Los compuestos son materiales formados básicamente por dos fases: MATRIZ + REFUERZO

(1)

(2)

COMPUESTOS

Los compuestos son materiales

formados básicamente por dos fases: MATRIZ + REFUERZO

• La matriz (concreto) es lo queLa matriz (concreto) es lo que

estructura el material compuesto,

llenando los espacios vacíos que se quedan entre los refuerzos y

quedan entre los refuerzos y

manteniendo en sus posiciones relativas;

• Los refuerzos (fibras) son los que

realzan las propiedades mecánicas

(3)

Histórico del Uso de las Fibras en la Construcción Civil

Muros en la Mesopotamia (1.400 a.C.) Muralla de China (214 a.C.) Carreteras Incas (214 d.C.)

(4)

Fibras Industrializadas en la Construcción Civil:

• (1800) Fibras de AmiantoAmianto • (1920) Fibras de VidrioVidrio

• (1964) Fibras de AceroAcero • (1980) Fibras SintéticasSintéticas

(5)

Valores de resistencia mecánica y módulo de elasticidad para Valores de resistencia mecánica y módulo de elasticidad para diverso tipos de fibras y matrices (BENTUR & MINDESS 1990): diverso tipos de fibras y matrices (BENTUR & MINDESS 1990): diverso tipos de fibras y matrices (BENTUR & MINDESS, 1990): diverso tipos de fibras y matrices (BENTUR & MINDESS, 1990):

(6)

El hormigón

“El hormigón posee una serie de características que lo

mantiene como el material estructural más utilizado en el

mundo. Sin embargo, el concreto tiene una serie de

limitaciones

, como su comportamiento frágil y la baja

id d d d f

ió

t

d l

t

C

capacidad de deformación antes de la rotura

. Como

consecuencia de su fragilidad, su resistencia a la

tracción es muy baja

cuando es comparada con su

tracción es muy baja

cuando es comparada con su

resistencia a la compresión

”

..

Una de las alternativas técnicas que podemos utilizar

para minimizar estas limitaciones es el uso de

(7)

Las Fibras

“La introducción de fibras en el hormigón tiene como

g

objetivo minimizar el comportamiento frágil

característico del mismo, presentando una resistencia

residual a los esfuerzos en él aplicados incluso

después de la fisuración”.

(8)

La alteración del comportamiento es función de las

características de las fibras de la matriz de hormigón y de

características de las fibras, de la matriz de hormigón y de

su interacción:

CEMENTO ADITIVOS AGUA HORMIGON FIBRAS ARENA GRAVA ARENA

(9)

El hormigón Fibroreforzado

Es importante destacar que con los bajos contenidos de

fibras usualmente incorporados a los hormigones, no

ocurre aumento en la resistencia a la tracción y a la

y

compresión

, ocurriendo así una modificación de su

comportamiento en la rotura, pasando a ser dúctil

,

debido la redistribución de tensiones propiciada por el

elemento fibroso.

(10)

Concentración de tensiones para un hormigón sin refuerzo de fibras: Concentración de tensiones para un hormigón sin refuerzo de fibras:

(11)

Concentración de tensiones para un hormigón con refuerzo de fibras: Concentración de tensiones para un hormigón con refuerzo de fibras:

(12)

Solución en hormigón armado Convencional Solución en hormigón armado Convencional

Solución en hormigón reforzado con Fibras de Acero Solución en hormigón reforzado con Fibras de Acero

(13)

Desarrollo de las fisuras

0 11 0 20

13

(14)

Concepto de Tenacidad

Comportamiento elástico: Comportamiento elasto-plastico: Comportamiento elástico: vidrio, hormogón Comportamiento elasto-plastico: acero ”Brittle” _”Tough” Strain _Strain Comportamiento elasto-plastico: Comportamiento elasto plastico:

RC, HFRA

”Tough”

(15)

El hormigón Fibroreforzado

Basado en las publicaciones de ACI sobre el tema,

que ya tenia una comisión de estudios organizada en

1966 (comité 544),

un factor muy importante a ser

aclarado es que las fibras agregadas a los hormigón

no tienen por finalidad sustituir las armaduras

convencionales, sin embargo, eso es posible en las

,

g ,

p

estructuras donde puedan garantizar una

significativa redistribución de esfuerzos, como por

ejemplo pisos apoyados sobre suelo, revestimiento

(16)

En astas aplicaciones el hormigón reforzado con

Fibras

Fibras -- Ventajas

Ventajas

Fibras

Fibras -- Ventajas

Ventajas

Constructivas:

• Sustitución parcial o total del refuerzo convencional (malla, barras); • Reducción del tiempo de ejecución (mano de obra);

• Refuerzo correctamente ubicado en la estructura • Refuerzo correctamente ubicado en la estructura.

Estructural:

• Mejor control de las fisuraciones; • Menor permeabilidad;

M i d bilid d

• Maior durabilidad;

• Mejor resisténcia al impacto; • Mayor resisténcia a la fatiga.y g

(17)

Fib

Fibras,

ll

¿cual

utilizar??

(18)

Macrofibras de Alto Módulo Elástico

Las fibras de acero que poseen alta resistencia y alto

módulo de elasticidad

, actúan como un refuerzo del

concreto endurecido, pudiendo sustituir totalmente o

parcialmente la armadura convencional en algunas

aplicaciones

aplicaciones.

(19)

Fibras de acero para el refuerzo del hormigón

• Elevada resistencia a tracción;

Elevado módulo de elasticidad;

• Elevado módulo de elasticidad;

• Elevado contenido de fibras en el hormigón;

g

(20)

Características geométricas de las fibras de acero

(21)

Geometría de las Fibras de Acero

Forma de la sección

circle rectanglar segment sickle-shaped

Transversal: _wire sheet _{wool production}rests of steel mill cutted steel

Forma de la sección longitudinal:

straight smooth waved smooth straight fluted straight profiled

s s w s s s p

Anclaje:

hooked (double)

hooked

(multible) squeezed head (double) (multible)

(22)

UNI 11037

UNI 11037 “Fibre di acciaio da impiegare nel

“Fibre di acciaio da impiegare nel

confezionamento del conglomerato cementizio rinforzato”

“Le

“Le fibre possono essere lisce o sagomate, ottenute da:fibre possono essere lisce o sagomate, ottenute da:

Filo di acciaio trafilato a freddo ottenuto da vergella fabbricata secondo la norma UNI EN 10016-1,2,4 o UNI EN 10088-3

Nastro laminato a freddo di acciaio non legato ..

Altri tipi di fabbricazione (quali, ad esempio, fresatura di un blocco Altri tipi di fabbricazione (quali, ad esempio, fresatura di un blocco

(23)

Características de las fibras de hilo de acero

Ejemplo de Fibra de Acero:

•• Longitud LLongitud L:: 50 mm50 mm

•• DiDiáámetro Demetro De:: 0.75 mm0.75 mm •• RelaciRelacióón l = L/Den l = L/De:: 6767

R i t i t i

R i t i t ióó 13001300 MPMP •• Resistencia a tracciResistencia a traccióónn:: 1300 1300 MPaMPa •• FormaForma:: amoldadaamoldada

•• ComposiciComposicióón qun quíímicamica:: bajo contenido de carbonobajo contenido de carbono •• Fibras por Kg: Fibras por Kg: pp gg 5710 unidades.5710 unidades.

(24)

Ejemplo de Fibra de Acero:

Características de las fibras de hilo de acero

j

p

(25)

Anclaje:

La forma de las fibras es esencial para la disipación de energía en la fase de extracción de la fibra

FF _FF kN) _Carichi (kN) Carichi ( k _C Spostamenti (mm) Spostamenti (mm)

(26)

(27)

Resistencia a la tracción

Es Importante que hay deslizamiento y no ruptura y. Es tanto más importante cuanto mayor es la adherencia entre el acero y el hormigón, es decir, cuanto mayor es la clase de resistencia del hormigón (ff_ck,cyl_ck,cyl// ff_ck,cube_ck,cube)

(28)

Desempeño de Diferentes Fibras de Acero

Fibra de acero fresada Concreto simple

Fibra de acero trefilada

Concreto C35MPa Dosificación: 30 kg/m³

(29)

Características de las fibras de hilo de acero

L it d L l di t i t l d t id d • Longitud L: es la distancia entre las dos extremidades

(6 ≤L≤ 70)

• Diámetro (o diámetro equivalente) De: es el

diámet o del hilo pa a las FIBRAS de sección t as e sal diámetro del hilo, para las FIBRAS de sección trasversal circular, o es el diámetro del circulo de área igual a la de la sección transversal de la fibra (0.15 ≤De≤ 1.20) • Relación de aspecto l = L/De: es la relación entre la

• Relación de aspecto l = L/De: es la relación entre la

longitud L y el diámetro De (o diámetro equivalente) • Resistencia a tracción: se refiere al hilo

semielaborado o el de la fibra semielaborado o el de la fibra

• Forma: Fibras rectilíneas o fibras amoldadas

(longitudinalmente o transversalmente)

• Composición química: Acero de bajo o elevado

contenido de carbono, o inoxidable C ≤ 0.04, Mn 0.25-0.40, Si ≤ 0.10, P ≤ 0.03, S ≤ 0.03, Cu , Cr , Ni

(30)

Balance de fibras y sus propiedades

A

50 t R ti

75

100

25

0

(31)

Cuadro normativo para especificación de las fibras:

ASTM A820 Standard Specification for Steel Fibers for Fiber Reinforced Concrete

ASTM C1116 Standard Specification for Fiber reinforced concrete and p Shotcrete

UNI 11037 Steel Fibres for Concrete

EN 14889-1 Fibers for concrete : Steel Fibres

EN14889-2 Fibers for Concrete : Polymer Fibres

ABNT NBR 15530:07 Fibras para Concreto – Especificação

ABNT NBR 8890:07 Tubo de concreto de seção circular para águas pluviais e esgotos sanitários - Requisitos e métodos de ensaios

(32)

i fib

l

h

ℓ

2 Ø

Recomendaciones para el diseño de mezcla

min. fiber length:

ℓ

_f

≥ 2 Ø

_{G max}

max. fiber length:

ℓ

_f

≤ 0.60 Ø

_hose

ℓ

_f

≤ 0.70 Ø

_nozzle

min. espesor:

t ≥ 1.5 ℓ

_ff

min. fiber dosage:

v

_f

≥ 20 kg/m³ (

25 kg/m³

UNI 11039

UNI 11039--I I

)

i

t

t t

≥ 300 k / ³

min. cement content:

c ≥ 300 kg/m³

plasticizer dosage:

v

_pl

≥ 1% cement

(33)

Criterios referenciales para la elección de la fibra correcta:

• Dimensión máxima del agregado gruesoDimensión máxima del agregado grueso:

Φ

≤

0 5 L

• Dimensión máxima del agregado gruesoDimensión máxima del agregado grueso:

Φ

_max

≤

0,5 L_Fibra

(34)

Riesgo de la formación de aglomerados de fibra:

• Proceso incorrecto de inserción de las fibras; • Dosificaciones elevadas;

• Fibras largas;

• Formas geométricas; • Formas geométricas;

(35)

MAYOR DURABILIDAD

Hormigón Reforzado con Fibras

Las fibras de acero, así como el acero de construcción común, no reciben ningún tratamiento para evitar la corrosión y su durabilidad está

condicionada a su confinamiento en el medio fuertemente alcalino del concreto donde permanecerá pasivada.

Como las fibras restringen la propagación de las fisuras en el hormigón, se se tienetiene unun aumento de aumento de lala resistenciaresistencia a a lala entrada de entrada de agentes

agentes agresivosgg agresivos con el consecuente aumento de la durabilidad de gg la estructura.

(36)

Cuadro normativo para proyeto, construcción y control:

ÂRILEM

ÂUNI

ÂEN

ÂCNR-DT 204/2006

ÂACI 544

ÂACI 360 (pisos)

ÂTR63

ÂTR34 (pisos)

ÂASTM

ÂprnEN

(37)

Contexto Europeo:

UNI 11039 Steel Fiber Reinforced Concrete

Cuadro normativo para ensayos:

UNI 11039 Steel Fiber Reinforced Concrete EFNARC

Eurocodigo prn-14488 Testing Sprayed Concrete: Flerural Strenghs RILEM

RILEM

Contexto Americano:

ASTM C1609-06 (sustituyó la antigua ASTM C1018) Standard Test Method for

ASTM C1609 06 (sustituyó la antigua ASTM C1018) Standard Test Method for Flexural Toughness and First-Crack Strength of

Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam WithThird-Point Loading)

ASTM C1399S C 399 Test Method for Obtaining Average Residual-Strength of Fiber-est et od o Obta g e age es dua St e gt o be Reinforced Concrete

ASTM C1550 Standard Test Method for

Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete and Shotcreteg

(Using Centrally Loaded Round Determinate Panel)

Ensayo Japones:

(38)

D d l i i t á t

UNI 11039. Parte I

UNI 11039. Parte I La designación de un

La designación de un SFRC

SFRC

De acuerdo con los siguientes parámetros:

C ó

Clase de resistencia a la compresión C_cyl/cube (UNI EN 206-1)

Clase de consistencia S_i (UNI EN 206-1)

Diámetro máximo del agregado (UNI EN 12620)

Clase de exposición (UNI EN 206-1)

Clase de resistencia de la primera fisuración ff_If_If Índice de ductilidad DD₀₀₀₀ Índice de ductilidad DD₁₁ Exemplo : Exemplo : SFRC UNI 11039 SFRC UNI 11039 –– CC_30/37_30/37 –– SS₄₄ –– 20 20 –– XC2 XC2 –– FF_3.0_3.0 –– DD_P_P –– DD_S2_S2

(39)

UNI 11039. Parte I

Clase de resistencia de la primera fisuración ff_If_If (Mpa)(Mpa)

(40)

UNI

UNI 11039

11039.. Parte

Parte IIII

Método

Método de

de ensayo

ensayo para

para determinar

determinar la

la

resistencia

resistencia de

de primeira

primeira fisuración

fisuración yy de

de los

los índices

índices de

de ductilidad

ductilidad

Principio del ensayo

resistencia

resistencia de

de primeira

primeira fisuración

fisuración yy de

de los

los índices

índices de

de ductilidad

ductilidad

"Las amostras prismáticas talladas en el medio están sujetos a una prueba de flexión de con cuatro puntos de de carga en control de CMOD1, la resistencia de primera fisuración f_If y los índices de ductilidad D₀ e D₁ se determinan sobre la

p _If y ₀ ₁

(41)

Hormigón Fibroreforzado

Comportamiento

Dúctil

Prueba a flexión sobre vigag

(42)

Hormigón Fibroreforzado

Comportamento dúctil

Debido a la energía absorbida por las fibras que se adhieren al hormigón durante la rotura

(43)

Ensayo para Control de la Tenacidad en Viguetas

La caracterización del material y el control de calidad del CRF es

realizada a través de la medida de su tenacidad, principal

propiedad incrementada por la adicción de las fibras al hormigón.

(44)

(45)

A

150 mm

C

Crack TTip OOpening DDisplacement

UNI 11039.

150 m m CTOD GAUGE 5 0 m m 450 mm A ’ CMOD GAUGE (Feed-Back Quantity) 1 5 Sect. A-A’ 600 mm A A CTOD CTOD or CMOD) notch depth a₀= 45 mm CTOD Gauge CMOD) Gauge CMOD Ga ge Gauge

(46)

prEN

prEN 12390

12390--55

h a₀ CTOD l=3h h h h _b=h CTOD a₀=0,3h L≥3,5h CMOD C C k MM th OO i DDi l t CMOD C

Crack MMouth OOpening DDisplacement

(47)

Criterio de la JSCE SF4 (1984) para determinación de la tenacidad

• La resistencia equivalente a la tracciónLa resistencia equivalente a la tracción eLa resistencia equivalente a la tracción La resistencia equivalente a la tracción e ee la flexión del CRF

la flexión del CRF es determinada a partir del conocimiento de la tenacidad Tf :

• El coeficiente de ductilidadEl coeficiente de ductilidad puede serEl coeficiente de ductilidadEl coeficiente de ductilidad puede ser utilizado en el cálculo, permitiendo cuantificar la contribución de las fibras de

acero en el comportamiento post fisuración de los hormigones Es expreso fisuración de los hormigones. Es expreso

por la relación entre la resistencia equivalente (fct,eq), y la resistencia a la

tracción e la flexión de la matriz de ó (f )

(48)

Las

Las resistencias

resistencias equivalentes

equivalentes

L

OAD

Las resistencias equivalentes se calculan en los intervalos de CTOD que tengan en cuenta los límites de

L

P_If

la anchura de la fisura de acuerdo.

U

₂

U

₁

U L

CTOD₀ CTOD₀+0,6mm CTOD₀+3mm CTOD

(

)

0,6 U 2 a h b L 0,6) (0 eq, f 1 0 ⋅ − = − U L f = ⋅ 2

(

_h _a

)

2 2,4 b 3) (0,6 eq, f 0 ⋅ − = −

(49)

HORMIGÒN SIMPLE

HORMIGÒN SIMPLE HORMIGONHORMIGON CONCON FIBRASFIBRAS (n(n°°66))

(n (n°°3)3) P P_If_If PRIMERA FISURA PRIMERA FISURA P P_máx_máx CTOD CTOD CTOD CTOD

(50)

• Efecto de las fibras de acero nel hormigón:

– Dependiendo del volumen de fibras hay diferentes comportamientos: – Dependiendo del volumen de fibras, hay diferentes comportamientos:

f_If

f

eq

D

₀

=

,(0−0,6) T RESS

f

eq , ₍ ₀ _, ₆ ₋ ₃ ₎

D

f I

f

0 U₂ U 1 S T ) 6 , 0 0 ( , ) , ( 1 −

=

eq

f

D

CTOD [mm] CTOD₀ 0,3 0,6 1,8 3

>1 HARDENING

D

₀

, D

₁

=1 PLASTIC

<1 SOFTENING

(51)

UNI

UNI UU3204514032045140 Planificación,Planificación, ejecuciónejecución yy controlcontrol dede hormigónhormigón estructuralestructural reforzado

reforzado concon fibrasfibras dede aceroacero

En cualquier caso, el requisito mínimo imprescindible para tener en cuenta la resistencia a la tracción del hormigón armado con fibra , que es: L OAD

ff

≥ 0 5 f

que es: L f_If

ff

eq

kk

(0

(0–– 0,6)

0,6)

≥ 0,5 f

If

U

₂

U

₁

(52)

3 5 4 plain concrete 3 3,5 M Pa] p a co c e e Vf=0.38% (30 kg/m3) 2 2,5

s

n [ M Curvas HRFA 1,5 a l st re ss 0,5 1 No m in a

Curvas Concreto simples

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

CTOD [ ] CTOD _m [mm]

(53)

Wirand FF1 - C40/50 - Plain concrete 8

HORMIGÒN SIMPLE

7 8 5 6 e ss s N [M P a 3 4 N om in al S tr e 1 2 N 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 CTODm [mm]

(54)

Wirand FF1 - C40/50 - 20 kg/m3

8

HORMIGÒN CON

20kg/m³

DE FIBRA DE ACERO

7 8 5 6 ss s N [M P a 3 4 No m inal S tr e s 1 2 No 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 CTODm [mm]

(55)

Wirand FF1 - C40/50 - 30 kg/m3

8

HORMIGÒN CON

30kg/m³

DE FIBRA DE ACERO

7 8 5 6 ss s N [M P a 3 4 N om inal S tr e s 1 2 N 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 CTODm [mm]

(56)

Wirand FF1 - C40/50 - 40 kg/m3

HORMIGÒN CON

40kg/m³

DE FIBRA DE ACERO

7 8 5 6 ss s N [M P a 3 4 o m inal S tr e ss 1 2 N o 0 1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 CTODm [mm]

(57)

(58)

HORMIGONES REFORZADOS CON MACRO FIBRAS

(ACERO O SINTÉTICAS)

Q R 3 (R i t i E i l t )?

Que es Re,3 (Resistencia Equivalente)?

Todos los fabricantes de fibras deben orientar los proyectistas con respecto a los resultados del CRF para posibilitar su uso en las consideraciones de p p

(59)

Fibras de Acero Micro Fibra Polimérica

Macro Fibras Polimérica

Comportamento de diferentes tipos de fibras em diferentes solicitações:

Polimérica Polimérica

Retracción plástica ++ + + ++ + + ++

Retracción por secado + + ++ + + xx xx

Resistencia al impacto ++ ++ + ++ +

Control de fissuración (estado limite de servicio)

+ + +

+ + + xx xx

Tension pos- fissuración + ++ + xx ++

Tension pos fissuración (estado limite ultimo)

+ + + + xx ++ Dependiente de temperatura ++ -- --Dependiente de tiempop p ++ -- --Propriedades anti-spalling xx + + ++ + + xx Resistencia a la fatiga + + ++ + + xx ++ Resistencia al fuego ++ xx Resistencia al fuego ++ -- xx

Resistencia a la corrosión + Fisuras <0.2mm+ Fisuras <0.2mm ++ ++

x = insignificante + = positivo + positivo - = negativo (*) = galvanizado

(60)

Refuerzo para la retracción plástica

Luego despues del vasiado, el hormigón comienza a desenvolver resistencia y rigidez. Durante este período inicial, la resistencia a compresión es de ordem de 3MPa, la resistencia a tracción 0.3MPa y el módulo de elasticidad (Young) es menor que 5GPa. En esta edad, el hormigón podrá presentar fisuras superficiales. De esta forma, el uso de micro fibras sintéticas g p p p ,

posibilita minimizar la fisuración que ocurre em el estado plástico en las primeras horas de endurecimento.

Refuerzo para la retracción de secado y control de fisuras

Despues de 24 horas, las propriedades mecánicas del hormigón se multiplican: la resistencia a compresión excede 10 MPa, la resistencia a tracción 1MPa y el módulo de elasticidad (Young) 15 GPa. En estas condiciones el hormigón podrá presentar fisuras nuevamente ya que ahora estaría

(61)

Capacidad de carga do refuerzo en estado límite de servicio (ELS), y estado de limite último (ELU)

El efecto de refuerzo de las fibras es medido a través de ensayos con métodos patrones, EN14651 ASTM C 1609

EN14651 y ASTM C 1609. Gráfico F x CMOD (Norma)

Etcc..

Normalmente, la resistencia pos-fisuración considerando baja abertura de las fisuras (CMOD=0.5) es aplicada em el cálculo del ELS, es la tensión pos-fisuración hasta

CMOD=3mm, es usada en el cálculo de ELU.

L fib d l fib i téti t d dif t l

Las fibras de acero y las macrofibras sintéticas se comportan de manera diferente em el ensayo de la viga estandarizado. Debido al bajo modulo de elesticidad de la macrofibras

sintéticas la abertura de las fisuras son significativas (>0.5mm) antes de que las fibras comiencen a trabaljar. Note que el “efecto refuerzo” de la macrofibra sintética, observado en el

d l i t d i d d b li d id d l l bt id ensayo de la viga estandarizado, debe ser analizado con cuidado: los valores son obtenidos

(62)

Microfibras de Bajo Módulo Elástico

Fib

d P li

il

(63)

Fibras Poliméricas

Material: Polipropileno virgen

Fibromac 12

Material: Polipropileno virgen Geometría: Monofilamentos circular Diametro: 18 µm

Longitud: 12 mm Unidades/kg:ca. 300 Mio. Esfuerzo a tracción:560 MPa Esfuerzo a tracción:560 MPa E-Modulus: 4200 MPa

(64)

Propiedades de las fibras de Polipropileno

... En fase temprana

• Control de hidratación • Homogenea evaporación

• Control de esfuerzos locales por contracción • Control de esfuerzos locales por contracción • Mejoramiento de la resistencia en fase verde • Menor lagrimeo

• Reduce encogimiento

• Reduce la fisuración por encogimiento.

(65)

Desempeño de las

Desempeño de las Microfibras

Microfibras de Polipropileno

de Polipropileno

H

₂

O

Concreto Simple Concreto Simple

Concreto con fibras de PP Concreto con fibras de PP Concreto con fibras de PP Concreto con fibras de PP