Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados

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1 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 1 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados A. Espeche, J. León Grupo Hormigón Estructural, Universidad Politécnica de Madrid, España E. Navarrete, C. Velasco Consejero Delegado y Director Gerente de RTH, Reparaciones Técnicas del Hormigón S.L., España RESUMEN El presente trabajo muestra una técnica original que optimiza las intervenciones de refuerzo con encamisado con micorhormigón. Está basada en la mejora y actualización de procedimientos aplicados con éxito en Alemania en encamisados con hormigón proyectado y que cuentan con soporte normativo (DIN 18551). Se describen conceptos de la mecánica estructural, enlazados inmediatamente con las reglas de buena construcción, con el fin de obtener un sistema coherente entre el proyecto y la ejecución. Se mencionan las sustanciales ventajas que aporta el microhormigón de altas prestaciones autocompactante a esta técnica de encamisado de pilares. 1. INTRODUCCIÓN De las diversas técnicas de refuerzo de soportes cabe destacar el refuerzo con hormigón armado, el refuerzo con materiales metálicos tipo angulares y también con camisas inyectadas, así como el refuerzo con materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras (FRP). El refuerzo con encamisado consiste en recubrir el perímetro de un pilar existente por lo general en toda su altura, generando un nuevo elemento de mayores prestaciones en lo que respecta al trabajo mecánico y a la durabilidad. En este trabajo se tratan únicamente soportes que tienen la posibilidad de ser reforzados en todo el perímetro de su sección transversal, siendo esta de forma cuadrada o rectangular con relación de lados cercana a la unidad. El soporte existente no debe estar solicitado muy por encima de la carga de servicio para que el mismo pueda aportar, al sistema compuesto y evolutivo (pilar antiguo y camisa de refuerzo), su capacidad remanente. De otro modo, en pilares próximos al colapso, cabe hablar propiamente de reparación, y el encamisado pasa de ser un elemento colaborante a uno sustitutivo, debido a que se debe hacer responsable del 100% de la carga. En este trabajo se presenta un método novedoso para el refuerzo de pilares mediante encamisados con microhormigón de altas prestaciones que minimiza la intervención en la estructura existente.

2 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 2 2. TÉCNICAS DE HORMIGONADO DE ENCAMISADOS DE PILARES Las formas de aplicar el hormigón en estado fresco en este tipo de intervenciones, son en resumidas cuentas, el proyectado, el inyectado y el vertido. A continuación se realiza un breve repaso de las mismas. 2.1 Hormigón proyectado El hormigón proyectado tiene, por lo general, las características de un microhormigón, por el pequeño tamaño máximo de los áridos que se emplean (8 mm). La principal ventaja de su empleo está en que permite reducir el espesor de la camisa hasta los 4 cm, y en que la compactación se produce por el efecto dinámico del impacto. Esta técnica, muy sucia, obliga a tomar precauciones de seguridad de los operarios y, además, tiene el inconveniente del efecto sombra de material tras las barras al proyectar. 2.2 Hormigón inyectado Se inyecta el material por unas válvulas dispuestas en la parte baja de unos encofrados, especialmente diseñados para resistir elevadas presiones, con otra válvula en la parte superior para purgar el aire y dejar salir el exceso de lechada. Este técnica, que da lugar también a espesores de encamisado reducidos, requiere de un sistema especial que impulse el microhormigón en estado fluido y, además, de encofrados de muy buena calidad, casi exclusivamente metálicos, bien sellados, para evitar la fuga de lechada y rígidos para prevenir la deformación debida a las altas presiones solicitantes. Suele ser habitual usar una camisa metálica con el doble objetivo de servir como encofrado y como camisa perdida que confina en forma activa al pilar antiguo. 2.3 Hormigón vertido El hormigón normal vertido, aplicado al encamisado de pilares, no ha gozado de especial difusión hasta la aparición de los hormigones de altas prestaciones, debido a que los espesores que se requieren son, como mínimo, de 0,10 m y resultan muchas veces prohibitivos, porque quitan demasiado espacio útil en las construcciones existentes. Este espesor mínimo es necesario para poder introducir el vibrador que se encarga de compactar el hormigón. El microhormigón autocompactante resuelve esta limitación en la técnica del hormigonado por vertido. La gran fluidez en estado fresco del micro-hac permite rellenar espesores muy pequeños y con elevada cuantía de armadura y, entre otras ventajas adicionales, posibilita el ahorro de energía de vibración, mejora los acabados y consigue mejores condiciones para los operarios. Este espesor difícilmente puede reducirse a menos de 4 cm, ya que en este espacio debe alojarse la armadura, en la parte central y debe quedar, del lado interior suficiente espesor que permita transmitir los esfuerzos entre la camisa y el pilar antiguo, y del lado exterior, el recubrimiento mínimo que asegure durabilidad y adherencia. 3. EL MICROHORMIGÓN DE ALTAS PRESTACIONES COMO MATERIAL DE REFUERZO 3.1 Características generales El microhormigón de altas prestaciones escogido para el método de encamisado de pilares que se describe en este trabajo, es una mezcla de arenas preseleccionadas y secas con conglomerantes en base a cementos, y un mix de aditivos superplastificantes y

3 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 3 polímeros que aportan a la mezcla unas prestaciones de altas resistencias mecánicas (f ck > 60 N/mm 2 de resistencia a compresión y de f cf > 9-10 N/mm 2 de resistencia a flexotracción) acompañadas de retracción compensada y alta cohesividad de forma que su colocación en obra bien puede efectuarse directamente por vertido, por bombeo o por inyección bajo presión. Este microhormigón permite llenar elementos estructurales delgados con espesores a partir de los 10/15 mm sin alterar sus propiedades ni provocar efectos perniciosos por calor de hidratación. Es una solución idónea para la reparación y el refuerzo de elementos delgados, placas de recubrimiento y anclaje, etc. Además se trata de un material autocompactante con diámetros de escurrimiento superior a 70 cm (fig. 1) y un comportamiento excelente de cohesión que le aporta ventajas importantes ante el bloqueo y la disgregación. Otra de las características importantes de este material es su alta adherencia (resistencia de arrancamiento > 0,7 N/mm 2 ), de especial importancia para la transferencia de la carga desde el pilar antiguo al refuerzo. Fig. 1 Secuencia de operaciones durante la fabricación y del ensayo de extensión de flujo del microhormigón autocompactante. 3.2 Aspectos tecnológicos del material Los requisitos más importantes que se le exige cumplir a un microhormigón de altas prestaciones que va ha ser empleado en el campo del refuerzo y la reparación estructural son los siguientes: Elevada fluidez.

4 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 4 Alta resistencia. Retracción compensada. Homogeneidad. Carencia de exudación. Facilidad de vertido en secciones de pequeño espesor y con gran densidad de armaduras. Como se demuestra más adelante en este trabajo, un material que tecnológicamente cumpla con estos requerimientos, resulta idóneo para su empleo en encamisados de refuerzo de pilares de hormigón existentes. En el estudio experimental que están desarrollando actualmente los autores, se ha decidido emplear para la fabricación del micro-hac el mortero comercial CONTACT GROUT AR de la casa COPSA. Se trata de un material con retracción compensada, el cual, y tras el empleo de una dosificación adecuada de agua permite alcanzar la característica de autocompactabilidad y alta resistencia. En este tipo de morteros la elevada fluidez se consigue controlando la curva granulométrica de los óxidos y empleando una alta dosificación de superfluidificantes de última generación tipo carboxilatos. La alta resistencia, aún en edades tempranas, se consigue con dosificaciones elevadas de cemento clase resistente 52,5 con una cantidad aproximada de 350 kg por tonelada de mortero (en el orden de los 700 kg de cemento por m 3 de mortero) y con el superfluidificante antes mencionado, para conseguir relaciones A/C por debajo de 0,35. Por otra parte, la retracción se controla mediante agentes compensadores de la retracción tipo cemento expansivo. La homogeneidad y carencia de exudación se consigue mediante la incorporación en la formulación de agentes retenedores de agua, basados en derivados celulósicos que dan a la masa del microhormigón uniformidad y evitan la exudación. En algunos casos también se puede utilizar desaireantes. Aunque en el marco de la investigación, dentro de una nave de ensayos, no resulta necesario incrementar la resistencia a los ambientes agresivos, si se ha de aumentar la durabilidad frente los ataques medioambientales, habrán de emplearse cementos sulforresistentes de alta resistencia y se debe valorar además la adición de algún polímero tipo acrílico. Para obtener una dosificación que se adecue a los propósitos de la metodología de refuerzo propuesta, se están ensayando distintas proporciones de materiales componentes del micro-hac, ajustando el contenido de agua y la cantidad de árido grueso respecto al peso de mortero. En la fig. 1 se muestra el proceso de ejecución y control durante estos ensayos. El árido grueso es una gravilla de origen silíceo, de tamaño máximo 10 mm y curva granulométrica muy uniforme provisto por la casa MONTORIO S.A. (fig. 2).

5 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 5 Pasa acumulado (%) ,01 0, Luz de malla (mm) Fig. 2 Curva granulométrica del árido grueso (gravilla). 4. EL ENCOFRADO COMO ESTRUCTURA Los encofrados deben tratarse como un componente estructural más dentro de un proyecto de construcción, en especial, los encofrados verticales. Una cuestión fundamental es la idealización de la ley de presiones que se emplee para su proyecto. En el caso del hormigón de consistencia normal en estado fluido o fresco, la viscosidad de la mezcla genera una ley de presiones que puede considerarse aproximadamente de forma hidrostática. Se trata de hormigones de una viscosidad tal, que tras su vertido, requiere que sean vibrados. En función del espesor y de la velocidad de vertido para un hormigón normal (que requiere vibrado), el empuje sobre los encofrados, puede ser tenido en cuenta, para vertidos rápidos (5 m/h en vertical, caso de muros delgados en edificación), una carga triangular de 2,50 m de altura con 48 kn/m 2 en la base; para vertidos lentos (muros gruesos de gran altura), se supone carga uniformemente repartida de 36 kn/m 2. Sin embargo, la baja viscosidad que presenta una mezcla de hormigón autocompactante en estado fresco hace que las presiones se incrementen con respecto a los hormigones normales. Por eso, debe suponerse una distribución hidrostática de presiones. El peso específico de un hormigón (con independencia de su viscosidad) es del orden de 24 kn/m 3, variando entre 17 a 18 hasta 26 a 27 kn/m 3, según el tipo de áridos utilizados. En el refuerzo de pilares con microhormigón autocompactante con pequeño espesor de la camisa (0,04 a 0,10 m) y altura entre 2 y 3 m, en los que el llenado es muy rápido, la presión en la base será prácticamente la del estado hidrostrático de la mezcla: 3 p = γ h = 25 kn/m h (1) Para una altura de 2,50 m se tiene una presión de 62,5 kn/m en la base, es decir, un 30% más que la presión ejercida por un hormigón normal.

6 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 6 Los encofrados que deban contener el microhormigón de los encamisados, deben tener una rigidez tal que las deformaciones transversales que se produzcan resulten aceptables. Una regla dada por algunos autores es la siguiente: f c (2) Fig. 3 - Encofrados para encamisados con micro-hac. A la izquierda se observa un encofrado modular y a la derecha uno de madera diseñado para la campaña de ensayos que están desarrollando los autores. Fig. 4 Sellado de las juntas de encofrado con siliconas. Así, en altura, para un pilar de 2,50 m, la deformada admitida sería de 4 mm y, en sentido horizontal, entre las esquinas, para un refuerzo de 0,30 m de ancho, se podría admitir una deformada de 300/600 = 0,5 mm. Los encofrados modulares son especialmente recomendables, siendo válidos también los de madera si se proyectan adecuadamente. Como ejemplo de ello se muestra el encofrado diseñado para el refuerzo de los pilares de la campaña experimental que se lleva a cabo en el Laboratorio de Estructuras de la Escuela de Caminos de la UPM (fig. 3 derecha). La baja viscosidad de los micro-hac y las elevadas presiones que ocurren en las paredes de los encofrados, convierten las juntas en puntos especialmente sensibles. Para evitar las fugas de lechada, que acabarían produciendo nidos de gravas en el encamisado, la solución es sellar las juntas (fig. 4).

7 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 7 5. EL ARMADO DE LOS ENCAMISADOS DE SOPORTES 5.1 El análisis y detallado de la armadura Es muy frecuente que los proyectos de reparación exijan dar continuidad a las armaduras longitudinales hacia las plantas o la cimentación de la estructura. Esta circunstancia obliga a que se taladren los forjados o los macizos de cimentación (fig. 5). Fig. 5 Huecos practicados en un forjado para pasar las armaduras al piso superior. Con la intención de minimizar la afección a la estructura existente, se acude al recurso de transmitir la carga desde el pilar antiguo hacia la camisa de refuerzo a través de la propia camisa, con un diseño racional de la armadura transversal, sin necesidad de dar continuidad a la armadura longitudinal en sus extremos. Además, por el inevitable asentamiento plástico del hormigón, es quimérico pensar que no se producirá el despegue del contacto entre el hormigón nuevo y la cara inferior de la estructura existente. La idea anterior, propuesta por los autores, y que está siendo objeto de la tesis doctoral del primero, consiste en transferir la carga a través de la interfaz entre el hormigón del pilar antiguo y el hormigón del refuerzo mediante el confinamiento aportado por los cercos de la camisa en las zonas extremas. Luego de transferida la carga, ya en la zona central de los pilares, se recurre a un armado de cercos similar al de pilares de nueva construcción. El confinamiento del hormigón antiguo permite no sólo aumentar su resistencia, sino que además incrementa sustancialmente su capacidad de deformación. En secciones cuadradas o rectangulares la presión de confinamiento aportada por la armadura transversal del refuerzo se introduce principalmente por las esquinas, debido a la menor rigidez lateral de los lados. Esto genera una pérdida de eficiencia en cuanto el área de la sección efectivamente confinada es menor que el área total del pilar antiguo (fig. 6). La separación de los cercos también produce un efecto similar, y por ello es preferible armar con cercos poco espaciados y de menor diámetro que otras cuantías equivalentes (solo en área, pero no en eficiencia), de mayor diámetro y separación. Es importante subrayar el concepto de que la totalidad de la carga ingresa al sistema reforzado (pilar antiguo+refuerzo) por el pilar antiguo, como se esquematiza en la fig. 7.

8 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 8 A lo largo de la zona de transferencia, el pilar antiguo se va descargando, a la vez que el refuerzo se va haciendo con su cuota de carga, hasta que, luego de una cierta longitud, denominada de transferencia, se produce la compatibilidad de deformaciones en las secciones del soporte reforzado. La armadura de confinamiento cumple dos misiones. La primera es aportar la tracción de compatibilidad para impedir la libre deformación transversal (efecto Poisson) del pilar antiguo. El otro efecto es similar al de cargas concentradas en macizos, ya que el desvío de isostáticas desde el pilar antiguo al refuerzo, se equilibra con tensiones de compresión horizontales en la parte superior de la zona de transferencia y por debajo aparecen tensiones de tracción (tension splitting). HORMIGÓN EFECTIVAMENTE CONFINADO s CAMISA DE REFUERZO PILAR ANTIGUO Fig. 6 Modelo seccional en planta y alzado para considerar el volumen efectivamente confinado de un pilar encamisado con microhormigón armado. σ t τ int σ Ai σ Ni =0 N=N A ε Ai ε Ni =0 A N A N N N Lt σ N σ Aj Nj σnj ε N= N N + N ε Nj ε Aj ε Aj = ε Nj σ Nj A Ai > σ Aj ε Ai > ε Aj Fig. 7 Mecanismos movilizados en la zona de transferencia. Al inicio de la misma la carga ingresa solo por el pilar antiguo y al resiste la sección compuesta ( por compatibilidad de deformaciones). 5.2 El montaje de las armaduras Es evidente que, con este método, el montaje de la armadura longitudinal no presenta problema alguno. El montaje de la armadura transversal tiene aquí la particularidad de que no puede ser de una pieza (no se puede enhebrar). La manera más práctica de conseguirlo, es usando dos semi-cercos que se solapen entre sí. Los cercos que se usan para arriostrar frente al pandeo las barras longitudinales no suelen presentar mayor problema si se usan dos semi-cercos en forma de U, solapados. Sin embargo, para que

9 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados 9 los cercos puedan confinar el núcleo antiguo del soporte reforzado, es preciso que se asegure el cierre del circuito de tracciones, hasta el colapso del pilar. Para asegurar el traspaso de tracciones de una rama de una U a la solapada de la otra U, se ha propuesto acudir a la soldadura. Esta operación es costosa y lenta. En el marco de esta técnica de refuerzo, los autores proponen acudir al clásico solapo, por la menor longitud de solapo-anclaje que resulta del empleo de micro-hac y en la utilización de barras de pequeño diámetro ( 6 mm), junto con el contrapeo de los puntos de solapo para evitar efectos cremallera y disminuir así a la mitad el porcentaje de barras solapadas en la misma sección. En la tabla 1 se comparan los resultados para tres diámetros, con las longitudes de solapo y separación entre ramas, que son necesarias para conseguir cuantías equivalentes de armadura transversal. La columna final contiene los valores calculados con la fórmula de Krause (para pilares encamisados con microhormigón proyectado). El uso de micro-hac permite acudir a separaciones entre cercos tan pequeñas como las de la tabla 1. Tabla 1. Comparación de diferentes cuantías de armadura transversal de refuerzo. [mm] s [m] lb II, recto [m] lb II, patilla [m] A s [cm 2 /m] N (1) [kn] 6 0,02 0,10 0, ,035 0,18 0, ,05 0,28 0, (1) Valores para un pilar antiguo de 0,20 0,20 m 2 con camisa de 5 cm de espesor. Además, el empleo de cercos de pequeño diámetro y poca interseparación proporciona una ventaja adicional, al aumentar el volumen efectivamente confinado (fig. 6, alzado). Para optimizar el montaje, los autores han ideado la forma de semicercos que se observa en la fig. 8, aprovechando la ventaja añadida que proporciona el anclaje con patilla. De esta manera se obtiene un pseudo-cerco cerrado, con el solapado de dos elementos en L con patillas en sus extremos. Fig. 8 Sistemas de cercos para confinamiento. A la izquierda se observa los cercos en L con patillas solapadas y ancladas ( 6 a 0,02 m), en el centro los cercos en U solapados ( 10 a 0,05 m) y a la derecha juegos de ambas piezas.

10 Aplicación del micro-hac al refuerzo de pilares mediante encamisados EL TRATAMIENTO DE LA INTERFAZ Este punto es uno de los más controvertidos, con el aderezo que supone la enorme casuística de superficies: lisas, rugosas, carbonatadas, con exfoliación por corrosión de las barras, nidos de grava, etc. Tradicionalmente, se acude a tratamientos de limpieza, chorreado o picado que, indudablemente, favorecen la rugosidad, o a puentes de unión. Los autores de este trabajo han llegado a la conclusión de que, con este procedimiento, se pueden simplificar los tratamientos. Así, como regla práctica, cuando un pilar se haya hormigonado con un encofrado metálico, será preciso sólo aplicar un ligero desbastado con cepillo de acero unido a una pistola rotativa. 7. CONCLUSIONES La técnica propuesta de refuerzo de pilares de hormigón con encamisado de micro- HAC, combinada con otros recursos tecnológicos sencillos, proporciona resultados muy ventajosos y competitivos, partiendo de la identificación de los principales mecanismos resistentes y del conocimiento de la praxis en este campo. Así, el empleo de un microhormigón con características autocompactantes, permite reducir el espesor del encamisado hasta los 5 cm. Se plantea un refuerzo diferenciado, que permite aumentar la resistencia y ductilidad del pilar antiguo en la zona de entrada en carga del refuerzo, gracias al confinamiento proporcionado por una importante cuantía de armadura transversal de refuerzo, y, en la zona central, aprovechar la capacidad seccional de la camisa, que junto a la sección antigua, puede trabajar como sección compuesta. Se ha presentado una novedosa técnica de montaje de cercos que permite aumentar la eficacia del procedimiento, con la cual, es posible asegurar un comportamiento de confinamiento aún para avanzados estados de carga, que traducidos deformación, otorga elevada ductilidad a los soportes intervenidos. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido posible por la co-financiación de la investigación teórica y experimental que han hecho el Grupo Hormigón Estructural y la cátedra RTH, ambos de la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la UPM. Han contribuido asimismo el Grupo CELSA, suministrando las armaduras, DYWIDAG Systems International (barras para precarga), Cementos Pórtland Valderrivas (hormigón para la fabricación de los pilares antiguos) y COPSA (microhormigón de altas prestaciones). REFERENCIAS RICOUARD, M.J., Encofrados. Cálculo y aplicaciones en edificación y obras civiles. 1º Ed. trad. y amp. por Beranrdino Pardo del Río, ed. Ed. Téc. y Asoc. S.A., 1980, p.295. KRAUSE, H.-J. (1993). Zum Tragverhalten und zur bemessung nachträglich verstärkter stahlbetonstützen under zentrischer belastung, Deutschland, p KERKENI, N. (2000). Zur Anwendung der FE-Methode bei stpritzbetonverstärkten Stützen, in Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, RWTH Aachen: Aachen., p JÚLIO, E.S., F. FRANCO, AND V.D. SILVA (2003). Structural Rehabilitation of Columns with Reinforced Concrete Jacketing, in Progress in Structural Engineering and Materials, John Wiley & Sons Ltd., p

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