomendación de colocación de armaduras

según la Guía de Diseño CEB de durabilidad (1996).

barra por el mismo efecto. Otras causas de fisuración longitudinal del recubrimiento como son por ejemplo las altas tensiones de adherencia, pueden iniciar o acelerar el proceso corrosivo. En general puede decirse que la mejor protección para evitar la corrosión en condiciones no extremas es un adecuado recubrimiento, que no sólo impide el proceso de corrosión sino que evita la fisuración por splitting (Gambarova 1997).

El riesgo de corrosión originado por las fisuras de splitting es mayor que para las fisuras de flexión debido a la dirección de las mismas (Giuriani 1998 (a), (b)). De igual modo es importante tener en cuenta la corrosión de la armadura transversal, más expuesta a este tipo de agresión por estar situada más superficialmente, que puede causar una pérdida de confinamiento en el hormigón.

En tercer lugar, hay que subrayar que el mantenimiento es fundamental para detectar las posibles patologías producidas y evitar la aceleración del proceso de degradación. En la Figura 11 se muestra una estructura en zona de ambiente marino con gran deterioro en un principio por corrosión de armaduras y acelerado por una falta de mantenimiento.

Por último, destacar que determinadas acciones pueden generar indirectamente una disminución de la tensión de adherencia, por fisuras paralelas a la armadura o transversales (que conlleva una disminución del confinamiento y un posible fallo de adherencia). Una de las causas que puede originar una fisuración del recubrimiento en la dirección de la armadura es el asentamiento plástico del hormigón (debido a una inadecuada dosificación y puesta en obra), que se produce principalmente en elementos horizontales como vigas o losas.

III.4. MÉTODOS DE CARACTERIZACIÓN DE LA ADHERENCIA

HORMIGÓN − ACERO

Se incluye a continuación una revisión de los principales tipos de ensayos para caracterizar y cuantificar el fenómeno de adherencia (algunos de los cuales empleados en esta Tesis doctoral), de los modelos propuestos y de los códigos y normativas existentes relacionados con el tema.

III.4.1.

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.

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.

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

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

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).

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

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.

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