RESISTENCIA DEL HORMIGÓN

Transcripción

1 RESISTENCIA DEL HORMIGÓN Introducción Mecanismos de fisuración y rotura del hormigón Factores que modifican la resistencia Metodologías de ensayo RESISTENCIA DEFINE AL HORMIGON Es una de las propiedades fundamentales del hormigón ES UN PARAMETRO DE DISEÑO SE EMPLEA COMO FACTOR DE CALIDAD,, PARA LA ACEPTACION O RECHAZO Está asociado con la mayoría a de las propiedades principales DURABILIDAD IMPREMEABILIDAD DUREZA RIGIDEZ 1

2 Estructura y resistencia material compuesto y heterogéneo, una matriz rodea a inclusiones de diversas formas y tamaños matriz porosa, existen diferentes tamaños y tipos de poros se modifica con el tiempo. existen zonas (interfaces) que poseen una mayor porosidad existen defectos (micro y macrofisuras) aún antes de que fuera expuestos a la accción de cargas mecánicas. 2

3 Hormigón fresco Función de la Pasta Lubricar la mezcla Permitir el mezclado Otorgar cohesión Dar terminación Hormigón endurecido Llenar vacíos Conferir impermeabilidad Generar resistencia Proteger al acero Transmitir adherencia al acero 1.- Actuar como relleno relativamente barato Función de los Agregados 2.- Colaborar en la resistencia a) colaborar con la resistencia mecánica b) resistir el efecto de las cargas c) resistir la abrasión d) resistir la erosión 3.- Reducir los cambios de volumen y las deformaciones en general 3

4 Importancia de la porosidad relación gel espacio 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 relación agua-cemento 0,6 0,5 0,4 0 0,5 1 1,5 grado de hidratación Importancia de la porosidad Resistencia de la pasta, MPa R = A x ,2 0,4 0,6 0,8 1 relación gel espacio 4

5 Estructura y porosidad S = S 0 e -kp Powers & Brownyard (1946-7) resistencia vs. relación gel/espacio X X = 0.68 α / (0.32α + w/c) S = A X n n : 2.6 a 3. Mecanismos de falla en el hormigón Pasta HC o comportamiento en tracción o comportamiento en compresión Elementos característicos Poros Interfaces Inclusiones Micro y macro fisuras H L HAR 5

6 Comportamiento en tracción el diagrama tensióndeformación es lineal hasta valores mayores al 80 % de la tensión de rotura la rama de ablandamiento posee una forma más abrupta a medida que se reduce el contenido y tamaño de agregado el proceso de fractura se desarrolla en forma claramente localizada. Comportamiento en tracción F R Carga R F+R F Deformación 6

7 Comportamiento en tracción L 1 L 2 Carga L 1 L 2 Carga Deformación específica (%) L 2 L 1 Apertura de fisura (mm) Comportamiento en compresión 100% 75% 50% 30% 4. Rápido crecimiento de fisuras de matriz 3. Fisuras de interfaz + Lento crecimiento de fisuras de matriz 2. Lento crecimiento de fisuras de interfaz 1. Microfisuras de interfaz Deformación

8 Desarrollo de un ensayo Hasta el 30 % f c, sólo existen microfisuras que permanecen estables o presentan un crecimiento poco significativo. 2. Entre el 30 y el 50 %, las fisuras de interfaz comienzan a crecer en forma lenta. 3. Próximo al 50 % de la carga de rotura las fisuras se propagan a lo largo de las interfaces matriz - agregado y posteriormente se internan en la matriz. La curva se aparta de la linealidad y la relación entre deformaciones transversales y longitudinales (coeficiente de Poisson) comienza a crecer. 4. Para una tensión relativa > al 75 % f c, se produce un crecimiento rápido e inestable de las fisuras. Tensión crítica 100 Deformaciones volumétricas Tensión (%) Deformaciones longitudinales Deformaciones transversales Deformación específica (µm/m) 8

9 Tensión de iniciación Tensión (%) Relación de Poisson Comportamiento en Compresión 9

10 Comportamiento en Compresión Carga (kg) h/d = 1, alta fricción, cabezales de acero convencionales h/d = 1, baja fricción, cabezales con teflón Deformación específica (10-3 ) Comportamiento en Compresión Carga (kg) h/d = 2 h/d = 1 h/d = 0.5 Carga (%) Deformación específica (10-3 ) Carga (%) h/d = 1 h/d = 0.5 h/d = Deformación específica (10-3 ) h/d = 2 h/d = 0.5 h/d = Desplazamiento post-pico (mm) 10

11 Esfuerzos multiaxiales En los materiales frágiles, bajo solicitaciones de compresión se producen esfuerzos de tracción en el sentido transversal al de la aplicación de las cargas, en poros, interfaces y otros tipos de discontinuidades. La presencia de esfuerzos de confinamiento contrarresta estos esfuerzos y permite una mayor capacidad de carga. Por el contrario, si en el sentido lateral aparecen esfuerzos de tracción, se suman a los anteriores dando lugar a una disminución de la carga de rotura. Esfuerzos multiaxiales Esfuerzos Biaxiales Sobre Placas De Mortero Comportamiento de los materiales cementíceos bajo esfuerzos biaxiales (Kupfer,1973). Placas de morteros con diferentes niveles de resistencia, fueron ensayadas aplicando esfuerzos biaxiales en ambas direcciones del plano. Se aplicaron distintas combinaciones y niveles de cargas de compresión y tracción y se analizaron las superficies de fractura. 11

12 Esfuerzos biaxiales Envolventes de rotura Kupfer, 1973 Esfuerzos biaxiales Esquema de la superficie de fractura de las placas bajo diferentes combinaciones de solicitaciones 12

13 Esfuerzos biaxiales Tracción-tracción: Cuando la tracción es predominante, la superficie de fractura es normal al mayor esfuerzo aplicado. Se observa una única fisura, y el valor de la tensión de rotura es del orden del 10 % de la resistencia a compresión monoaxial, independientemente de que existan cargas de tracción en varias direcciones. Esfuerzos biaxiales Tracción-compresión: suelen aparecer una o más fisuras paralelas a la dirección de compresión. para compresión es baja (< 30 % f c) la rotura se produce para esfuerzos cercanos a la resistencia a tracción simple (0.10 f c), si aumentan los esfuerzos de compresión (> 40 % f c) se suman a los de tracción y se reduce la capacidad de carga. Mientras que en el primer caso se observaba una única fisura, en el segundo suelen aparecer varias fisuras. 13

14 Esfuerzos biaxiales Compresión-compresión: Cuando el esfuerzo predominante es de compresión, suelen aparecer más de una fisura más o menos concentradas. Si el valor de la carga es igual en ambas direcciones, los esfuerzos de tracción (producto de la compresión) en el plano de las placas se compensan. Pero las tracciones que surgen en la dirección normal a las placas no. Las fisuras se inician en las caras laterales paralelas al plano de aplicación de las cargas y luego se concentran y dan lugar a una macrofisura que se propaga en el sentido diagonal en la dirección de los esfuerzos de corte. En este caso el valor de la tensión de rotura es del orden de f c. Si la carga de compresión en una dirección es algo menor que la otra no se verifican mayores cambios. Esfuerzos biaxiales σ 1 σ 2 σ 2 σ 3 σ 1 J. van Mier,

15 Esfuerzos Triaxiales 600 Tensión axial (MPa) Tensión de confinamiento (Mpa) Bajo esfuerzos triaxiales de compresión la resistencia del hormigón crece en forma muy significativa. La resistencia axial puede alcanzar valores superiores a 10 f c. Cilindros 15 * 30 cm. Hormigón: a/c = 0.58 Esfuerzos Triaxiales σ 1 Curvas tensión deformación axial. Probetas cilíndricas Al incrementar las tensiones de confinamiento el comportamiento se hace más dúctil. σ 2 =σ 3 15

16 Respuesta del material ESTRUCTURA DEL MATERIAL CARGAS mecánica, química, física PROBETAS geometría, tamaño CONDICIONES DE VINCULO CAMBIOS EN LA ESTRUCTURA micro y macro fisuración cambios en la dirección de las fisuras o en el modo de propagación de las fisuras RESPUESTA comportamiento macroscópico no lineal = comportamiento como continuo + comportamiento localizado RESISTENCIA Introducción Mecanismos de fisuración y rotura del hormigón Factores que modifican la resistencia Metodologías de ensayo 16

17 Resistencia Cargas ENSAYO Metodología, Condiciones,... MATERIAL Fases componentes Porosidad Tipo Velocidad Matriz Interfaces Agregados razón a/c Probetas Dimensiones grado de hidratación (T, HR, tiempo) adiciones minerales Geometría Humedad Contenido de aire Consolidación Exudación Factores que modifican la resistencia Materiales constituyentes Razón agua/cemento Tipo de cemento Contenido de aire Tiempo y temperatura Agregados 17

18 Razón agua/cemento 1919, Abrams f c = A / B α (w/c) f c w/c Razón agua/cemento 1919, Abrams f c = A / B α (w/c) 18

19 Efecto del cemento A igual relación agua cemento Mayor resistencia del cemento Mayor resistencia del hormigón 700 Resistencia a la compresión del hormigón (kg/cm2) CP50 (540 kg/cm2) CP40 (450 kg/cm2) CP30 (380 kg/cm2) 0 0,3 0,5 0,7 0,9 Relación agua/cemento Efecto del cemento Relación agua/ cemento 0,60 Resistencia a la compresión del hormigón a 28días (kgcm 2 ) CP CP Incremento de resistencia 1,18 Tipo de hormigón Resistencia media a compresión a 28 días (kg/cm 2 ) Contenido de cemento (kg/m 3 ) CP 30 CP 40 Ahorro de cemento (kg/m 3 ) H H H

20 Contenido de aire f c sin aire con aire w/c Compacidad f c vibrado manual w/c 20

21 Tiempo y temperatura MADUREZ M ( C.d ) = Σ a(t) (T+10) 1. Hormigones elaborados y curados a igual temperatura 2. Hormigones elaborados a distinta temperatura y curados a igual temperatura 3. Hormigones elaborados a igual temperatura y curados a distintas temperaturas Madurez Resistencia a compresión, MPa Madurez, ºC x Hs 21

22 1. Hormigones elaborados y curados a igual temperatura f c (%) 4 C 20 C 40 C días 2. Hormigones elaborados a distinta temperatura y curados a igual temperatura f c (MPa) 10 C 20 C 40 C días 22

23 3. Hormigones elaborados a igual temperatura y curados a distintas temperaturas f c (% 28días) 10 C 20 C 0.5 C -9 C días Temperatura de colocación y curado 23

24 Temperatura de Curado Efecto del Tiempo Resistencia a compresión, MPa edad, días 24

25 Efecto del Tiempo ACI-209 f t) = f cm( c28 t t CEB-FIP 90 f cm ( t) = f c28 28 exp s 1 t / t1 0.5 Humedad f c (MPa) Húmedo Al aire a los 7 días Al aire días 25

26 Tiempo de Curado Tipo de cemento Resistencia (MPa) Edad (días) H21N (H) H21F (H) H21C (H) H21N (M) H21F (M) H21C (M) 26

27 Desarrollo de resistencia para distintos cementos Resistencia relativa a f c 28d (%) Edad (días) N (H) F (H) C (H) N (A) F (A) C (A) N (E) F (E) C (E) N (M) F (M) C (M) Agregados Tamaño - granulometría Demanda de agua Textura y forma Adherencia Mecanismos de control 27

28 a. Hormigones con igual relación agua / cemento f c (MPa) Tamaño máximo (mm) b. Hormigones con igual contenido de cemento f c (MPa) 450 kg/m Tamaño máximo (mm) 350 kg/m kg/m 3 28

29 RESISTENCIA Introducción Mecanismos de fisuración y rotura del hormigón Factores que modifican la resistencia Metodologías de ensayo Métodos de evaluación Resistencia a compresión Resistencia a tracción - tracción por compresión diametral - flexión 29

30 Compresión Ensayo de compresión ubicación preferencial como método de valoración del hormigón. las propiedades más importantes se relacionan directamente con la resistencia a compresión. el hormigón se utiliza para sobrellevar preponderantemente esfuerzos de compresión los códigos y reglamentos se basan fundamentalmente en esta propiedad. es un ensayo económico y de fácil realización. 30

31 Probetas para ensayos de compresión moldes llenado y compactación de las probetas condiciones de curado verificar la resistencia y control de calidad establecer el momento en el cual remover los encofrados establecer el momento de puesta en servicio encabezados cubos y prismas x20 15x30 15x45 Encabezado 31

32 Ensayo de resistencia a compresión condiciones para el ensayo Platos > 3 % paralelismo cabezas < 0.5 Φ > 3 T máx tolerancia edades (e/ %) IRAM , IRAM ASTM C-39 formas de rotura (cono corte tracción) Factores que modifican los resultados de un ensayo de compresión Distribución de tensiones Fricción - Platos rígidos o flexibles Esbeltez Volumen Velocidad de ensayo. control de carga entre 0.15 y 0.34 MPa/s control de desplazamientos 1,3 mm/min. Condiciones de humedad rígida blanda Temperatura 32

33 Resistencia a compresión Esbeltez Volumen Resistencia relativa (%) Resistencia relativa (%) Relación de esbeltez diámetro (cm) Efecto de la esbeltez 33

34 Efecto de la esbeltez AUTORES H/D = 1.0 H/D = 1.5 H/D = 2.0 Meiniger, Wagner y Hell Yip y Tam Neville Peterson Bungey (φ = 44 mm) ASTM C 42/ ASTM C 42/ BS 1881/ BS 1881 Parte 120/ IRAM 1551/ Ejercicio: En un ensayo de compresión realizado sobre un cilindro de hormigón de 20 cm de altura y 20 cm de diámetro se obtuvo una carga de rotura de 75 Tn. Cuál sería la resistencia si el ensayo se hubiera realizado sobre una probeta normalizada (15 x 30 cm)? Correción por esbeltez h / d Factor de multiplicación Correción por volumen Cilindro (dxh) 2x4 3x6 6x12 8x16 12x24 16x32 Resistencia relativa

35 Ensayo de Testigos Diferente resistencia de las probetas (en gral <) La relación decrece con la f c. Depende de la orientación Φ depende del tamaño máximo del agregado Depende de la posición en la estructura Métodos de ensayo IRAM 1546 Q Q d 35

36 Métodos de ensayo IRAM 1546 Tipo de probeta Tamaño Velocidad de ensayo Plato de carga de acero Rótula - cilíndrica - diámetro 15 cm - altura 30 cm - 0,2 a 0,6 MPa/s - 25 mm de espesor - 55 HRC - planitud 0,01 % - diámetro mínimo 3% mayor que el diámetro de la probeta - centro coincidente con el centro de la cara superior de la probeta. - eje coincidente con el eje de aplicación de la carga Métodos de ensayo IRAM

37 Efecto de la velocidad de ensayo (CEB) 2,5 resistencia dinánimca / estática 2,0 1,5 1,0 0,5 15 MPa 30 MPa 50 MPa 0,0 0, ,001 0, velocidad de deformación, 1/seg TRACCION Métodos de ensayo Tracción Directa Compresión Diametral Flexión 37

38 Tracción por compresión diametral PP tracción Tracción compresión Compresión V : 0.7 a 1.4 MPa/min Tracción horizontal = 2 P / (π.φ.l) Ensayo de Compresión Diametral IRAM

39 Flexión MR = P.l / (b.d 2 ) MR = 1.5 P.l / (b.d 2 ) L 3h V : 0.86 a 1.21 MPa/min 150 x 150 x 500 mm L = 450 mm real asumido Módulo de rotura Relación Flexión compresión Relación propuesta por el CEB-90 39

40 Relación Flexión compresión Relación Flexión compresión 0,3 Relación de resistencias 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 relación flexión / compresión Resistencia a compresión, MPa 40

41 Relación Flexión tracción a) Relación entre resistencia a la flexión y resistencia a la tracción directa CEB-90 Relación Flexión, tracción y compresión Resistencia a la compresión de cilindros MPa Kg/cm RELACION ENTRE RESISTENCIAS Relación entre el módulo de rotura a flexión y resistencia a compresión Relación entre tracción directa y resistencia a compresión Relación entre tracción directa y módulo de rotura a flexión CONCLUSIONES: σt/σc = 0.07 a 0.14 σf/σc = 0.11 a

42 Relación tracción compresión Calidad del hormigón C12 C20 C30 C40 C50 C60 C70 C80 f ck f ctm f ctk,mín f ctk,máx Relación tracción compresión 0,2 Relación de resistencias 0,15 0,1 0,05 relación tracción / compresión Resistencia a compresión, MPa 42

43 Métodos de evaluación hormigón de una estructura vs. probetas las relaciones fundamentales pueden variar procedimientos normalizados IRAM ASTM (USA) BS (UK) RILEM (Comunidad Europea) Las normativas también se actualizan permanentemente Por qué usarlos? la respuesta y propiedades medidas sobre una probeta corresponden a las del hormigón de la estructura? es posible presentar al ensayo de resistencia como garantía de calidad? buenas razones comprobar si en las etapas de elaboración, los materiales componentes fueron bien proporcionados y mezclados evitar problemas ante cambios inesperados durante la construcción definir etapas posteriores como el desencofrado. la mera realización de ensayos resulta en una mejora en el control de calidad de una obra por su impacto en las personas involucradas en la producción, transporte y colocación del hormigón. ante problemas, pueden revelar las causas de los errores y evitarlos en el futuro. 43