Comportamiento Mecánico a Escala Real de un Piso Industrial de Hormigón Reforzado con Fibras Sintéticas Paolo Chioma Valenzuela Gerente Técnico EPC
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- Emilia Segura San Martín
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1 Comportamiento Mecánico a Escala Real de un Piso Industrial de Hormigón Reforzado con Fibras Sintéticas Paolo Chioma Valenzuela Gerente Técnico EPC
2 Conceptos Estructurales de un HRF El hormigón, es un material compuesto formado por una matriz cementicea que envuelve y liga un esqueleto mineral constituido por los agregados. Debido a su naturaleza el hormigón presenta una serie de defectos y fisuras internas. El comportamiento del hormigón frente a diferentes condiciones de carga está regido por la propagación de esos defectos y fisuras. Cuando una fisura se propaga, surgen una serie de mecanismos que se oponen a su avance, denominándose a este efecto aumento de la tenacidad. El mecanismo más efectivo es el puente de fisura, en este caso la fisura es frenada cuando se encuentra con una partícula relativamente resistente, por ejemplo, una piezadegrava,unabarradeaceroounafibra.
3 HRF Material Compuesto Con el conocimiento adquirido en la últimas décadas y los avances en normativas, ensayos y guías de diseño el concepto de HRF hoy es entendido como un material compuesto, y su desempeño obedece a un conjunto de materiales que lo componen entre los que se encuentran las fibras. Es muy importante que los usuarios entiendan que existen parámetros mínimos que debe cumplir un HRF de acuerdo a estas normativas y guías de diseño, para ser considerado como estructural. Por esta razón, es que al momento de elegir una fibra debe saber que existen de diferentes materiales y calidad de los mismos.
4 Fibras poliméricas UNE Clasificación Según el material: Polipropileno y/o polipropileno de alta densidad Aramida Alcohol de polivinilo Acrílico Nylon Poliester Según el proceso de fabricación: Monofilamentos extruidos (Tipo I) Láminas fibriladas (Tipo II) Según las dimensiones Micro-fibras : < 0,20 mm diámetro Macro-fibras: 0,20 mm diámetro Concepto reciente sobre Macro Fibras Estructurales HPPF (High Perfomance Polypropylene Fiber)
5 Fibras de acero UNE Clasificación: Según el proceso de fabricación: Trefiladas (Tipo I) Cortadas en láminas (Tipo II) Extraídas por rascado en caliente (Tipo III) Otras, p.e.: fibras de acero fundido (Tipo IV) Según la forma: rectas onduladas corrugadas conformadas en extremos de distinta forma Recomienda que: lf 2 tmáx (Usual entre 2,5 a 3)
6 Fibras Estructurales Según EN La Resistencia mínima a la tensión de las fibras será de 800 Mpa para fibras de acero y 500 Mpa para fibras sintéticas. - Las fibras deben tener una relación aspecto entre para largos de 12,7 a 63,5 mm. Esta parametrización permite identificar de forma preliminar el rendimiento de una fibra, se deben considerar otros factores como el relieve y la forma
7 Métodos de Ensayos para HRF
8 Comportamiento en tracción del HRF Efecto de Ablandamiento Dosis de fibra baja Efecto de Endurecimiento Dosis de fibra alta
9 Comportamiento en Flexo Tracción del HFR Ensayo de Viga Norma ASTM C-1609 Viga - Ensayo con carga en los tercios - Dimensiones: 150 x 150 x 530 mm - Luz de apoyos: 450 mm - Deformación máxima: L/150 = 3 mm
10 ASTM C-1609
11 Viga Norma Europea EN 14651
12 Norma Europea EN 14651
13 Norma Japonesa JCI-SF4 (%)
14 Aceptación Comité ACI-544 f e
15 Criterios para fibras estructurales ACI Consideración de Resistencia al Corte - La resistencia residual en flexión bajo norma ASTM C-1609 a una deflexión de L/300 debe ser mayor o igual al 90% de la resistencia máxima en flexión del hormigón, y para una deflexión de L/150 debe ser mayor o igual al 75% de la resistencia máxima en flexión del hormigón. EN Resistencia Residual Mínima - La dosis de fibra utilizada debe cumplir con una resistencia residual igual o mayor a 1,5 Mpa a un CMOD de 0,5 mm (equivalente a una deflexión central de 0,47 mm) y una resistencia residual igual o mayor a 1,0 Mpa a un CMOD de 3,5 mm (equivalente a una deflexión central de 3,02 mm).
16 Criterios para fibras estructurales Código Modelo 2010 Resistencia Residual Mínima Para que las fibras puedan ser consideradas con función estructural la resistencia característica residual a tracción por flexión fr,1,k no será inferior al 40 % del límite de proporcionalidad y fr,3,k no será inferior al 20 % del límite de proporcionalidad.
17 Diagrama Tensión Deformación del HRF Se determina a través de los resultados obtenidos en el ensayo a flexo tracción
18 Diagrama Tensión Deformación del HRF Modelo Simplificado - El primer gráfico esta basado sobre la serviciabilidad y la resistencia residual equivalente última. - El segundo gráfico representa el modelo rígido plástico, esta basado en un valor adecuado de la resistencia residual última.
19 Investigación Pisos Industriales
20 Alcance del Autor Los resultados de la presente investigación pueden ser considerados significativos, por cuanto cuestionan la creencia común y la práctica dentro del sector. Por ejemplo, el documento TR (en revisión en la actualidad) establece que las macro fibras sintéticas proporcionan algo de capacidad de momento residual pos fisuramiento, pero con un rendimiento significativamente menor que las fibras de acero, sugiriendo que estas no pueden ser utilizadas en la industria de construcción de pisos
21 Introducción Es muy necesaria la información y el conocimiento sobre las propiedades mecánicas, físicas y químicas de un hormigón con un alto contenido de fibras. Sin duda, la disponibilidad de datos fiables de las características anteriores ayudará a ingenieros, investigadores y tecnólogos del hormigón en el diseño de estructuras de concreto de una manera más viable y sostenible Resultados de investigaciones (Cengiz-Turanli) dicen que las Fibras Sintéticas de Alto Desempeño (HPPF) pueden mejorar mucho la ductilidad a la flexión, resistencia y capacidad de carga de la matriz frágil del hormigón en comparación con la malla electro soldada y la fibra de acero.
22 Evaluaciones durante la investigación 1.- Una losa reforzada con fibra de acero en una dosis de 40 Kg/m Una losa reforzada con fibra sintética (HPPF) en una dosis de 7 Kg/m Una losa de hormigón simple sin refuerzo. 4.- Una losa reforzada con una malla de acero de 6 mm de diámetro separados a 150 mm, lo que representa un área seccional de 142 mm2 por metro lineal. La malla fue ubicada a 50 mm de la parte superior de la losa. Inicio de la investigación año 2010
23 Metodología de ensayo Se implementó un equipo único y específico para aplicar cargas en losas de prueba de pavimentos, el cual fue construido en las instalaciones de la Universidad de Greenwich para ensayos de capacidad de carga sobre pisos industriales
24 Metodología de ensayo El equipo utilizado para cargar el pavimento fue diseñado para mantener una carga puntual de hasta 1000 KN (100 toneladas), la cual se aplica en un área de contacto de 100 mm x 100 mm, lo que permite simular la carga máxima de una un estantería (racking) actualmente en uso en diferentes construcciones para almacenaje.
25 Metodología de ensayo Losa de pruebas Los puntos de carga fueron aplicados de la siguiente forma: Punto central de la losa. Borde de la losa (placa de carga centrada a 150 mm desde el borde de la losa) Borde de la losa (placa de carga centrada a 300 mm desde el borde de la losa) Esquina de la losa (placa de carga centrada a 150 mm de la esquina) Esquina de la losa (placa de carga centrada a 300 mm de la esquina) La figura muestra la disposición de los 5 puntos de carga.
26 Metodología de ensayo Las pruebas de carga se realizaron con Celdas de Carga de la serie Adam 4000, se complementaron con un detector de grietas acústico y el equipo fue suministrado por Physical Acoustics Incorporated.
27 Metodología de ensayo La figura muestra la disposición del transductor de desplazamiento y los sensores acústicos, respectivamente.
28 Especificación del Pavimento - De acuerdo a lo establecido en el TR , el módulo de reacción determinado fue k = 0,05 N/mm3. - Losa de 6,0 x 6,0 m y 15 cm de espesor. - El hormigón se especificó como grado C32/40, que de acuerdo con la Tabla 9.1 del TR , la resistencia a compresión del hormigón se definió como f CU = 40 N/mm2 (resistencia cubica). - Módulo de elasticidad de ECM = 33,5 kn/mm2. - Para las cinco posiciones de carga el valor del coeficiente de Poisson fue v = 0,2 (ver TR ). - 7 kilogramos de HPPF se incorporaron al hormigón.
29 Ensayos y Resultados La losa fue construida el 12 de abril de 2011 y el promedio de las muestras cubicas a 28 días dieron un f CU = 41,83 Mpa. Tracción por Hendimiento
30 Ensayos y Resultados El ensayo de la viga con entalla fue adoptado para obtener el valor Re3 que fue igual a 37,0 % (promedio de 8 vigas omitiendo los valores máximos y mínimos).
31 Ensayos y Resultados La gráfica muestra el incremento de la carga puntual aplicada v/s la deformación (movimiento de la placa) en 5 puntos diferentes de la losa.
32 Ensayos y Resultados Las siguientes figuras muestran el patrón de deformación debido a la carga puntual aplicada en diferentes posiciones de la losa de hormigón reforzada con fibra sintética
33 Resumen de Resultados en los 5 puntos de carga
34 Resultados Comparativos Esta tabla se muestra los valores teóricos y de ensayos realizados para falla de corte por punzonamiento a dos diferentes losas de hormigón reforzadas con fibras (fibra de acero y fibra sintética) que han sido probadas en mecanismos de carga similares, incluyendo las condiciones de suelo en términos del valor CBR. TR (en revisión en la actualidad) se utilizó para calcular los valores teóricos presentados, basados en las ecuaciones para punzonamiento. Se puede ver claramente que los valores teóricos difieren significativamente de los valores obtenidos en las pruebas
35 Conclusiones - La adición de HPPF en un hormigón reforzado con fibra mejora la tenacidad, ductilidad a la flexión, capacidad de carga y absorción de energía. - Los resultados de esta investigación demuestran que el uso de las fibras sintéticas en una dosis de 7 kg/m3 se compara favorablemente con fibras de acero con ganchos en los extremos a una dosis de 40 kg/m3. - Los resultados de esta investigación también demuestran claramente la importancia de las pruebas a gran escala, en particular en lo referente al tema de losas apoyadas sobre suelo.
36 Conclusiones - Los valores teóricos informados en los resultados son significativamente menores que los valores obtenidos en los ensayos. Una explicación para esto es que los valores teóricos se basan en ecuaciones sugeridas en el TR , que no son ecuaciones específicas para el diseño de hormigón con fibras sintéticas. Esto refuerza la importancia de los hallazgos en esta investigación, que pueden ser considerados potencialmente para la modificación de las ecuaciones sugeridas. - Los resultados presentados en esta investigación pueden ser considerados fiables, como también todas las medidas necesarias que han sido aplicadas de acuerdo con las prácticas comunes de ensayos dentro de la disciplina. Las mismas condiciones de ensayo se aplicaron a la losa de fibra sintética como a la losa de fibra de acero, incluyendo las condiciones del suelo, instalaciones de prueba y la infraestructura.
37 GRACIAS!!!!!!
38 Resumen de Resultados en los 5 puntos de carga 1.- Carga Interior Central.- No hay evidencia de punzonado en la parte superior de la losa, sin grietasvisibles.tipodefallaporpunzonadoseobservóa490kn. 2.- Eje del plato de carga centrado a 150 mm del borde de la losa.- Se observaron fisuras inmediatamente por debajo del punto de carga a 190 kn seguido de grietas radiales/circunferenciales a 290 y 320 kn propagándose hacia los bordes con el incremento de la carga. 3. Eje del plato de carga centrado a 300 mm del borde de la losa.- Se observaron fisuras inmediatamente por debajo del punto de carga a 180 kn seguido de grietas radiales/circunferenciales a 360 y 430 kn propagándose hacia los bordes con el incremento de la carga. 4.- Esquina-placa de carga centrada a 150 mm de la esquina de la losa.- fisura radiales/circunferenciales se observaron a 60 kn seguido de fisuras por tensión a 140 kn debajo del punto de carga, fisuras radiales/circunferenciales continuaron apareciendo hasta 200 kn. 5.- Esquina-placa de carga centrada a 300 mm de la esquina losa.- fisuras radiales/ circunferenciales se observaron a 165 kn seguido por fisuras por tensión a 190 kn bajo el punto de carga. Fisuras radiales se desarrollados a 290 kn propagándose hacia el centro.
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