ESTUDIO DEL TECHO DE FERROCEMENTO PARA USO DE CONSTRUCCIÓN DE ENTREPISO

Transcripción

1 RESUMEN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN ESTUDIO DEL TECHO DE FERROCEMENTO PARA USO DE CONSTRUCCIÓN DE ENTREPISO ELABORADO POR: Ing. Carmen Kuroiwa Horiuchi de del Río Mayo

2 I.- INTRODUCCION a) Hay una gran diversidad de materiales compuestos, llamados así por estar conformados por diversos elementos -tales como: carbono, metales, sílice, fibra de vidrio, polímeros, nano-materiales, etc., con múltiples aplicaciones en todos los campos de la actividad humana y del desarrollo - expresión de la propia naturaleza y del desarrollo humano. b) El ferrocemento es considerado como material compuesto, pudiendo tener mallas conformadas por una variedad de materiales, inmersas en morteros de cemento (15)*. c) El ferrocemento -en una de sus concepciones- es un material conformado por mallas de acero de poco espesor inmersas en una mezcla rica en cemento con agregados finos: El ferrocemento tiene gran resistencia al fuego, al impacto, a la flexión, posee bajo agrietamiento y es adaptable a cualquier forma geométrica. Existe una amplia gama de trabajos efectuados en diferentes países sobre el particular. En nuestro medio, SENCICO, ha efectuado trabajos desde hace más de una década, en colaboración con otras instituciones. d) El presente documento sintetiza lo efectuado por SENCICO a noviembre del II.- INVESTIGACION Y ENSAYOS DE LABORATORIO DETALLES RELEVANTES IIA. MATERIALES Y ENSAYOS DE ESPECIMENES DE FERROCEMENTO a) Propuesta de materiales y ensayos para el estudio de ferrocemento aplicado en techos (1,2)* Materiales - Mallas: Hexagonal o malla de gallinero, Electro-soldada o Cuadrada y Olímpica - Alambre: calibre 16; diámetro: 1.65mm. - Varillas de acero para la armazón. - Cemento tipo IP; fineza en malla 100, 0.03; en malla 200, Agregados: La granulometría de las partículas de arena acorde con la especificación C33 de la ASTM. * Referencia al final del texto 2

3 MALLA HEXAGONAL MALLA ELECTRO-SOLDADA Ensayos propuestos - De tensión sobre la malla: según la norma ASTM A y E8M-01, en direcciones longitudinal y transversal. - Ensayo a flexión: Se opta por el ensayo ASTM C947 Test Method for Flexural Properties of Thin-Section-Glass-Fiber-Reinforced Concrete en conjunto con la norma ASTM C1018 Standard Test Method for Flexural Thoughness and First Crack Strength of Fiber Reinforcement Concrete. El objetivo es determinar las propiedades a flexión de las láminas de ferrocemento. - Ensayo de compresión sobre el mortero: según la norma ASTM C109 Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars. b) Detalles de los especímenes para los ensayos propuestos y del proceso constructivo (3, 4) Especímenes de Cubos de Mortero: - Los especímenes para probar la resistencia del mortero a utilizarse en la construcción de los especímenes de ferrocemento se sujetarán a la norma ASTM C Materiales: Agregado fino -arena natural; cemento Portland tipo1, agua potable. - A/C: 2 tipos, 0.5 y Dimensiones (mm): L = 50±2, A= 50±2, H = 50±2 - Se indica el procedimiento constructivo: aparatos, composición y preparación del mortero, moldeado y almacenamiento de los especímenes. 3

4 Especímenes de Mallas para ensayos a tensión: - Materiales: acero y zinc (recubrimiento) - Calibres: Varían, del #15 al #25 (1.83mm. a 0.52mm. de diámetro, respectivamente) - Tipos de malla, por su forma: 2 electro-soldadas y 8 hexagonales - Descripción de las dimensiones de las mallas, enfatizando su ancho mínimo no menor a 7 veces la dimensión de la cocada en dirección perpendicular a la dirección del ensayo- y el largo no menor al doble del ancho del espécimen. Especímenes de Ferrocemento para ensayos a flexión: - Materiales: mallas electro-soldadas y hexagonales; varillas de acero corrugado de ¼ de diámetro; alambre N 16 para el amarre del esqueleto- y calibre 22 para el amarre de las mallas; cemento Portland Tipo 1; arena natural y agua potable. - Tipos de ferrocemento: 5 paneles con proporción w/c = 0.5 y 3 paneles con proporción w/c = Ensayándose 2 especímenes para cada caso, haciendo un total de 16 ensayos. - Dimensiones de planchas de ferrocemento: 1.20 x 1.80 x m. - Dimensiones de especímenes aserrados 0.40 x 1.00 x m. - Detalles de los especímenes de planchas de ferrocemento con malla hexagonal. - Detalles de los especímenes de planchas de ferrocemento con malla electrosoldada. - Detalles del proceso constructivo de los especímenes de ferrocemento. Tablero de Ferrocemento en forma de [ : - Objetivo: posibilidad de construir con elementos de ferrocemento fabricados en obra o pre-fabricados en un taller. - Materiales: malla electro-soldada; varillas de acero corrugado de ¼ de diámetro; alambre N 16 para el amarre del esqueleto- y calibre 22 para el amarre de las mallas; cemento Portland Tipo 1; arena natural y agua potable. - Detalles dimensionales del armazón y del tablero de ferrocemento en forma de [. - Detalles del correspondiente proceso constructivo. c) Descripción de Ensayos y Resultados (5, 6) Descripción de Ensayos: - Ensayo a compresión de cubos de mortero: determina la resistencia a compresión del mortero de cemento hidráulico usado, mediante el ensayo de cubos de 50mm. de lado; el ensayo está normado en la ASTM C109M. 4

5 - Ensayo a tensión de mallas: determina la resistencia a tensión de las mallas metálicas utilizadas en la fabricación de especímenes de ferrocemento; comprende el ensayo longitudinal y el ensayo transversal de las mallas; se detallan los especímenes utilizados y el procedimiento aplicado. - Ensayo a tensión de alambre: determina las propiedades en tensión del alambre de acero con el que está hecha la malla; se detallan los especímenes utilizados y el procedimiento aplicado; el ensayo está normado en la ASTM E8M TRACCION DE ALAMBRE - ESQUEMA - Ensayo a flexión de planchas de ferrocemento: determina la resistencia última a flexión de secciones de ferrocemento; se detallan los especímenes utilizados y el procedimiento aplicado; se aplica la norma ASTM C947. FLEXION EN PLANCHAS DE FERROCEMENTO 5

6 - Prueba de carga de especímenes a escala real losa de tableros: determina la capacidad de la losa conformada por tableros y la rigidez asociada a la misma para una sobrecarga de 200 kg/m² -que se adecúa a un uso de entrepiso (5) y para una sobrecarga de 100 kg/m² -que se adecúa a un uso de techo (6); se detallan las características de la losa probada y el procedimiento empleado según se establece en el capítulo 23 Evaluación de Estructuras de la Norma Técnica de Edificación E060 (ININVI 1989) o equivalente en el Capítulo 20 Evaluación de la Resistencia de Estructuras Existentes del American Concrete Institute ACI ( ). 6

7 Resultados de los Ensayos: - Ensayo a compresión de cubos de mortero: los esfuerzos promedio para las relaciones A/C: 0.5 y 0.45 fueron de 364 kg/cm² y 464 kg/cm² respectivamente. - Ensayo a tensión de mallas: se detallan resultados de tracción aplicada en sentido longitudinal y transversal de especímenes de mallas MC1, MH1 y MH2. - Ensayo a tensión de alambre: se detallan resultados para alambre de malla MC1. - Ensayo a flexión de planchas de ferrocemento: los resultados que se detallan corresponden a dos tipos de relación A/C: 0.5 y 0.4. Los resultados de las pruebas muestran que la resistencia del compuesto superó los valores previstos, es decir el diseño siguiendo las pautas del ACI es demasiado conservador para el compuesto ferrocemento. - Prueba de carga de espécimen a escala natural de tableros: se detallan los resultados obtenidos para los diversos niveles de carga. Interpretación y Análisis: - El análisis de las secciones de ferrocemento se realizó siguiendo el código de diseño del ACI, considerando las recomendaciones del Código ACI en su reporte sobre ferrocemento. Los resultados de las pruebas mostraron que la resistencia del compuesto ferrocemento superaba significativamente los valores previstos en el análisis teórico según las pautas del ACI. 7

8 Conclusiones: (5, 6) - Los métodos de diseño de concreto armado resultan inadecuados para el diseño de ferrocemento. - El costo de la solución usando ferrocemento depende en gran medida del costo de la malla de refuerzo. - Una de las ventajas del ferrocemento es el no necesitar mano de obra calificada para su construcción. - La búsqueda de una solución más económica pasa indesligablemente por la búsqueda de un método de diseño más preciso que con el que se cuenta, pues el método de concreto armado sobredimensiona las secciones. IIB. TECNOLOGIA DEL FERROCEMENTO PARA USO EN TECHOS Y ENTREPISOS BASES PARA LA CARTILLA DE DIFUSION a) Difusión de la Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos (11, 12) Objetivo y Alcances: - El objetivo es poder desarrollar una cartilla que posibilite difundir de una manera sencilla las técnicas y cuidados necesarios para construir sistemas de entrepiso y techos de ferrocemento. - Su alcance es sólo para elementos sometidos a flexión. - Aplicación en sistemas de piso/techo -horizontales o ligeramente inclinados. Propiedades Mecánicas del Ferrocemento: Se presenta un resumen de la información técnica ya obtenida experimentalmente: - Esfuerzos de compresión de morteros, con proporciones de cemento/arena 1 / 2 y relaciones de A/C= 0.5 y Tracción -transversal y longitudinal- en mallas, tipo MC1, MH1 y MH2. - Tracción longitudinal en alambres código MCAL1 y MCAL2 y tracción transversal en alambres código MCAT1 y MCAT2. - Flexión de planchas planas de ferrocemento, relación A/C=0.5: longitudinalmente y transversalmente en plancha MC1ACO.5; longitudinalmente en planchas MH1ACO.5L y MH2ACO.5L y transversalmente en planchas MH1ACO.5T y MH2ACO.5T. - Flexión de planchas planas de ferrocemento, relación A/C=0.4: longitudinalmente y transversalmente en plancha MC1ACO.4; longitudinalmente en plancha MH1ACO.4L y transversalmente en plancha MH1ACO.4T. 8

9 Aspectos Resaltados: (11) - Necesidad de ampliar el uso de láminas de ferrocemento para aplicaciones en sistemas de piso/techo con otras características -relativas a espesor de pared, sección transversal, luz entre apoyos, apoyos intermedios, inclinación, sujeción en extremos y sobrecargas- distintas a las probadas en nuestro medio. - Consecuencia de ello resulta: la necesidad de diseñar elementos con mayores inercias capaces de tomar las solicitaciones demandadas; para usar láminas de ferrocemento en sistemas intermedios de pisos requiere diseñarlas con características distintas a las que se usarían como elementos de cobertura, principalmente por la sobrecarga de diseño. Se establece que se desarrollarán recomendaciones prácticas para estos fines (tablas resumen, aún en desarrollo). - Se enfatiza que los requisitos estructurales reglamentarios que deben cumplir los sistemas piso/techo es un tema pendiente (aún en desarrollo). Requisitos de los materiales y Elementos Constitutivos de las Láminas de Ferrocemento en Sistemas Piso/Techo Se presenta un resumen de la información técnica disponible: - Refuerzo principal: varillas de acero. - Refuerzo secundario: mallas metálicas. - Relleno y protección del refuerzo. b) Aplicación y Experiencias de un Proyecto Piloto (13,14) Se resume el trabajo efectuado en El Comedor del Club de Madres Carlos Rodríguez Franco distrito de Santiago de Surco, donde se construyó un entrepiso con elementos de ferrocemento: - Materiales: elementos de ferrocemento de sección [ de 4cm., 3cm. y 2.5cm de espesor de pared (arena fina y arena gruesa, cemento, malla de gallinero electrosoldada de ¾ de cocada y acero corrugado de ¼ ), sobre-losa de 3.5 cm. de espesor (cemento, arena gruesa, piedra chancada y malla de gallinero exagonal de ¾ de cocada) y vigas soleras (cemento, arena gruesa, piedra chancada y varillas de acero corrugado de ½ y ¼ ). - Mano de obra: mano de obra del lugar. Procedimiento Constructivo: - Construcción de secciones [ de ferrocemento se detalla: limpieza del área de trabajo, (área libre donde se podían vaciar varias unidades a la vez, haciendo más eficiente el trabajo), el corte del refuerzo (malla y acero), elaboración del encofrado para la sección [, la colocación de las mallas electro-soldadas en los elementos del encofrado, la mezcla de cemento-arena, el vaciado del mortero en las planchas de sección [ de ferrocemento y el curado de dichas secciones. 9

10 10

11 11

12 12

13 - Traslado y colocación de las planchas: una de las actividades más difíciles del proceso constructivo es el traslado de las planchas pre-fabricadas hasta su posición final. - Vaciado de las vigas soleras y sobre-losa e instalaciones eléctricas y sanitarias se detalla el proceso seguido. Evaluación de Costos de Construcción con Ferrocemento: - Se muestran los resultados de la evaluación de costos por metro cuadrado de entrepiso con elementos de ferrocemento, los cuales se comparan con los una losa aligerada con ladrillos de arcilla. - Se resalta la relativa ventaja económica de la construcción de entrepisos con ferrocemento, con ahorros que oscilan entre 0.25 y 5.84 por metro cuadrado de entrepiso señalándose que si el trabajo se realiza con la propia mano de obra se podría ahorrar hasta 15 soles por metro cuadrado (para precios vigentes en setiembre 2005). - Se presentan los cuadros de costos para planchas de ferrocemento de 3.35m. y 4.55m. de largo, y con espesores de 4cm., 3.0cm. y 2.5cm. Conclusiones: - Se considera como ventajas competitivas del ferrocemento: posibilidad de construir partes, piezas y módulos livianos, fáciles de transportar. - Muestran la siguiente tabla para el uso del ferrocemento en entre-pisos y techos de vivienda: 13

14 14

15 15

16 16

17 17

18 III.- COMENTARIOS a) En la interpretación y análisis de las pruebas de ferrocemento se resalta (5, 6): Los resultados de las pruebas mostraron que la resistencia del compuesto ferrocemento superaba significativamente los valores previstos en el análisis teórico según las pautas del ACI. b) En las conclusiones se destaca (5, 6): - Los métodos de diseño de concreto armado resultan inadecuados para el diseño de ferrocemento. - La búsqueda de una solución más económica pasa indesligablemente por la búsqueda de un método de diseño más preciso que con el que se cuenta, pues el método utilizado sobredimensiona las secciones. 18

19 c) Lo ensayado, analizado es aplicable sólo para coberturas planas horizontales o ligeramente inclinadas- en viviendas con relativas bajas sobrecargas y cortas luces. d) Las ventajas del ferrocemento, en su concepción general, radican en su aplicabilidad a elementos curvos, de geometría compleja y diversidad de sobrecargas en los que el uso de mallas hexagonales es óptimo. Se requiere: - Considerar el ferrocemento con mallas de diversidad de materiales (15) - Análisis con modelos que incorporen elementos anisotrópicos de comportamiento no- lineal e interactuantes con el tiempo: elasto-visco-plasticidad, o aún de mayor complejidad como los modelajes del medio contínuo -que incluyen el comportamiento de componentes a niveles nanométricos, de gran interés en los focos de concentración de esfuerzos y generación de fisuras** - Contar con equipos de laboratorio para ensayos más avanzados. IV.-SUGERENCIAS a) Conociéndose que las ventajas relativas del ferrocemento, en su concepción general, radican en su aplicabilidad a elementos curvos y alabeados, de geometría compleja y diversidad de sobrecargas, en los que el uso de mallas hexagonales es óptimo, se requiere -para su plena aplicación y desarrollo: - Considerar el ferrocemento con mallas de diversidad de materiales (15). - Efectuar análisis con modelos que incorporen elementos anisotrópicos y comportamiento no-lineal e interactuantes con el tiempo: elasto-visco-plasticidad, o aún de mayor complejidad como los modelajes del medio contínuo -que incluyen el comportamiento de componentes a niveles nanométricos, de gran interés en los focos de concentración de esfuerzos y generación de fisuras** b) Contar con equipos de laboratorio para ensayos más avanzados. ** Ver Bibliografía, al final del texto. 19

20 REFERENCIAS 1. Carolina García Ccallocunto, PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, (agosto del 2003), Primera Relación de Ensayos y Materiales, Documento Técnico. 2. Walter Ernesto Paredes Rojas, (agosto del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Primera Relación de Ensayos y Materiales, Documento Técnico. 3. Carolina García Ccallocunto, (octubre del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Segundo Informe del Proyecto SENCICO D/40: Detalles de Especímenes y Proceso Constructivo, Documento Técnico. 4. Walter Ernesto Paredes Rojas (octubre del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Segundo Informe del Proyecto SENCICO D/40: Detalles de Especímenes y Proceso Constructivo, Documento Técnico. 5. Carolina García Ccallocunto, (Diciembre del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Tercer Informe del Proyecto SENCICO D/40: Descripción de Ensayos y Resultados, Documento Técnico. 6. Walter Ernesto Paredes Rojas, (Diciembre del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Tercer Informe del Proyecto SENCICO D/40: Descripción de Ensayos y Resultados, Documento Técnico. 7. Ing. Juan Francisco Ginocchio, (8 de setiembre del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Proyecto de Investigación: Aplicación del Ferrocemento en la Construcción de Edificios de Muy Bajo Costo. 8. Ing. Juan Francisco Ginocchio, (noviembre del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Proyecto de Investigación: Aplicación del Ferrocemento en la Construcción de Edificios de Muy Bajo Costo -Informe Final. 9. Ing. Gladys Villa García M., (12 de diciembre del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Aplicaciones del Ferrocemento en la Construcción de Edificios de Muy Bajo Costo -Informe Preliminar. 10. Ing. Gladys Villa García M., (12 de diciembre del 2003), PUCP-Laboratorio de Estructuras Antisísmicas, Aplicaciones del Ferrocemento en la Construcción de Edificios de Muy Bajo Costo -Informe Final. 20

21 11. Ing. Wilson E. Silva Berríos, Ing. Giuseppe Mendoza A., PUCP, Dpto. de Ingeniería, (15 de setiembre del 2005), Difusión de la Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos -Informe Preliminar. 12. Ing. H. Giuseppe Mendoza Albornoz, PUCP, Dpto. de Ingeniería, (setiembre del 2005), Difusión de la Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos -Informe Final. 13. Ing. H. Giuseppe Mendoza Albornoz, (setiembre del 2005), Construcción Experimental de Losa de Entrepiso con Ferrocemento en el Comedor Carlos Rodrigo Franco -Memoria Descriptiva. 14. Ing. Wilson E. Silva Berríos, Ing. H. Giuseppe Mendoza Albornoz, PUCP, Dpto. de Ingeniería, (noviembre del 2005), Difusión de la Tecnología del Ferrocemento para Uso en Techos y Entrepisos Bases para la Cartilla de Difusión. 15. ACI 549R-97, State-of the-art Report on Ferrocement. BIBLIOGRAFIA Valery V. Vasilev, Evgeny V. Morosov (2013), Advance Mechanics of Composite Materials and Structural Elements Third Edition. 21