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CARACTERIZACIÓN DE FISURAS EN VIGAS DE CONCRETO REFORZADO CON ADICIÓN DE FIBRAS DE POLIPROPILENO SOMETIDAS A FLEXIÓN
DINÁMICA
MARIA DE LOS ANGELES LIEVANO ANGELA PATRICIA GUTIERREZ TORRES
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ D.C
JULIO 2011
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CARACTERIZACIÓN DE FISURAS EN VIGAS DE CONCRETO REFORZADO CON ADICIÓN DE FIBRAS DE POLIPROPILENO SOMETIDAS A FLEXIÓN
DINÁMICA
MARIA DE LOS ANGELES LIEVANO ANGELA PATRICIA GUTIERREZ TORRES
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
DIRECTOR: ING. DANIEL MAURICIO RUIZ VALENCIA ING. FEDERICO ALEJANDRO NUÑEZ MORENO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ D.C
JULIO 2011
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REGLAMENTO DE LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA Art. 23 de la resolución No. 13 del 6 de Julio de 1964
“La Universidad no se hace responsable por los conceptos emitidos por sus alumnos en sus trabajos de tesis. Solo velará porque no se publique nada contrario al dogma y la moral católica y porque las tesis no contengan ataques o polémicas puramente personales; antes bien, se ve en ellas el anhelo de buscar la verdad y la justicia”.
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AGRADECIMIENTOS
Deseamos expresar nuestro agradecimiento a los Directores del presente trabajo de grado, Ingeniero Federico Núñez e Ingeniero Daniel Ruiz, por la dedicación, orientación y confianza a lo largo del desarrollo de este trabajo.
A nuestras familias, por el apoyo brindado durante este proceso y los consejos dados continuamente para el crecimiento personal, sin su apoyo y colaboración los resultados no habrían sido los mismos.
A la empresa Holcim Colombia S.A y SIKA S.A, por el interés prestado para la realización de este proyecto y el aporte de los materiales necesarios para desarrollar las probetas necesarias para cumplir a cabalidad los objetivos planteados para este proyecto.
A la Pontificia Universidad Javeriana por la formación personal y académica brindada durante nuestro proceso de aprendizaje.
Finalmente a todas aquellas personas y amigos que nos brindaron su apoyo y tiempo para el logro de nuestros objetivos.
7 CONTENIDO
1. INTRODUCCION ... 1
2. JUSTIFICACION Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 3
3. OBJETIVOS ... 6
3.1 GENERAL ... 6
3.2 ESPECIFICOS ... 6
4. MARCO TEORICO Y ESTADO DEL ARTE ... 7
4.1 TEORIA GENERAL ... 7
4.2 COMPORTAMIENTO Y MODOS DE FALLA DE ELEMENTOS SUJETOS A FLEXIÓN SIMPLE ... 9
4.3 CAUSAS DERIVADAS DE ESFUERZOS ESTRUCTURALES ... 12
4.4 MECÁNICA DE LA FRACTURA ELÁSTICA LINEAL ... 13
4.4.1 MODOS DE FRACTURA ... 15
4.4.2 MODELOS DE FRACTURA PROGRESIVA ... 16
4.5 ENERGÍA DE FRACTURA ... 17
4.6 CARGAS DINÁMICAS ... 18
4.7 CONTROL DE FISURACIÓN EN MIEMBROS FLEXIONADOS ... 19
5. ESTADO DEL ARTE ... 23
5.1 ESTADO DEL ARTE EN EL MUNDO ... 23
5.2 INVESTIGACION EN COLOMBIA ... 25
5.3 REFERENTES INTERNACIONALES ... 26
5.4 REFERENCIAS NACIONALES ... 30
6. DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO PARA LA CONSTRUCCION DE LAS PROBETAS A ENSAYAR ... 33
6.1 DISEÑO ... 33
6.2 CONSTRUCCION DE LA ARMADURA ... 40
6.3 INSTRUMENTACION ELECTRONICA ... 41
6.4 PROCESO DE COLOCACIÓN DEL CONCRETO Y CURADO ... 43
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7. CARACTERIZACION DE MATERIALES ... 45
7.1 RESISTENCIA A LA COMPRESION DE CILINDROS DE CONCRETO ... 45
7.2 RESISITENCIA A LA TENSION EN VARILLAS CORRUGADAS DE ACERO .... 46
7.3 CARACTERIZACION DE MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 48
7.4 CALIBRACION DE CELDAS DE VOLTAJE ... 49
8. DESARROLLO EXPERIMENTAL DE FRACTURA Y OBTENCION DE PARAMETROS GEOMETRICOS DE FISURACION ... 52
8.1 MONTAJE EXPERIMENTAL ... 52
8.2 DESGASTE DINAMICO ... 54
8.3 ENERGIA DE FRACTURA ... 54
8.4 PROTOCOLO DE CARGA ... 55
9. ANALISIS DE RESULTADOS ... 56
9.1 ENSAYO DINAMICO ... 56
9.1.1 CICLO DE HISTERESIS: 0 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 56
9.1.2 CICLO DE HISTERESIS: 1.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 58
9.1.3 CICLO DE HISTERESIS: 3.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 60
9.1.4 CICLO DE HISTERESIS: 5.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 62
9.2 ENSAYO ESTATICO ... 64
9.2.1 ENSAYO ESTATICO: 0 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 65
9.2.2 ENSAYO ESTATICO: 1.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 66
9.2.3 ENSAYO ESTATICO: 3.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 67
9.2.4 ENSAYO ESTATICO: 5.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 68
9.3 VELOCIDAD DE PROPAGACION ... 71
9.4 DESGASTE LONGITUDINAL ... 73
9.4.1 VIGAS CON 0 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 73
9.4.2 VIGAS CON 1.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 76
9.4.3 VIGAS CON 3.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 79
9.4.4 VIGAS CON 5.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 82
9.5 DEFORMACIÓN MÁXIMA ... 86
9.5.1 VIGAS CON 0 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 86
9.5.2 VIGAS CON 1.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 88
9
9.5.3 VIGAS CON 3.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 89
9.5.4 VIGAS CON 5.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 91
9.6 ÁREA DE AFECTACIÓN ... 93
9.6.1 VIGAS CON 0 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 96
9.6.2 VIGAS CON 1.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 97
9.6.3 VIGAS CON 3.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 98
9.6.4 VIGAS CON 5.8 Kg/m3 MACROFIBRAS DE POLIPROPILENO ... 99
9.7 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL REFUERZO PRINCIPAL EN FLEXIÓN ... 101
9.8 ANALISIS COMPARATIVO DE PARAMETROS ... 106
9. CONCLUSIONES ... 109
10. RECOMENDACIONES ... 113
11. BIBLIOGRAFIA ... 114
12. ANEXOS ... 118
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INDICE DE ANEXOS
Pág
ANEXO 1 . CARTILLA DE HIERROS ... 119
ANEXO 2 . RESULTADOS ENSAYOS COMPRESIÓN: MEZCLA 1 CONCRETO ... 120
ANEXO 3 . RESULTADOS ENSAYOS COMPRESIÓN: MEZCLA 2 CONCRETO ... 121
ANEXO 4 . RESULTADOS ENSAYOS COMPRESIÓN: MEZCLA 3 CONCRETO ... 122
ANEXO 5 . RESULTADOS ENSAYOS COMPRESIÓN: MEZCLA 4 CONCRETO ... 123
ANEXO 6 . METODO DE COMPATIBILIDAD DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES..113
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INDICE DE IMAGENES
Pág
Imagen 1 . Armadura principal de las vigas ... 41
Imagen 2 . Instrumentación Electrónica en Varillas ... 42
Imagen 3 . Montaje de celdas diferenciales de voltaje tipos Strain Gage ... 42
Imagen 4 . Sistema de protección usado para los Strain Gage ... 43
Imagen 5 . Preparación del concreto ... 43
Imagen 6 . Fundida de Vigas ... 44
Imagen 7 . Probetas hidratadas en la piscina de curado ... 44
Imagen 8 . Toma de cilindros ... 45
Imagen 9 . Ensayo de resistencia a la tensión ... 46
Imagen 10 . Instalación Extensómetro ... 47
Imagen 11 . Macrofibras de Polipropileno tipo SikaFiber 600 ... 48
Imagen 12 . Software LabVIEW ... 51
Imagen 13 . Señal dada por el Software LabVIEW ... 51
Imagen 14 . Montaje Experimental ... 52
Imagen 15 . Medición de ancho de fisura ... 55
Imagen 16 . Determinación de la región en zonas de fisura por flexión y/o cortante ... 94
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INDICE DE FIGURAS
Pág
Figura 1 . Aparición de las primeras fisuras por flexión ... 7
Figura 2 . Fisuras por flexión y corte en el instante previo a la rotura ... 8
Figura 3 . Rigidez EI en el estado I y EI en el estado II ... 9
Figura 4 . Espécimen para estudio de flexión simple ... 9
Figura 5 . Carga de Flexión de un Elemento ... 10
Figura 6 . Esquema de Agrietamiento en un elemento estructural de concreto ... 11
Figura 7 . Control de fisuras con armadura longitudinal ... 12
Figura 8 . Deterioro Estructural ... 13
Figura 9 . Modo de Apertura ... 15
Figura 10 . Modo Deslizante ... 15
Figura 11 . Modo de Rotura Transversal ... 16
Figura 12 . Curva de Ablandamiento ... 18
Figura 13 . Grafica de carga Vs Deformación ... 29
Figura 14 . Diagrama de Momento y Cortante ... 34
Figura 15 . Sección transversal de las vigas ... 35
Figura 16 . Detalle del sensor usado durante la instrumentación electrónica ... 41
Figura 17 . Diagrama esfuerzo – deformación ... 47
Figura 18 . Diagrama esfuerzo – deformación ... 48
Figura 19 . Calibración Strain Gages ... 50
Figura 20 . Esquema General Montaje ... 53
Figura 21 . Protocolo de carga ... 55
Figura 22 . Ciclo de histéresis viga 1 ... 56
Figura 23 . Ciclo de histéresis viga 2 ... 57
Figura 24 . Ciclo de histéresis viga 3 ... 57
Figura 25 . Ciclo de histéresis viga 4 ... 58
Figura 26 . Ciclo de histéresis viga 5 ... 58
Figura 27 . Ciclo de histéresis viga 6 ... 59
Figura 28 . Ciclo de histéresis viga 7 ... 60
Figura 29 . Ciclo de histéresis viga 8 ... 60
Figura 30 . Ciclo de histéresis viga 9 ... 61
Figura 31 . Ciclo de histéresis viga 10 ... 62
Figura 32 . Ciclo de histéresis viga 11 ... 62
Figura 33 . Ciclo de histéresis viga 12 ... 63
Figura 34 . Energía Disipada por fractura ... 64
Figura 35 . Ensayo estático vigas sin adición de Macrofibras ... 65
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Figura 36 . Ensayo estático vigas con 1.8 Kg/m3 de adición de Macrofibras ... 66
Figura 37 . Ensayo estático vigas con 3.8 Kg/m3 de adición de Macrofibras ... 67
Figura 38 . Ensayo estático vigas con 3.8 Kg/m3 de adición de Macrofibras ... 68
Figura 39 . Área disipada para los diferentes porcentajes de adición de Macrofibras ... 70
Figura 40 . Velocidades de propagación ... 72
Figura 41 . Desgaste longitudinal viga 1 ... 73
Figura 42 . Desgaste longitudinal viga 2 ... 74
Figura 43 . Desgaste longitudinal viga 3 ... 75
Figura 44 . Desgaste longitudinal viga 4 ... 76
Figura 45 . Desgaste longitudinal viga 5 ... 77
Figura 46 . Desgaste longitudinal viga 6 ... 78
Figura 47 . Desgaste longitudinal viga 7 ... 79
Figura 48 . Desgaste longitudinal viga 8 ... 80
Figura 49 . Desgaste longitudinal viga 9 ... 81
Figura 50 . Desgaste longitudinal viga 10 ... 82
Figura 51 . Desgaste longitudinal viga 11 ... 83
Figura 52 . Desgaste longitudinal viga 12 ... 84
Figura 53 . Resumen desgaste longitudinal ... 85
Figura 54 . Deformación máxima para vigas sin adición de Macrofibras ... 87
Figura 55 . Deformación máxima para vigas con 1.8 Kg/m3 de Macrofibras ... 89
Figura 56 . Deformación máxima para vigas con 3.8 Kg/m3 de Macrofibras ... 90
Figura 57 . Deformación máxima para vigas con 5.8 Kg/m3 de Macrofibras ... 92
Figura 58 . Deformación máxima para vigas con diferentes porcentajes de Macrofibras .. 92
Figura 59 . Área de afectación viga 1 ... 96
Figura 60 . Área de afectación viga 2 ... 96
Figura 61 . Área de afectación viga 3 ... 96
Figura 62 . Área de afectación viga 4 ... 97
Figura 63 . Área de afectación viga 5 ... 97
Figura 64 . Área de afectación viga 6 ... 97
Figura 65 . Área de afectación viga 7 ... 98
Figura 66 . Área de afectación viga 8 ... 98
Figura 67 . Área de afectación viga 9 ... 98
Figura 68 . Área de afectación viga 10 ... 99
Figura 69 . Área de afectación viga 11 ... 99
Figura 70 . Área de afectación viga 12 ... 99
Figura 71 . Área de afectación ... 100
Figura 72 . Protocolo de Carga Ensayo Electrónico ... 102
Figura 73 . Variación de esfuerzos ... 103
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INDICE DE ECUACIONES
Pág
Ecuación 1 . Energía Específica de Fractura ... 17
Ecuación 2 . Relación de la deformación con la carga ... 50
Ecuación 3 . Energía Disipada por fractura ... 64
Ecuación 4 . Desgaste longitudinal ... 73
Ecuación 5 . Área de daño ... 95
Ecuación 6 . Área de daño ... 95
Ecuación 7 . Área de afectación ... 100
Ecuación 8 . Carga para la cual el acero alcanza estados teóricos de fluencia ... 103
1 1. INTRODUCCION
El concreto es uno de los materiales de construcción más extendidos debido a su sencillez de fabricación y manejo, su resistencia y la capacidad de adoptar cualquier forma imaginable. Es bien sabido que el sistema utilizado para conferir ductilidad a las estructuras de concreto es reforzarlas con materiales compatibles en esfuerzos y deformaciones pero de gran capacidad en tensión, sin embargo existen situaciones en las que a pesar de ello el comportamiento es intrínsecamente frágil [Guinea, 1990], razón por la cual se pueden llegar a presentar fisuras en el mismo, atribuibles a numerosas causas las cuales pueden sólo afectar la apariencia de una estructura, indicar baja durabilidad o generar fallas estructurales significativas [ACI 224 R-93, 1993].
Como solución al deterioro del concreto mencionado anteriormente, se han buscado a lo largo de la historia mecanismos o materiales que permitan el control o la disminución de estas fisuras, tal es el caso del uso de microfibras o Macrofibras de polipropileno que son seleccionadas según las solicitudes requeridas en el concreto, tanto en estado fresco como en estado endurecido.
Según la ASTM C 1116 las fibras se definen como filamentos finos y elongados en forma de haz, malla o trenza, de algún material natural o manufacturado que pueda ser distribuido a través de una mezcla de concreto fresco; es importante destacar que todas las fibras se comportan de manera diferente en la mezcla, sin embargo lo importante es entender las propiedades de cada una de estas y como trabajan, para de este modo obtener el mayor beneficio posible.
De acuerdo con estos precedentes, se ha analizado el comportamiento del uso de fibras, encontrando que estas incrementan la capacidad de absorción de energía permitiendo un comportamiento más dúctil hasta la carga última [Zerbino, 2004]; no obstante, estas fibras sintéticas no reemplazan el refuerzo estructural principal en el concreto [Barreda, Iaiani & Sota, 2000].
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Debido al incremento del uso del concreto en proyectos de infraestructura civil y la búsqueda por mejorar la durabilidad de dichas estructuras, se pretende con esta investigación realizar un análisis comparativo del comportamiento de las fisuras generadas por cargas dinámicas en concretos con y sin adición de fibras variando su contenido en porcentaje respecto al volumen de la mezcla de concreto. Además se verificó el estado de esfuerzos que presenta el acero de refuerzo para esfuerzos de flexión en tiempo real al estar sometida a las mismas cargas hasta cuando la electrónica empleada lo permita, debido a que los grandes esfuerzos generados en la interface concreto-acero pueden limitar la capacidad de transmisión de señal de los sensores usados.
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2. JUSTIFICACION Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En los últimos años, ha surgido un importante progreso en la industria de la construcción, progreso que no solo ha alcanzado excelentes técnicas de diseño y cálculo, sino también avances en la tecnología del concreto, haciendo especial énfasis en el comportamiento de este material de construcción.
Pero casi tan importante como la capacidad de la estructura para resistir las solicitaciones producidas por las cargas aplicadas sobre ésta, es el obtener estructuras durables en el tiempo, capaces de resistir durante su periodo de vida útil las acciones del medioambiente, ataques físicos, químicos u otros procesos de deterioro con un mínimo mantenimiento [Alvarez, 2009].
Un caso de dicho deterioro durante el tiempo de servicio de una estructura se observó durante las labores de reparación en los parqueaderos de la Pontificia Universidad Javeriana, donde debido a un progresivo aumento de fisuras, las losas de entrepiso presentaron estados de deficiencia estructural elevada.
En la búsqueda de estructuras durables en el tiempo se analiza como la masa de concreto tiene una baja resistencia a la tracción y una baja capacidad a la rotura [Alvarez, 2009]; no obstante estas deficiencias son tradicionalmente disminuidas mediante la adición de continuas barras de refuerzo las cuales se encuentra localizadas en ciertas partes específicas de la estructura según su necesidad; por otro lado se ha estado implementando el uso de fibras como innovadora adición en el concreto con el objetivo de mejorar su comportamiento, las cuales generalmente se distribuyen al azar en toda la matriz del elemento. Esta innovadora adición de fibras al concreto ha tenido una creciente implementación, tal como lo ilustra la norma ACI 544.2R-89 - Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete: “El uso del concreto reforzado con fibras (FRC-Fiber Reinforced Concrete) ha pasado de las pequeñas escalas de aplicación experimental a los trabajos de rutina y aplicaciones de campo, que involucran su utilización en muchos cientos de miles de yardas cúbicas por año en todo el mundo”.
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Para estudiar el comportamiento del concreto, referente a la adición de fibras en la mezcla, son distintos los ensayos que se han realizado, entre los cuales se encuentran algunos realizados en tramos de pavimento rígido, que demostraron que para que las fibras de polipropileno puedan ser consideradas como refuerzo secundario se requiere un volumen de fibra de 0.9 kg por metro cúbico como mínimo, adición que consiguió mayor resistencia a la compresión en edades de 7 y 28 días, además no solo encontró que la tenacidad aumento sino que también lo hizo la resistencia a la tensión [Barreda & Iaiani & Sota, 2000]. Así mismo, otro ensayo realizado determinó por medio de la evaluación de la energía de fractura en una viga simplemente apoyada cargada en los tercios de la luz, un aumento significativo de la rigidez y la fuerza resistente mediante la adición de refuerzo de fibras plásticas en el concreto [Pizhong & Yingwu, 2004].
Como resultado de la gran cantidad de estructuras que presentan fisuración durante su vida útil, recientemente se hizo una caracterización previa que aún es un estudio en desarrollo, con el cual se pretende determinar la energía de fractura de vigas en concreto reforzado sin ningún tipo de adición de elementos externos como fibras a la base de concreto; dicho estudio basa el deterioro en dos estados de carga: Un deterioro previo dinámico como función de la frecuencia y un desgaste controlado estático hasta la falla. De acuerdo con los primeros resultados se encontró que la frecuencia a la que se aplica la carga modifica sustancialmente la capacidad de resistencia a esfuerzos de flexión, de esta manera para frecuencias altas se determinó una mayor cantidad de energía de fractura remanente que para aquellas vigas que tuvieron una pre-carga con frecuencias más bajas; lo anterior se debe posiblemente a la característica elástica del concreto en esfuerzos bajos antes del límite de capacidad a tensión pura del concreto εo [Núñez & González, 2011].
Actualmente existen un sin número de tipos de fibras, las cuales están siendo estudiadas; tal es el caso de las Macrofibras de polipropileno, las cuales tienen importantes aspectos a destacar como por ejemplo el ser más económicas con respecto a otras fibras como las de acero; adicionalmente son químicamente inertes y muy estables en el medio alcalino que supone el concreto, presentando una superficie hidrófoba, es decir que no absorbe agua durante la mezcla ni el posterior fraguado. [Alvarez, 2009].
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Por lo anterior, surge la motivación de hacer un estudio documentado y un análisis a través del ensayo a flexión dinámica en vigas de concreto reforzado con y sin adición de fibras de polipropileno, analizando su comportamiento y originando una propuesta que suministre orientación acerca de un nuevo método de construcción y posibles porcentajes óptimos de aplicación.
Como parte del desarrollo experimental se elaboraron doce vigas de concreto reforzado con diferentes porcentajes de fibras de polipropileno, realizando un análisis comparativo del comportamiento de las fisuras generadas por cargas dinámicas en los diferentes tipos de mezcla que permitan analizar: la influencia que tiene la adición de fibras de polipropileno en el control de la fisuración, los efectos de las cargas dinámicas en el comportamiento de la masa cementante y por último el cambio de la durabilidad de los elementos fabricados con este tipo de concreto.
6 3. OBJETIVOS
3.1 GENERAL
Caracterizar el comportamiento de las fisuras en vigas de concreto reforzado (ancho, longitud y área de afectación) con adición de diferentes porcentajes de fibras de polipropileno para la acción de cargas cíclicas.
3.2 ESPECIFICOS
Medir el crecimiento de las fisuras en las vigas de concreto reforzado con adición de fibras de polipropileno para diferentes etapas de carga cíclica.
Determinar la capacidad de disipación de energía en elementos de concreto sometidos a flexión dinámica para diferentes dosificaciones de fibras de polipropileno, en comparación con vigas similares sin las adiciones.
Monitorear mediante Strain Gages la deformación unitaria del acero de refuerzo, y su comportamiento a medida que crece el ancho de fisuración producido por cargas cíclicas.
7 4. MARCO TEORICO Y ESTADO DEL ARTE 4.1 TEORIA GENERAL
El concreto reforzado debe sus características favorables para ser usado en estructuras civiles al desarrollo de la adherencia entre el acero y el concreto.
Mediante dicha adherencia se asegura que las barras de acero experimenten las mismas deformaciones específicas que las fibras vecinas del concreto. Si se considera que la deformación límite por tracción del concreto es reducida, se debe interpretar que para solicitaciones por tracción más elevadas, el mismo se fisura, siendo la armadura de acero la que absorbe los esfuerzos de tracción. La adherencia debe actuar de tal manera que las fisuras sean de un espesor pequeño, es decir, que se trate de fisuras que no comprometan la capacidad estructural del elemento. Particularmente, en zonas con ambientes agresivos el ancho de estas fisuras debe limitarse por razones de durabilidad para condiciones de servicio [Calavera Ruiz, 2005].
Para el concreto reforzado sometido a esfuerzos flectores se distinguen dos estados [Mac Gregor, J. Reinforced, 2004]:
Estado I: La zona de tracción del concreto no se encuentra fisurada, de modo que el concreto también absorbe tensiones de tracción (se dice que el concreto aún está por debajo de su capacidad máxima en tensión).
Figura 1 . Aparición de las primeras fisuras por flexión [31]
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Estado II: La zona traccionada del concreto presenta numerosas fisuras; los esfuerzos de tracción deben ser absorbidos en su totalidad por la armadura de acero existente.
Figura 2 . Fisuras por flexión y corte en el instante previo a la rotura [31]
Los ensayos de laboratorio en vigas de concreto reforzado simplemente apoyadas se efectúan con cargas concentradas aplicadas en los tercios de la luz o en el centro de la luz. En el primer caso si se considera la viga de concreto reforzado de sección rectangular sometida a cargas P concentradas en los tercios de la luz, como se indica en la Figura 1 y Figura 2¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. , puede observarse una variación de la rigidez a la flexión con el incremento de la carga. Esta disminución de la rigidez proviene de la aparición y posterior incremento de fisuras perpendiculares al eje de la viga en la zona central donde el momento es máximo. Se observa, en la Figura 2 la inclinación de las fisuras en los tercios extremos por la influencia del esfuerzo cortante en dichos tramos del elemento estructural.
La variación de la deformación en el centro del tramo en función de la carga P se ha representado en la Figura 3¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Para el Estado I, la deformación se mantiene reducida y se corresponde exactamente con el valor teórico, calculado sobre la base de la rigidez a la flexión EI (I), teniendo en cuenta los valores idealizados de la sección. En cuanto aparecen las primeras fisuras, las deformaciones por flexión crecen más rápidamente. En este instante el concreto se encuentra en Estado II, por lo que su rigidez a la flexión disminuye, obteniéndose el valor EI (II), como se aprecia en la Figura 3.
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Figura 3 . Rigidez EI en el estado I y EI en el estado II [31]
Son frecuentes los elementos estructurales sujetos a flexión, tales como vigas o losas que trabajan en una sola dirección. Generalmente la flexión se presenta acompañada de cortante. Sin embargo, la resistencia a la flexión puede estimarse con suficiente precisión despreciando el efecto de la fuerza cortante.
4.2 COMPORTAMIENTO Y MODOS DE FALLA DE ELEMENTOS SUJETOS A FLEXIÓN SIMPLE
Se ha llevado a cabo un gran número de ensayos en flexión utilizando vigas simplemente apoyadas, sometidas a dos cargas concentradas de modo simétrico, en las que existe una zona sujeta en mayor medida a momento flector si se desprecia el peso propio de la viga (Figura 4).
Figura 4 . Espécimen para estudio de flexión simple [25]
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El mecanismo de falla de un elemento de concreto con refuerzo de tensión se muestra en la Figura 5¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Al empezar a cargar el elemento su comportamiento es esencialmente elástico y toda la sección contribuye a resistir el momento exterior. Cuando la tensión en la fibra más reforzada de alguna sección excede la resistencia del concreto a la tensión, empiezan a aparecer fisuras. A medida que se incrementa la carga, estas fisuras aumentan en número, en longitud y abertura. Se puede observar claramente la zona del elemento sujeta a tensión en la que se presentan las fisuras [González Oscar & Robles Francisco, 2005].
Figura 5 . Carga de Flexión de un Elemento [25]
A partir de la aparición de las primeras fisuras el comportamiento del elemento ya no es elástico y las deflexiones no son proporcionales a las cargas.
En las regiones fisuradas, el acero toma prácticamente toda la tensión. En esta etapa, el esfuerzo en el acero aumenta hasta que alcanza su valor de fluencia.
Desde el momento en que el acero empieza a fluir, la deflexión crece en forma considerable, sin que aumente la carga. Los primeros síntomas de la fluencia del acero son un incremento notable en la abertura y longitud de las fisuras y una discontinuidad marcada en la curva carga – deflexión [González Oscar & Robles Francisco, 2005].
A medida que aumenta la longitud de las fisuras, la zona de compresión se va reduciendo, hasta que el concreto en esta zona es incapaz de tomar la compresión y se aplasta. El primer indicio de aplastamiento es el desprendimiento
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de escamas en la zona de compresión. Cuando esto ocurre la carga disminuye con mayor o menor rapidez, dependiendo de la rigidez del sistema de aplicación de carga, hasta que se produce el colapso final.
Según la cantidad de acero longitudinal con que esta reforzado el elemento estructural, este puede fluir o no antes de que alcance la carga máxima.
Cuando el acero fluye, el comportamiento del elemento es dúctil; es decir, se producen deflexiones considerables antes del colapso final, tal como se muestra en la Figura 5. En este caso se dice que el elemento es subreforzado. Por otra parte, si la cantidad de acero longitudinal de tensión es grande, este no fluye antes del aplastamiento y se dice entonces que el elemento es sobrereforzado; si el elemento alcanza su resistencia precisamente cuando el acero empieza a fluir se dice que el elemento es balanceado [González Oscar & Robles Francisco, 2005].
En la Figura 6 se presenta los esquemas de fisuramiento correspondiente a vigas con diferentes porcentajes de acero. En el caso de un elemento sobre reforzado, la zona de aplastamiento del concreto es mayor que en el caso de otro sobre-esforzado. Las fisuras del primero son de longitud y aberturas menores.
Figura 6 . Esquema de Agrietamiento en un elemento estructural de concreto sometido a flexión [25]
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Aporte del Acero en la Resistencia del Concreto Reforzado
Las fisuras de tracción por flexión se empiezan a producir en la zona inferior (zona de mayores esfuerzos de tracción) y se propagan verticalmente hacia arriba.
La propagación de esas fisuras se controla por el acero longitudinal de flexión en la zona más crítica (fibras inferiores) lo que además de limitar el ancho de las fisuras, evita que el eje neutro se desplace excesivamente hacia arriba, de modo que una vez que las fisuras alcanzan el eje neutro, se detiene su crecimiento.
[Winter G. & Nilson A, 2000].
Figura 7 . Control de fisuras con armadura longitudinal [46]
Por otra parte, las fisuras de tracción por corte inician en las fibras centrales (que tienen los mayores esfuerzos) y rápidamente se propagan hacia los dos extremos (fibras superiores e inferiores). La fisuración alcanza a afectar inclusive a la porción ubicada encima del eje neutro de flexión por lo que se requiere de acero adicional que atraviese esas fisuras en todos los niveles y controle el crecimiento de las mismas para evitar la falla de la estructura.
4.3 CAUSAS DERIVADAS DE ESFUERZOS ESTRUCTURALES
Básicamente, los esfuerzos generadores de fisuras son los primarios de tracción, compresión, y sus combinaciones de flexión y torsión [Mas-Guindal, Antonio, 2002]:
La fisura por tracción aparece a lo largo de la pieza en sentido perpendicular a la actuación del esfuerzo de tracción.
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La fisura por compresión excesiva, siempre se manifiesta por tracción transversal, es decir a través de grietas paralelas en la dirección del esfuerzo de compresión, es la fisura patológicamente más alarmante porque denota el agotamiento del concreto por acortamiento plástico y su manifiesto estado de rotura.
Las fisuras de flexión, pueden tener su origen en un exceso de tracción, (fisuras perpendiculares a las armaduras) o en un fallo de la cabeza comprimida de concreto que genera un cono de falla por tracción.
Figura 8 . Deterioro Estructural [32]
4.4 MECÁNICA DE LA FRACTURA ELÁSTICA LINEAL
La teoría básica de la cual emana la mecánica de la fractura tiene su origen en el trabajo publicado por Griffith en 1921. Se trata, por tanto, de una disciplina nacida a principios del siglo XX y que se ha desarrollado rápidamente en las últimas décadas, partiendo de una fuerte base teórica hasta alcanzar importantes aplicaciones prácticas. Su objetivo primordial es determinar las combinaciones críticas de tres variables relativas a un componente o estructura: la tensión aplicada, el tamaño de los defectos que contiene y la tenacidad de fractura del material. De las consideraciones anteriores se desprende que la aplicación de la
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mecánica de la fractura resulta fundamental para el diseño de componentes, la planificación de inspecciones en servicio y, en general, para una utilización segura de los materiales en ingeniería.
Es así que la mecánica de fractura lineal elástica (“Linear Elastic Fracture Mechanics”, LEFM) es una ciencia que estudia los mecanismos y proceso de propagación de fisuras en sólidos, así como la distribución de tensiones y deformaciones que ocurren en un material fisurado o con discontinuidades, sometidos a cierta tensión externa.
En términos simples la formulación energética de la mecánica de fractura consiste en comparar la energía disponible para la propagación de una fisura en una estructura con la energía necesaria para producir su fisuramiento. La energía disponible para el avance de la fisura por unidad de área se denomina tasa de liberación de energía (G) y la energía necesaria para el fisuramiento se denomina tasa crítica de liberación de energía o energía de fisuramiento ( ICG ).
Irwin (1957) introdujo un avance importante en la mecánica de fractura ya que planteó el análisis en términos de tensiones (formulación tensional), lo cual no se había podido hacer anteriormente debido a que teóricamente en la punta de una fisura las tensiones tienden a infinito, independientemente de la magnitud de la carga aplicada. Para su formulación, Irwin plantea que el proceso de fractura no puede concentrarse en un solo punto, como se deduciría de un análisis netamente elástico, sino que se presenta en una zona pequeña pero finita, que denomina zona plástica en la cual, las tensiones ya dejan de ser infinitas porque parte de la energía elástica se consume en la deformación plástica del material próximo a la punta. El concepto principal introducido aquí es el de factor de intensidad de tensiones (K), de gran aplicación en la mecánica de fractura. El parámetro K está relacionado con el parámetro G, mediante las propiedades elásticas del material y para la condición de inicio de fisura se considera que K adquiere un valor crítico y por tal razón se denomina factor de intensidad de tensiones crítico o tenacidad a la fractura KIC.
Uno de los aspectos importantes que hacen diferente un análisis convencional de resistencia de materiales a otro de mecánica de fractura es que en el primer caso la resistencia o tensión de rotura es independiente del tamaño de la estructura o elemento sometido a carga, mientras que en el segundo, la resistencia puede variar en función del tamaño de la estructura.
15 4.4.1 MODOS DE FRACTURA
De acuerdo con Broek (1986), una grieta en un sólido puede verse sometida a tensión en tres modos diferentes:
Modo I o modo de apertura, en el cual la fisura se abre debido a la aplicación de tensiones normales al plano de fractura.
Figura 9 . Modo de Apertura [19]
Modo II o modo deslizante, en el que debido a la aplicación de tensión cortante en el plano de fractura, se producen desplazamientos longitudinales de las superficies en dicho plano.
Figura 10 . Modo Deslizante [19]
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Modo III o modo de rotura transversal que corresponde al desplazamiento de las superficies de fractura en sentidos opuestos, debido a la aplicación de tensión cortante en planos diferentes al plano de fractura.
Figura 11 . Modo de Rotura Transversal [19]
4.4.2 MODELOS DE FRACTURA PROGRESIVA
El concreto es un material heterogéneo formado macroscópicamente por dos fases de muy distintas propiedades, como son la matriz, compuesta por pasta de cemento endurecida, y los áridos que son agregados de carácter rocoso (silíceo o calcáreo principalmente). Debido a su composición, a partir de un cierto nivel de solicitación el concreto desarrolla en su interior fisuras macroscópicas, por lo que no puede estudiarse su comportamiento mecánico macroscópico bajo el punto de vista de las teorías clásicas de agotamiento, en las que el elemento estructural sufre un colapso de tipo plástico sin pérdida de continuidad. Esta razón llevó a los investigadores a intentar trasladar al concreto conceptos de Mecánica de Fractura Elástica Lineal, disciplina bien establecida y aplicable a numerosos materiales metálicos. Desde Kaplan, [Kaplan,1961], hasta nuestros días se han llevado a cabo muchas investigaciones en este sentido, aunque han aparecido notables dificultades que han mostrado que tampoco las teorías de fractura elástica lineal describen el comportamiento del concreto.
En estas teorías los campos de tensiones y desplazamientos muy cerca del extremo de la fisura presentan una estructura universal, cuya dependencia de la geometría del elemento y de la solicitación exterior se realiza a través de un factor de proporcionalidad conocido como factor de intensidad de tensiones [Elices, 1990]. La propagación de la grieta ocurre cuando dicho factor alcanza su valor
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crítico, que es una característica del material. El problema más importante que surge al considerar el concreto, es la aparición de una zona microfisurada en el extremo de las fisura cuyo tamaño es importante respecto de las dimensiones del elemento estructural, a diferencia de lo que ocurre en los materiales metálicos, y que conduce a la imposibilidad de establecer un valor del factor de intensidad de tensiones crítico independiente del tamaño de la probeta y de la su geometría.
Es posible separar los modelos de fractura no lineal en dos grandes grupos:
El primero agrupa aquellos modelos que se apoyan en conceptos de la Mecánica de Fractura Elástica Lineal y que alteran respecto de ésta sólo las condiciones de crecimiento e inestabilidad de las fisuras, conservando la idea de una fisura que no transmite tensiones entre sus caras, con un extremo bien definido y que avanza en un medio elástico. El segundo grupo recoge los modelos denominados de fractura progresiva. A diferencia de las teorías clásicas de fractura, en las que incluimos la Mecánica de Fractura Elástica Lineal y la Mecánica de Fractura Elástica Lineal Modificada, en estos modelos el comportamiento del material es contemplado globalmente desde su estado inicial, sin fisurar, hasta la rotura completa. El estudio descansa en una relación tensión deformación con ablandamiento, en la que, a partir de cierto valor de la deformación el material exhibe rigidez negativa. Esta formulación con ablandamiento debe ir acompañada de un criterio de localización, pues de otro modo puede suceder que la fractura se concentre en una zona de volumen nulo, no produciendo disipación de energía [Bazant, 1986].
4.5 ENERGÍA DE FRACTURA
Una fisura está caracterizada por su función de ablandamiento que relaciona la tensión transmitida entre las caras de la fisura con el valor del desplazamiento relativo entre las mismas. Cuando la fisura avanza barriendo completamente una cierta área, las tensiones y desplazamientos en cada punto de este área recorrerán completamente la curva de ablandamiento, lo que requiere un suministro energético por unidad de área que se denomina energía específica de fractura, dado por:
0 Wc
Gf
dwEcuación 1 . Energía Específica de Fractura [14]
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La expresión anterior para Gp puede interpretarse como el área bajo la curva de ablandamiento de la Figura 12¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. La energía de fractura así definida será un parámetro del material, puesto que la curva de ablandamiento es una propiedad del material. Cabe señalar que ésta es la energía necesaria para crear una unidad de área "completamente rota", es decir, que ha sufrido un proceso en el que ha recorrido completamente la curva de ablandamiento. Esto implica que los desplazamientos relativos entre los labios han debido superar su valor crítico, para el cual la tensión transmitida se hace cero.
Por ello en un ensayo que pretenda medir la energía de fractura a partir del consumo energético total debe precederse a la rotura completa (hasta carga nula) de la probeta y además, debe asegurarse que no se consuma energía en ningún otro proceso que no sea el de rotura. [Bazant, 1986].
Figura 12 . Curva de Ablandamiento [14]
4.6 CARGAS DINÁMICAS
A la fecha la mayoría de estudios se han ocupado de estudiar las tensiones y deformaciones producidas por las cargas estáticas, es decir, cargas que toman un tiempo considerable en aplicarse. Las cargas estáticas varían su magnitud de cero a los valores definitivos tan lentamente, que las aceleraciones que en estas condiciones reciben los elementos de las estructuras son despreciablemente pequeñas [Stiopon, 2005].
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Cuando una carga se aplica en un período relativamente corto recibe el nombre de “carga dinámica”. Las cargas dinámicas se distinguen de las estáticas por el hecho de originar modificaciones tanto en la magnitud de las tensiones como en las deformaciones a que dan lugar, afectando también la forma y límite de rotura de los materiales [Stiopon, 2005].
En los materiales solicitados dinámicamente la deformación de rotura se reduce en forma considerable. Así mismo, las experiencias realizadas demuestran incrementos del límite de fluencia y de la tensión de rotura. Muchos materiales que frente a cargas estáticas tienen un comportamiento dúctil, en el caso de cargas dinámicas presentan un comportamiento frágil [Stiopon, 2005].
Las cargas dinámicas producidas por el impacto de un cuerpo en movimiento pueden originar en la estructura o en parte de ella efectos vibratorios. Si la carga dinámica se repite en forma periódica, y su frecuencia coincide con el período de vibración del elemento, éste puede entrar en resonancia. Cuando esto ocurre se originan deformaciones tan grandes que conducen al colapso de la estructura [Stiopon, 2005].
La determinación en forma rigurosa de las tensiones que se originan como consecuencia de las cargas dinámicas resulta compleja y en cierto modo, un tanto indefinida. En el caso de solicitaciones estáticas las cargas actuantes pueden determinarse en forma mucho más cierta que en el caso de solicitaciones dinámicas, dónde ocurre una transferencia de una cierta cantidad de energía cinética, la cual en la práctica es muy difícil de cuantificar [Stiopon, 2005].
4.7 CONTROL DE FISURACIÓN EN MIEMBROS FLEXIONADOS
En los miembros flexionados el control de la fisuración puede ser tan importante como el control de la deflexión. La fisuración de la zona traccionada de una viga armada comienza con niveles de tensión muy bajos en la armadura, tan bajos como 20 MPa (3000 psi) [ACI 224R-01].
El papel que desempeñan las fisuras en la corrosión de las armaduras es un tema controvertido [ACI 224R-01]. Un punto de vista es que las fisuras reducen la vida de servicio de las estructuras porque permiten que la carbonatación penetre más rápidamente y que los iones cloruro, la humedad y el oxígeno lleguen hasta el acero de las armaduras. Otro punto de vista es que, aunque las fisuras aceleran el inicio de la corrosión, la corrosión es localizada. Con el tiempo los cloruros y el
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agua penetran el concreto no fisurado e inician una corrosión más generalizada.
En consecuencia, luego de algunos años de servicio hay poca diferencia entre la cantidad de corrosión en el concreto fisurado y el no fisurado. Los parámetros más importantes para la protección contra la corrosión son el recubrimiento de concreto y la calidad del concreto.
Tanto en Estados Unidos como en Europa, para limitar la fisuración bajo cargas de servicio los códigos de práctica se centran en ecuaciones para predecir anchos de fisura. La tendencia del diseño de concreto reforzado y pretensado para asegurar una fisuración aceptable bajo cargas de servicio consiste en proveer un detallado adecuado, tal como requisitos de armadura mínima y correcta selección de los diámetros de las barras, separación de las barras y reducción de las restricciones, antes que en tratar de aplicar métodos sofisticados para calcular las fisuras [Schlaich, Schafer & Jennewien, 1987].
Efectos de las cargas de larga duración
Tanto las cargas sostenidas como las cargas cíclicas aumentan la cantidad de microfisuración. La microfisuración parece ser una función de la deformación total, y es en gran parte independiente del método mediante el cual se induce la deformación. Las microfisuras que se forman a niveles de cargas de servicio no parecen afectar demasiado la resistencia ni la serviciabilidad del concreto reforzado y pretensado [ACI 224R-01].
Sin embargo, el efecto de las cargas sostenidas o repetitivas sobre la fisuración macroscópica puede ser una consideración importante desde el punto de vista de la serviciabilidad de los miembros de concreto reforzado, particularmente en términos de la corrosión de las armaduras y la apariencia. El aumento del ancho de fisura provocado por las cargas de larga duración o repetitivas puede variar entre 100 y 200% con el transcurso de los años [Bate, 1963; Brendel y Ruhle, 1964; Lutz, Sharma y Gergely, 1968; Abeles, Brown y Morrow, 1968; Bennett y Dave, 1969; Holmberg y Lindgren, 1970; Illston y Stevens, 1972; Holmberg, 1973]. Aunque hay una gran dispersión en los datos disponibles, la información obtenida de ensayos de carga sostenida de hasta dos años de duración [Illston y Stevens, 1972] y ensayos de fatiga de hasta un millón de ciclos [Bennett y Dave, 1969; Holmberg, 1973; Rehm y Eligehausen, 1977]
indican que con el tiempo es posible esperar que los anchos de fisura se dupliquen.
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Bajo la mayoría de las condiciones la separación de las fisuras no cambia con el tiempo bajo niveles de tensión constantes [Abeles, Brown & Morrow, 1968;
Illston & Stevens, 1972; Holmberg, 1973]. Existe una excepción en el caso de cargas bajas o en vigas con elevados porcentajes de armadura, en cuyo caso el número total y el ancho de las fisuras aumenta sustancialmente luego de iniciada la carga [Brendel & Ruhle, 1964; Abeles, Brown & Morrow, 1968; Holmberg,1973].
En consecuencia, el mayor aumento porcentual del ancho de fisura se dará en miembros flexionados sometidos a bajos niveles de carga, ya que en este caso las fisuras tardan más en desarrollarse. Para miembros flexionantes tanto de concreto pretensado como de concreto reforzado las cargas de larga duración y las cargas repetitivas dan aproximadamente los mismos anchos y separaciones de fisuras [Rehm & Eligehausen, 1977]. Sin embargo, la velocidad de desarrollo del ancho de fisura es considerablemente mayor bajo cargas repetitivas [Bennett &
Dave, 1969; Holmberg, 1973; Rehm & Eligehausen, 1977; Stevens, 1969].
Para cargas estáticas de corta duración y de fatiga, el ancho de las fisuras superficiales es aproximadamente proporcional a la deformación del acero [Illston
& Stevens, 1972; Holmberg, 1973; Stevens, 1969]. Los anchos de fisura aumentan bajo cargas sostenidas a una velocidad decreciente. Sin embargo, la velocidad de crecimiento del ancho de fisura es mayor que la deformación superficial media observada al nivel del acero. Para cargas de larga duración el ancho de fisura es proporcional a la deformación del acero (incluyendo los efectos de la fluencia lenta), más la deformación inducida en el concreto debido a la retracción [Illston &
Stevens, 1972].
Bajo las cargas iniciales las fisuras que intersecan la armadura son restringidas por la adherencia entre el acero y el concreto [Illston & Stevens, 1972], y el ancho de las fisuras superficiales no constituye una buena indicación de la exposición de las armaduras a condiciones corrosivas. Sin embargo, con el tiempo la adherencia entre el acero y el concreto se debilita. Luego de alrededor de dos años el ancho de fisura en la armadura es aproximadamente igual al ancho de fisura en la superficie [Illston & Stevens, 1972]. En esta etapa las fisuras en los miembros flexionados son de forma triangular, con su ancho aumentando a partir del eje neutro y son aproximadamente uniformes en todo el ancho de la viga.
Las fisuras de flexión son las más comunes en el concreto reforzado, pudiendo presentar diferentes formas según correspondan a flexión pura o flexión combinada con esfuerzo cortante.
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En la flexión simple, las fibras tendidas se pueden considerar sometidas a un esfuerzo de tracción simple cuya intensidad va disminuyendo conforme la fibra considerada se va acercando a la línea neutra. Estas fisuras aparecen por lo tanto, en las proximidades de las armaduras sometidas a tracción y progresan verticalmente buscando la línea neutra, a la vez que su anchura va disminuyendo, para que al final, mediante efectos de geometría busca el punto de aplicación de la carga y desaparece en la zona de compresión. Si la flexión es compuesta, es muy posible que sea la fibra más comprometida la que primero sufra fisuración. Las fisuras de flexión avisan con tiempo; no son, por lo tanto, índice de peligro inminente y dando tiempo, por consiguiente, para tomar medidas correctivas al elemento estructural [Cabrerizo Torrico Fernando].
4.8 DAÑOS ESTRUCTURALES EN ELEMENTOS DE CONCRETO
Las fisuras en el hormigón, son roturas que aparecen generalmente en la superficie del mismo, debido a la existencia de tensiones superiores a su capacidad de resistencia. Cuando la fisura atraviesa de lado a lado el espesor de una pieza, se convierte en grieta.
Las fisuras se originan en las variaciones de longitud de determinadas caras del hormigón con respecto a las otras, y derivan de tensiones que desarrolla el material mismo por retracciones térmicas o hidráulicas o entumecimientos que se manifiestan generalmente en las superficies libres. Distinguimos entre fisura y grieta en función del grosor de su apertura. No existen parámetros fijos establecidos, pero podemos llamar grietas a las aberturas de un ancho superior a 2 mm y fisuras a las de un ancho inferior.
La diferencia práctica entre una fisura y una grieta es que la fisura "no trabaja", y si se cierra con algún método simple no vuelve a aparecer. La grieta en cambio, "si trabaja", y para anularla hay que eliminar el motivo que la produjo y además ejecutar trabajos especiales para "soldarla".
Existen diversas causas por las que puede llegar a agrietarse el hormigón o más bien a fisurarse, (el termino grieta entre los profesionales es solo aplicado a fisuras de gran tamaño y por tanto de grandes problemas), algunas de las múltiples causas son:
Carencia de control en el sistema de articulación, exceso de agua en la mezcla de hormigón, vertido del hormigón incorrecto (mucha rapidez o demasiada lentitud) evaporación rápida de la humedad, curado del hormigón defectuoso), corrosión del refuerzo, falta de vibración al verter el hormigón, carencia de juntas de dilatación o deficiente diseño de estas, etc.
23 5. ESTADO DEL ARTE
5.1 ESTADO DEL ARTE EN EL MUNDO
Medina y Cifuentes en el 2010 desarrollaron experimentos sobre la influencia que las propiedades mecánicas de las fibras de polipropileno tienen en la fragilidad y efecto tamaño de las estructuras de concretos reforzados con las mismas, en este estudio se ensayaron unas probetas geométricamente similares y de diferente tamaño, para concretos reforzados con dos tipos de fibras y un concreto sin fibra, como probeta de control.
De este estudio se encontró que la adición de fibras de polipropileno al concreto, mejora las propiedades mecánicas del mismo. En este sentido se experimenta un aumento de la resistencia a compresión, de la resistencia a tracción indirecta y de la resistencia a flexo tracción. Según los resultados, se produce un aumento de un 14% en la resistencia a compresión, un aumento del 6% en la resistencia a tracción indirecta y un aumento del 5% en la resistencia a flexo tracción, en comparación con el concreto sin fibras. Adicionalmente se produce un aumento de la energía de fractura específica para concretos reforzados con fibras [Medina & Cifuentes, 2010].
De acuerdo con los resultados de Barreda, Iaiani y Sota, donde se usó concreto reforzado con fibras de polipropileno en un tramo experimental de pavimento de concreto, se concluyó que en el concreto con fibras existe un aumento del asentamiento y del peso unitario, así como también una disminución del porcentaje de aire incorporado respecto del concreto sin fibras, adicionalmente no se observaron fisuras por retracción, las fibras usadas unieron estas fisuras, ayudando a reducir o anular su longitud y ancho. Además se demostró que para que las fibras de polipropileno puedan ser consideradas como refuerzo secundario se requiere un volumen de fibra de 0.9 kg por metro cúbico como mínimo, adición que consiguió mayor resistencia a la compresión en edades de 7 y 28 días, además no solo encontró que la tenacidad aumento sino que también lo hizo la resistencia a la tensión [Barreda & Iaiani & Sota, 2000].
Álvarez en el 2009, demostró que la resistencia a compresión del concreto no se ve afectada de manera significativa por el contenido de fibras, y el agotamiento
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por compresión se anuncia por la formación de fisuras en la dirección de la tensión de compresión, como en el concreto convencional.
Además el número de fibras es un índice de la frecuencia de fibra, es decir de la longitud total de fibra existente por unidad de volumen de concreto. En el concreto este concepto es crítico para asegurar la intercepción de las microfisuras en las primeras horas, de hecho, la efectividad de las fibras está relacionada con la capacidad de dispersión, frecuencia de fibra y finura de éstas.
Con la incorporación de fibras de polipropileno en el concreto se proporcionó ductilidad a este, lo cual permite absorber energía del impacto, mejorando su resistencia residual y el aumento de las características mecánicas del mismo, lo que permite reducir la fisuración y consecuentemente reducir la permeabilidad del concreto y con ello la probabilidad de corrosión [Alvarez, 2009].
Finalmente, otro estudio de la medición de propiedades de fractura en concretos reforzados con fibras de acero, concluyó que la incorporación de fibras al concreto mejora las propiedades mecánicas del mismo, aumentando su ductilidad y la energía de fractura, lo que prolonga la vida útil de la estructura consiguiendo controlar la morfología de la fisuración. Los parámetros fundamentales que permiten evaluar las bondades de la adición de fibras a la matriz de concreto se obtienen mediante ensayos fractomecánicos, que permiten considerar el comportamiento post-pico, registrando la curva de ablandamiento mecánico. De este modo, se determinó que la incorporación de las fibras prácticamente no modifica la resistencia a la tracción del material pero sin embargo provoca un incremento muy significativo de la energía específica de fractura comparado con el concreto simple, la energía de fractura del concreto con fibras resulta casi 30 veces mayor, alcanzando valores cercanos a los 4000 N/m.
[Nemia & Godoyb, 2001].
25 5.2 INVESTIGACION EN COLOMBIA
En la Universidad Nacional, se estudió el comportamiento de vigas de concreto armado reforzadas con fibras de carbono en el cual se tenía como objetivo principal describir el comportamiento de las estructuras de concreto reforzado con CFRP (Concreto Armado Reforzadas Con Fibras De Carbono ) a través de los diagramas de momento curvatura correspondientes a secciones compuestas sometidas a flexión, de este estudio se concluyó que las fibras de carbono no son un material dúctil y muestran un comportamiento de esfuerzo-deformación prácticamente lineal cuando es cargado a la falla en tensión, sin embargo las secciones de concreto armado con acero y con fibras de carbono muestran un comportamiento dúctil cuando son cargados a la falla [Proaño, 2009].
En la Pontificia Universidad Javeriana, se realizó la caracterización de la evolución de parámetros de fisuración en pórticos planos de concreto reforzado sometidos a carga lateral dinámica, de lo que se concluyó que el daño en la estructura se concentró en la zona de los nudos debido a la condición de frontera la cual tuvo un comportamiento de apoyos articulados, generando giro en las columnas, adicionalmente la fuerza máxima para desplazar la estructura a los niveles de deformación estudiados es mayor para frecuencias bajas y menor para frecuencias altas; finalmente el ancho de las fisuras cambia de manera radical su tasa de crecimiento a medida que la estructura se somete a deflexiones cercanas o superiores a la deriva máxima de diseño [Nuñez & Bojaca, 2011].
Adicionalmente se está llevando a cabo un estudio de la evolución de fisuras en vigas rectangulares de concreto reforzado sometidas a flexión dinámica [Nuñez &
González, 2011].
Sin embargo el componente dinámico no ha sido estudiado a fondo por la academia Colombiana, ya que los ensayos más comunes corresponden a probetas en cargas de tipo estático como lo sugieren las diferentes fuentes referenciadas.
26 5.3 REFERENTES INTERNACIONALES
La utilización de hormigón reforzado con fibras ha pasado de aplicaciones experimentales en pequeña escala a aplicaciones de rutina y la colocación de cientos de miles de metros cúbicos al año en todo el mundo, esto ha creado la necesidad de revisar los métodos de prueba y desarrollar nuevos métodos, para determinar las propiedades de concreto reforzado con fibras [ACI 544].
La norma, ACI 544, describe el desarrollo de ensayos inicialmente para la fibra de acero, sin embargo son aplicables a concretos reforzados con fibras de vidrio, polímeros y fibras naturales, excepto cuando se indique lo contrario.
Trabajabilidad
La trabajabilidad del concreto recién mezclado es una medida de su capacidad de ser mezclado, manipulado, transportado y lo más importante, puesto y consolidado con un una mínima pérdida de homogeneidad. Existen varias pruebas para evaluar estas características:
- Ensayo de asentamiento (ASTM C 143)
- Tiempo de flujo a través de la prueba de cono invertido asentamiento (ASTM C 995).
- El consistómetro Vebe descrito en el British Standards Institution, "Métodos de Ensayos de hormigón” el cual mide el comportamiento de concretos sometidos a las vibraciones y la capacidad de flujo bajo vibración, además ayuda a evaluar la facilidad con la que el aire atrapado pueda ser expulsado.
Resistencia a la compresión
Según la ACI los procedimientos de la ASTM C 31, C 39 y C 192 utilizados para concretos convencionales son aplicables a concretos reforzados con fibras. Los cilindros deben ser de 6 x 12 pulgadas (150 x 300 mm) de tamaño y deben ser vibrados externamente. Se recomienda vibración externa y no interna debido a que esto puede influir negativamente en la distribución de las fibras al azar y la alineación.
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Resistencia a la flexión
La resistencia a la flexión del concreto reforzado con fibras puede determinarse por medio de la norma ASTM C 78 o C 1018 que hace referencia a cargas en los tercios de la luz, o por medio de la norma ASTM C 293 cargada en el centro de la luz. Por lo menos tres muestras deben hacerse para cada prueba de acuerdo con la ASTM C 1018.
La resistencia a la flexión es una medida de la resistencia a la tracción del concreto. Es una medida de la resistencia a la falla por momento de una viga o losa de concreto no reforzada. Se mide mediante la aplicación de cargas a vigas de concreto de 6x6 pulgadas (150x150mm) de sección trasversal y con luz de cómo mínimo tres veces el espesor. La resistencia a la flexión se expresa como el Modulo de Rotura (MR) en libras por pulgada cuadrada (MPa) y es determinada mediante los métodos de ensayo ASTM C78 (cargada en los puntos tercios) o AST C293 (cargada en el punto medio). 1
1CIP 16- Resistencia a flexión del concreto. EL concreto en la practica ¿Qué, Por qué y cómo?
NRMCA
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Dureza
La tenacidad es una medida de la capacidad de absorción de energía de un material. Las dificultades de llevar a cabo pruebas para determinar la tenacidad en concreto reforzado con fibras, permite que el ensayo para flexión pura sea aceptado para determinar la dureza, de este modo la energía absorbida por la muestra está representada por el área bajo la curva carga – deformación.
Por otro lado en el informe: Estado del arte de concreto reforzado con fibras;
del Instituto Americano del Concreto (ACI) 440R-02, manifiesta como la aplicación de fibras está alcanzando mayor cobertura: por ejemplo en EE.UU y Europa son usadas las fibras de vidrio para paneles de revestimiento y las fibras sintéticas en túneles y losas, debido al gran uso que ha tenido la incorporación de estos nuevos materiales en el concreto reforzado, se crea la necesidad de consolidar el conocimiento disponible e incorporarlo en los códigos de diseño actuales [ACI 440R-02].
El concreto reforzado con adición de fibras es un área de rápido crecimiento debido a la disponibilidad de un amplio tipo de fibras y una amplia gama de mejoras en el compuesto. Hasta la fecha, el mayor uso de fibras sintéticas en aplicaciones de concreto para la losa ha sido para controlar el agrietamiento por contracción plástica, en esta aplicación se utiliza generalmente un 0,1 por ciento del volumen del concreto. [ACI 440R-02].
Por otro lado, el uso de porcentajes más altos de volumen (0,4 a 0,7 por ciento) de fibras tiene como resultado la mejora significativa en algunas propiedades del concreto reforzado, como por ejemplo, el aumento en la dureza principalmente después de la fisuración y una reducción en el ancho de las fisuras, adicionalmente, estudios han demostrado que la adición de 0,75 por ciento en volumen proporcionará un importante aumento en la tenacidad del concreto y en aplicaciones de losas con un contenido hasta del 0,3 por ciento en volumen generará un aumento en la resistencia a la fatiga [ACI 440R-02].
Adicionalmente, para evaluar la tenacidad del concreto con fibras existen diversos métodos como los propuestos por la American Society for Testing Materials (ASTM), La EFNARC, La Sociedad Japonesa de Ingenieros Civiles (JSCE-SF4) y el dado por la RILEM, los cuales se explicaran a continuación:
