COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS METÁLICAS FLEXIBLES: INFLUENCIA DE LA MORFOLOGÍA DE LA FIBRA

Trabajo realizado por:

Zineb Arabi

Dirigido por:

Tutores: Albert De La Fuente y Eduardo Galeote Moreno

Tutores externos: Carlos Lorenzana

Master en:

Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos

Barcelona, 21 de junio del 2021

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

COMPORTAMIENTO

MECÁNICO DEL HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS

METÁLICAS FLEXIBLES:

INFLUENCIA DE LA

MORFOLOGÍA DE LA FIBRA

TREBALL FINAL DE M Á STER

I AGRADECIMIENTOS

Principalmente, me gustaría agradecer a Carlos Lorenzana, Albert De La Fuente, Carol Carbajo y Silvia Russo por haberme brindado la oportunidad a realizar esta tesina y por la ayuda prestada, siendo compresivos frente a mi disponibilidad dejándome tiempo tanto para las reuniones, clases y/o exámenes.

Mi mayor agradecimiento debo dirigirlo a Javier Carrasco, siempre atento y dispuesto a recibirme amablemente y aconsejarme sabiamente. Muchos de los contenidos de esta tesis han sido posible gracias a ti, tus comentarios y correcciones me han enriquecido profundamente, ¡sobre todo de todo lo que he aprendido de química gracias a ti! Muchísimas gracias Javier.

Deseo expresar mi más sincero agradecimiento a Eduardo Galeote, su plena dedicación, constante orientación, valiosos comentarios y sugerencias en cada una de las etapas de mi tesina. Agradezco enormemente a Igor Reynvart, Carlos Hurtado y Jordi Cabrerizo por su colaboración durante toda la campaña experimental.

Y sin duda agradezco enormemente a la persona más importante de mi vida, mi madre Fatiha Aqqal, un pilar fundamental en mi vida, apoyándome en cada momento, sacrificándose y luchando día a día por mí y mis hermanos. A mis hermanas, Rabab Arabi y Sara El Yaacoubi, por su apoyo incondicional y por enseñarme que la perseverancia y el esfuerzo son el camino para lograr todos los propósitos. A mi tía Bouchra Aqqal por confiar en mí y apoyarme en todo momento. Y a mis hermanos y mis primos por su amor y su apoyo. Sólo ellos saben el trabajo que he realizado para llegar hasta aquí, estando presentes en los momentos difíciles y agobiantes durante toda la carrera. Todo ello, no hubiera sido posible sin su ayuda ¡Gracias familia!

Y finalmente, agradezco a mis amigos Nando Gutierrez Aguilar, Pierre-Antoine Delate, Kelly Piminchumo Moya y Gabriel Vicente Camacho por haberme soportado durante toda esta etapa y haberme apoyado en el transcurso de la Tesina.

Gracias a todos.

III RESUMEN

El hormigón reforzado con fibras (HRF) surge de la necesidad de resolver dos tipos de problemas; el primero es que no resiste a los esfuerzos de tracción, lo que conlleva a muchas empresas constructoras a tener que reforzarlo con barras de acero o mallado, teniendo en cuenta que se deben proteger las armaduras de la corrosión; y el segundo es el hecho de que el precio incrementa considerablemente.

Mediante la adición de fibras repartidas aleatoriamente y la ayuda de los aditivos, es posible conseguir un hormigón que resiste el esfuerzo de tracción de forma económica. El HRF se ha utilizado desde hace años en variadas tipologías de estructuras e incluso en estructuras subterráneas, generando un crecimiento de la aplicación del mismo e introduciéndose su utilización en el mercado con aplicaciones relevantes como: hormigón proyectado, dovelas de túneles, pavimentos, entre otras estructuras. En el transcurso de los años al demostrar que sus aplicaciones tienen una importancia importante y al adquirir mayor conocimiento de los beneficios de sus propiedades, se empezó a elaborar nuevos métodos de ensayo para medir su resistencia y controlar la calidad del mismo.

El uso del HRF abre un camino en la optimización del diseño y en la construcción en general, entre sus características más relevantes encontramos que las fibras dotan al material una resistencia residual tras la rotura del hormigón, proporcionándole mayor ductilidad. Además, estas fibras pueden proporcionar un aumento en su tenacidad, una reducción de retracción por fraguado, resistencia al fuego, un procedimiento de elaboración más económico con una logística más eficiente y mejor manipulación del material dependiendo de la naturaleza de la fibra.

Las fibras de naturaleza metálica son las más frecuentes para estos propósitos; si bien, debido a su rigidez pueden conducir a problemas de trabajabilidad del hormigón en fresco. El objetivo de esta investigación es realizar una campaña experimental de caracterización de hormigones estructurales reforzados con fibras metálicas flexibles.

Así mismo, la presente Tesina, se dividirá en distintos bloques denominados capítulos. El primero de ellos se hará una breve introducción al conocimiento de las fibras a partir de bibliografías, artículos, trabajos de máster o doctorados y se describirán los objetivos de esta investigación. En segundo lugar, se tendrá el capítulo referente al estado del conocimiento dónde se presentará todos los estudios previos a este y que ayudan al lector a situarse y comprender el motivo de este estudio. En tercer lugar, se realiza una campaña experimental aplicando las características mecánicas del hormigón reforzado con fibras de acero metálicas flexibles con ensayos de tracción, compresión y extracción (Pull-out) y un análisis de las probetas a partir del SEM-EDS. En consecuencia, se realizará el análisis de los resultados obtenidos de cada ensayo y finalmente las conclusiones que responden a los objetivos de este estudio.

Palabras clave: Hormigón reforzado con fibras metálicas (HRFA), Pull-Out, resistencia a flexotracción, SEM-EDS.

V ABSTRACT

Fiber-reinforced concrete (HRF) arises from the need to solve two types of problems; the first is that concrete itself does not resist tensile stresses sufficiently, which leads many construction companies to reinforce it with steel bars or mesh, bearing in mind that the reinforcement must be protected from corrosion; and the second one is the fact that the price increases considerably as steel is an expensive material.

By the addition of randomly distributed metallic fibers and the help of admixtures, it is possible to achieve a concrete that withstands tensile stress in a cost-effective way. HRF has been used for years in underground structures, generating a growth in its applications, and introducing its use into the market with relevant applications such as: shotcrete, tunnel segments, pavements, and structures, among others. Over the years, as its applications became more numerous and the benefits of its properties became more widely known, new test methods began to be developed to measure its resistance and control its quality.

The use of HRF opens a way for the optimization of design and construction in general.

Among its most relevant characteristics we find that the fibers provide the material with a residual resistance after the breakage of the concrete, giving it greater ductility. In addition, these fibers can also give increased toughness, reduced shrinkage due to setting, fire resistance, a more economical manufacturing process with more efficient logistics and a better handling of the material.

Fibers of metallic nature are the most frequent for these purposes; however, due to their stiffness, they can lead to problems of workability of the fresh concrete. The aim of this research is to carry out an experimental campaign to characterize structural concretes reinforced with flexible metallic fibers.

Likewise, this thesis will be divided into different blocks called chapters. The first of these will be a brief introduction to the knowledge of fibers based on bibliographies, articles, master's or doctoral theses and the objectives of this research will be described. Secondly, the chapter on the state of knowledge will present all previous studies that help the reader to situate themselves and understand the reason for this study. Thirdly, an experimental campaign is carried out by applying the mechanical characteristics of concrete reinforced with flexible metallic steel fibers by performing tensile, compression and extraction tests. Then, the analysis of the results and finally the conclusions of the study will be made.

Key words: Steel fiber reinforced concrete (SFRC), Pull-Out, flexotraction strength, SEM-EDS.

VII

ÍNDICE GENERAL

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ... 1

1.1 MARCO DE LA TESINA ... 1

1.2 OBJETIVOS ... 2

1.2.1 Generales ... 2

1.2.2 Específicos ... 2

1.3 MÉTODOLOGIA Y ORGANIZACIÓN DE LA TESIS ... 4

CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO ... 5

2.1 INTRODUCCIÓN ... 5

2.2 HORMIGÓN CON FIBRAS (HRF) ... 6

2.2.1 Fibras para el refuerzo de hormigón ... 6

2.2.2 Ventajas de las fibras en el hormigón ... 11

2.2.3 Comportamiento del HRFA ... 11

2.2.4 Comportamiento estructural ... 13

2.3 MÉTODOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL HRF ... 14

2.3.1 Ensayos de caracterización ... 15

2.3.2 Ensayo Pull - Out ... 16

2.4 Modelos constitutivos normativos ... 18

CAPÍTULO 3. CAMPAÑA EXPERIMENTAL ... 21

3.1 INTRODUCCIÓN ... 21

3.1.1 Antecedentes ... 22

3.2 PLANIFICACIÓN DE LA CAMPAÑA ... 22

3.2.1 Dosificaciones y materiales ... 22

3.2.2 Materiales empleados ... 23

3.2.3 Fabricación de los hormigones y probetas... 25

3.3 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS ... 27

3.3.1 Ensayo de compresión simple ... 27

3.3.2 Ensayo a flexotracción ... 28

3.3.3 Ensayo de Pull-Out ... 29

VIII

3.3.4 Scanning Electron Microscope (SEM) ... 31

CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS ... 32

4.1 INTRODUCCIÓN ... 32

4.1.1 Objetivos ... 32

4.2 ENSAYO A COMPRESIÓN SIMPLE ... 33

4.3 ENSAYO DE FLEXOTRACCIÓN ... 34

4.4 ENSAYO PULL-OUT ... 38

4.4.1 Fibras inclinadas 0º Grados ... 39

4.4.2 Fibras inclinadas 30º Grados ... 39

4.4.3 Fibras inclinadas 60º Grados ... 40

4.5 SCANNING ELECTRON MICROSCOPE (SEM) ... 41

CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES ... 45

5.1 INTRODUCCIÓN ... 45

5.2.1 Conclusiones generales ... 45

5.2.2 Conclusiones especificas ... 46

5.2.3 Líneas de investigación ... 47

CAPÍTULO 6. BIBLIOGRAFÍA ... 48

IX

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO 1

Figura 1.1: Organización de la tesina ... 4

CAPÍTULO 2 Figura 2.1: Diagrama constitutivo del comportamiento a compresión y a tracción con hormigón con fibras [5]. ... 11

Figura 2. 2:Forma de la ecuación constitutiva de un elemento de hormigón reforzado con fibras sometido a tracción [6]. ... 12

Figura 2.3:Proceso de fisuración de una viga de hormigón reforzado, simplemente apoyada y sometida a flexión [11]. ... 13

Figura 2.4:(a) Comportamiento de ablandamiento y (b)endurecimiento en tensión uniaxial [11] ... 14

Figura 2.5:Curva de energía de desprendimiento del ensayo Pull-Out. [4]. ... 16

Figura 2.6: Gráfico del resultado de la extracción de la fibra Hook [4]. ... 17

Figura 2.7:Gráficos de la extracción de fibras Hook. [29] ... 17

CAPÍTULO 3 Figura 3.1:Curvas granulométricas de los áridos empleados. ... 24

Figura 3. 2:Representación gráfica de los fibrilos de la fibra Twist. ... 24

Figura 3. 3:Almacenamiento de las probetas, (a) cilíndricas y (b) prismáticas en la cámara húmeda. ... 26

Figura 3.4:Pulido de las probetas antes de ensayar a compresión simple. ... 27

Figura 3.5: Resultado de probeta ensayada a compresión. ... 27

Figura 3.6:Resultado de las probetas ensayadas a compresión. ... 27

Figura 3.7:(a) Ensayo a flexotracción (b) resultado del ensayo. ... 28

Figura 3.8:Proceso de realización de la entalla. ... 28

Figura 3. 9 Probetas de Pull-Out. ... 29

Figura 3.10:(a) Equipo AG-SHIMADZU a la derecha, (b) soporte para la extracción de las fibras. ... 30

Figura 3.11:Diagrama de los esfuerzos que actúan en un segmento de fibra... 30

Figura 3.12:Impacto de los diferentes electrones sobre una muestra. [28] ... 31

CAPÍTULO 4 Figura 4.1: Resultados curva - ancho fisura de los lotes 1, 2 y 3. ... 35

Figura 4. 2:Comparación de aperturas de las fibras(a) D2_TW19_20Kg, (b)D2_TW7_20Kg ... 35

Figura 4. 3: Gráfica curva- ancho de la fisura de los lotes 4,5 y 6. ... 36

Figura 4. 4:Curva ancho - fisura de todos los lotes. ... 37

Figura 4.5:(a) Resultados de la fibra TW7; (b) Resultados fibra Hook ... 37

Figura 4.6:Resultados del ensayo a flexotracción de las fibras TW19, TW7 y Hook... 38

Figura 4.7:(a) Resultados D1 de los valores medianos de las fibras en 0º, (b)Resultados D2 de los valores medianos de las fibras en 0º. ... 39

Figura 4.8:(a) Resultados D1 de los valores medianos de las fibras en 30º, (b)Resultados D2 de los valores medianos de las fibras en 30º. ... 39

Figura 4.9:(a) Resultados D1 de los valores medianos de las fibras en 60º. (b)Resultados D2 de los valores medianos de las fibras en 60º. ... 40

Figura 4.10:Resultado de la extracción de la fibra Hook. [30] ... 41

Figura 4.11:Resultado de la extracción de la fibra TW19. [32] ... 41

Figura 4.12:Análisis EDS de un fragmento TW19. ... 42

Figura 4.13: Análisis EDS de un fragmento TW7. ... 43

Figura 4.14: Análisis EDS de un fragmento de la probeta Hook ... 44

X

ÍNDICE DE TABLAS

CAPÍTULO 1

Tabla 2.1: Tipos de fibras y sus propiedades (ACI 544-5R-10 2010). ... 7

Tabla 2.2:Diferentes tipos de fibras en función su acabado.[6] ... 8

Tabla 2.3:Propiedades de las diferentes tipologías de fibras, así como sus propiedades y observaciones. ... 10

Tabla 2.4:Comparación de las variables más significativas entre ensayos.[15] ... 15

Tabla 2. 5:Modelos constitutivos de distintas normativas [21]. ... 19

Tabla 2. 6:Tabla resumen de los modelos constitutivos. ... 20

CAPÍTULO 3 Tabla 3.1: Planificación de los ensayos previstos para la caracterización del hormigón y fibras utilizadas ... 22

Tabla 3.2:Dosificaciones empleadas en la campaña experimental (kg/m³). ... 23

Tabla 3.3: muestran el diseño de las diferentes fibras a utilizar en esta campaña (TW19, TW7 y R-Hook) y peso por cada 100 fibras. ... 25

Tabla 3.4:Procedimiento de la fabricación de las probetas. ... 25

Tabla 3.5:Información detallada de los ensayos de la campaña experimental. ... 26

CAPÍTULO 5 Tabla 4.1:Resultados del ensayo a compresión. ... 33

Tabla 4.2:Resultados a flexotracción del Lote 1. ... 34

Tabla 4.3:Resultados a flexotracción del Lote 2. ... 34

Tabla 4.4:Resultados a flexotracción del Lote 3. ... 34

Tabla 4.5:Resultados a flexotracción del Lote 4. ... 36

Tabla 4.6:Resultados a flexotracción del Lote 5. ... 36

Tabla 4.7:Resultados a flexotracción del Lote 6. ... 36

Tabla 4.8:Resultados de la fibra TW7 y la R-Hook. ... 37

Tabla 4.9:Composición en el análisis EDS TW19... 42

Tabla 4.10: Composición en el análisis EDS TW7. ... 43

Tabla 4.11:. Composición en el análisis EDS Hook. ... 44

1

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1 MARCO DE LA TESINA

El desarrollo de normas y directrices para la utilización del uso del hormigón con fibras (HRF) ha motivado y fomentado su uso en aplicaciones de carácter estructural y subterráneas. A nivel nacional, el empleo del HRF como material estructural se ha visto impulsado gracias a la incorporación del Anejo 14 de la EHE-08 [1], en el que se describen las bases para el diseño, caracterización y control de este tipo de hormigones.

Desde la aparición del hormigón con fibras en la década de los años 60, la tecnología de esta tipología de hormigón ha experimentado un notable progreso debido a las investigaciones realizadas. Estos avances, junto con el constante aumento del coste del acero y de la mano de obra, han propiciado un incremento del uso del hormigón reforzado con fibras en la industria de la construcción. Pese a ello, el uso del HRF es todavía limitado debido, entre otros motivos, por la ausencia de normativa. Este vacío normativo en la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) vigente se pretende solucionar con la nueva Instrucción, en la que se incorpora un anejo específico para este tipo de hormigón.

El uso de HRF puede conducir a la eliminación total o parcial de barras de refuerzo, mejorando la eficiencia de producción y asegurando la competitividad económica con respecto a la solución tradicional. Recientes investigaciones condujeron al desarrollo de otros tipos de HRF tales como por ejemplo: hormigón de fibra híbrida reforzado caracterizada por el uso de fibras rectas cortas y fibras largas deformadas [2]; fibra autocompactante de hormigón armado que combina las ventajas del hormigón autocompactante en estado fresco y el mejor rendimiento

2 después de la fisuración de los HRF [3]; fibra de alto rendimiento de hormigón armado que se caracteriza por múltiples fisuras y un aumento de la fuerza después de la fisuración [4]; Hormigón reforzado con fibras para construcción industrial [5].

Sin embargo, aún no hay normativas asociadas al comportamiento postfisuración del HRF, esto provoca una barrera psicológica a la falta de experiencias publicadas o transmitidas por la comunidad técnica y la gran inercia al cambio que presenta el sector de la construcción. Además, existe una barrera técnica a nivel nacional, que es el desconocimiento de métodos de fabricación que propongan directrices para el control, tanto de las cuantías como orientación de las fibras. Así mismo, serían necesario ensayos más ágiles con menos dispersión y métodos de diseño sistemáticos, similares a los que disponemos en la actualidad para estructuras de hormigón armado.

No obstante, la experiencia en la utilización del HRF ha crecido durante los últimos años, cuenta con una amplia experiencia y un amplio respaldo en términos de investigación. Por ello, este material se emplea en la actualidad como una solución alternativa al hormigón armado para determinados elementos estructurales [7].

En esta tesis se caracterizará la influencia que tiene la adición de fibras metálicas flexibles en el comportamiento mecánico del hormigón, considerándolas de carácter estructural debido a la resistencia a tracción que muestran y pueden alcanzar, con el objetivo de eliminar parte o la totalidad de la armadura. Para ello, se realiza una campaña experimental con la colaboración de la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC) y RIMSA METAL TECHNOLOGY, S.A para caracterizar mecánicamente las fibras (Twist y Hook).

1.2 OBJETIVOS

En este apartado, se explican en detalle los objetivos de la presente tesina. Se diferencian dos tipos, los generales y los específicos.

1.2.1 Generales

En las estructuras de hormigón, es inevitable la aparición de fisuras. Que en principio no supone un inconveniente para su utilización, siempre y cuando cumpla las normativas de la EHE.

El objetivo general es estudiar las características mecánicas del hormigón con la combinación, por una parte, de las fibras metálicas flexibles (TW19 y TW7), y por otra parte, con la fibra R- Hook 60/1.

Se comparará la respuesta estructural de los tres tipos de fibra mediante un estudio exhaustivo de la fisuración con los ensayos normalizados.

1.2.2 Específicos

Los objetivos específicos, son aquellos que se plantean para alcanzar el objetivo general. Se muestran a continuación:

o Estudiar las normativas referentes a los ensayos para la caracterización de los HRF, a partir de bibliografías, artículos, Tesis de máster y Tesis doctoral.

o Estudiar las bibliografías para el ensayo Pull-Out.

o Planificación de la campaña experimental relacionada con la ejecución de los dos tipos de dosificaciones (D1 y D2).

o Realizar la campaña experimental con tres diferentes tipos de fibras (TW19, TW7 y R- Hook).

3 o Evaluar las características físicas de las diferentes fibras.

o Caracterizar los hormigones con el ensayo compresión simple siguiendo la normativa UNE-EN 12390-3.

o Caracterizar los hormigones con el ensayo a flexotracción siguiendo la normativa UNE- EN-14651.

o Evaluar visualmente y químicamente mediante SEM las probetas con las tres fibras.

o Evaluar la respuesta del ensayo Pull-Out para entender la adherencia de las fibras en la matriz de hormigón.

o Estudiar la dispersión de los resultados obtenidos en la campaña experimental.

o Realizar las conclusiones y el análisis de los resultados obtenidos.

4

1.3 MÉTODOLOGIA Y ORGANIZACIÓN DE LA TESIS

Para la cumplir con los objetivos, generales y específicos, se describe la metodología seguida tal y como se muestra en la Figura 1.1.

La organización de la presente Tesina está constituida por los siguientes capítulos:

o En el CAPÍTULO 1, se describen la introducción y los objetivos, tanto generales como específicos.

o En el CAPÍTULO 2, se expone el estado del conocimiento con referencia al HRF presentando sus propiedades, normativas que definen las ecuaciones constitutivas y los ensayos realizados para su caracterización. En él se adjunta una descripción en general de los tipos de fibras, sus propiedades y los factores que influyen en ellas.

o En el CAPÍTULO 3, se describe la campaña experimental llevada a cabo. Desde la dosificación óptima para el hormigón hasta la metodología utilizada para la fabricación de las probetas.

o En el CAPÍTULO 4, se realiza una investigación exhaustiva sobre el comportamiento diferido a flexión y compresión, de las probetas fisuradas de HRF, en estado endurecido.

o En el CAPÍTULO 5, se exponen las conclusiones más relevantes que derivan del presente estudio. En este capítulo se da respuesta a los objetivos, generales y específicos, planteados en el CAPÍTULO 1.

CAPÍTULO 1 Marco de la tesina y objetivos

CAPÍTULO 2 Estado del conocimiento

Ensayo a compresión simple

Ensayo a flexotracción

Ensayo a Pull - Out

Análisis SEM - EDS CAPÍTULO 3

Campaña experimental

CAPÍTULO 4 Resultados y Análisis

resultados

CAPÍTULO 5 Conclusiones

Figura 1.1: Organización de la tesina

5

CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO

2.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se realiza una revisión del estado del conocimiento en relación al comportamiento postfisuración del hormigón reforzado con fibras (HRF) y en especial del hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA). El objetivo de este capítulo es: (1) identificar las motivaciones de esta Tesina de Máster, y (2) cubrir brevemente la literatura sobre varios aspectos que se abordarán durante el desarrollo del presente trabajo.

En los primeros subapartados de este capítulo se realiza una breve descripción del comportamiento del HRF a tracción y compresión, la tipología de las fibras de las fibras y como se clasifican relacionados para comprender los objetivos planteados en esta Tesina.

Finalmente, se presenta una revisión de los ensayos de caracterización que actualmente se emplean para reproducir el comportamiento a tracción del HRF. El objetivo es presentar los modelos que se utilizarán en el CAPÍTULO 3 para la elaboración de las probetas. El estado del arte se completa en cada capítulo donde se tratan aspectos del conocimiento más específicos.

6

2.2 HORMIGÓN CON FIBRAS (HRF)

El hormigón reforzado con fibras (HRF) es un material compuesto por una matriz de hormigón a la cual se añaden fibras distribuidas aleatoriamente, estructurales o no, para mejorar sus propiedades físicas y/o mecánicas. Estas fibras, suponen un refuerzo alternativo al acero que suprime los costes derivados de la manipulación de ferralla (traslado, doblado, soldaduras, colocación de separadores), economizando tiempo de obra y reduciendo los accidentes derivados de este tipo de montaje.

Las fibras se incorporan, generalmente durante el proceso de amasado, con el objetivo de conferirle las propiedades específicas, tanto en estado fresco como en estado endurecido [6,49]. Existen numerosas investigaciones y campañas experimentales a nivel probeta asociadas al estudio del comportamiento mecánico del HRF; (1) Resistencia a compresión [50]; (2) pull-out [18]; (3) resistencia a tracción [51]; (4) tensión stiffening [52]. La mayoría de investigaciones realizadas en el HRF se centra en el hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA).

Acorde con las investigación de Naaman [53], para que una fibra trabaje de forma eficiente, ésta debe presentar las siguientes propiedades: (1) elevada resistencia a tracción, (2)resistencia a la adherencia con la matriz del mismo orden o incluso superior a la resistencia a tracción de dicha matriz, (3) módulo elástico mayor que el correspondiente a la matriz (por lo menos 3 veces mayor), (4)debe presentar un coeficiente de Poisson y coeficiente de dilatación térmica preferiblemente semejante al de la matriz.

Consecuentemente, las fibras de acero han sido mecánicamente eficientes en el hormigón para controlar y reducir la fisuración por retracción plástica [54, 55], mejorar el comportamiento frente al fuego [56] y, de menor medida, mejorar la tenacidad y resistencia al impacto.

En los últimos años, existe una literatura técnica de trabajos e investigaciones en las que se demuestra que con la adición de las fibras de acero se logra mejorar significativamente la resistencia a flexión [57], resistencia al impacto y comportamiento a la fatiga [58]. De esta forma, en la industria del hormigón se ha extendido más allá de un meto control de la fisuración por retracción plástica, para ser utilizado en cualquier tipo de aplicación. Por este motivo, el uso de las fibras metálicas requiere de la compresión y evaluación del efecto que estas tienen en el hormigón [60].

2.2.1 Fibras para el refuerzo de hormigón

Las fibras son elementos con dimensiones preferentemente unidimensionales, de material metálico o plástico, según su naturaleza y el tipo de acabado que disponen con la finalidad de mejorar el anclaje con el hormigón. En el Anejo 14 de la EHE-08 [1] se clasifican dichas fibras por estructurales y no estructurales, y posteriormente sobre su composición.

• Fibras estructurales: Aquellas que proporcionan una mayor energía de rotura al hormigón en masa (la contribución de las mismas puede ser considerada en el cálculo de la respuesta de la sección de hormigón).

• Fibras no estructurales: Aquellas que, sin considerar en el cálculo la energía, suponen una mejora ante determinadas propiedades como por ejemplo el control de la fisuración por retracción, incremento de la resistencia al fuego, abrasión, impacto entre otros. La efectividad de la acción reforzante y la eficacia de la transmisión de tensiones por parte de las fibras dependen de muchos factores, pero especialmente, de la naturaleza, tipología y características geométricas de las fibras empleadas.

7 Por otro lado, se encuentra la clasificación según su composición:

• Fibras de acero: Proporcionan tenacidad aumentando la resistencia al impacto, levemente la resistencia mecánica a compresión y más notoriamente la resistencia a tracción debido a su ductilidad. [6]

• Fibras poliméricas: Fabricadas de diferentes tipos de polímeros como: polipropileno, polietileno de alta densidad, aramida, alcohol de polivinilo, acrílico, nylon, poliéster, etc. que generan una diversidad de propiedades. Una de las principales es la reducción de la retracción debido a su plasticidad. Además, dichas fibras tienen una densidad mucho menor que las de acero y con menos esfuerzo de deformación. No obstante, son fibras más baratas y se pueden realizar de cualquier forma geométrica y en los casos no estructurales presentan propiedades interesantes contra incendios. [12]

• Fibras inorgánicas: Son fibras realizadas con materiales como el grafito y el carbón. Este tipo de fibras presentan un buen módulo de Young y poca deformación plástica. [12]

A continuación, en la Tabla 2.1 se presenta, los diferentes tipos de fibras mencionados y sus propiedades mecánicas.

Tipo de fibra Diámetro (𝒎𝒎)

Densidad (𝒌𝒈/𝒎^𝟑)

Resistencia a tracción

(𝑴𝑷𝒂)

Módulo de Young (𝑮𝑷𝒂)

Elongación (%)

Acrílico 0.02-0.35 1100 200-400 2 1.1

Asbesto 0.0015-

0.02 3200 600-1000 83-138 1-2

Algodón 0.2-0.6 1500 400-700 4.8 3-10

Vidrio 0.005-0.15 2500 1000-2600 70-80 1.5-3.5 Grafito 0.008-

0.009 1900 1000-2600 230-415 0.5-1

Aramida 0.01 1450 3500-3600 65-133 2.1-4

Nylon 0.02-0.4 1100 760-820 4.1 16-20

Poliéster 0.02-0.4 1400 720-860 8.3 11-13

Polipropileno 0.02-1 900-950 200-760 3.5-15 5-25 Polivinil

Alcohol

0.027-

0.660 1300 900-1600 23-40 7-8

Carbón - 1400 4000 230-240 1.4-1.8

Rayón 0.02-0.38 1500 400-600 6.9 10-25

Basalto 0.0106 2593 990 7.6 2.56

Polietileno 0.025-1 960 200-300 5.0 3

Sisal 0.08-0.3 760-1100 228-800 11-27 2.1-4.2

Coco 0.11-0.53 680-1020 108-250 2.5-4.5 14-41

Yute 0.1-0.2 1030 250-350 26-32 1.5-1.9

Acero 0.15-1 7840 345-3000 200 4-10

Tabla 2.1: Tipos de fibras y sus propiedades (ACI 544-5R-10 2010).

Cabe destacar que las fibras de bajo módulo de Young y alta elongación, son fibras de base polímero; el nylon, el polipropileno, el PET (tereftalato de polietileno), el poliéster y los residuos de neumáticos triturados (Acrylonitrile Butadiene Styrene ABS) que se pueden utilizar, aunque no exclusivamente, para mejorar la absorción de energía aplicado en el hormigón.

8 Así mismo, las que proporcionan mejores características de absorción de energía durante el fisuramiento son las fibras de alta resistencia y alto módulo de Young; las fibras de acero, vidrio, amianto, carbono, etc. Estás se utilizan principalmente para adquirir un endurecimiento por deformación superior. En cambio, la tenacidad a la fractura y la resistencia a la fatiga están relacionados con la ductilidad del material donde el acero cumple con ambas propiedades [5,41,42].

En cuanto a la geometría de las fibras, la norma EN 14889-1 y 2 es la que regula el diseño y fabricación de las fibras, y estas puede ser de diversas formas; sección circular, cuadrada o rectangular (véase la Tabla 2.1).

La forma de la fibra es importante, ya que ésta otorga adherencia (mediante un incremento del área superficial expuesta a la matriz de cemento) y puede representar diferentes mecanismos de extracción.

El anclaje en forma de cono, gancho, chatos, la superficie ondulada mejoran la unión mecánica entre la fibra y la matriz.

Otro parámetro a considerar es la esbeltez (es la relación de la longitud y el diámetro de la fibra).

A mayor esbeltez, menor será la dosificación de fibras a utilizar. Los valores habituales de esbeltez oscilan entre 30 y 150, aunque no es aconsejable pasar de un valor de 100, la longitud de la fibra debe ser suficiente para dar una adherencia necesaria a la matriz y evitar arrancamientos con demasiada facilidad. [5]

La Tabla 2.2 muestra los diferentes tipos de geometría y textura superficial de las fibras.

TIPO DE FIBRAS GEOMETRÍA DE LA FIBRA

Recta de sección rectangular/circular Irregular

Acabado ampliado Crimped Indented

Recta con extremos en forma de cono Recta con extremos en forma de gancho

Recta con extremos chatos Ondulada

Twisted Espiral

Recta con extremos cuadrados

Tabla 2.2:Diferentes tipos de fibras en función su acabado.[6]

Varias investigaciones apuntan que las fibras en forma de espiral y con extremos en forma de gancho presentan una mayor resistencia a la tracción y a la compresión bajo cargas estáticas y dinámicas. Se presencia un aumento del 32,05% en la resistencia a tracción en las fibras de acero onduladas en comparación con las fibras lisas [45]. En el caso del polipropileno y muchas otras fibras sintéticas, se aplica un tratamiento superficial para mejorar el anclaje mecánico y la unión de la fibra con el aglutinante [45].

9 Finalmente, la elección del tipo de fibra generalmente está condicionada a la aplicación que se le quiera otorgar, la durabilidad y la estética. Así mismo, los factores económicos y la disponibilidad en el mercado juegan un papel importante en la elección de un tipo de fibras u otro. Para la mayoría de los propósitos estructurales y no estructurales, son las fibras de acero los más utilizados de todos los materiales de fibra.[19]

En el caso de las dimensiones de las fibras de la Tabla 2.3, el diámetro suele oscilar entre 0,25 y 0,80 mm y la longitud entre 10 y 75 mm de longitud [7]. Sin embargo, recientes estudios demuestran que las fibras de acero rectas de 13 mm muestran mejor refuerzo de la resistencia a la compresión debido a su distribución más homogénea en la matriz. Por su parte, las fibras de 30 mm de longitud con forma de gancho o las fibras 5D de 60 mm de longitud son más eficaces en el refuerzo de las propiedades a tracción [43].

10

Categoría Tipo de fibra Dimensiones Resistencia a la

tracción [MPa]

Módulo de Young [𝟏𝟎^𝟑MPa]

Elongación

[%] Observaciones

Metálica

Acero (extremo Hook, Crimped, deformed wire, Flat steel, waving

steel, Straight, twisted.).

Relación de aspecto: 30 a 250; Diámetro: 0,25 mm-1mm;

Para fibra de hoja plana y recta, 0,15-0,41mm de espesor y 0,25-1,14 mm de ancho; Longitud 12-60 mm:

275–2850 200 0.5–35 Alto módulo de elasticidad; alta resistencia estructural, barato, fácil de conseguir, corrosivo.

Inorgánica

Alkali Resistant Glass Relación de aspecto: 800 a 900; Diámetros: 8-18 μm,

longitud hasta 25mm 1800 72 2.4 Alta resistencia a la tracción, bajo coste; bajo módulo elástico, buena resistencia al impacto, proporciona más resistencia a los álcalis que otras fibras de vidrio.

S- Glass Relación de aspecto: 800 a 900; Diámetros: 8-18

μm,longitud hasta 25 mm 4020–4650 83–86 5.3 Muestra propiedades similares a otros tipos de fibra de vidrio, sin embargo, proporciona comparativamente más rigidez y resistencia que otras formas de vidrio

Asbestos (chrysotile, amosite and

tremolite Chrysotile) Longitud 8-20 mm 551–965 89–138 0.6 Resistencia a la tracción moderada, no inflamable, resistente a la electricidad y

resistente a la temperatura, barato, fácil de conseguir, restricciones sanitarias.

E- Glass Relación de aspecto: 800 a 900; Diámetros: 8-18 μm

longitud de hasta 25 mm 3100–3800 72.5–75.5 4.7 Además de otras propiedades del vidrio, muestran una excelente

resistencia dieléctrica.

Basalto (basalto continuo) Diámetro 10-20 μm; Longitud 6-70 mm 2800 - 4800 86 to 90 2.5–3.2 Buena solidez, durabilidad y resistencia térmica, resistente a la abrasión resistente a la abrasión (índice de dureza Mohr de 8 a 9)

Base de carbón

Carbón polimérico Diámetro: 5-10 μm 2500–7000 250–400 0.6–2.5

Obtenido a partir de poliacrilonitrilo (PAN), brea de petróleo y fibras de rayón tiene un alto módulo de elasticidad y muy rígido, buena resistencia química y a la

corrosión

Carbón polimérico (Pitch fiber) Diámetro: 5-10 μm 1500–3500 900 0.6–2.5 Además de las propiedades mencionadas anteriormente, proporciona

un módulo comparativamente mayor que el de la fibra de Rayon

Carbón polimérico (Rayon fiber)) Diámetro: 5-10 μm 1500–3500 35–60 0.6–2.5 -

Carbón nanofibras (Single carbon

nano tubes, multi carbón nano tubes) Diámetro: 0,5-1,5 μm; relación de aspecto 1000 a 2000 11000–63000 1000–1800 16 Módulo extremadamente alto, alta absorción de energía, alta conductividad eléctrica y térmica.

Polímero sintético

Polipropileno (Plain, twisted,

fibrillated, buttoned ended) Diámetro 0,02-0,38 mm; Longitud 6 mm-12 mm 551–758 3.45 24 Barato, ampliamente disponible, alta resistencia química, bajo módulo de elasticidad, comparativamente menos resistente al calor.

Nylon Diámetro 0,3-0,35 mm; longitud 10-30 mm 858–827 4.13 16–20 Fuerte, elástico, resistente a la abrasión, resistente a los productos químicos y al aceite

Acrílico Diámetro 6-18 μm; Longitud 6 mm 206–413 2.06 25–45 Alta resistencia a la luz solar, peso ligero y suave.

Polivinilo Alcohol (PVA) Dimensiones: diámetro 24-100 μm, longitud 8-20mm 1200–1600 35 6 a 12 Alta resistencia a la tracción y al enlace molecular, resistente al estiramiento y contracción, resistente a los productos químicos, especialmente a los álcalis.

Aramida Dimensiones: Diámetro 12-45 μm; longitud 6-20 mm 2900–3400 70–140 2.8–3.6

Alta resistencia (más fuerte que las fibras de vidrio y acero), resistente a absorción, a los disolventes orgánicos, buena resistencia química, sin punto de fusión, excelente

resistencia térmica, sensible a las radiaciones UV

Polímero natural

Polyethylene (Low density polyethylene, High density

polyethylene)

Dimensiones: Diámetro 0,25-0,41 mm; longitud 9-20 mm. 1400–2590 0.13–0.3 0.5–1.1 45–50 Insoluble en la mayoría de los disolventes orgánicos comunes, alta resistencia a ácidos y álcalis, excelente resistencia eléctrica, química y resistencia a la abrasión.

Natural (coir) Nanofibras de celulosa de 2-5 μm de longitud. 175 6.0–9.0 30 Bajo módulo de elasticidad, alta absorción de humedad, poca resistencia química, sufre descomposición orgánica, baja densidad

Natural (Flax)

longitud de hasta 10 mm

345–1035 27.6 2.7–3.2

Resistencia a la tracción relativamente mejor entre las fibras naturales.

Natural Jute 393–773 26.5 1.5–1.8

Natural (Banboo) 140–230 11.0–17.0 -

Algodón Diámetro: 11-22 μm. 390–600 6.0–11.0 6.0–10.0 Módulo muy bajo, barato, ampliamente disponible.

Tabla 2.3:Propiedades de las diferentes tipologías de fibras, así como sus propiedades y observaciones.

11

2.2.2 Ventajas de las fibras en el hormigón

La incorporación de fibras en el hormigón presenta ventajas notorias respecto el mallado; las fibras se distribuyen toda una sección transversal, mientras que las barras de refuerzo se colocan solamente donde es necesario. Son un material relativamente corto y con características diferentes, mientras que las barras de refuerzo son continuas; y, generalmente, no es posible conseguir la misma zona de refuerzo con fibras como con barras de refuerzo.

A pesar de que no es posible conseguir la misma zona de refuerzos con fibras, como con el mallado tradicional, las fibras de acero aportan una excelente adherencia con el hormigón generando una serie de ventajas que se recogen a continuación [7,8,59]: (1) Ductilidad: La ductilidad se define como la capacidad que tiene un material para deformarse plásticamente cuando se le aplica un esfuerzo superior al valor máximo sin acabar de romperse. El material modifica su microestructura para compensar ese sobre esfuerzo hasta una elongación máxima.

Esta ventaja proporciona al hormigón después del fisuramiento redistribuir las tensiones; (2) Reducción de la fragilidad, aumento de la tenacidad; (3) Incremento en la resistencia a la flexotracción; (3) Mejora la durabilidad; (4) Aumenta la resistencia a tracción temprana edad; (5) Capacidad de absorción de energía de impacto;(6) Aumenta resistencia a la abrasión; (7) Incremento de la adherencia entre fibras y la matriz de cemento; (8) Reducción de la deformación bajo cargas permanentes; (9) Aplicación más simple y rápida, y eliminación parcial o total de la armadura pasiva si se emplean fibras estructurales;(10) Controla el ancho de las fisuras en el proceso de endurecimiento, alcanzando mayores vidas útiles.

2.2.3 Comportamiento del HRFA

El comportamiento del hormigón presenta una resistencia a compresión significativamente superior a la resistencia a tracción. En cambio, el acero soporta bien ambas tensiones (compresión y tracción). Por lo tanto, combinando el hormigón y el acero, la tracción la soporta el acero y la compresión el hormigón proporcionando más ductilidad al conjunto de la estructura dando capacidad de aviso previo en el caso de colapso cercano de la estructura.

La descripción del comportamiento a tracción del hormigón reforzado con fibras puede realizarse, entre otras, mediante la relación tensión-apertura fisura σw (w) (σ_𝑤 denota la tracción aplicada como función w de apertura de fisura) del material compuesto de hormigón reforzado con fibras que es análogo a capacidad de puenteo de fisuras de las fibras en diferentes sistemas compuestos de matriz frágil [46,47] relacionado con el concepto del modelo de la fisura ficticia o la relación (𝜎 − 𝜀), ambas representadas en la Figura 2.1.

Figura 2.1: Diagrama constitutivo del comportamiento a compresión y a tracción con hormigón con fibras [5].

12 Las fibras de acero por sus propiedades comentadas con anterioridad se complementan con el hormigón, confieren a este unas propiedades muy superiores, desarrollando una notable capacidad de absorción de energía. La adherencia de la fibra con la matriz es el fenómeno que gobierna el comportamiento del hormigón después de la fisuración. Cuando se produce una fisura en el hormigón las fibras actúan cosiendo la fisura y proporcionando resistencia. La energía que se manifiesta como fisura se transfiere a las fibras mediante mecanismos de extracción o de rotura dúctil. La ventaja más importante de las fibras de acero es el comportamiento dúctil bajo cargas de tracción mediante el ensayo a flexotracción, esto hace que el material sea capaz de soportar esfuerzos de tracción, a pesar de las fisuras, permitiendo la redistribución de tensiones.[8]

No obstante, el hormigón reforzado con fibras metálicas (HRFA), al ser sometido a flexotracción presenta diferentes fases en su comportamiento que se explicarán a continuación (véase la Figura 2. 2).

Figura 2. 2:Forma de la ecuación constitutiva de un elemento de hormigón reforzado con fibras sometido a tracción [6].

La resistencia a flexotracción del hormigón depende del comportamiento mecánico del mismo, es decir, de la naturaleza de los materiales que lo constituyen: la pasta de cemento y lo áridos, que para este caso son materiales frágiles. Cuando se añaden las fibras, el factor que afecta en gran medida al comportamiento es la adherencia, teniendo en cuenta que el tipo de anclaje influye en el mecanismo de adherencia con la matriz. A continuación, se explica el diagrama detalladamente a partir de fases:

Fase I: Se caracteriza por ser la fase de carga del hormigón. Durante el estado elástico, el hormigón absorbe la carga en su totalidad indistintamente si contiene o no fibras.

Fase II: Cuando el hormigón fisura se produce una liberación brusca de energía, lo que conlleva una disminución de su resistencia hasta que la resistencia proporcionada de las fibras se activa.

Fase III: En esta fase las fibras experimentan el esfuerzo máximo de la carga y continuación experimenta fenómenos de deformación plástica, extracción de la matriz o rotura de la fibra.

Fase IV: Esta fase corresponde al punto en que se produce la pérdida de anclaje de las fibras, extrayéndolas de la matriz de hormigón y disminuyendo la resistencia del HRF de forma progresiva.

13

2.2.4 Comportamiento estructural

Para comprender y entender mejor las ventajas que aportan las fibras de acero al hormigón y observar cómo afecta al comportamiento estructural es necesario conocer los mecanismos de formación y propagación de fisuras, ya que los modelos de cálculo basan sus hipótesis en estos fenómenos.

Al estudiar una viga de hormigón simple, con cuantía de acero normal, apoyada en dos puntos y sometida a una carga puntual, se puede decir que, al iniciar el proceso de carga del elemento, el comportamiento de la pieza es esencialmente elástico y toda la sección contribuye a resistir el momento exterior. Cuando la tensión en la fibra más esforzada excede la resistencia del hormigón a la tracción, aparece la primera fisura. Estas fisuras causan un grave impacto en la resistencia mecánica y la durabilidad, que, en consecuencia, impiden la vida útil y la funcionalidad del compuesto [39].

A partir de este punto se puede considerar que el comportamiento del elemento ya no es elástico y las deformaciones ya no son proporcionales a la carga y se considera que en la zona fisurada el acero de refuerzo toma prácticamente toda la tracción. Por lo que, en general esta primera fisura es perpendicular a las tensiones de tracción y se forma en la zona donde el momento de flexión es máximo y el cortante es mínimo (véase la Figura 2.3(a)). A medida que continua el proceso de carga estas fisuras aumentan en número, longitud y abertura.

Como se puede observar en la Figura 2.3(b), al continuar incrementando la carga, las fisuras aparecen en la zona donde el cortante aumenta. Sin embargo, las fisuras continúan propagándose, y estas dejan de ser paralelas a la dirección de aplicación de la carga y en esta fase inicia el deslizamiento de las dos superficies de la fisura. Un mayor aumento de carga hace crecer la fisura principal hasta la zona de compresión hasta que se produce la falla, generalmente dúctil (véase la Figura 2.3(c)).

Otro mecanismo de falla que se puede presentar en vigas de hormigón con características diferentes en dimensiones y refuerzo es la aparición de una fisura secundaria que atraviesa las primeras fisuras por flexión (véase la Figura 2.3 (d)). Este tipo de falla es frágil pues es repentina e inestable.

Figura 2.3:Proceso de fisuración de una viga de hormigón reforzado, simplemente apoyada y sometida a flexión [11].

Cuando se introducen las fibras al hormigón sus propiedades plásticas cambian, sin embargo, sus propiedades elásticas y la resistencia a la compresión no se ven afectadas significativamente por las fibras. Una de las propiedades más beneficiadas por la adición de fibras al hormigón es la de disipación de energía en la fisuración del hormigón. Es por esto que la mayoría de los reglamentos actuales basan el diseño estructural de elementos de HRFA en el comportamiento post fisuración de este material.

Dependiendo de su composición, el HRFA puede mostrar comportamiento de ablandamiento o endurecimiento bajo tensión uniaxial. En la Figura 2.4(a) se puede observar el comportamiento

14 de ablandamiento en el hormigón reforzado con fibras de acero, en donde las deformaciones se localizan en una única fisura que se genera una vez que se alcanza la carga crítica, en este punto el elemento deja de soportar carga y su deformación es mayor. En la Figura 2.4(b) se observa que en el comportamiento de endurecimiento se generan múltiples fisuras antes de alcanzar el valor pico.

Figura 2.4:(a) Comportamiento de ablandamiento y (b)endurecimiento en tensión uniaxial [11]

2.3 MÉTODOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL HRF

Los métodos para la caracterización del HRF, teniendo en cuenta las razones publicadas por Van Mier en el año 1997 [13], puede existir varias razones para que las organizaciones, profesionales e investigadores decidan hacer una prueba estándar. La primera razón es determinar los parámetros que se necesitan en un modelo aceptado que se utilizará en la práctica. Y, en segundo lugar, el método de ensayo que se utilizará para comparar los resultados obtenidos en diferentes laboratorios o como un problema de punto de referencia para los modelos numéricos.

Por último, podría ser utilizado como un medio de control de calidad en la práctica para poder comparar con otros resultados [14].

De acuerdo con Kooiman [14], los principales criterios para evaluar la idoneidad de un ensayo de caracterización del HRF son: (1) La complejidad intrínseca del método de ensayo; (2) La complejidad de la preparación de las muestras y la ejecución de estas (derivada de las dimensiones de la probeta); (3) La complejidad de la ejecución; (4) La reproductividad, fiabilidad y dispersión del ensayo; (5) El costo y la aplicabilidad asociados a su realización;(6) La aceptación del ensayo por los investigadores.

15

2.3.1 Ensayos de caracterización

Existen varios métodos de ensayo y técnicas orientados a la investigación básica, para evaluar el rendimiento del HRFA (Tabla 2.4).

El ensayo más extendido para el control postfisuramiento del HRF es el ensayo a flexotracción sobre probeta prismática, con carga en el centro y entalla (RILEM 3- PBT) [15] o con cargas aplicadas a tercios de los apoyos, estos permiten recoger una respuesta de la probeta más confiable.

Conforme con Lappa [61], la entalla, influye en el comportamiento estructural forzando la aparición de la fisura de dicha sección. En consecuencia, es posible alcanzar mayores resistencias residuales ensayando elementos con entalla que elementos sin entalla (en los que inevitablemente fisura la sección más débil), por este motivo la zona de “deflection hardering” debido a la fisuración múltiple no es tan pronunciada en el caso de las probetas con entalla. Alternativamente, existen normativas y ensayos como round determinate panel.

La universidad Politécnica de Catalunya (UPC), el departamento de Ingeniería de la Construcción propuso el en ensayo Barcelona como alternativa para caracterizar el HRF, siendo una modificación del ensayo doble de punzonamiento. Este ensayo, conduce a valores representativos de la resistencia y la tenacidad del material, con un coeficiente de variación

Tabla 2.4:Comparación de las variables más significativas entre ensayos.[15]

ENSAYO ESQUEMA DIMENSIONES

(𝒄𝒎)

PESO (𝑲𝒈)

SUPERFICIE ESPECÍFICA DE ROTURA

𝐂. 𝐕. (%) Ensayo de viga

con carga a tercios (ASTM C-1018)

35x10x10 8.40 0.0286 15

Ensayo de viga con carga a tercios (NBN B 15-238)

(60-75) x15x15 40.50 0.0133 12-20

Ensayo de viga con carga a tercios

55x7.5x12.5 12.37 0.0182 20

Ensayo de viga con carga centrada

55x7.5x12.5 12.37 0.0182 17

RILEM 3-point

bending test (55-60) x15x15 29.70 0.0152 10-25

Ensayo de panel

EFNARC 60x60x10 86.40 0.0722 9

Round determinate

panel test

7.5x Φ 80 90.65 0.0238 6-13

Ensayo de doble Punzonamiento

(Método Barcelona)

15x Φ15 6.36 0.1274 13

16 inferior al 13% [62] que lo convierte en un ensayo idóneo para el control sistemático del HRF en obra [6].

2.3.2 Ensayo Pull - Out

El comportamiento mecánico de un hormigón reforzado está relacionado no sólo con la cantidad y orientación de las fibras, sino también con el comportamiento de extracción frente a la carga (o carga-deslizamiento) de las fibras individuales.

El comportamiento de extracción de una fibra depende del tipo de fibra, sus propiedades mecánicas y sus propiedades geométricas. Asimismo, de la composición de la fibra; la interacción entre la fibra y matriz del hormigón, y el ángulo de inclinación de la fibra respecto a la dirección de carga.

A pesar de que no hay normativas regularizadas para este ensayo, puesto que es de gran interés para un vasto campo de la ingeniería relacionada con el HRF, existe una gran cantidad de literatura e investigaciones experimentales que cubren el tema. En consecuencia, la comprensión actual del comportamiento de la mecánica interfacial fibra-matriz se basa en modelos teóricos y analíticos desarrollados por, Alwan et al. (1999) [16], van Gysel (1999) [17] y Sujivorakul et al. (2000) [18], entre otros, para las fibras con anclaje mecánico; y Chanvillard (1999) [19] para las fibras de acero con acabado Hook.

En la Figura 2.5 se muestra una curva típica de extracción de una fibra lisa.

Figura 2.5:Curva de energía de desprendimiento del ensayo Pull-Out. [4].

En la parte ascendente (OA) está asociada a la unión elástica o adhesiva, iniciando una desconexión de la fibra con la matriz (AB), siendo la unión por fricción la única resistencia ofrecida hasta que se produce se extracción total (B-F). La carga de extracción, disminuye con el aumento del deslizamiento, como resultado de la disminución de la longitud de la fibra incrustada y debido a la fricción que disminuye el deslizamiento. La energía disipada es igual al área bajo la carga-desplazamiento (deslizamiento).

En consecuencia, la energía de extracción (tanto de fricción) aumenta con el aumento de la longitud de empotramiento de la fibra, a menos que la longitud de empotramiento sea demasiado larga y la fibra se rompa. Para una fibra recta, el deslizamiento en la carga máxima es relativamente pequeña, generalmente inferior a 0,1𝑚𝑚.

17 En la Figura 2.6, se compara la curva de extracción de fibras rectas con las fibras de acabado Hook.

Figura 2.6: Gráfico del resultado de la extracción de la fibra Hook [4].

La fibra recta, disminuye su carga de extracción en función del aumento del deslizamiento (BF). Por otro lado, la fibra con acabado Hook, la carga aumenta (BC) debido al anclaje mecánico hasta que ésta comienza a deslizarse (CD) provocando una deformación progresivamente durante la extracción de la fibra (DE). Cuando el acabo Hook se ha extraído por completo, y se ha enderezado en el proceso, una fase de decaimiento por fricción pone fin al proceso (EF), lo que corresponde al caso de una fibra recta [4].

Otro caso de estudio del comportamiento mecánico de la extracción, se basa en tres tipos de fibras con geometrías diferentes (Twisted, Hook End y Straight Smooth) que se muestra en la Figura 2.7.

Figura 2.7:Gráficos de la extracción de fibras Hook. [29]

Por un lado, la fibra “Smooth Steel fiber”, representa un perfil gráfico donde se detecta un máximo a pocas pulgadas de la extracción y una disminución progresiva de la carga. La fuerza que se muestra a partir del máximo es la fuerza de fricción que experimenta la fibra con el hormigón. [29]

Por otro lado, la fibra “Hook Steel fiber”, representa un aumento mayor en tracción. Esta presenta un pliegue en los extremos que queda más sujeta en la matriz del hormigón gracias al acabado Hook. El mecanismo de extracción es muy parecido a la fibra Smooth, no obstante, sobre 0.15 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 se muestra una resistencia a la extracción causada por la deformación plástica del acabado Hook llamado Bending que prolonga la extracción de la fibra [29].

18 En cambio, la fibra “Twisted Steel fiber”, representa una adherencia superior a la matriz del hormigón debido a su geometría. El fenómeno de torsión, está presente a partir de 0.1 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠, aumentando la resistencia al deslizamiento en función de la torsión provocada en su extracción.

[32]

2.4 Modelos constitutivos normativos

En la Tabla 2. 5 se presentan los modelos constitutivos propuestos por las directrices europeas, agrupados según su diagrama (rectangular, bilineal y trilineal), que incluyen criterios y recomendaciones para el diseño de estructuras HRF. Según el orden cronológico de publicación, éstos son el DBV (alemana) [15], las recomendaciones RILEM [16], el CNR-DT 204 (italiana) [17], la EHE-08 [1] y el Código Modelo 2010 (española) [18].

Análogamente, el esquema representa un ensayo requerido para obtener los parámetros que definen los modelos. Una vez, presentado el esquema se realiza un análisis de los modelos comparando las similitudes y las diferencias que existen entre ellos. Los modelos más actuales introducen diferenciación según el uso estructural o no estructural de las fibras, lo que permite ampliar el uso del HRF.

Los modelos más elaborados son el multilineal como la EHE, el trilineal de la DBV o el propuesto por el RILEM. Estos tratan de reunir de forma más verídica el comportamiento mecánico del HRF asociándolo a responsabilidades estructurales. Estos modelos reproducen la fase elástica-lineal hasta la fisuración, reproduciendo el proceso de carga con la rigidez fisurada desde el origen. De forma que, son utilizados, para aplicaciones que requieren de un cálculo más ajustado como un diseño no lineal o casos en los que se requiera trabajar en dominios de pequeñas deformaciones (ELS). El valor de fisuración propuesto por el método RILEM es excesivamente optimista y proporciona valores muy altos [5].

Los modelos simplificados como los modelos rectangulares o bilineales planteados por la norma española EHE, la alemana DBV o la italiana CNR-DT 204, resultan interesantes por su rapidez de aplicación para el cálculo en (ELU). Estos modelos, a diferencia de los multilineales o trilineales, no reproducen la fase elástica-lineal previa a la fisuración.

En cuanto al MC2010, es el primer modelo en presentar factores de seguridad parcial que tiene en cuenta el efecto de la orientación de las fibras en el elemento estructural. Que proporciona un modelo aún más ajustado al tener en cuenta la orientación por el proceso de hormigonado, la compactación o la consistencia del hormigón. [24]

19

Diagrama Parámetros Caracterizació

n σ₁= f_eq,ctd,II =f_eq,ctk,II ·𝛼_𝑐^𝑓·𝛼_sys /𝛾_𝑐𝑡^𝑓 ≤ 𝑓_eq,ctd,I

(𝛼_sys: coeficiente por efecto tamaño; 𝛼_𝑐^𝑓: coeficiente de comportamiento diferido)

𝜀₁= 𝜀_𝑢= 10‰

DVB

σ₁= 𝑓_Ftu =𝑓_eq2/3

𝜀₁= 𝜀_𝑢= [20‰ softening; 10‰ hardening] CNR- DT 204

σ₁= 𝑓_ctRd = 0.33𝑓_R,3,d

𝜀₁= 𝜀_𝑢= [20‰ flexión; 10‰ tracción] EHE σ₁= 𝑓_Ftu =𝑓_R3 /3

𝜀₁= 𝜀_𝑢= [20‰ softening; 10‰ hardening] MC σ1=𝑓eq,ctd,I = feq,ctk,II 𝛼_𝑐^𝑓 𝛼sys /𝛾_𝑐𝑡^𝑓

σ2= feq,ctk,II = feq,ctk,II 𝛼_𝑐^𝑓 𝛼sys /𝛾_𝑐𝑡^𝑓γctf ≤ 𝑓_eq,ctd,I

𝜀₂= 𝜀_𝑢= 10‰

DBV

σ₁= 𝑓_Fts =0.45𝑓_eq1

σ₂=𝑓_Ftu =k [𝑓_Fts– (𝑤_u /𝑤_i2)( 𝑓_Fts -0.5𝑓_eq2 +0.2𝑓_eq1)]

k= [0.7 tracción, 1 otros casos]

𝜀₂= 𝜀_𝑢= [20‰ softening; 10‰ hardening] CNR-DT 204 σ₁= =𝑓_ctd^𝑓 = 𝛼_𝑐^𝑓 ·𝑓_ctk,fl / 𝛾_ct^f

σ₂=𝑓_eq,ctd,I = 𝑓_eq,ctd,I ·𝛼_𝑐^𝑓 ·𝛼_sys /𝛾_𝑐𝑡^𝑓 σ₃= f_eq,ctk,II = f_eq,ctk,II ·𝛼_𝑐^𝑓 ·𝛼_sys /𝛾_𝑐𝑡^𝑓 ≤ 𝑓_eq,ctd,I

𝜀₁= σ₁/𝐸_HRF; 𝜀₂= 𝜀₁ + 0.1‰; 𝜀₃= 𝜀_𝑢= 10‰

DBV

σ₁= 0.7 𝑓_ctm,fl (1.6-d);

σ₂= 0.45·𝜅_h ·𝑓_R,1; σ₃= 0.37·𝜅_h ·𝑓_R,4

𝜀₁= σ₁/𝐸_HRF; 𝜀₂= 𝜀₁ + 0.1‰; 𝜀₃= 𝜀_𝑢= 25‰ RILEM σ₁ = 𝑓_ct,d = 0.6 𝑓_ct,fl,d

σ2= 𝑓ctR1,d = 0.45𝑓R,1,d

σ₃= 𝑓_ctR3,d = 𝑘₁ (0.5𝑓_R,3,d - 0.2 𝑓_R,1,d) 𝜀₂=0.1 + 1000·𝑓_ct,d / 𝐸_c,0

𝜀₃= 2.5/𝑙_cs (𝑙_cs:longitud característica) 𝜀_𝑢= [20‰ flexión; 10‰ tracción pura]

EHE

𝑓_ctm =0.30(𝑓_𝑐𝑘)^2/3 𝑓_Fts =0.45𝑓_R1

𝑓_Ftu =k [𝑓_Fts –(𝑤_u /𝐶𝑀𝑂𝐷₃)( 𝑓_Fts -0.5𝑓_R3 +0.2𝑓_R1)]

𝜀SLS =𝐶𝑀𝑂𝐷1/ 𝑙cs

𝜀_SLU = 𝑤_u /𝑙_cs = min (𝜀_Fu, 2.5/𝑙_cs=2.5/y) 𝜀_Fu = [20‰ softening; 10‰ hardening]

MC

Tabla 2. 5:Modelos constitutivos de distintas normativas [21].

20 En la Tabla 2. 6 se presenta los conceptos resumidos de los modelos constitutivos presentados por las normas, RILEM, CNR-DT 204 [17], la EHE-08 y el Código Modelo 2010. Y, se señalan los factores que tienen en cuenta cada una de ellas. Se hace referencia al posterior análisis detallado de cada normativa.

Tabla 2. 6:Tabla resumen de los modelos constitutivos.

Del conjunto de las distintas normativas mencionadas, DBV y RILEM hacen referencia únicamente a las fibras de acero; no obstante, las normas italianas (CNR-DT 204) y la normativa española (EHE) presentan un planteamiento general para todo tipo de fibras. Sin embargo, hay que tener presente que la base fundamental del conocimiento que ha servido para el desarrollo de todas ellas se ha obtenido a partir de estudios de hormigón reforzado con fibras de acero [6].