RESISTENCIA DEL HORMIGÓN

(1)

RESISTENCIA DEL HORMIGÓN

Introducción

Mecanismos de fisuración y rotura del hormigón Factores que modifican la resistencia

Metodologías de ensayo

Es una de las Es una de las propiedades propiedades fundamentales fundamentales

del hormig del hormigóónn

DEFINE AL HORMIGON DEFINE AL HORMIGON

ES UN PARAMETRO ES UN PARAMETRO

DE DISE DE DISEÑÑOO SE EMPLEA COMO SE EMPLEA COMO FACTOR FACTOR

DE CALIDAD

DE CALIDAD, PARA LA , PARA LA ACEPTACION

ACEPTACION OORECHAZORECHAZO

RESISTENCIA RESISTENCIA

DURABILIDAD DURABILIDAD

IMPREMEABILIDAD IMPREMEABILIDAD

DUREZA DUREZA

EstEstááasociado conasociado conla la mayor

mayoríía de las a de las propiedades propiedades principales principales

(2)

Estructura y resistencia

material compuesto y heterogéneo, una matriz rodea a inclusiones de diversas formas y tamaños

matriz porosa, existen diferentes tamaños y tipos de poros

se modifica con el tiempo.

existen zonas (interfaces) que poseen una mayor porosidad

existen “defectos” (micro y macrofisuras) aún antes de que fuera expuestos a la accción de cargas mecánicas.

(3)

Función de la Pasta

Hormigón fresco Lubricar la mezcla Permitir el mezclado

Otorgar cohesión Dar terminación

Hormigón endurecido Llenar vacíos Conferir impermeabilidad

Generar resistencia Proteger al acero

Transmitir adherencia al acero

Función de los

Agregados

1.- Actuar como relleno relativamente barato

2.- Colaborar en la resistencia

a) colaborar con la resistencia mecánica b) resistir el efecto de las cargas

c) resistir la abrasión d) resistir la erosión

3.- Reducir los cambios de volumen y las

(4)

Importancia de la porosidad

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0 0,5 1 1,5

grado de hidratación

relación gel espacio

0,6 0,5 0,4 relación agua-cemento

Importancia de la porosidad

R = A x³

0 20 40 60 80 100 120

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

relación gel espacio

Resistencia de la pasta, MPa

(5)

Estructura y porosidad

S = S₀e^-kP

Powers & Brownyard (1946-7) resistencia vs. relación gel/espacio “X”

X = 0.68α / (0.32α + w/c) S = A Xⁿ n : 2.6 a 3.

Mecanismos de falla en el hormigón

o comportamiento en tracción o comportamiento en compresión

Elementos característicos

Poros

Interfaces

Pasta HC

(6)

Comportamiento en tracción

el diagrama tensión-

deformación es lineal hasta valores mayores al 80 % de la tensión de rotura

la rama de ablandamiento posee una forma más abrupta a medida que se reduce el contenido y tamaño de agregado el proceso de fractura se desarrolla en forma claramente localizada.

R

F+R F

F

Deformación Carga

Comportamiento en tracción

(7)

Carga

Deformación específica (%)

Apertura de fisura (mm) L₂

L₁ L₁

L₁ L₂

L₂

Comportamiento en tracción

Comportamiento en compresión

1. Microfisuras de interfaz

2. Lento crecimiento de fisuras de interfaz

3. Fisuras de interfaz + Lento crecimiento de fisuras de matriz 4. Rápido crecimiento de fisuras de matriz 100%

75%

50%

30%

Deformación

(8)

Desarrollo de un ensayo

1. Hasta el 30 % f´c, sólo existen microfisuras que permanecen estables o presentan un crecimiento poco significativo.

2. Entre el 30 y el 50 %, las fisuras de interfaz comienzan a crecer en forma lenta.

3. Próximo al 50 % de la carga de rotura las fisuras se propagan a lo largo de las interfaces matriz - agregado y

posteriormente se internan en la matriz. La curva se aparta de la linealidad y la relación entre deformaciones transversales y longitudinales (coeficiente de Poisson) comienza a crecer.

4. Para una tensión relativa > al 75 % f´c, se produce un crecimiento rápido e inestable de las fisuras.

1 2 3 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

Deformación específica (µm/m)

Tensión (%)

Deformaciones

longitudinales Deformaciones transversales Deformaciones volumétricas

Tensión crítica

(9)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 0.2 0.4 0.6

Relación de Poisson

Tensión (%)

Tensión de iniciación

Comportamiento en Compresión

(10)

Comportamiento en Compresión

5 10 15

Deformación específica (10^-3) h/d = 1,

baja fricción, cabezales con teflón

h/d = 1, alta fricción, cabezales de acero

convencionales Carga (kg)

5 10 15

Deformación específica (10^-3) h/d = 1,

baja fricción, cabezales con teflón

h/d = 1, baja fricción, cabezales con teflón

100

-3) h/d = 2

Carga (%)

5 10 15 Deformación específica (10

h/d = 1 h/d = Carga (%)

h/d = 1 h/d = 0.5 Carga (kg)

5 10 15 Deformación específica (10^-3) h/d = 2

h/d = 1 h/d = 0.5

Comportamiento en Compresión

Carga (%) 100

0.2 0.6 1.0 Desplazamiento post-pico (mm)

h/d = 2

h/d = 1 h/d = 0.5

(11)

Esfuerzos multiaxiales

En los materiales frágiles, bajo solicitaciones de compresión se producen esfuerzos de tracción en el sentido transversal al de la aplicación de las cargas, en poros, interfaces y otros tipos de discontinuidades.

• La presencia de esfuerzos de confinamiento contrarresta estos esfuerzos y permite una mayor capacidad de carga.

• Por el contrario, si en el sentido lateral aparecen esfuerzos de tracción, se suman a los anteriores dando lugar a una disminución de la carga de rotura.

Esfuerzos multiaxiales

Esfuerzos Biaxiales Sobre Placas De Mortero

• Comportamiento de los materiales cementíceos bajo esfuerzos biaxiales (Kupfer,1973).

• Placas de morteros con diferentes niveles de resistencia, fueron ensayadas aplicando esfuerzos biaxiales en ambas direcciones del plano. Se aplicaron distintas combinaciones y niveles de cargas de compresión y tracción y se

analizaron las superficies de fractura.

(12)

Esfuerzos biaxiales

Envolventes de rotura Kupfer, 1973

Esfuerzos biaxiales

Esquema de la superficie de fractura de las placas bajo diferentes combinaciones de solicitaciones

(13)

Esfuerzos biaxiales

Tracción-tracción:

• Cuando la tracción es predominante, la superficie de fractura es normal al mayor esfuerzo aplicado.

• Se observa una única fisura, y el valor de la tensión de rotura es del orden del 10 % de la resistencia a compresión monoaxial, independientemente de que existan cargas de tracción en varias direcciones.

Esfuerzos biaxiales

Tracción-compresión:

• suelen aparecer una o más fisuras paralelas a la dirección de compresión.

• para compresión es baja (< 30 % f´c) la rotura se produce para esfuerzos cercanos a la resistencia a tracción simple (0.10 f´c),

• si aumentan los esfuerzos de compresión (> 40 % f´c) se suman a los de tracción y se reduce la capacidad de carga.

• Mientras que en el primer caso se observaba una única fisura, en el segundo suelen aparecer varias fisuras.

(14)

Esfuerzos biaxiales

Compresión-compresión:

• Cuando el esfuerzo predominante es de compresión, suelen aparecer más de una fisura más o menos concentradas.

• Si el valor de la carga es igual en ambas direcciones, los esfuerzos de tracción (producto de la compresión) en el plano de las placas se compensan. Pero las tracciones que surgen en la dirección normal a las placas no. Las fisuras se inician en las caras laterales paralelas al plano de aplicación de las cargas y luego se concentran y dan lugar a una macrofisura que se propaga en el sentido diagonal en la dirección de los esfuerzos de corte. En este caso el valor de la tensión de rotura es del orden de 1.20-1.30 f´c.

• Si la carga de compresión en una dirección es algo menor que la otra no se verifican mayores cambios.

Esfuerzos biaxiales

σ₂ σ₂

σ₁ σ₁

σ₃

J. van Mier, 1984

(15)

Esfuerzos Triaxiales

Bajo esfuerzos triaxiales de compresión la

resistencia del hormigón crece en forma muy significativa.

La resistencia axial puede alcanzar valores

superiores a 10 f´c.

Cilindros 15 * 30 cm.

Hormigón: a/c = 0.58

0 100 200 300 400 500 600

0 100 200 300 400

Tensión de confinamiento (Mpa)

Tensión axial (MPa)

Esfuerzos Triaxiales

Curvas tensión – deformación axial.

Probetas cilíndricas Al incrementar las tensiones de confinamiento el

comportamiento se hace más dúctil.

σ₁

(16)

Respuesta del material

ESTRUCTURA DEL MATERIAL

CAMBIOS EN LA CARGAS

mecánica, química, física

ESTRUCTURA micro y macro

fisuración RESPUESTA

PROBETAS geometría, tamaño

cambios en

la dirección de las fisuras o en el modo

de propagación

comportamiento macroscópico no lineal

=

comportamiento como CONDICIONES DE

VINCULO

de las fisuras continuo + comportamiento

localizado

RESISTENCIA

Introducción

Mecanismos de fisuración y rotura del hormigón Factores que modifican la resistencia

Metodologías de ensayo

(17)

Resistencia

MATERIAL Fases componentes

Porosidad

Probetas Dimensiones

Geometría Humedad Cargas

Tipo

Velocidad Matriz Interfaces Agregados

razón a/c

grado de hidratación (T, HR, tiempo) adiciones minerales

Contenido de aire Consolidación Exudación

ENSAYO

Metodología, Condiciones,...

Factores que modifican la resistencia

Materiales constituyentes Razón agua/cemento

Tipo de cemento

Contenido de aire

Tiempo y temperatura

Agregados

(18)

Razón agua/cemento

1919, Abrams f´c = A / B

^{α (w/c)}

w/c f´c

Razón agua/cemento

1919, Abrams

f´c = A / B

^{α (w/c)}

(19)

Efecto del cemento

0 100 200 300 400 500 600 700

0,3 0,5 0,7 0,9

Relación agua/cemento Resistencia a la compresión del hormigón (kg/cm2)

CP50 (540 kg/cm2) CP40 (450 kg/cm2) CP30 (380 kg/cm2)

A igual relaci A igual relacióón n agua cemento

agua cemento Mayor resistencia Mayor resistencia del cemento

del cemento Mayor resistencia Mayor resistencia del hormig

del hormigóónn

Efecto del cemento

CP 40 CP 30

1,18 241

204 0,60

Incremento de resistencia Resistencia a la compresión

del hormigón a 28días (kgcm²) Relación

agua/

cemento

25 280

305 210

H 17

CP 40 CP 30

Ahorro de cemento (kg/m³) Contenido de

cemento (kg/m³) Resistencia

media a compresión a 28

días (kg/cm²) Tipo de

hormigón

(20)

Contenido de aire

w/c

f´c

_{sin aire}

con aire

Compacidad

w/c f´c

manual vibrado

(21)

Tiempo y temperatura

MADUREZ

M (°C.d ) = Σ a(t) (T+10)

1.

Hormigones elaborados y curados a igual temperatura

2.

Hormigones elaborados a distinta temperatura y curados a igual temperatura

3.

Hormigones elaborados a igual temperatura y curados a distintas temperaturas

Madurez

Resistencia a compresión, MPa

(22)

1. Hormigones elaborados y curados a igual temperatura f´c (%)

días

4 °C 20 °C 40 °C

2. Hormigones elaborados a distinta temperatura y curados a igual temperatura

días

10 °C 20 °C 40 °C

f´c (MPa)

(23)

3. Hormigones elaborados a igual temperatura y curados a distintas temperaturas

días f´c

(% 28días)

10 °C 20 °C 0.5 °C - 9 °C

Temperatura de colocación y curado

(24)

Temperatura de Curado

Efecto del Tiempo

0 5 10 15 20 25 30 35

0 10 20 30

edad, días

(25)

Efecto del Tiempo

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

= +

t f t

t

f_cm _c

85 . 0 ) 4

( ₂₈

ACI-209

CEB-FIP 90 ⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

−⎛

=

5 . 0

28 / 1

1 28 exp )

(t f s t t

f_cm _c

Humedad

Húmedo

Al aire a los 7 días Al aire

días

f´c (MPa)

(26)

Tiempo de Curado

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 28 56 84

Edad (días)

Resistencia (MPa)

H21N (H) H21F (H) H21C (H) H21N (M) H21F (M) H21C (M)

Tipo de cemento

(27)

25 50 75 100 125

0 14 28 42 56 70 84 98

Edad (días) Resistencia relativa a f´c 28d (%)

N (H) F (H) C (H) N (A) F (A) C (A) N (E) F (E) C (E) N (M) F (M) C (M)

Desarrollo de resistencia para distintos cementos

Agregados

Tamaño - granulometría

Demanda de agua

Textura y forma

Adherencia

Mecanismos de control

(28)

a. Hormigones con igual relación agua / cemento f´c (MPa)

Tamaño máximo (mm)

0.40 0.55 0.70

4 25 75

b. Hormigones con igual contenido de cemento f´c (MPa)

Tamaño máximo (mm)

450 kg/m³ 350 kg/m³ 250 kg/m³

4 25 75

(29)

RESISTENCIA

Introducción

Mecanismos de fisuración y rotura del hormigón Factores que modifican la resistencia

Metodologías de ensayo

Métodos de evaluación

Resistencia a compresión

Resistencia a tracción

- tracción por compresión diametral

- flexión

(30)

Compresión

ubicación preferencial como método de valoración del hormigón.

las propiedades más importantes se relacionan directamente con la resistencia a compresión.

el hormigón se utiliza para sobrellevar

preponderantemente esfuerzos de compresión los códigos y reglamentos se basan

fundamentalmente en esta propiedad.

es un ensayo económico y de fácil realización.

Ensayo de compresión

(31)

moldes

llenado y compactación de las probetas condiciones de curado

verificar la resistencia y control de calidad

establecer el momento en el cual remover los encofrados establecer el momento de puesta en servicio

encabezados cubos y prismas

Probetas para ensayos de compresión

1 2 0 1 0 0 9 0

2 0 x 2 0 1 5 x 3 0 1 5 x 4 5

Encabezado

(32)

condiciones para el ensayo

Platos > 3 %

paralelismo cabezas < 0.5°

Φ > 3 T máx

tolerancia edades (e/ 2.1 – 3.6%)

formas de rotura(cono – corte – tracción)

Ensayo de resistencia a compresión

IRAM 1524-82, IRAM 1546-92 ASTM C-39

Distribución de tensiones

Fricción - Platos rígidos o flexibles

Esbeltez

Volumen

Velocidad de ensayo.

control de carga entre 0.15 y 0.34 MPa/s control de desplazamientos 1,3 mm/min.

Condiciones de humedad

Temperatura

Factores que modifican los resultados de un ensayo de compresión

“rígida”

“blanda”

(33)

Resistencia a compresión

80 90 100 110 120 130

0 15 30 45 60 75

diámetro (cm)

Resistencia relativa (%)

80 100 120 140 160 180

0 1 2 3 4

Relación de esbeltez

Resistencia relativa (%)

Esbeltez Volumen

Efecto de la esbeltez

(34)

Efecto de la esbeltez

1.00 0.96

Meiniger, Wagner y Hell 0.87

H/D = 2.0 H/D = 1.5

H/D = 1.0 AUTORES

1.00 0.96

IRAM 1551/83 0.87

1.00 0.93

BS 1881 – Parte 120/83 0.80

1.00 0.96

BS 1881/70 0.92

1.00 0.96

ASTM C – 42/87 0.87

1.00 0.97

ASTM C – 42/68 0.91

1.00 ---

Bungey (φ = 44 mm) 0.77

1.00 0.95

Peterson 0.83

1.00 0.93

Neville 0.85

1.00 0.96

Yip y Tam 0.88

Ejercicio:

En un ensayo de compresión realizado sobre un cilindro de hormigón de 20 cm de altura y 20 cm de diámetro se obtuvo una carga de rotura de 75 Tn. ¿Cuál sería la resistencia si el ensayo se hubiera realizado sobre una probeta normalizada (15 x 30 cm)?

Correción por esbeltez

h / d 1.75 1.50 1.25 1.10 1.00 0.75 0.50 Factor de multiplicación 0.98 0.96 0.94 0.90 0.85 0.73 0.60

Correción por volumen

Cilindro (dxh) “ 2x4 3x6 6x12 8x16 12x24 16x32 Resistencia relativa 109 106 100 96 91 86

(35)

Ensayo de Testigos

Diferente resistencia de las probetas (en gral <) La relación decrece con la f´c.

Depende de la orientación

Φ depende del tamaño máximo del agregado Depende de la posición en la estructura

Métodos de ensayo IRAM 1546

Q

d

Q

(36)

Métodos de ensayo IRAM 1546

•Tipo de probeta - cilíndrica

•Tamaño - diámetro 15 cm

- altura 30 cm

• Velocidad de ensayo - 0,2 a 0,6 MPa/s

• Plato de carga de acero - 25 mm de espesor - 55 HRC

- planitud 0,01 %

- diámetro mínimo 3% mayor que el diámetro de la probeta

• Rótula - centro coincidente con el centro de la cara superior de la probeta.

- eje coincidente con el eje de aplicación de la carga

Métodos de ensayo IRAM 1546

(37)

Efecto de la velocidad de ensayo (CEB)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,00001 0,001 0,1 10 1000

velocidad de deformación, 1/seg resistencia dinánimca / estática

15 MPa 30 MPa 50 MPa

TRACCION

Métodos de ensayo

•Tracción Directa

•Compresión Diametral

•Flexión

(38)

Tracción por compresión diametral

Tracción horizontal = 2 P / (π.φ.l)

Compresión Tracción

P

tracción compresión

V : 0.7 a 1.4 MPa/min

Ensayo de Compresión Diametral

IRAM 1658

(39)

Flexión

Módulo de rotura MR = P.l / (b.d

²

) MR = 1.5 P.l / (b.d

²

)

150 x 150 x 500 mm L = 450 mm

asumido real

L ≥ 3h

V : 0.86 a 1.21 MPa/min

Relación Flexión compresión

Relación propuesta por el CEB-90

(40)

Relación Flexión compresión

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

0 10 20 30 40 50 60 70

Relación de resistencias

relación flexión / compresión

(41)

Relación Flexión tracción

a) Relación entre resistencia a la flexión y resistencia a la tracción directa

CEB-90

Relación Flexión, tracción y compresión

0.59 0.08

0.14 350

35

0.07 0.07 0.07 0.08 0.09 0.09 0.10 0.11 Relación entre tracción directa y resistencia a compresión

0.63 0.11

630 65

0.62 0.12

560 55

0.61 0.12

490 50

0.60 0.13

420 40

0.59 0.15

280 30

0.57 0.16

210 20

0.53 0.19

140 15

0.48 0.23

70 5

Kg/cm² MPa

Relación entre tracción directa y módulo de rotura a flexión Relación entre el

módulo de rotura a flexión y resistencia a compresión Resistencia a la

compresión de cilindros

RELACION ENTRE RESISTENCIAS RELACION ENTRE RESISTENCIAS

(42)

Relación tracción compresión

7.4 6.8 6.1 5.4 4.7 3.8 2.9 f_ctk,máx 2.1

3.8 3.5 3.1 2.8 2.4 2.0 1.5 f_ctk,mín 1.1

5.6 5.1 4.6 4.1 3.5 2.9 2.2 f_ctm 1.6

80 70 60 50 40 30 20 f_ck 12

C80 C70 C60 C50 C40 C30 C20 Calidad del C12

hormigón

Relación tracción compresión

0 0,05 0,1 0,15 0,2

0 10 20 30 40 50 60 70

Relación de resistencias

relación tracción / compresión

(43)

Métodos de evaluación

hormigón de una estructura vs. probetas las relaciones fundamentales pueden variar procedimientos normalizados

IRAM

ASTM (USA) BS (UK)

RILEM (Comunidad Europea)

Las normativas también se actualizan permanentemente

Por qué usarlos?

buenas razones

comprobar si en las etapas de elaboración, los materiales componentes fueron bien proporcionados y mezclados

evitar problemas ante cambios inesperados durante la construcción

definir etapas posteriores como el desencofrado.

la mera realización de ensayos resulta en una mejora en el control de calidad de una obra por su impacto en las personas involucradas en la

la respuesta y propiedades medidas sobre una probeta corresponden a las del hormigón de la estructura ?

es posible presentar al ensayo de resistencia como garantía de calidad ?