REPARACION CON RESINAS EPOXICAS DE UNIONES VIGA-COLUMNA
DE HORMIGON ARMADO SEVERAMENTE
DANADAS
Fernando YA"'EZ U· Ernesto GOM EZ G·
RESUMEN
Este
trabajo
presenta los ensayos realiz ados en tresprobetas
de unionesviga-columna
dehormigon
armadode tamano natural sometidas a un daiio equivalente a
un
[uerte
sismo yluego reparadas
con resina epoxica. Los resultados muestran una re cuperacion
de laresis tencia y ductilidad de las uniones, y la
influencia
en su
comportamiento
dea)
el recubrimiento lateraldel nudo;
b)
la resistencia delhormigon
0 mortero de rep aracion,c)
el tamano del nudo yd)
la calidad de la ejecucion de la rep aracion,INTRODUCCION
En los sismos ocurridos en diversas
regiones
se hanproducido
graves daiios por fallas en las unionesviga-columna
de horrnigo
n armado, como se observo en losterremotos de Chile en 1958 y
19601•
Frente a la eventualidad de un nuevoterremoto y considerando la creciente urilizacion de resinas epoxicas en la repa racion de estructuras, se ha intentado
investigar
elgrado
de recuper acion deestas centrando el estudio en las uniones de un
pilar
con unaviga,
es decir, de unpilar
lateral como se indica en laFig.
1, ya que esta parte es la mas criticaen una estructura de m arc os'". EI
comportamiento
dereparaciones
en elementos•
S8 IlBVISTA DBL !DIEM yol. 16. no 2. aepciembre 1977
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t. l
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,
L
Fig. 1. Marco lometido a carga horizontal.
de flexion y corte han sido
estudiados,
entre otros, porChung3,
4 y la rep aracicnde muros de aibaiiileria por Gomez y
Olivaress,
dan do buenos resultados.PRO BETAS
Se ensayaron tres u mone s
viga-columna
que se diferenciaban entre sl por eltamaiio del canto de la
viga,
que era de 30,40 y 50 ern para lasprobetas
1, 2,y3
respectivamente;
el ancho era de 20 em. La columna era de 30 x 30 cm en todos los casos. Las armaduraslongitudinales
de lasvigas
y de las columnas eraniguales
en las tresprobetas
y las transversales variabansegun
lasexigencias
de resistenciaal corte y confinamiento. El detalle se indica en la
Fig.
2. EI acero usado en ambostipos
de refuerzos era con resaltes, c on 11mire de fluencia de
4 200
kgf/cm'
y resistencia ultim a de 6 300
kgf/cm'.
La resistencia del horm
igcn
en promedio Cue de 450kgf/cm'
en probetas�I
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1
cillndricas.
En el diseiio de las plezas se urilizo el co
digo
norteamerica no ACI318-716
y las recomendaciones para el diseiio de unio
nes del Com ire
Conjunto
352 delACI-ASCE'.
Las caracterlsticasresistentes de las
vigas
y columnas
junto
a la resistencia de loshormigones
se indica en la Tabla I.HOA"IGOH1c450119/C,"'CtIibJ
.C[AD ,T..ZOO�'"1"'63_401HI
... ,,..
REPARACION UNIONES VICA-COLUMNA HORMICON ARMADO 59
TABLA I
CARACTERlSTICAS RESISTENTES DE LAS VICAS Y COLUMNAS
VIC AS COLUMNA
Edad
-MUT f'e
Probeta Mud dias
1 8.4 10.1 48 452
2 12.7 15.0 113 458
3 17.0 25.6 34 465
N,t Mu,tm
30 11,2
50 13.5
Mud; momento ultimo de calculo conFe= 450
kgf/cm2,
en tm.Mur; momento ultimo real en tm.
Fc; resistencia del hormigon en el momento del ensayo en probeta cilindrica, en
kgf/cm2
Mu; momento ultimo de calculo para el valor de la carga vertical, N, indicada.
La variac ion en el canto de las
vigas,
que conduce a distintos momentosresistentes, tenia por
objeto
observar la influencia del tamaiio del nudo, es decir,del encuentro de
pilar
conviga.
Las
longitudes
de lapieza
escogidas
se determinaron de modo de obtener las mayores dimensionesposibles compatibles
con lacapacidad
de los marcos de re accion del laboratorio del IDIEM y sus gatosde carga.
La forma de la
probeta
simulaba un encuentrode
viga
con columnalateral,
como se indica en laFig.
3. Se ha supuesto que el punto de inflexion dela elastica de la columna se encuentra en la mitad de la altura del
piso
Fig. 3. Encuentro de viga con
pilar lateral.
PROCEDIMIENTO DE ENSA YO
Las
probetas
iueron sometidas a carga estatica, que simulaban un fuerte sismo, hasta elagotamiento
de lacapacidad
resistente a flexion de lasvigas;
luego
reparadas
con resina y hormigo
n epoxicos yensayadas
de nuevo en las mismas condicionesorigin
ales.El uso de cargas esraricas en
lugar
de d inamicas sejustifica
por la mayor facilidad delregistro
de los valores de los param etros estudiados y porquehay
antecedentes queprobarian
que los ensayos est aticos dan valores de las resistencias de las
piezas
de hormigo
n armado que conducen a diseiios mas conservadores60 REVISTA DEL IDIEM yolo 16, nO 2, septiembre 1977
Las cargas a que fueron sometidas las
probetas
se indican en laFig.
4. Por comodidad deejecuci6n
en el ensayo, estas se handispuesto
como se indica en lasFigs.
5 y 6.N
H
H
N+F
F
H
N+F
H
N
F
Fig. 4. Diagrama de cargas. Fig. S. Disposicion de la probeta durante el ensayo.
REPARACION UNIONES VIGA-COLUMNA HORMIGON ARMADO 61
La carga N se mantuvo
siempre
constante con un valor de 30toneladas.
que es el 400/0 dePb·,
en que Pb es la carga axial en la co ndic ion debalance.
esdecir,
es lacapacidad
de carga axial cuando se supone que simultanearn e nrese ha alcanzado la deformacion ultima del horrn
igon
y el punto de fluencia en las armaduras. Con esto se satisface la co nd ic ion A 6.4 del ccdigo
ACI 318-71. que establece la necesidad de armaduraespecial
de confinamiento en las columnas cuandoPe
> 0.4Pb.
dondePe
es la maxima carga de calculo que actua sobreuna columna durante un movimiento sisrnico, La carga F se aplico muy lenta
mente.
primero
en el sentido de mayor resistencia de laviga,
es decir,segun
el lado
correspondiente
a momenta de flexionnegativo
en el marco. hastaalcanzar la rotura del horrn
ig
Sn en la zonacomprimida
de la viga
,luego
con el otro gato secargo
en sentido opuesto hasta alcanzar la misma condicion. Aconrinuac ion se hizo otro cicio en que las cargas se
aplicaban
hasta observarIluencia,
es decir, hasta que seproducian grandes
deformaciones sin aumentarla carga. Para obtener las resistencias ultimas en las
vigas
fue necesario hacervarias cargas y
descargas
antes de alcanzar el c olap
so, debido a la corta carrera delos gatos AMSLER
(12 em).
Al ir variando la carga F, se midieron el
desplazamiento
6. la deform acionangular
delnudo,
'Y, las tensiones en las armaduras y las deformaciones del horrn igon
en las zonas criticas. La carga F se aplico mediante gatos h idraulicos y su medicicn se hizo can unpendulo
AMSLER como seaprecia
en laFig.
6. Eldesplazamiento
se mid io hacienda lecturas con un teodolito en una escalagraduada
adherida a lapieza.
En la determ inacicn de la deform acionangular
se utilizo un exten so m etro HUGGENBERGER, como se indica en laFig.
7.Fig. 7. Extensometro mecanico Huggenberger.
*
62 REVISTA DEL IDIEM vol. 16, nO 2, sepriembre 1977
fJ/61
=fJ/62
=dla
"'(
-fJla
-1/2("'(1
+"'(2)
"'( =
(61
+62)ld
Con eH se midieron las
diagonales
de un cuadro trazado en elnudo,
cal culan dose la deform acicn, "'(, como semuestra en la
Fig.
8. EI cuadro semarerializo con 4 pernos que se ins
crustaron en el nudo
aproximadamen
te 3 cm. Las tensiones en las armaduras se determinaron con extensorn etros electricos, Las deform aciones en el
horrn
igo
n se midieron mediante exte nso m etros de cuerda vibrante.
Fig. 8. Determinacion de la deformacien an
gular, ",(, a partir de la med icicn de
las diagooales.
DANOS PRODUCIDOS
EI estado final de las
piezas
se muestra en lasFigs.
9, 10 Y 11.El daiio
principal
seproduce
en lasvigas,
donde se forma una r otula plasricay el daiio
secundario,
en el nudo.Fig. 9. Estado de la probeta 1 despues de la
rotura. En proceso de reparacien.
En la
probeta
NO 1, el nudo sufrio solo fisuracion pequeria sin quese desprendiera el recubrirn ien to, En
la
NO
2, el dano que se observa corresponde
solo alrecubrimiento,
el n ucleo permanece m o n ol itico,aunque fisura do. En la
NO
3, sucede 10 mismo en relac ion al nucleo, pero el recubrimiento se
desprende
apedazos
y al repararla es necesario reem
plazarlo
por un, .
mortero epoxlco.
Las colum nas muestran
algunas
pequeiias
fisuras,
producidas
por elmomenta inducido por la carga P, que
en
algunos
casos incu raiono en la zona limite deldiagram
a de inreraccion dela carga axial con el momenta de la
column a,
En las tres
probetas
originales
laREPARACION UNIONES VIGA-COLUMNA HORMlGON ARMAOO
�--
� .Fig. 10. Estado de la probeta 2 cuando la
viga alcanza el momenta ultimo.
63
Fig. 11. Estado de la probeta 3 despue.
de la rotura. Se muestra durante el proceso de reparacion.
como estaba
previsto,
puesto que se habian diseiiado expresamente de estemodo como 10
exige
el apendice sismica del codigo
ACI318-716•
Como se
puede
apreciar,
los dafiosproducidos
sonsemejantes
0 peoresque los observados en las uniones similares en muchos de los terremotos fuertes
ocurridos en las ultimas decadas.
PROCEDIMIENTO DE REPARACION
Los danos se
poddan
clasjficar en: zonasfisuradas,
como es el caso de los nudos de lasprobetas
1 y 2; zonas con el hormigo
ntriturado,
como es el caso de la zona de compresion
maxima de lasvigas,
y zonas condesprendimiento
del recubrimiento y fisur acion del nucleo, que es el caso del nudo de lapieza
3.Estes danos se
pueden
apre ciar en lasFigs.
9, 10 Y 11.Las
superficies
de las zonas fisuradas fueron selladas cubriendolas con unadhesive,
dejando algunos
orificios por donde se inyectoposteriormente
apresion
una resina epoxica cstructural debaja
viscosidad,
mediante unapistola especial,
como se indica en laFig.
12.La zona triturada fue clirnin
ada.
colocandose un hormigon
epoxico de4 REVISTA DEL IDIEM vol.'16, n? 2, septiembre 1977
Fig. 12. Dispositivo de inyeccion de resina epoxica en el momenta en que
se repara una grieta en la probeta 2.
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Fig. 13. Colocacien de mortero epoxico en la reparacion de la probeta 2.
En la
probeta
NO
3 el reeubrimiento se restituyo con un mortero epo xico yluego
seinyect
S resina en el nucleo fisurado. Para realizar esta ultima operaREPARACION UNIONES VIGA..cOLUMNA HORMIGON ARMADO 65
La
probeta
1 seensay6
despues de 4 semanas desde su reparacion, la 2despues
de 7 dias y la 3 despues de 2 dias. Eltiempo
de curado de la resinainyectada
es deaproximadamente
3 horas en condiciones de laboratorio.DA�OS PRODUCIDOS EN LAS PRO BETAS REPARADAS
Las
probetas
NOS
1 Y 2 sufrieron daiiossemejantes
a lasoriginales.
Sin embargo
la rotulaplastic
a en laviga
seprodujo
en la zona vecina a la rotulaoriginal,
correspondiente
a la zona anteriormente triturada yreemplazada
por hormigo
nepox ico, Vale
decir,
que la repar acion epoxica no suIrio rotura
alguna,
desplazando la rotula hacia la zona de hor m
igo
noriginal.
LaFig.
14 muestra esta situacion en el caso de la
probeta
NO 1. Estosignifica
que ha sido necesario una fuerzaF mayor para desarrollar el momento ultimo de la sec cion de la
viga,
puest"o que el brazo depalanca
ab'
en la
Fig.
15 es menor que abo Esta situacion explicala mayor resistencia alcanzada por las
piezas
1 y 2, como se observa en lasFigs.
18 y 19.En las zonas fisuradas las
grietas
presentan 1a misma forma y d istr ibuc ionque en las
originales,
y hasta donde la in speccion visual esefectiva,
sepuede
Fig. 14. Probeta 1 reparada, desplazamiento de la rotula hacia la zona de hor·
migon original.
N. F
a F
,
b \
b
K
H H
N
Fig. 15. Diagrama del desplazamiento de la
6 REVISTA DEL IDIEM vol. 16, nO 2, septiernbre 1977
.firmar que no se enc ontro
grieta
reparada
que se volviera aabrir,
10 que estale acuerdo con el
trabajo
deChung
antes mencionado'".En cuanto a la
probeta
N0 3, sucomportamiento
es distinto a las anteriores.�n
primer
termino,
en la zona del nudo el dano en el recubrimiento de lapieza
irigin
al fuetal,
que hubo necesidad dereemplazarlo
completamente
por unnorter o epoxico. Ahora
bien,
alensayarla
yareparada
en el sentido de la mayoresistencia no se
produjo
rotulaplastica
en laviga,
c omportandose esta comoIn
cuerpo
dgido.
Enningun
momenta durante el ensayo se alcanzo la rotura deus fibras mas
comprimidas.
EI nuevo recubrimiento se romp ie y desprendic .ngrandes
trozos a medida que secargaba.
Como laviga
perrnanecio como:uerpo
rigido
(aunque fisurado),
la deformacicn II se desarrollaba a cuenta dea deformacicn del
nudo,
1.EI
desplazamiento
II alcanzo hasta 18 em, como se observa en laFig.
20; .n este punto el gato hidraulico no tomaba mas carga, vale decir selIego
a una iruacicn de fluencia en el nudo. La carga alcanzada fue levemente inferior a laograda
en laprobeta original
(16
t vs 18,3t).
A conrinuacion se
cargo
en el otro sentidologrando igualmente
una resisten:ia inferior a la
original.
Luego
se c om enz o unsegundo
ciclo, A esta altura del:nsayo ya se habia
desprendido
totalmente el recubrimiento. LaFig.
20 muestra:n estas condiciones una violenta caida de la
rigidez
delnudo,
produ cie ndose:randes
deformaciones con pe quefias cargas. Estecomportamiento
equivale
a que a rotulaplastica
estuviera en elnudo,
aun cuando el hormigon
de esta zona 10 presenta trituracion sinoagrietamiento
y una gran deforrnacicn delpilar
como In todo,
como se observa en laFig.
16.Comparando
esta situacion con elsegundo
REPARACION UNIONES VIGA-COLUMNA HORMlGON ARMADO 67
ciclo de la
viga
original,
se ve que en esta ultima el recubrimiento auncolabora,
a pesar del
agrietamiento,
alcanzando una resistencia de 12 tm.Este
comportamiento
ilustra la influencia del recubrimiento en larigidez
del nudo. En lapnictica,
afortunadamente,
rara vez se presenta esteproblema
porque existen normalmente
vigas
laterales que refuerzan el recubrimiento comose muestra en la
Fig.
17.Por otro lado se observe,
despues
decargada
lapieza
y una vezdesprendido
el recubrimiento epoxico, que la resina habiapenetrado
en formalimitada,
demostrandoque en el
procedimiento
usado de utilizardicho recubrimiento como sello el num ero de orificios
dejados
fue insuficiente.Pil. 17. Encuentro de pilar con vilas
internas y later ales.
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS
En las
Figs.
18, 19 Y 20 se muestran las curvas de deforrnacion en funcion de la carga F para lasprobetas
1, 2 Y 3respectivamente.
En estas curvas se hansuperpuesto las l ine as
correspondientes
a lasvigas origin
ales y a lasreparadas.
Las cargas ydescargas
que se advierten fueron motivadas por la Iirn itacion delas carreras de los gatos h idraulicos.
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Fig. 18. Curva F - II de la
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Fig. 20. Curva F t:. de la probeta 3.
En las
probetas
1 y 2, la resistencia de los sistemasviga-columna reparados
REPARACION UNIONES VIGA COLUMNA HORMIGON ARMAOO 69
F mayor que la
original.
Esto es bastantepeligroso
como mas adelante se comen-, tara.
En la
probeta
NO 3, la resistencia del sistemaviga-columna reparado
es levemente inferior al
original.
Pero esto tiene como causa la perd ida derigidez
delnudo,
ya que laviga
no se rompe enningu
n momento.En relacion a Ia ductilidad de las
piezas,
sepudo
observar que alcanzaronresistencias y deformaciones ultimas del mismo orden que las
origin
ales.Por otra parte se observa tambien que
hay
una pequefraperdida
derigidez
de lasprobetas reparadas
apartir
de las cargas iniciales.En las
Figs.
21, 22 Y 23 se muestran las curvas deformacion de losnudos,
'Y, n. la carga F. Estas curvas se cortan en los puntos hasta donde fueposible
medir con el extensom etroHuggenberger,
ya que los puntos de referencia del cuadrado(pernos
incrustados en el hormigo
n)
seperdian
por elagrietamiento.
despre
ndiendose muchas veces con el
pedazo
de recubrimiento. Estas curvas indican que los nudosreparados
de lasprobetas
1 y 3perdieron rigidez
en relacion a losoriginales.
En cambio laprobeta
NO 2 conserva practicamente surigidez.
Esta diferenciapuede
deberse tal vez a factores humanos en la reparacion y el rn etodo utilizadoen la
pieza
3.En relacien con el aumento de resistencia de las
probetas
1 y 2, es interesante hacer notar que es deseable tener la formacion de las rotulas
plasticas
en lasvigas
y no en lascolumnas,
porque asi seproducen
mecanismos de falla de laestructura que poseen una
�ayor
capacid ad de absorcion ydisip
acion deenergia9•
fs por esto que el cod
igo
ACI318-716
establece que la suma de los momentosresistentes de las columnas en un nudo
(Ia
de arriba y la deabajo)
debe ser'1
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16, nO 2, septiembre 1977
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x10']
50
Fig. 23. Curva F
REPARACION UNIONES VIGA-COLUMNA HORMIGON ARMADO 71
mayor que la suma de los momentos resistentes de las
vigas.
De otro modo sepuede
formar una rotula en la columna. En el presentetrabajo
las tresprobetas
origin
alescumpHan
expresamente esta r esrriccion, como se ha observado. Sinembargo
queda
en evidencia elpeligro
a quepuede
conducir el reforzar lasvigas
mas alIa de sus resistencias
originales,
como 10ejemplifica
laprobeta
NO
3, yaque en estos casas es necesario
aplicar
un momento mayor para alcanzar laresistencia
ultima,
estoimplica
a su vez aumentar el momenta solicitante en las columnas 10 quepodria
causar la rotura en estas antes que en laviga.
Por 10 tanto al reparar estos
elementos,
loshormigones
0 morteros a utilizar en las zonas muy trituradas deben tener resistencias no mayores que las del hormigo
noriginal.
Con respecto a la diferencia de tamaffo de los
nudos,
esta afecto elgrado
del dano del recubrimiento.CONCLUSIONES
De los resultados expuestos se
pueden
extraer lassiguientes
conclusiones:El
procedimiento
de reparar estructuras severamente danadas mediante resinas
epoxicas
restablece su resistencia y ductilidad.Es
peligroso
utilizar en lasreparaciones
devigas
hormigones
0 morteros masresistentes que los
originales.
EI recubrimiento es un factor determinante en la
rigidez
del nudo de una unionviga-columna
de hormigon
armado.El tamafio del nudo determina el
grado
del dano en el recubrimiento.Las
reparaciones
de estetipo
de dafio debenejecutarse
con Mucha minucio sidad ybajo
una estrictasupervision
delingeniero.
AGRADECIMIENTOS
Este
trabajo
forma parte de un proyecto deinvesrigacion
tituladoComportamien_
to de estrwcturas eiclicas el cual recibie una
asignacion
de fondos de parte de la Oficina Tecnica de Desarrollo Cientifico y Cre acicn Artistica de la Universidad deChile,
que per mit ie financiarparcialmente
los gastos de prep aracion y realizacion de lasexperiencias.
Los autoresagradecen
la cclaboracionprestada.
Agradecen
tambien la colabcracicn de la firma INGELAB, que tuvo a su72 REVISTA DEL IDIEM vol. 16, nO 2, septiembre 1977
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EPOXY RESIN REPAIR OF SEVERELY DAMAGED REINFORCED CONCRETE BEAM-COLUM JOINTS
SUMMARY
Tests
performed
on threereinforced
concrete natural sizespecimens
of
beamcolumn
joints
first
submitted todamages
equivalent
to thoseof
an strong earthquake
and thenrepaired
with epoxy resin arepresented.
The
experimental
results showed thatafter
repair
thejoints
recoverfull
strength
andductility
and that their behaviourdepended
on the lateral concretecover thickness
