PROCEDIMIENTO DE ENSAYO “ECADA” PARA LA
CARACTERIZACIÓN DE LA CAPACIDAD ADHERENTE DE LAS
ARMADURAS PRETESAS AL HORMIGÓN
J.R. Martí, P. Serna, M.Á. Fernández, P. Miguel
Departamento de Ingeniería de la Construcción y de Proyectos de Ingeniería Civil Universidad Politécnica de Valencia. Camino de Vera, s/n. 46071 Valencia
RESUMEN
Se ha concebido un nuevo método de ensayo para la caracterización de la adherencia de las armaduras pretesas al hormigón, denominado ECADA, que permite reproducir de manera secuencial sobre una misma pieza de hormigón las operaciones de transmisión del pretensado y de puesta en servicio, a los efectos de analizar el comportamiento adherente por transmisión y por anclaje.
El procedimiento de ensayo que se propone se fundamenta en la sustitución de una parte del elemento de hormigón pretensado por un sistema que reúne tres condiciones básicas:
§ servir de anclaje de la armadura, de modo que pueda materializarse la transmisión del pretensado en un extremo del elemento;
§ permitir el acceso a la armadura, en el extremo opuesto al de transmisión, para aumentar su tensión, solicitando así las tensiones tangenciales de adherencia correspondientes al anclaje mediante una operación de arrancamiento; y
§ tener una rigidez igual a la de la parte sustituida, para que la tensión de la armadura en el sistema sea igual a la tensión en la zona de meseta del elemento.
El método de ensayo reúne simultáneamente las características de sencillez, economía y representatividad, y no requiere la utilización de dispositivos de medida internos en los elementos a ensayar, de tal forma que no se distorsiona el fenómeno de la adherencia.
En este trabajo se describe el ensayo ECADA, concebido para la determinación de las características de adherencia de las armaduras pretesas al hormigón. Se exponen los fundamentos del ensayo y las diferentes fases que componen el procedimiento de ensayo.
Palabras claves
Método de Ensayo, Adherencia, Hormigón pretensado, Armadura pretesa
1. INTRODUCCIÓN
La adherencia de las armaduras activas al hormigón es un fenómeno bastante desconocido en la actualidad. A lo largo de la historia han sido numerosas las investigaciones experimentales desarrolladas con diferentes tipologías de ensayo destacando los trabajos de Coussins et al. (1992) [1], den Uijl (1992) [2], Abrishami (1993) [3], Vandewalle y Mortelmans (1994) [4] y Mahmoud et al. (1999) [5]. Por otra parte se han detectado algunas deficiencias de adherencia en este tipo de armaduras que justifican la necesidad de estudios adicionales (Stresscon 1996) [6]. Los trabajos de Martí (2001) [7] incluyen una amplia recopilación bibliográfica sobre la materia.
Algunas normas internacionales basan la determinación de las características de adherencia de una armadura activa en ensayos de arrancamiento (ASTM 1998) [8]. Otras se fundamentan en el análisis del deslizamiento de la armadura en el extremo de un elemento en el que se produce la transmisión del pretensado (RILEM 1979) [9], IRANOR (1982) [10], LCPC (1999) [11]. Estas normas suelen apoyarse también en el análisis de la deformación en
la superficie del hormigón, y han mostrado algunas dificultades de realización por problemas de estabilidad y dimensiones del ensayo. A pesar de ello sólo determinan la longitud de transmisión, sin aportar información sobre la longitud de anclaje.
Nos encontramos por tanto en una situación de vacío normativo que ha sido puesto de manifiesto en FIB (2000) [12].
2. FUNDAMENTOS DEL MÉTODO DE ENSAYO
En un elemento lineal de hormigón pretensado con armaduras pretesas suficientemente largo se desarrollan, tras el destesado, sendas zonas de transmisión del pretensado en sus extremos en las que la tensión en la armadura aumenta con la distancia al extremo libre de la pieza (figura 1). Así, queda conformada una zona central (meseta) en la que la tensión de la armadura es constante. En esta meseta, una vez concluida la operación de transmisión del pretensado, sólo es posible aumentar la tensión de la armadura aplicando cargas exteriores sobre el elemento. La longitud de la zona en la que la tensión de la armadura es creciente se define como longitud de transmisión.
Figura 1. Variación de la tensión de la armadura pretesa en un elemento tras el destesado El ensayo que se propone (ensayo ECADA [7]) consiste en realizar secuencialmente las operaciones de transmisión y arrancamiento en uno de los extremos del elemento determinando las longitudes de transmisión y anclaje. Para ello se sustituye parte del elemento (figura 2) por un sistema (sistema de arrancamiento) que simule el comportamiento de la parte sustituida y que debe reunir las siguientes condiciones:
§ servir de anclaje de la armadura, y poder materializar la transmisión en el extremo no eliminado del elemento (extremo de transmisión);
§ medir la fuerza en el sistema de arrancamiento (extremo de arrancamiento); § permitir aumentar la tensión de la armadura (operación de arrancamiento), § tener una rigidez igual a la de la parte sustituida, y
§ no generar efectos de confinamiento en el extremo de la probeta.
Con esta idea se propone (figura 3) fabricar probetas en un bastidor de pretensado, disponiendo el sistema de arrancamiento en uno de los extremos del bastidor y acoplando un sistema mecánico de aproximación para realizar las operaciones de tesado y destesado en el extremo opuesto. El equipo de ensayo se completa con un sistema hidráulico, adaptable a cualquiera de los dos extremos del bastidor, para las operaciones de tesado, destesado y arrancamiento.
Longitud de transmisión Longitud de
transmisión
Elemento de hormigón pretensado Armadura pretesa Tensión en la armadura Distancia al extremo
Figura 2. Variación de la tensión de la armadura pretesa en el ensayo ECADA [7], tras el destesado (A) y al solicitar el anclaje (B)
Figura 3. Esquema de las partes del equipo de ensayo
Si los elementos ensayados tienen una longitud adherente menor que la de transmisión, tras el destesado la tensión en la armadura no alcanzará el valor correspondiente a la zona de meseta (transmisión parcial del pretensado). En el caso contrario, la tensión en la armadura sí alcanzará el valor de la meseta y se generará una zona de tensión constante (transmisión total del pretensado). La longitud de transmisión será la longitud adherente del elemento de menor longitud para el cual la fuerza transmitida alcanza el máximo de la serie.
Una vez realizado el destesado se accede a la armadura en el sistema de arrancamiento, aplicando una fuerza creciente sobre la armadura (operación de arrancamiento).
Si la longitud adherente del elemento es menor que la longitud de anclaje correspondiente, la tensión en la armadura no alcanzará la tensión que se pretende anclar.
En cambio, si la longitud adherente del elemento es igual o mayor que la longitud de anclaje correspondiente, la tensión en la armadura sí alcanzará el valor de dicha tensión.
De este modo, la longitud de anclaje corresponderá a la longitud adherente del elemento de menor longitud para el cual la tensión en la armadura alcanza el valor que se pretende anclar.
La precisión en la determinación de las longitudes de transmisión y anclaje dependerá de la secuencia de longitudes ensayadas.
En la figura 4 se ilustra el sistema de arrancamiento diseñado, compuesto por:
§ El tramo final del elemento de hormigón a ensayar, en el que se evita la adherencia armadura / hormigón mediante la disposición de un manguito.
Longitud de
transmisión (B) (A)
Elemento de hormigón pretensado Armadura pretesa Tensión en la armadura Distancia al extremo Parte sustituida Sistema de arrancamiento Sistema mecánico Bastidor EXTREMO DE TRANSMISIÓN EXTREMO DE ARRANCAMIENTO Sistema hidráulico
§ La placa del bastidor del extremo de arrancamiento, cuya función es la de servir de apoyo al elemento a ensayar durante y tras el destesado.
§ Una placa de anclaje, para apoyar el dispositivo de anclaje de la armadura a una distancia fija de la anterior mediante unos separadores de apoyo.
Figura 4. Esquema del sistema de arrancamiento
3. MÉTODO DE ENSAYO
Una vez montado el equipo de ensayo de acuerdo con lo indicado en la figura 3, con el sistema hidráulico acoplado al bastidor en el extremo de transmisión, las diferentes fases del procedimiento de ensayo son (figura 5):
§ Enfilado (a): consiste en disponer la armadura a través de los orificios pasantes
practicados en las placas del bastidor, en el sistema mecánico y en el sistema de arrancamiento.
§ Tesado de la armadura (b): incluye las operaciones de colocación de los dispositivos de
anclaje y de tesado de la armadura. El sistema hidráulico, apoyado en el extremo de transmisión del bastidor tira de la placa de anclaje de este extremo y la separa del sistema mecánico.
§ Anclaje de la armadura (c): consiste en actuar sobre el sistema mecánico de
aproximación hasta que contacta con la placa de anclaje del extremo de transmisión, recogiendo de esta forma la fuerza introducida en la armadura. El sistema hidráulico se descarga. La fuerza introducida en la armadura se controla mediante un transductor de fuerza dispuesto en el sistema de arrancamiento.
§ Hormigonado de la probeta (d): en esta fase se realiza la fabricación del hormigón, su
vertido y compactación en el molde dispuesto en el propio bastidor de ensayo. La probeta permanece, tras el hormigonado, en las condiciones de conservación previamente decididas hasta el instante en que se pretende realizar el ensayo. Antes de iniciar el ensayo se procede al desmoldeo de la probeta.
§ Destesado (e): consiste en actuar nuevamente sobre el sistema hidráulico, situado en el
extremo de transmisión, para recuperar la fuerza soportada por el sistema mecánico de aproximación. Éste queda liberado y se recoge. Mediante la descarga del sistema hidráulico, a velocidad controlada, se produce el destesado de la armadura y, como consecuencia, la transmisión del pretensado al hormigón, midiendo la fuerza transmitida en el sistema de arrancamiento mediante el transductor de fuerza.
Manguito
Longitud adherente SISTEMA EXTREMO DE
TRANSMISIÓN
Placa de anclaje Placa de bastidor
Separador de apoyo Elemento de hormigón ensayado
Armadura
Transductor de fuerza Anclaje EXTREMO DE ARRANCAMIENTO
§ Operación de arrancamiento de la armadura (f): en esta fase el sistema hidráulico se acopla en el extremo de arrancamiento del bastidor y aumenta la tensión en la armadura tirando de la placa de anclaje (ésta se separa del bastidor) hasta que se produzca el deslizamiento de la armadura, su rotura, o el fallo del hormigón por hendimiento.
(a) enfilado
(b) tesado de la armadura
(c) anclaje de la armadura
(d) hormigonado de la probeta
(e) operación de destesado
(f) operación de arrancamiento de la armadura
Figura 5. Esquema en planta de las fases del ensayo ECADA Probeta de hormigón
Armadura
Dispositivo de anclaje
4. INSTRUMENTACIÓN
Dado que con el ensayo ECADA basta con conocer la tensión en la armadura en el extremo de arrancamiento para determinar la longitud de transmisión y/o anclaje, la instrumentación estrictamente necesaria la componen (figura 6):
§ transductor de fuerza anular en el extremo de arrancamiento, y § captador de presión del sistema hidráulico, para control de procesos.
Para ampliar la información del ensayo pueden incluirse otros equipos opcionales: § transductor de fuerza anular en el extremo de arrancamiento, y
§ captador de deslizamientos relativos de la armadura respecto al hormigón en cada extremo del elemento ensayado; y
§ dispositivos de extensometría mecánica para medición de deformaciones del hormigón (tipo Demec).
Figura 6. Disposición de la instrumentación en el ensayo ECADA
5. CONCLUSIONES. VENTAJAS DEL ENSAYO PROPUESTO
Se ha concebido el ensayo ECADA que ofrece toda la información necesaria para caracterizar las condiciones de adherencia de una armadura pretesa al hormigón:
§ Permite determinar la longitud de anclaje de una armadura con un desarrollo previo de la longitud de transmisión, reflejando fielmente el estado real de los elementos de hormigón pretensado con armadura pretesa, constituyendo ésta su principal ventaja. § El proceso normal incluye por tanto el ensayo secuencial con operación de destesado y
operación de arrancamiento.
§ Puede incluirse entre otras variables: sección de la probeta, tipo y diámetro de armadura, nivel de tesado, tipo de hormigón, energía de compactación, velocidades de destesado y/o arrancamiento, edades de ensayo...
§ Fijando algunas de estas variables puede plantearse un método normalizado de ensayo para determinar la longitud de transmisión y de anclaje ensayando series de probetas de diferente longitud. Puede analizarse el anclaje incluso en probetas de longitud inferior a la de transmisión.
§ Puede emplearse como “método de aceptación – rechazo”. Para ello es suficiente fijar las condiciones del ensayo (dimensiones, hormigón, edad...) y verificar si se produce o no la transmisión y/o anclaje.
§ El ensayo es sistemático y reproducible.
Soporte de captadores Transductor de desplazamiento Puntos de extensometría mecánica Transductor de fuerza Transductor de fuerza 1 2 3 4
La instrumentación del ensayo es sencilla y no agresiva.
§ Únicamente se requiere un transductor de fuerza y un captador de presión para circuito hidráulico como instrumentación.
§ No se emplea instrumentación interior que pueda distorsionar el fenómeno de la adherencia.
§ El ensayo permite incorporar instrumentación adicional, para medición de deslizamientos de la armadura o deformaciones en el hormigón. Toda ella es recuperable y reutilizable. Incluso los sistemas hidráulicos pueden ser liberados durante los tiempos muertos.
El ensayo ECADA es compatible con otras modalidades de ensayo:
§ Puede utilizarse para obtener la misma información que otros métodos de ensayo, con ventajas desde el punto de vista de estabilidad y tamaño de probeta. Así, es posible determinar la longitud de transmisión de un elemento ensayando probetas de longitud mayor que la de transmisión a las que se les incorpora la medición mediante extensometría mecánica, o midiendo la penetración de la armadura en el extremo de transmisión (RILEM RPC6, UNE 7436, LCPC, CEB-FIP).
§ El fundamento del ensayo es aplicable a cualquier elemento de hormigón pretensado con armadura pretesa, y cualquier disposición de armaduras, debiendo dimensionar el bastidor de ensayo en función de las características geométricas y la rigidez del elemento a ensayar.
§ El ensayo permite analizar aspectos adicionales como la respuesta frente a operaciones de retesado.
6. AGRADECIMIENTOS
El contenido del presente trabajo se enmarca en una línea de investigación que está llevando a cabo el grupo de investigación ADITEC en el Departamento de Ingeniería de la Construcción de la Universidad Politécnica de Valencia en colaboración con las empresas PREVALESA e ISOCRON. Este trabajo cuenta con la financiación del IMPIVA (Proyecto IMTEIE/2000/85) y del Ministerio de Ciencia y Tecnología (Proyecto MAT2000-0346-P4-03). Agradecemos la colaboración de las empresas y entidades arriba indicadas.
7. REFERENCIAS
1. COUSINS, TH. E.; BADEAUX, M.; MOUSTAFA, S. Proposed test for Determining Bond Characteristics of Prestressing Strand. PCI Journal; Vol 37 Nº 1 Pags 66-73. 1992. 2. DEN UIJL, J. Bond and splitting action of prestressin strand. Bond in Concrete, pp.
2.79-2.88, CEB Riga, 1992.
3. ABRISHAMI H.; MITCHELL, D. Bond Characteristics of Pretensioned Strand. ACI Materials Journal; Vol 90 Nº3 pp. 228-235. 1993.
4. VANDEWALLE, L.; MORTELMANS, F. Anchorage of strands. 12º congreso internacional del FIP, pp J16-J22, Washington; 1994.
5. MAHMOUD, Z.; RIZKALLA, S.; ZAGHLOUL, E. Transfer and Development Lengths of Carbon Fiber Reinforcement Polymers Prestressing Reinforcing. ACI Structural Journal, pp 594-602, 1999.
6. STRESSCON CORPORATION, Report on Strand Bond Test Series. PCI. 1996.
7. MARTÍ VARGAS, J.R. Estudio experimental de la adherencia de cordones pretesos en hormigones de altas prestaciones iniciales. Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Valencia. 2001
8. ASTM A416/A416M. Standard Specification for Steel Strand, Uncoated Seven-Wire for Prestressed Concrete. ASTM 1998.
9. RILEM RPC6, Specification for the test to determine the bond properties of prestressing tendons. RILEM. 1979.
10. IRANOR. UNE 7436. Método de ensayo para la determinación de las características de adherencia de las armaduras de pretensado. IRANOR. Madrid 1982.
11. LCPC. Determination de la longueur conventionnelle de scellement par adherence, LCPC Méthode d’éssai nº 53.IV, 1999.
