Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles FABRICACIÓN, ENSAYO Y REPARACIÓN DE MUROS DE HORMIGÓN ARMADO, UTILIZANDO FERROCEMENTO Memoria para optar al titulo de: Ingeniero Civil en Obras Civiles. Profesor Patrocinante: Sr. Hernán Arnés Valencia. Ingeniero Civil MARCELO ALEJANDRO AROS VILLEGAS 2005
INDICE RESUMEN SUMMARY CAPITULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Introducción 1 1.2 Objetivos 2 1.2.1 Objetivos generales 2 1.2.2 Objetivos específicos 2 1.3 Metodología de trabajo 3 CAPITULO II: DAÑOS ESTRUCTURALES 2.1 Generalidades 4 2.2 Factores que originan daño estructural 4 2.2.1 Diseño 4 2.2.2 Factores constructivos 4 2.2.3 Factor de uso 5 2.2.4 Factores eventuales 5 2.3 Cargas generadoras de falla 5 2.3.1 Cargas horizontales 5 2.3.1.1 Sismos 5 2.3.2 Cargas verticales 7 2.3.2.1 Peso propio 7 2.3.2.2 Sobrecargas 7 2.4 Fallas en el hormigón armado 7 2.4.1 Grietas por flexión 7 2.4.2 Grietas por corte 9 2.4.3 Grietas por compresión 10 2.4.4 Grietas por tracción 11 2.4.5 Grietas por torsión 12 CAPITULO III: MUROS DE HORMIGÓN ARMADO: COMPORTAMIENTO AL CORTE
3.1 Generalidades 13 3.2 Rango elástico y agrietamiento diagonal 13 3.3 Rango post-agrietamiento 15 3.4 Modos de falla 15 3.4.1 Falla frágil por corte 15 3.4.2 Falla dúctil por corte 16 3.4.3 Falla frágil por compresión diagonal 17 3.5 Parámetros que influyen 17 3.5.1 Resistencia característica del hormigón (f c) 17 3.5.2 Esbeltez 17 3.5.3 Refuerzo transversal 17 3.5.4 Refuerzo longitudinal 18 3.5.5 Refuerzo axial 18 CAPITULO IV: EL FERROCEMENTO. 4.1 Generalidades 19 4.2 Materiales componentes del ferrocemento 19 4.2.1 Mortero 19 4.2.2 Cemento 19 4.2.3 Áridos 20 4.2.4 Agua 20 4.2.5 Aditivos 21 4.3 Refuerzos del ferrocemento 22 4.3.1 Armadura difusa 22 4.3.2 Armadura discreta 23 4.4 Propiedades mecánicas del ferrocemento 24 4.4.1 Comportamiento a la tracción 24 4.4.2 Comportamiento a la compresión 25 4.4.3 Comportamiento a la flexión 25 4.4.4 Comportamiento al agrietamiento 27 4.4.5 Resistencia al impacto 27 4.4.6 Durabilidad y corrosión 28 4.5 Aplicaciones en la construcción y experiencia con ferrocemento 28 CAPITULO V: MURETES DE PRUEBA 5.1 Generalidades 30 5.2 descripción de materiales, herramientas y equipos utilizados 30
5.2.1 Materiales 30 5.2.2 Herramientas 33 5.2.3 Maquinas y equipos 34 5.3 Fabricación de muretes de hormigón armado 37 5.3.1 Diseño al corte de muretes 37 5.3.2 Fabricación de moldajes 39 5.3.3 Armadura 39 5.3.4 Dosificaciones 40 5.3.5 Hormigonado 40 5.3.6 Curado 42 5.3.7 Frague 42 5.3.8 Desmolde 42 5.4 Descripción del ensayo de muretes de hormigón armado 43 5.5 Comportamiento de muretes de hormigón armado 44 5.5.1 Murete nº 1 45 5.5.2 Murete nº 2 47 5.5.3 Murete nº 3 49 5.5.4 Murete nº 4 51 5.5.5 Murete nº 5 53 5.5.6 Murete nº 6 55 5.6 Reparación de muretes de hormigón armado utilizando ferrocemento 55 5.6.1 Dosificación mortero 55 5.6.2 Armadura del ferrocemento 56 5.6.3 Limpieza de muretes 57 5.6.4 Fijación de mallas 57 5.6.5 Mortero 57 5.6.6 Curado y frague 58 5.7 Descripción del ensayo de muretes reparados con ferrocemento 59 5.8 Comportamiento de muretes reparados con ferrocemento 60 5.8.1 Murete nº 1 62 5.8.2 Murete nº 2 64 5.8.3 Murete nº 3 66 5.8.4 Murete nº 4 68 5.8.5 Murete nº 5 70 5.8.6 Murete nº 6 72 CAPITULO VI: ANALISIS DE RESULTADOS 6.1 Comparación entre muretes reparados y sin reparar 74 6.1.1 Comportamiento murete nº1 74 6.1.2 Comportamiento murete nº2 76
6.1.3 Comportamiento murete nº3 78 6.1.4 Comportamiento murete nº4 80 6.1.5 Comportamiento murete nº5 82 6.1.6 Comportamiento murete nº6 84 6.2 Resumen comportamiento de muretes 84 6.2.1 Muretes de hormigón armado 86 6.2.2 Muretes reparados con ferrocemento 88 6.3 Resumen de ensayos 90 CAPITULO VII: REPARACIÓN COMPARACION DE COSTOS CON OTRO SISTEMA DE 7.1 Generalidades 91 7.2 Procedimiento de reparación o refuerzo mediante hormigón preempacado 91 7.2.1 Antecedentes generales 91 7.2.2 Materiales 91 7.2.3 Procedimiento de ejecución 93 7.2.4 Materiales a utilizar para confeccionar lechada 94 7.3 Comparación de costos 95 7.3.1 Costos del hormigón preempacado 95 7.3.2 Costos del ferrocemento 96 CAPITULO VIII: CONCLUSIONES 8.1 Conclusiones específicas 97 8.2 Conclusiones generales 98 BIBLIOGRAFÍA 99 ANEXOS ANEXO 1 Dosificación de hormigón 101 ANEXO 2 Ficha técnica puente de adherencia 110 ANEXO 3 Resultados de ensayos a probetas de hormigón y mortero 113
RESUMEN En la presente investigación, se realizó un análisis experimental a seis probetas de hormigón armado, las cuales fueron sometidas a ensayos destructivos de compresión diagonal, para obtener la carga de rotura y deformación producida. Posteriormente se procedió a reparar cada una de las probetas utilizando ferrocemento, aplicando el procedimiento por ambas caras de la probeta de hormigón armado. Pasado los 28 días de frague requerido, las probetas reparadas con ferrocemento se ensayaron de la misma forma que las probetas de hormigón armado, obteniendo así parámetros de comparación, como deformación y carga última. Al analizar los resultados obtenidos, teniendo en cuenta la resistencia a compresión diagonal, deformación y costos de la aplicación del método de reparación propuesto, se observa la eficiencia de la utilización del ferrocemento como una alternativa de reparación a muros de hormigón armado. Todo el proceso de fabricación, ensayo y reparación de los muretes de prueba se realizó en el Laboratorio de Ensaye de Materiales de Construcción (LEMCO).
SUMMARY The present investigation have the purpose to analyze experimentally to six little walls composed for framed concrete and then, to assay them to the fracture and afterward repairing them with iron-cement, for to observe the efficiency and effectiveness of the method proposed. In the experiment it was build six little walls for framed concrete, that was submitted to destructing assayers of diagonal compression to get the charge of break. Then it was realize it the repair of every one, using iron-cement and applying it on two faces of the little walls. After award they was assay it of the same way again, getting so parameters of comparison, deformation and final charge. The results of the application of this type of repair, demostrates the efficiency and effectiveness, since the perspective of the resistance, deformation and costes of the application of the method. All the process of making, assay and repair of the little walls it was realize it in the Laboratorio de Ensaye de Materiales de Construcción (LEMCO).
CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Introducción. Hoy en día el hormigón armado es uno de los materiales mas utilizado en la construcción, y es usual encontrar defectos desde el punto de vista constructivo, mala calidad de los materiales, mal diseño de elementos o también debido a causas eventuales. El reparar estos defectos resulta ineludible ya que la estructura incurre en una perdida de resistencia, afectando directamente a la seguridad de esta. Actualmente existen distintas técnicas y productos utilizados en la reparación de muros de hormigón armado, pueden ser reparados y reforzados a través de inyecciones epóxicas, reemplazo de partes afectadas o aumentando la sección del elemento, esto depende del nivel de daño producido en el muro. La inyección de grietas con resinas epóxicas es aplicable cuando solo existe la grieta y no un daño mayor en el hormigón ni en la armadura. La remoción y reemplazo del hormigón se realiza cuando este ha sido deteriorado, destruido o se ha perdido la adherencia del hormigón a la armadura, aplicando morteros con polímeros, mortero proyectado, morteros epóxicos u hormigón preempacado, también existen refuerzos que se aplican a los muros de hormigón armado, utilizando laminas de carbono o tejidos compuestos de fibra (carbono o vidrio), que dependiendo del modo de falla producido en el muro, un método será de mejor aplicación que otro. Si bien estos métodos de reparación otorgan resultados aceptables, la constante búsqueda de nuevas técnicas de reparación de menor costo y de aplicación más simple, ha hecho enfocar la mirada en el ferrocemento. Consiste en una serie de mallas muy juntas o barras de muy pequeño diámetro completamente envueltas en la matriz de mortero, generando un material compuesto cuyo comportamiento es distinto al del hormigón armado convencional en resistencia, deformación y aplicaciones. En Chile ya se han fabricado viviendas sociales y privadas, utilizando elementos prefabricados con ferrocemento. Considerando las propiedades que posee este material, su bajo costo, se logran espesores pequeños de elementos, de fácil reparación y no requiere de mano de obra especializada, debido a estas características, en la siguiente investigación se pretende analizar el uso del ferrocemento como una técnica alternativa de reparación de muros de hormigón armado. 1
1.2 Objetivos. 1.2.1 Objetivos generales Determinar la factibilidad que presenta la utilización del ferrocemento en la reparación de muros de hormigón armado. Definir una técnica de reparación adecuada en la cual se consideren factores de costo, trabajabilidad, materiales a utilizar, personal necesario, seguridad. Recuperar la capacidad de resistencia del elemento dañado y también sus propiedades mecánicas ante las solicitaciones de uso, para las cuales fue diseñado. 1.2.2 Objetivos específicos Realizar una comparación económica entre la reparación de muros de hormigón armado utilizando hormigón preempacado y la técnica de reparación propuesta mediante el uso del ferrocemento. Analizar comparativamente el murete de hormigón armado reparado utilizando ferrocemento y el murete sin reparar, tomando en consideración factores de resistencia y deformación. Evaluar el grado de recuperación que se obtiene de la reparación a los muretes de hormigón armado, tomando en cuenta la capacidad resistente de las probetas y analizar los distintos modos de falla producidos durante su ensayo. 2
1.3 Metodología de Trabajo El procedimiento a seguir es el siguiente: 1. Recopilación de información, antecedentes en general, relativos a la reparación de estructuras y específicamente al diseño y reparación de muros de hormigón armado, calidad de materiales, tipo de reparaciones utilizadas en esta memoria. 2. Desarrollo de capítulos teóricos con el objetivo de tener mayor conocimiento con respecto a tipos de reparaciones de hormigón armado y productos utilizados para su llevada a cabo. 3. Realizar el estudio y diseño de elementos con el objeto de abordar de mejor manera el ensayo de las probetas. 4. Preparación de 6 probetas de muros de hormigón armado, las que serán sometidas a ensayos de laboratorio con el objeto de determinar la resistencia de estos elementos bajo cargas de compresión diagonal. 5. Posteriormente se procederá a repararlos utilizando un sistema innovador como es el uso de ferrocemento, para su posterior ensayo y determinación de resistencia. 6. Obtención de resultados y comparación de cargas entre probetas en condiciones normales y las mismas reparadas con ferrocemento. 7. Finalmente se realizan los estudios comparativos y análisis de resultados para ver si realmente el sistema de reparación con ferrocemento es conveniente en la reparación de muros de hormigón armado. 3
CAPITULO II DAÑOS ESTRUCTURALES 2.1 Generalidades. En las estructuras de hormigón armado existen daños que están condicionados por una serie de factores que afectan de alguna u otra manera al comportamiento de la estructura disminuyendo así su capacidad resistente. Algunos de estos factores son, las condiciones de diseño de la estructura, los aspectos constructivos bajo los cuales se ejecuta la obra, también la calidad del suelo, la acción de factores eventuales, los cuales al actuar de forma conjunta pueden generar daños desastrosos a nuestra estructura. 2.2 Factores que originan daño estructural. De manera de ordenar estos factores, los podemos clasificar en los grupos que se señalan a continuación: 2.2.1 Diseño: Al incurrir en errores de tipo estructural, el comportamiento de los elementos en la práctica va a ser distinto a lo calculado, creando así deformaciones y agrietamientos que en algunos casos van a ser inadmisibles y en otros se podrán reparar, utilizando un proceso de reparación adecuado a la falla producida. 2.2.2 Factores constructivos: En este grupo las fallas se producen debido a una mala técnica de construcción, también por una falta de organización de las distintas actividades a realizar, o a la mala calidad de los materiales utilizados. 4
2.2.3 Factor de uso: Indudablemente las estructuras las calculamos sabiendo a priori el uso que tendrá, por lo tanto si esta condición cambia la estructura no estaría capacitada para resistir esta modificación, por lo que habría que hacer las reparaciones a la estructura antes que se cambie el uso para evitar posibles daños. 2.2.4 Factores eventuales: Son aquellos que actúan sobre la estructura de forma aleatoria, sismos, impactos, incendios, etc., solicitando a la estructura más allá que su capacidad resistente. Solo al reparar estos daños la estructura recuperara su capacidad de diseño. También con motivo de poder realizar una reparación satisfactoria a la estructura dañada, hay que conocer bien el origen de la falla, para el caso en que actúen factores eventuales como los mencionados anteriormente, la identificación de la falla no es un problema pudiendo adoptar así un buen método de reparación. Pero en el caso que el origen de la falla es desconocido, como los asentamientos del suelo, la corrosión de armaduras, los factores atmosféricos, etc. Para estos casos la identificación de la falla forma parte de un estudio con el cual se puede elaborar una adecuada metodología de inspección y reparación de la estructura. 2.3 Cargas generadoras de falla. La estructura se ve sometida a distintos tipos de cargas que eventualmente pueden generar fallas, algunas de mayor magnitud que otras y dependiendo de la naturaleza de estas las podemos clasificar en cargas horizontales y cargas verticales. 2.3.1 Cargas horizontales: 2.3.1.1 Sismos: En nuestro país este fenómeno es de bastante recurrencia por lo que es muy importante considerar, estos causan diversos daños a las estructuras, algunos que afectan a la estabilidad de la estructura y otros que afectan elementos aislados no generando un mayor efecto sobre el conjunto de la estructura. 5
Las principales fallas en el hormigón armado producto de un sismo están relacionadas con deformaciones y fuerzas excesivas en que incurre la estructura, como las fuerzas de corte, momento flector, unión hormigón armadura, etc., afectando a los muros, pilares, vigas, losas. En los casos más severos puede llegar a producirse un brusco descenso de la rigidez al desprenderse el hormigón, produciéndose la rotura de estribos, quienes son los que soportan el esfuerzo de corte. En los muros se presentan grietas diagonales en forma de cruz debido al predominio de las fuerzas de corte, este tipo de falla es frágil y se extienden en todo el muro, en los casos mas graves se puede producir la rotura de la armadura de pilares. Figura 2 1. Grietas en muro debido a esfuerzos de corte. Al escoger una zona del centro del muro se aprecia claramente el comportamiento de las fuerzas actuantes en el muro y su grieta resultante producto de la acción del esfuerzo de corte. Figura 2 2. Esfuerzos producidos en una grieta. 6
2.3.2 Cargas verticales. 2.3.2.1 Peso propio. Este tipo de cargas no tiene mucha recurrencia como un fenómeno generador de fallas estructurales. 2.3.2.2 Sobrecargas. Se puede presentar cuando las cargas que afectan a la estructura sobrepasan los valores de diseño, ya sea a raíz de un sobre uso de la estructura o debido a una sobrecarga eventual, para la cual la estructura no ha sido diseñada. Quedando esto de manifiesto al presentarse pequeñas deflexiones al principio con un posterior ensanchamiento de las grietas, pudiendo llevar a la deformación del elemento y en situaciones de carga mayor se puede producir desprendimiento de hormigón, la rotura de la armadura prácticamente no se presenta debido a la acción de sobrecargas. 2.4 Fallas en el hormigón armado. Las fallas en el hormigón armado están precedidas de pequeñas fisuras y grietas que se manifiestan de distintas maneras en todos los elementos estructurales por lo que clasificaremos las grietas según los esfuerzos ante los que se presentan en: a) Grietas por flexión b) Grietas por corte c) Grietas por compresión d) Grietas por tracción e) Grietas por torsión 2.4.1 Grietas por flexión. Causas: Error en la cuantía balanceada Mala adherencia entre el acero y el hormigón, produciéndose una mala distribución de tensiones. Mala disposición de armaduras. 7
Descimbre prematuro. Asentamientos del suelo. Características: A toda viga de hormigón armado solicitada por flexión, la forma de la falla dependerá de las resistencias del hormigón y del acero. A todo hormigón del cual se conoce la resistencia, le corresponde una cuantía determinada, donde la resistencia del acero y del hormigón se agota simultáneamente. Si existe una cuantía menor a la balanceada, la rotura se inicia por deformación plástica del acero (falla dúctil), si la cuantía es mayor que la balanceada, se generaran fallas por aplastamiento en el hormigón (falla frágil). Las grietas por flexión se manifiestan en principio en la zona de momento máximo, extendiéndose posteriormente a los apoyos. En una viga, la grieta se encuentra solamente en la parte traccionada. Se presentan en gran cantidad, muy próximas unas de otras. Produciéndose un espaciamiento mayor si, la cuantía es menor, la resistencia de hormigón es baja, el diámetro de las armaduras es mayor y si la adherencia entre el hormigón y el acero es baja. Generalmente estas grietas se producen bajo cargas, si esta carga se retira, un gran numero de ellas se cierran mostrando solo pequeñas fisuras en el elemento. El asentamiento del suelo produce un descenso de las fundaciones de la estructura. Al tratarse de una estructura de hormigón armado, tendrá una rigidez alta y los efectos debido al asentamiento pueden tener una gran repercusión en la estructura. Al asentarse un pilar que sustenta una viga, se producen cambios en los momentos máximos y en los esfuerzos de corte, que afectan no solo a su magnitud sino también a su ubicación, se producen una cantidad excesiva de grietas en la parte inferior de las vigas y se ubican desplazadas del punto donde se produce el momento máximo, también se generan grietas cerca de los apoyos en las vigas. 8
S= Asentamiento de suelo. 1= Grietas debido a asentamiento en apoyos vecinos. 2= Grietas debido a asentamiento en apoyo central. Figura 2 3. Grietas debido a esfuerzos de flexión. 2.4.2 Grietas por corte. Causas: En las vigas, este tipo de grietas provienen del efecto en conjunto de la flexión y el corte, produciéndose grietas de tracción diagonal, generalmente se presentan en vigas cortas muy cargadas. En las losas apoyadas directamente sobre pilares, la falla puede provenir de la formación de grietas de tracción diagonal, que se forman alrededor de la columna, fallando finalmente por punzonamiento al arrancar la columna parte de su apoyo en la losa. El asentamiento del suelo también generara grietas por corte en una estructura en base a muros. Características: En las vigas, estas grietas se producen cerca de los apoyos, zona en la cual el esfuerzo de corte es máximo, tienen una orientación tal que cortan al eje neutro, las fisuras son cerradas, con una inclinación entre 45 y 75º hacia el pilar. Son muy peligrosas ya que la rotura puede ser instantánea. Figura 2 4. Grietas debido a esfuerzos de corte. Si una junta de hormigonado es defectuosa, se apreciaran grietas en la unión de los elementos. 9
En pilares no es frecuente, suele producirse en pilares de planta baja de edificios que tienen que soportar fuertes empujes que no tienen la sección o armadura transversal suficiente. Los pilares extremos de última planta, donde acometen vigas de grandes luces y si no tienen armadura transversal suficiente, están sometidos a tensiones tangenciales apareciendo fisuras inclinadas, con tendencia a los 45º, en las dos caras opuestas, desplazándose una parte del pilar sobre la otra cuando el estado es muy avanzado (Figura 2-5). Figura 2 5. Grietas en debido a esfuerzos de corte. En el caso que el asentamiento del suelo genere grietas por corte, estas se verán reflejada en los muros que se encuentren entre el eje vertical de la estructura que descendió debido al asentamiento, y el eje que se ha mantenido en su lugar, creando grietas a lo largo de la diagonal de los muros. El comportamiento de los muros de hormigón armado bajo esfuerzos de corte forman parte del Capitulo III de esta memoria. 2.4.3 Grietas por compresión. En las columnas este tipo de grietas se manifiestan a media altura de la columna, esto debido a que en sus extremos existe una zona de mayor refuerzo a su encuentro con las vigas. También los estribos y las barras longitudinales son de fundamental importancia para evitar este tipo de grietas, ya que los estribos evitan el pandeo de las barras confinando así al hormigón, evitando que la sección se ensanche y aumentando indudablemente la resistencia del elemento. El modo de falla de las columnas frente a cargas de compresión comienza a dar aviso al aparecer grietas verticales a media altura de la columna, fallando repentinamente y produciéndose una pequeña deflexión, internamente existe un pandeo de las barras verticales y aplastamiento del hormigón. En columnas armadas con zunchos la falla comienza a apreciarse al formarse gran cantidad de grietas verticales, desprendiéndose posteriormente la capa de recubrimiento de hormigón y si la carga continúa y la columna es muy esbelta se 10
producirán grietas que anunciarán la falla por pandeo de la columna, o también por rotura de la hélice del zuncho. Las vigas también manifiestan grietas en la zona de compresión, puede deberse a una alta cuantía de acero o a una baja resistencia a compresión del hormigón. 2.4.4 Grietas por tracción. La acción de diferentes agentes externos son los que principalmente generan este tipo de grietas, los mas importantes o los que afectan en mayor medida a estructuras de hormigón armado son los siguientes: Sulfatos: Estos generan esfuerzos expansivos que pueden dar origen a grietas y en el peor de los casos que el hormigón se disgregue, este tipo de grietas no tienen forma definida y pueden actuar en cualquier parte de la estructura, bastando solo el contacto con el hormigón o alguna mezcla con sulfatos en su fabricación. Ciclos hielo deshielo: El agua penetra los capilares del hormigón llenando los espacios de aire, al bajar la temperatura esta agua se congela aumentando su volumen generando grietas de carácter progresivo por lo que el hormigón cada vez va quedando mas deteriorado, produciéndose una perdida parcial o total de su resistencia. Temperatura: Principalmente se produce en procesos industriales o donde exista gran cantidad de calor, en estos casos se generan grietas de tracción debido a que el acero y el hormigón no se deforman al mismo tiempo producto de la diferencia entre sus coeficientes de conductividad térmica. Debido a la retracción del hormigón también se generan grietas ya que el hormigón al perder agua se contrae y al absorber agua se dilata, generando al igual que en los casos anteriores, tensiones que pueden dar origen a grietas. 11
2.4.5 Grietas por torsión. En las vigas se provocan fisuras en 45º que se continúan desarrollando en las otras caras de la viga. Suelen darse cuando existe una viga que une pórticos de luces descompensadas. Es mas frecuente que este tipo de grietas se presente en conjunto con grietas de tracción diagonal, en este caso la torsión aumenta el corte en un lado de la viga y al otro lado lo reduce, provocando en el lado mas solicitado un agrietamiento prematuro por tracción diagonal bajo una tensión combinada. 12
CAPITULO III MUROS DE HORMIGON ARMADO: COMPORTAMIENTO AL CORTE 3.1 Generalidades. Dados los requerimientos de ductilidad y de capacidad de disipación de energía, no se debe permitir que el corte controle la respuesta de muros estructurales, mediante un diseño por capacidad seria posible asegurar que la repuesta quede controlada por flexión. Por lo tanto, es indispensable contar con una buena evaluación de la resistencia disponible de corte. Es usual observar comportamiento dominado por corte en muros bajos, el agrietamiento diagonal y degradación brusca de rigidez y resistencia al alcanzar la falla, son características típicas de este tipo de muros. La falla se presenta en forma frágil y con muy poca capacidad de deformación no lineal, generando así una falla peligrosa. A diferencia del caso de flexión, actualmente no se cuanta con un modelo totalmente aceptado que explique el comportamiento de corte, debido a la complejidad de los mecanismos involucrados y a una cierta incertidumbre sobre la verdadera influencia de alguno de los parámetros que afectan a estos mecanismos. Investigadores han optado por proponer expresiones de tipo semi-empírico, que modelan puntos característicos del comportamiento, tales como el límite elástico, la resistencia al agrietamiento diagonal y la resistencia máxima. 3.2 Rango elástico y agrietamiento diagonal. a) Rango elástico previo al agrietamiento: Esta es una zona lineal-elástica muy rígida, para la cual valen los principios de resistencia de materiales, esta zona finaliza al producirse el agrietamiento diagonal en el muro, donde la tracción principal en el alma, alcanza el modulo de ruptura o resistencia a la tracción del hormigón. 13
b) Agrietamiento diagonal del alma: El agrietamiento comienza en el alma del muro en el instante que la resistencia del material es sobrepasada por la tensión principal de tracción. Figura 3 1. Agrietamiento diagonal del alma. c) Agrietamiento diagonal por flexión: En este caso la falla se genera a partir de grietas de flexión, que se inclinan hacia el interior del elemento. Figura 3 2. Agrietamiento diagonal por flexión. Tanto en el caso b) y c) la resistencia al agrietamiento diagonal es un problema de tensiones principales, donde los parámetros más importantes son: Resistencia a la tracción o módulo de ruptura del hormigón. Esfuerzo axial. Esbeltez del elemento. 14
3.3 Rango post-agrietamiento. Mecanismos resistentes de corte: Transferencia de corte a través del hormigón en la cabeza de compresión del muro. Fuerza de corte transmitida por el efecto de trabazón de los agregados entre ambas caras de la grieta. Contribución del refuerzo que atraviesa la grieta: Fuerzas axiales en el refuerzo transversal. Fuerzas de corte en el refuerzo longitudinal. Figura 3 3. Mecanismos resistentes de corte. 3.4 Modos de falla 3.4.1 Falla frágil por corte. Típica de muros bajos con baja cuantía de refuerzo transversal, en este caso una vez que las tensiones principales exceden el modulo resistente del hormigón, se abre una gran grieta diagonal. El mecanismo de resistencia post-agrietamiento no se desarrolla. El poco refuerzo transversal, si existe se fractura. Finalmente se destruye la cabeza de compresión del muro. Esta falla se caracteriza por su fragilidad y baja capacidad de deformación. 15
Figura 3 4. Falla frágil por corte. 3.4.2 Falla dúctil por corte (por tensión diagonal). Típica de muros mas esbeltos con mayor cuantía de refuerzo transversal, en este caso si existe el mecanismo de resistencia post-agrietamiento. El refuerzo del alma limita el ancho de la grieta, apareciendo una serie de grietas diagonales, dispersas en el alma del muro a medida que el desplazamiento aumenta. El refuerzo transversal desarrolla fluencia, esto permite que el muro desarrolle un cierto grado de deformación en el rango no lineal. Finalmente la grieta se abre lo suficiente para que algunas de las barras del refuerzo transversal se fracturen y las grietas penetren, destruyendo así la cabeza de compresión. Figura 3 5. Falla dúctil por corte. 16
3.4.3 Falla frágil por compresión diagonal. Se presenta en muros con una excesiva cuantía de refuerzo transversal, el alto nivel de fuerzas producidas en el acero transversal genera grandes compresiones diagonales en el hormigón. La falla se caracteriza por su fragilidad, ocurre generalmente por aplastamiento del hormigón en la cabeza de compresión, debido al efecto combinado de la flexión y la compresión diagonal por corte. 3.5 Parámetros que influyen. 3.5.1 Resistencia característica del hormigón (f`c). Modulo de ruptura del hormigón en unidades kg/cm 2. 3.5.2 Esbeltez. La esbeltez define en gran medida el mecanismo resistente del muro. M/Vd<0.5: se desarrolla el mecanismo de muros bajos. Tanto el refuerzo transversal como longitudinal. 0.5<M/Vd<1: la grieta diagonal comienza en el alma del muro. M/Vd>1: la grieta diagonal comienza a partir de las grietas de flexión producidas en un extremo del muro. Para esbelteces mayores, generalmente predominara la falla por flexión, sin que alcance a desarrollarse el mecanismo de resistencia de corte. 3.5.3 Refuerzo transversal. Se hace efectivo solamente después que ha ocurrido el agrietamiento diagonal. El corte es resistido directamente por el esfuerzo axial en las barras, el refuerzo transversal contribuye a limitar el ancho de las grietas diagonales, lo cual permite el desarrollo del efecto de trabazón de los agregados entre las caras de la grieta. 17
La efectividad del refuerzo transversal es un tema sobre el cual no existe acuerdo, la práctica común de diseño supone que todas las barras transversales cruzadas por una grieta diagonal a 45º alcanzan la fluencia. La efectividad se puede evaluar en términos del cuociente entre la fuerza de corte que es capaz de transferir directamente el refuerzo transversal al momento de la falla y la fluencia. Es importante destacar que, aunque la contribución del refuerzo transversal a la resistencia al corte no sea significativa en muchos casos, si lo es el aumento de la capacidad de deformación en los muros dominados por corte. No obstante lo anterior, un aumento excesivo de la cuantía de refuerzo transversal puede inducir una falla frágil por compresión diagonal en el alma del muro. 3.5.4 Refuerzo longitudinal. La cuantía de refuerzo longitudinal define la posición de la línea neutra, y por lo tanto el tamaño de la cabeza de compresión del muro, donde se transfiere corte directamente a través del hormigón. La presencia de refuerzo longitudinal mejora el efecto de trabazón de los agregados al limitar el ancho de las grietas. 3.5.5 Refuerzo axial. La presencia de compresión axial produce un aumento, tanto de la resistencia al agrietamiento diagonal como de la resistencia al corte del muro. Mejora el efecto de trabazón de los agregados y agranda la zona en compresión de la sección mas solicitada. Es usual cuantificar este aumento de resistencia al corte, en forma simplificada, como un porcentaje de la magnitud del esfuerzo axial, sin embargo, la presencia de esfuerzo axial de compresión tiende a disminuir la capacidad de deformación inelástica del muro, favoreciendo la falla frágil por corte. 18
CAPITULO IV EL FERROCEMENTO 4.1 Generalidades. El ferrocemento es un tipo de hormigón armado en forma de lamina delgada comúnmente construido con mortero de cemento hidráulico y reforzado con capas de telas de mallas, poco separadas entre si, y formadas por alambres continuos y de diámetros relativamente pequeños. 4.2 Materiales componentes del ferrocemento. 4.2.1 Mortero. El mortero que mas se utiliza en la fabricación del ferrocemento es una mezcla entre cemento hidráulico y arena, también se le puede agregar aditivos para mejorar las propiedades de este. La calidad y el tipo de materiales utilizados puede incurrir directamente en el comportamiento y la durabilidad del elemento, por esto se mencionaran para cada material a usar las características mínimas requeridas para su utilización. 4.2.2 Cemento. Debido a los pequeños espesores y al pequeño recubrimiento que poseen las armaduras, la calidad del cemento puede afectar en el comportamiento final del elemento. El tipo de cemento que mas se utiliza en la fabricación de elementos de ferrocemento en Chile es el de tipo Pórtland Puzolánico o Siderúrgico, de Grado Corriente. En la Norma Chilena NCh 148 se clasifican los cementos nacionales según su composición y resistencia. El cemento Puzolánico adquiere resistencia lentamente, además necesita un curado relativamente mas largo, y su resistencia es aproximadamente igual a la del cemento Pórtland. Si se requieren resistencias altas a tempranas edades se puede utilizar cemento Pórtland de fraguado rápido. 19
Las cantidades de cemento mas utilizadas en el ferrocemento son entre 500 y 800 kg/m 3 de mortero. 4.2.3 Áridos. El árido mas utilizado para la fabricación del ferrocemento es la arena, de tamaño máximo de 5 mm, pudiendo ser de tamaños mínimos debido al espesor del elemento o a las densidades de la armadura. Este material puede ser natural o artificial, producto de la trituración de la piedra, y deben satisfacer las propiedades establecidas por las normas: resistencia a los esfuerzos mecánicos, el contenido de sustancias como arcillas, materias orgánicas u otras. Las arenas deberán estar de acuerdo a la NCh 163 Áridos para morteros y hormigones. Las especificaciones granulométricas utilizadas para los áridos finos del ferrocemento es la que se indica en el Cuadro 4 1. ASTM MM. % QUE PASA Paneles y otros Barcos Nº 4 4,75 95-100 100 Nº 8 2,380 80-100 100 Nº 16 1,190 50-85 70-100 Nº 30 0,590 25-60 45-70 Nº 50 0,297 25-30 25-45 Nº 100 0,149 2-10 5-15 Cuadro 4 1. Especificaciones granulométricas para ferrocemento. 4.2.4 Agua. El agua debe estar libre de materias orgánicas y sustancias nocivas que puedan afectar o causar la corrosión del acero, no se debe utilizar agua de mar. El agua participa en el proceso de hidratación del cemento, el cual no puede desarrollarse sin su presencia. Otorga la trabajabilidad necesaria al mortero, siendo determinante para definir su fluidez. 20
Se permite el uso de agua potable, ya que esta cumple con los requerimientos de calidad. El agua componente del ferrocemento deberá estar de acuerdo a lo expresado en la NCh 1498 Of. 82 Hormigón - Agua de amasado. 4.2.5 Aditivos. Los aditivos se definen como Productos que, agregados en pequeña proporción en pastas, morteros y hormigones en el momento de su fabricación, mejoran o modifican una o varias de sus propiedades. Los aditivos constituyen una ayuda eficaz y en algunos casos son indispensables para obtener un hormigón o un mortero que satisfaga los requerimientos en muy variadas aplicaciones. Se presentan en forma de polvo, liquido o en pasta y la dosis varia según el producto y efecto que se desea entre un 0.1% y 5% del peso del cemento. Los aditivos mas utilizados son: Plastificantes Son llamados también reductores de agua, actúan sobre el mortero fresco, proporcionándole mejor trabajabilidad, posibilita reducir la cantidad de agua necesaria en el amasado, aumentando la resistencia mecánica, impermeabilidad y durabilidad del mortero. Súper plastificantes Estos contienen productos químicos de alto poder dispersante, se obtienen morteros fluidos y automoldeables, incurriendo en una perdida del agua entre un 25 y un 35 %, obteniendo altas resistencias a tempranas edades. Aceleradores Aceleran la reacción del fraguado del cemento, su uso depende de las condiciones particulares de cada obra y del medio ambiente en que se llevan a cabo, pueden producir secuelas desfavorables constructivamente. 21
Retardadores Son los que retardan la reacción de hidratación. Incorporadores de aire Generan minúsculas burbujas de aire en el mortero, se obtiene mejor trabajabilidad, impermeabilidad y resistencia a la intemperie. Impermeabilizantes Disminuyen la permeabilidad del mortero, reduciendo los vacíos gracias a la acción de agentes hidrófugos. 4.3 Refuerzos del ferrocemento. Dentro de los refuerzos que posee el ferrocemento distinguiremos claramente 2 grupos que dependiendo de la cantidad, resistencia y orientación en que se utilizan, servirán para que el mortero no se disgregue e incidirán directamente sobre el agrietamiento del elemento. Los tipos de refuerzos los podemos clasificar en: 4.3.1 Armadura difusa. Se constituye de alambres de pequeño diámetro, los cuales van formando mayas de espaciamiento pequeño, las que van distribuidas en varias capas en la masa del elemento que sirven de soporte al mortero que rellena finalmente la pieza, apoyándose en las armaduras de soporte. Las más utilizadas son: Malla Hexagonal También conocida como malla de gallinero, se produce entrelazando alambres galvanizados de diámetro menor al alambre Nº22, y formando así las mallas hexagonales. El hecho que los diámetros sean pequeños dan al la armadura una gran flexibilidad, es por esto que se utiliza acompañada de una malla esqueleto. Debido a su uso generalizado en otras áreas de productividad, es que la resistencia mecánica de este tipo de malla no es controlada. 22
Malla Cuadrada Al igual a la malla tejida hexagonal, se teje entrelazando los alambres ya sean galvanizados o no, formando cuadrados y también se utiliza en conjunto con la armadura difusa. Malla de metal desplegado Este tipo de malla se produce perforando pequeñas láminas de metal, las cuales luego se expanden tomando la forma de rombos. Debido a su forma de producción y desplegamiento, es que este tipo de malla presenta dos resistencias distintas según la dirección de posicionamiento, y por esto no es recomendable utilizarla en estructuras que posean solicitaciones bidireccionales, salvo que se tome la precaución de instalar otras mallas en direcciones alternadas. Malla Soldada Este tipo de mallas esta formada por alambres rectilíneos de acero, los cuales se disponen formando cuadrados o rectángulos soldados en las intersecciones o vértices de estos. Es utilizada como refuerzo estructural y no necesita ser dispuesta junto con armadura discreta o esqueleto. Malla de Watson Este tipo de malla es una combinación de alambres de alta resistencia y un alambre ondulado colocado transversalmente, el cual mantiene la posición del conjunto. Además, los alambres de alta resistencia se ubican en dos niveles paralelos uno al lado del otro y se separan de los primeros por medio de otro alambre de acero dulce transversal. Este tipo de mallas es posible fabricarla en obra. 4.3.2 Armadura discreta. Armadura de soporte suplementaria, llamadas armaduras discretas, que están también constituidas por acero de tipo estructural de pequeño diámetro, generalmente entre 4 y 12 mm. Complementan el rol de las armaduras estructurales, pero su papel principal es servir de soporte a las mallas. 23
Es posible distinguir dos tipos de armaduras discretas: Armadura de esqueleto. Este tipo de mallas generalmente se componen de barras de acero dulce de diámetros pequeños, las cuales son soldadas o amarradas entre sí. Armadura suplementaria. Su función es estructural, se constituye generalmente por alambrotes o barras de acero estructural y trabaja en conjunto con las mallas de la armadura difusa. 4.4 Propiedades mecánicas del ferrocemento. 4.4.1 Comportamiento a la tracción. El mortero posee poca resistencia a la tracción, pero en conjunto con la armadura del ferrocemento esta resistencia aumenta debido al alto contenido de acero y a la gran dispersión de este. En elementos de ferrocemento sometidos a esfuerzos de tracción se distinguen claramente tres estados que provienen de estudios e investigaciones de probetas sometidas a este tipo de cargas: Rango Elástico: El elemento se comporta como un material homogéneo, la curva de esfuerzo v/s deformación es prácticamente lineal, todas las deformaciones que se producen son elásticas y no se aprecia la formación de grietas en el elemento. Las deformaciones plásticas del mortero son limitadas por las deformaciones elásticas de los alambres. Rango Elasto Plástico: Al seguir aumentando las cargas, la curva esfuerzo v/s deformación se produce un pequeño quiebre, ya que se comienzan a presentar grietas en el elemento, que van creciendo lentamente al principio y rápidamente cuando el numero de grietas es mayor. 24
Rango Plástico: En esta etapa el número de grietas es claramente mayor y comienzan a aumentar de tamaño, hasta que el elemento falla debido a la ruptura del acero. ANCHO RANGO FISURAS (micras) Elástico 0-20 Elasto - Plástico 20-50 Plástico 50-100 Figura 4 1. Comportamiento a la tracción del ferrocemento. 1 4.4.2 Comportamiento a la compresión. La resistencia del ferrocemento en compresión se encuentra dada por el mortero en directa relación al área de su sección transversal. El hecho de variar la superficie específica y el factor de refuerzo, no implican en el comportamiento a compresión del ferrocemento. Si el mortero tuviera que pasar por un enrejado muy denso, su compacidad se vería afectada y por ende su resistencia a la compresión. 4.4.3 Comportamiento a la flexión. Análogamente al caso de comportamiento del ferrocemento en tracción, se distinguen tres zonas (Figura 4 2): 1 Extraído de Ferrocemento diseño y construcción, Hugo Wainshtok. 25
Figura 4 2. Comportamiento a la flexión del ferrocemento. 1 Zona Elástica: El ferrocemento se comporta como un material elástico hasta que se forma la primera fisura por lo tanto se produce una disminución de rigidez del elemento sometido a flexión, lo cual se grafica en la curva carga v/s flecha. Zona Elasto Plástica: Se multiplican las fisuras y comienza a aumentar progresivamente su ancho, en el diagrama carga v/s flecha se representa por una línea casi recta. Zona Plástica: El comportamiento del elemento es claramente no lineal, las grietas aumentan rápidamente de tamaño y también en el ancho, hasta llegar a la rotura del elemento, tomando el acero toda la fuerza de tracción. También se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones en el comportamiento a la flexión: Existe una relación inversamente proporcional entre el refuerzo transversal y el ancho de las grietas. 1 Extraído de Ferrocemento diseño y construcción, Hugo Wainshtok. 26
Cuando el elemento ya ha fallado, al quitarse las cargas las grietas se cierran de manera considerable. Se distinguen de las grietas en el hormigón armado en que estas son más numerosas y de menor ancho. La resistencia a flexión es mayor si se emplean alambres de menor diámetro. El elemento es más flexible si se aumentan las cuantías de acero de refuerzo. 4.4.4 Comportamiento al agrietamiento. El hecho que el ferrocemento este compuesto por una armadura de telas de mallas de pequeñas celdas, que se colocan a poca distancia unas de otras, da paso a que al momento de compactar el mortero mediante el proceso de vibración, estas mallas de refuerzo generan campos de vibración secundarios y permiten distribuir de mejor manera el mortero y aumentando su densidad. Es por esto también que posee una gran resistencia a la apertura de grietas. El gran margen de trabajo que permite el ferrocemento si que aparezcan grietas visibles se debe principalmente a que la armadura de refuerzo impide que se desarrollen grietas de retracción. También es por efecto de las telas de mallas que se redistribuyen los esfuerzos y se reordenan las grietas, es por esto que la acumulación en la masa del mortero genera un gran número de microgrietas, dando la impresión de una gran deformación del mortero, manteniendo visiblemente su solidez. Se ha demostrado mediante investigación que en el hormigón armado, el ancho de las grietas puede ser disminuido aumentando la adherencia entre el refuerzo y el hormigón, reduciendo el espesor del recubrimiento y aumentando la distribución del refuerzo. Todos estos hechos se aprecian en el ferrocemento, ya que el ancho de la grieta es mínimo entre el refuerzo y el mortero, aumentando hacia la superficie y como el recubrimiento en el ferrocemento es pequeño, el ancho de las grietas son mucho menores. 4.4.5 Resistencia al impacto. Debido a la poca información que existe respecto a la resistencia al impacto del ferrocemento, y solo se apela a los resultados que ha generado la utilización del ferrocemento en embarcaciones, debido a colisiones con muelles o entre ellos. La falla es localizada y de fácil reparación, presentando el mortero una gran resistencia a la desintegración. 27
Las características que mayormente podrían incidir en el aumento de la resistencia ante fuerzas de impacto, son el aumento del refuerzo de las barras de acero, y el aumento de la resistencia y de la superficie especifica de la tela de malla, disminuyendo así el área afectada. 4.4.6 Durabilidad y corrosión. Principalmente las desventajas que encontramos en el ferrocemento en comparación con el hormigón armado, son: El espesor del recubrimiento en el ferrocemento es muy pequeño, los elementos corrosivos pueden llegar a afectar al acero con facilidad. El área superficial del acero es mayor a la del hormigón por lo tanto si existe corrosión, esta afecta en gran forma al elemento. Como las telas de mallas son galvanizadas, el zinc puede generar burbujas de gas que podrían afectar perjudicialmente. Estos factores variaran en gran medida dependiendo del medio en que se encuentre el elemento. Además la mala colocación del mortero, la pobre compacidad, tienen una incidencia en el ferrocemento ya que la permeabilidad del ferrocemento se puede ver afectada. 4.5 Aplicaciones en la construcción y experiencia con ferrocemento. De las experiencias desarrolladas con ferrocemento, se obtienen resultados con mejores propiedades mecánicas y de durabilidad que el hormigón armado, entre las cuales se distinguen las siguientes ventajas: La deformación que se produce en elementos fabricados con ferrocemento se produce de forma suave en comparación a la deformación del hormigón armado. El ferrocemento posee un gran margen entre la carga a la primera grieta y la carga de rotura, y permite a la vez una mayor deformación del elemento antes de fallar. La buena resistencia a la tracción de este material se debe principalmente a la distribución uniforme del refuerzo y a la alta relación que existe entre el área superficial del refuerzo y la superficie específica del mortero. 28
También posee una baja conductividad térmica, seis veces menor a la del acero, por lo cual es muy bueno como aislante térmico. Su alta masa le permite absorber el sonido mejor que en otros materiales, por lo que acústicamente también es un buen aislante. Es muy flexible por lo que tiene alta resistencia al impacto, y si se llegase a destruir, solo son fallas localizadas por lo cual se puede reparar sin mayor inconveniente. Es resistente al agrietamiento, el ancho de las grietas es mínimo por lo cual es más impermeable y a la vez resistente a la corrosión. No se necesita de personal de alta calificación para su construcción. Posee un bajo costo de ejecución, ya que no posee mano de obra especializada, se emplea un mínimo de equipos y los materiales utilizados son de bajo costo y no presentan un gran problema de disponibilidad ya que estos materiales se encuentran en prácticamente todo el mundo y son de fácil adquisición. La utilización del ferrocemento ha aumentado con el paso de los años, tanto en construcciones marinas como terrestres, y sus aplicaciones se han intensificado en países en vías de desarrollo, haciendo uso de este material en: Puentes. Piscinas. Monumentos y elementos ornamentales. Viviendas. Muelles flotantes, barcos. Cubiertas. Cabinas sanitarias. Depósitos de líquidos y gases. Silos y almacenes. 29
CAPITULO V MURETES DE PRUEBA 5.1 Generalidades. El desarrollo práctico de esta memoria, consiste en la fabricación de 6 muretes de prueba, confeccionados en hormigón armado, los cuales se someterán a esfuerzos de compresión diagonal. Una vez ensayados todos los muretes, se repararan utilizando ferrocemento y se volverán a ensayar bajo las mismas condiciones y así comparar los muretes en condiciones normales y reparados. En este capitulo se señalará todo el proceso que se siguió desde la fabricación de los muretes de prueba, hasta su ensayo y comprobar si el ferrocemento es o no un buen sistema de reparación de muros de hormigón armado. 5.2 Descripción de materiales, herramientas y equipos utilizados. A continuación se especificarán los materiales utilizados en la fabricación y los equipos utilizados en el ensayo de los muretes de hormigón armado. 5.2.1 Materiales. Acero de refuerzo: El acero de refuerzo utilizado para los muros de hormigón armado posee las siguientes características: Calidad Acero: A44-28H Ruptura: 440 MPa (44 kgf/mm2) Fluencia: 280 MPa (28 kgf/mm2) Alargamiento: 16% Diámetro: 6 (mm) Sección:0.283 (cm 2 ) Masa: 0.222 (kg/m) 30
Malla acma: Se utilizo el tipo de malla C139 como armadura discreta, en la fabricación del ferrocemento, la cual posee las características que se indican el Cuadro 5 1. Tipo de Malla Distancia Barras Diámetro Barras Sección de Acero Peso Malla Longit. mm Transv. mm Longit mm Transv. mm Longit. cm2/m Transv. cm2/m C139 100 100 4,2 4,2 1,39 1,39 28,34 Kg Cuadro 5 1. Características malla acma C139. Las características del acero que utiliza este tipo de mallas es la siguiente: Nomenclatura del acero AT56-50H: A: Acero T: Trefilado/Laminado 56: 5.600 kg/cm2 (límite de ruptura) 50: 5.000 kg/cm2 (límite de fluencia) H: Hormigón INN: Las mallas soldadas ACMA cumplen con las siguientes Normas Chilenas del NCh 1173 Of. 77, que establece los requisitos que debe cumplir el alambre de acero de alta resistencia para su utilización en hormigón armado. NCh 219 Of. 77, que establece las condiciones de uso de la malla soldada fabricada con alambre de acero de alta resistencia para su utilización en hormigón armado. Malla hexagonal galvanizada: Se utilizo como armadura difusa en la construcción del ferrocemento, posee las siguientes características: Abertura del hexágono: ¾ pulg. Diámetro Alambre: Calibre BGW 22, (0.71 mm.) Peso aproximado: 0.36 Kg./m 2. 31