MUROS DE CONCRETO – ecoeediciones.com · MUROS DE CONCRETO REFORZADO CON Muros de concreto reforzado con ˜bras de acero FIBRAS DE ACERO Julián Carrillo León …

  • MUROS DECONCRETOREFORZADO CONFIBRAS DE ACEROMuros de concreto reforzadoconbras deaceroJulin Carrillo LenSergio M. AlcocerDesempeo sismo-resistente basadoen ensayos en mesavibratoria
  • IntroduccIn………………………………………………………………………………XVcaptulo 1: reVIsIn de la lIteratura………………………………………………… .. 11.1. Usos y ventajas del CRFA…………………………………………………………..11.2. Nivel de agrietamiento del CRFA……………………………………………….. 41.3. Desempeo a flexin del CRFA…………………………………………………. 41.4. Aplicaciones del CRFA en el diseo ssmico………………………………… 6captulo 2: programa eXperImental………………………………………………………92.1. Descripcin del prototipo………………………………………………………….92.1.1. Prototipo de vivienda……………………………………………………..92.1.2. Estados lmite……………………………………………………………..102.1.3. Analoga de ensayo………………………………………………………10Contenido
  • Muros de concreto reforzados con fibras de aceroVI2.2. Variables de estudio y listado de especmenes……………………………. 112.3. Requerimientos de similitud……………………………………………………..132.4. Propiedades nominales de los modelos……………………………………… 152.4.1. Geometra y refuerzo………………………………………………….. 152.4.2. Diseo de los modelos…………………………………………………. 172.4.3. Caractersticas dinmicas y masa adicional sobre losmodelos………………………………………………………..212.5. Propiedades mecnicas de los materiales de construccin…………….. 222.5.1. Concreto reforzado con fibras de acero…………………………… 222.5.2. Acero de refuerzo: barras y fibras…………………………………… 452.6. Configuracin de los ensayos………………………………………………….. 502.6.1. Dispositivo de ensayo………………………………………………….. 502.6.2. Carga axial………………………………………………………………….522.6.3. Demanda ssmica…………………………………………………………522.6.4. Instrumentacin………………………………………………………….552.6.5. Programa de pruebas en los modelos……………………………… 60captulo 3: ensayos de muros……………………………………………………………633.1. Sistema dinmico: dispositivo de ensayo mesa vibratoria…………… 633.1.1. Aceleracin efectiva……………………………………………………..643.1.2. Fuerza lateral efectiva…………………………………………………… 663.1.3. Periodos naturales de vibracin y factores deamortiguamiento efectivo…………………………………………. 673.2. Definicin de parmetros…………………………………………………………683.2.1. Modos de falla…………………………………………………………….683.2.2. Coeficiente ssmico y amplificacin dinmica………………….. 693.2.3. Curvas de histresis……………………………………………………..69
  • Tabla de conTenido VII3.2.4. Componentes de desplazamiento…………………………………… 703.2.5. Procedimiento de identificacin de grietas……………………… 743.2.6. Fluencia de barras………………………………………………………..753.2.7. Inicio de la contribucin de las fibras de acero…………………. 753.2.8. ndice de agrietamiento residual…………………………………… 753.2.9. Procesamiento de seales……………………………………………… 763.3. Propiedades medidas en los modelos………………………………………… 773.4. Descripcin del dao y mecanismo de falla……………………………….. 783.4.1. Agrietamientos previos al ensayo…………………………………… 783.4.2. Evolucin del agrietamiento………………………………………….. 793.4.3. Estado final de dao…………………………………………………….813.4.4. Modos de falla…………………………………………………………….813.5. Comportamiento histertico…………………………………………………….843.5.1. Curvas de histresis……………………………………………………..843.5.2. Componentes de deriva……………………………………………….. 903.5.3. Perfiles de desplazamiento lateral, rotacin y curvatura…….. 953.6. Frecuencias naturales de vibracin y factores deamortiguamiento…………………………………………………………………983.7. Fluencia de barras………………………………………………………………..1053.8. Contribucin de las fibras de acero…………………………………………. 1123.8.1. Inicio de la contribucin…………………………………………….. 1133.8.2. Perfiles de deformaciones……………………………………………. 119captulo 4: conclusIones yrecomendacIones…………………………………….. 1274.1. Programa experimental………………………………………………………….1274.2. Propiedades mecnicas del CRFA…………………………………………… 129
  • Muros de concreto reforzados con fibras de aceroVIII4.3. Ensayos de los muros de concreto………………………………………….. 1304.3.1. Descripcin del dao y mecanismo de falla……………………. 1304.3.2. Comportamiento histertico)………………………………………. 1324.4. Frecuencias naturales de vibracin y factores deamortiguamiento………………………………………………………………1334.5. Fluencia de barras y contribucin de las fibras de acero……………. 134referencIas……………………………………………………………………………..135
  • Tabla de conTenido IXndice de figurasFigura 1. Curva carga deflexin caracterstica de CRFA(ASTM-C-1609, 2010)…………………………………………… 6Figura 2. Analoga para el ensayo de los modelos……………………………….. 11Figura 3. Geometra y refuerzo de los modelos…………………………………… 16Figura 4. Configuracin de los ensayos del CRFA…………………………………………………………………………26Figura 5. Curvas esfuerzo-deformacin del CRFA-AF en compresin……………………………………………… 33Figura 6. Curvas e sfuerzo-deformacin del CRFA-1F en compresin………………………………………………. 34Figura 7. Curvas esfuerzo-deformacin del CRFA-2F en compresin………………………………………………. 35Figura 8. Tendencias de las propiedades mecnicas en compresin yen tensin del CRFA. ………………………………… 36Figura 9. Tendencia de la resistencia a tensin indirecta delCRFA…………………………………………………………………………38Figura 10. Curvas esfuerzo-deformacin del CRFA-AF en flexin………………………………………………………………………..39Figura 11. Curvas esfuerzo-deformacin del CRFA-1F en flexin………………………………………………………………………..40Figura 12. Curvas esfuerzo-deformacin del CRFA-2F en flexin………………………………………………………………………..41Figura 13. Tendencias de las propiedades mecnicas a flexin delCRFA………………………………………………………………42Figura 14. Tendencias de las resistencias residuales a flexindel CRFA………………………………………………………………44Figura 15. Dispositivos para el ensayo de probetas de barrascorrugadas y alambrn liso a tensin. ……………………..47Figura 16. Curvas esfuerzo-deformacin de barras corrugadas deacero…………………………………………………………..48
  • Muros de concreto reforzados con fibras de aceroXFigura 17. Parmetros de la curva esfuerzo-deformacin de barrascorrugadas de acero…………………………………………….. 50Figura 18. Dispositivo de ensayo………………………………………………………..51Figura 19. Historias y espectros de aceleracin para elprototipo. ……………. 53Figura 20. Instrumentacin interna de los muros…………………………………. 57Figura 21. Instrumentacin externa de los muros cuadrados………………….. 59Figura 22. Seales utilizadas en las pruebas de baja frecuencia……………….. 61Figura 23. Localizacin de masas en la configuracin de ensayo……………… 65Figura 24. Componentes de desplazamiento por otros efectos………………… 72Figura 25. Componentes de desplazamiento por efectos propios delmodelo. ………………………………………….. 74Figura 26. Agrietamientos previos al ensayo de los muros……………………… 78Figura 27. Nivel de agrietamiento de los muros con fibra tipo1F,en el estado lmite de resistencia……………………………………………………………………79Figura 28. Nivel de agrietamiento de los muros con fibratipo2F,hasta el registro 83-150%………………………………………………….. 79Figura 29. ngulo promedio del agrietamiento diagonal……………………….. 80Figura 30. Estado final de dao de los muros con fibra tipo 1F……………….. 82Figura 31. Estado final de dao de los muros con fibra tipo 2F………………. 82Figura 32. Detalles caractersticos del estado final de dao delos muros. …. 83Figura 33. Estado del CRFA despus de la falla por tensindiagonal. ………. 84Figura 34. Curvas de histresis de los muros……………………………………….. 85Figura 35. Curvas de histresis de los muros con fibra tipo 1F………………… 90Figura 36. Curvas de histresis de los muros con fibra tipo 2F………………… 91Figura 37. Componentes de deriva de los muros con fibra tipo 1F…………… 92Figura 38. Componentes de deriva de los muros con fibra tipo 2F…………… 93Figura 39. Variacin de la contribucin a la deriva de los muroscon la dosificacin y el tipo de fibra para el estado lmite deresistencia. ……………………………………………..95
  • Tabla de conTenido XIFigura 40. Perfiles de desplazamiento lateral, rotacin ycurvatura de los muros con fibra tipo 1F……………………………. 96Figura 41. Perfiles de desplazamiento lateral, rotacin ycurvatura de los muros con fibra tipo 2F……………………………. 97Figura 42. Frecuencias de vibracin y factores de amortiguamientoefectivo de los muros con fibra tipo 1F…………………………………. 99Figura 43. Frecuencias de vibracin y factores de amortiguamientoefectivo de los muros con fibra tipo 2F……………………………….. 100Figura 44. Relacin entre deriva y la frecuencia de vibracin o elamortiguamiento de los muros con fibra tipo 1F……………..102Figura 45. Relacin entre deriva y la frecuencia de vibracin o elamortiguamiento de los muros con fibra tipo 2F……………..103Figura 46. Variacin de la frecuencia de vibracin o elamortiguamiento de los muros con la dosificacin y el tipo de fibrapara el estado lmite de resistencia……………………………………………. 105Figura 47. Deformaciones en las barras de refuerzo del muroMC1F75. ………………………………………… 106Figura 48. Deformaciones en las barras de refuerzo del muroMC1F100. ………………………………………. 107Figura 49. Deformaciones en las barras de refuerzo del muroMC1F125. ………………………………………. 108Figura 50. Deformaciones en las barras de refuerzo del muroMC2F75. ………………………………………… 109Figura 51. Deformaciones en las barras de refuerzo del muroMC2F100…………………………………………………………110Figura 52. Deformaciones en las barras de refuerzo del muroMC2F125…………………………………………………………111Figura 53. Deformaciones en el CRFA del muro MC1F75……………………. 113Figura 54. Deformaciones en el CRFA del muro MC1F100………………….. 114Figura 55. Deformaciones en el CRFA del muro MC1F125…………………………………………………………115Figura 56. Deformaciones en el CRFA del muro MC2F75…………………………………………………………..116
  • Muros de concreto reforzados con fibras de aceroXIIFigura 57. Deformaciones en el CRFA del muro MC2F100…………………………………………………………117Figura 58. Deformaciones en el CRFA del muro MC2F125…………………………………………………………118Figura 59. Perfil de deformaciones en el CRFA del muro MC1F75hasta el estado lmite MRL……………………………………………….. 120Figura 60. Perfil de deformaciones en el CRFA del muro MC1F100hasta el estado lmite MRL……………………………………………….. 121Figura 61. Perfil de deformaciones en el CRFA del muro MC1F125hasta el estado lmite MRL. ………………………………..122Figura 62. Perfil de deformaciones en el CRFA del muro MC2F75hasta el estado lmite MRL. ………………………………….123Figura 63. Perfil de deformaciones en el CRFA del muro MC2F100hasta el estado lmite MRL. ……………………………….124Figura 64. Perfil de deformaciones en el CRFA del muro MC2F125hasta el estado lmite MRL. ……………………………….125
  • Tabla de conTenido XIIIndice de TablasTabla 1. Descripcin de las variables de estudio………………………………… 12Tabla 2. Listado de modelos para ensayos………………………………………… 13Tabla 3. Factores de escala del modelo de similitud simple…………………. 14Tabla 4. Resistencia de los modelos…………………………………………………. 20Tabla 5. Diseo de ensayos dinmicos de los modelos (escala1:1.25)………………………………………………………………….22Tabla 6. Caractersticas especificadas de los tipos de CRFA…………………. 24Tabla 7. Muestreo y tipos de ensayo en el concreto……………………………. 25Tabla 8. Valores promedio de las propiedades mecnicas delconcreto de los modelos……………………………………………… 28Tabla 9. Coeficientes de variacin de las propiedades mecnicasdel concreto de los modelos……………………………………………… 31Tabla 10. Ecuaciones propuestas para calcular las propiedadesmecnicas del CRFA …………………………………… 45Tabla 11. Caractersticas especificadas de barra y alambrn lisode acero…………………………………………………….46Tabla 12. Caractersticas especificadas de fibras de acero……………………… 46Tabla 13. Propiedades mecnicas de barra y alambrn liso de acero…………………………………………………….49Tabla 14. Coeficientes de variacin de las propiedades mecnicasde barra y alambrn liso de acero……………………………………….. 49Tabla 15. Caractersticas de los sismos en el prototipo…………………………. 54Tabla 16. Niveles de intensidad ssmica en los prototipos…………………….. 55Tabla 17. Programa de pruebas en los modelos…………………………………… 62Tabla 18. Pesos del sistema………………………………………………………………66Tabla 19. Caractersticas del filtrado de las seales………………………………. 77Tabla 20. Geometra real de los modelos……………………………………………. 77Tabla 21. Coeficientes ssmicos y amplificacin dinmica……………………. 87
  • XIV Muros de concreto reforzados con fibras de aceroTabla 22. Resultados principales de las curvas dehistresis…………………… 89Tabla 23. Componentes de deriva para el estado lmite deresistencia ……… 94Tabla 24. Frecuencias de vibracin y factores de amortiguamientopara el estado lmite de resistencia…………………………………….. 104Tabla 25. Deformaciones en barras longitudinales de elementos deborde y barras en el nivel de desplante para el estado lmite de MRL……………………………………………. 112Tabla 26. Deformaciones en CRFA para el estado lmite de MRL………….. 119
  • Una de las opciones ms eficientes para la construccin deviviendas es el desarrollo de conjuntos habitacionales conviviendas de concreto en su to-talidad. Teniendo en cuenta laresistencia inherente de las estructuras con muros de concreto, lasdemandas ssmicas en este tipo de viviendas son bajas. Por tanto,actualmente se utilizan muros con baja resistencia de concreto yespesor, y cuan-tas de refuerzo reducidas.Con el propsito de incrementar y mejorar la oferta tecnolgica delas viviendas a base de muros de concreto, manteniendo unaseguridad estructural adecuada, en el Instituto de Ingeniera de laUNAM se llev a cabo un extenso programa de investigacinexperimental y analtico (Flores et al., 2007; Carrillo y Alcocer,2012a, 2012b; Snchez, 2010). El objetivo esencial de dichainvestigacin fue proponer criterios de anlisis y diseo ssmicoaplicables a muros de concreto para viviendas de baja altura. Elprograma experimental incluy 39 ensayos cua-si-estticos y dinmicosde muros con diferente relacin de aspecto y sistemas de muros conaberturas. Las variables estudiadas fueron el tipo de concreto(peso normal, peso ligero y auto compactable), la cuanta de acero acortante en el alma (0%, 0.125% y 0.25%) y el tipo de refuerzo(barras corrugadas y malla de alam-bre soldado).Introduccin
  • Muros de concreto reforzados con fibras de aceroXVIA partir del anlisis de la informacin experimental y analtica,se comprob que las cuantas mnimas de refuerzo a cortanteestipuladas en los reglamentos dis-ponibles para diseo ssmico deviviendas de baja altura son conservadoras o muy conservadoras,especialmente para estructuras situadas en algunas zonas de amenazassmica baja o moderada. Con base en lo anterior, en dicho estudiose presentaron recomendaciones de acuerdo con la capacidad y lademanda de las viviendas. Por ejemplo, en algunas zonas se propusoprescindir o disminuir el refuerzo a cortante en el alma del muro,a cambio de utilizar requisitos especfi-cos por cambios volumtricosy/o refuerzo por integridad estructural, as como parmetrosparticulares para diseo ssmico.Diferentes tipos de fibras se utilizan para mejorar laspropiedades del concreto, tales como fibras de carbn, vidrio,polipropileno y de polietileno; el tipo de fibra ms comnmenteutilizado es la fibra de acero. El Concreto reforzado con Fibras deAcero (CRFA) es utilizado como un material de construccin enestructuras modernas. Estudios recientes han mostrado que lasfibras de acero pueden ser utilizadas para mejorar el desempeo deestructuras, as como para incrementar la capacidad de momentoflexionante y de la resistencia a cortante de elementos de concretoreforzado (Fahmi y Saber, 2012).Estudios experimentales previos (Naaman, 1985; Adebar et al.,1987, Kwak et al., 2002; Parra-Montesinos, 2005) han indicado queel Concreto Reforzado con Fibras de Acero (CRFA) incrementa laresistencia a esfuerzo cortante, la capaci-dad de deformacin y elcontrol de agrietamiento de elementos estructurales y noestructurales. El incremento de desempeo resulta de la habilidad delas fibras aleatoriamente orientadas para detener las grietas y dela capacidad pos-agrieta-miento del concreto. En una investigacinexperimental previa desarrollada en el Instituto de Ingeniera de laUNAM (Carrillo et al., 2014) se estudi el comporta-miento dinmicode dos muros de concreto de baja altura rehabilitados mediante unencamisado de CRFA. En trminos generales, la respuesta medida delos mu-ros rehabilitados fue satisfactoria, ya que se registraronresistencias superiores y desplazamientos similares a los medidosen los muros originales. A partir del desempeo observado en vigasde concreto reforzado con fibras, el Reglamento ACI-318 (2010)permite el uso de fibras de acero en sustitucin del acero derefuerzo mnimo por cortante en vigas, el cual se dispone de formaconvencional utilizando estribos de acero. El ACI-318 permite dichasustitucin, siempre y cuando la resistencia nominal a compresin delconcreto (fc):a. sea menor que 40 MPa,b. el peralte de la viga sea menor que 60 cmc. y el esfuerzo cortante de diseo sea menor que f 0.17fcMPa.
  • IntroduccIn XVIISi se consideran las caractersticas particulares de los muros deconcreto para vivienda de baja altura y las demandas ssmicas eneste tipo de estructuras, las propiedades mecnicas de los concretoscon fibras, en especial su resistencia a tensin y su capacidad dedeformacin post-agrietamiento, los convierten en ma-teriales idneospara su utilizacin en la construccin de muros de concreto paravivienda. A partir de los resultados de estudios experimentalesprevios, una alter-nativa para incrementar y mejorar la ofertatecnolgica de este tipo de viviendas, manteniendo una seguridadestructural adecuada, es la sustitucin del acero de refuerzoconvencional por cortante en el alma por un concreto reforzado confi-bras de acero. Sin embargo, el Reglamento Americano deConstruccin, ACI 318-11; el Reglamento Colombiano de ConstruccinSismo-Resistente, NSR-10 y las Normas Tcnicas Complementarias paraDiseo y Construccin de Estructuras de Concreto de Mxico (NTC-C,2004) no hacen referencia al uso de concreto reforzado con fibrasen muros de concreto. La falta de recomendaciones para diseo y deevidencia experimental sobre el desempeo dinmico de este tipo deconcreto en muros son las razones principales que justifican eldesarrollo de este estudio.El objetivo principal de este estudio es desarrollar criterios yrecomendaciones para diseo ssmico de muros de concreto reforzadoscon fibras de acero, en sustitucin del acero de refuerzo porcortante convencional (barras y mallas). Los resultados del estudiopromovern el uso de concretos con fibras en la construccin deviviendas econmicas y con un nivel de seguridad ssmico adecuado.Para cumplir con el objetivo principal, se plantearon tresobjetivos especficos. El primero es ampliar el conocimiento sobrela utilizacin de concretos con fibras de acero en elementossometidos a fuerzas ssmicas. De acuerdo con la revisin de laliteratura disponible, no se han realizado investigacionesexperimentales donde se estudie la sustitucin completa del refuerzoconvencional en muros de concreto de baja altura.El segundo objetivo especfico es establecer correlaciones paradiseo entre las propiedades mecnicas del concreto reforzado confibras de acero. A partir de un nmero significativo de probetas deconcreto, se obtienen ndices de resistencia a compresin, mdulo deelasticidad, relacin de Poisson, resistencia a tensin y,especialmente, los parmetros que definen el desempeo a la flexindel CRFA. Las correlaciones se plantean en el formato convencionalestablecido en los regla-mentos de construccin.El ltimo objetivo especfico es evaluar experimentalmente eldesempeo estruc-tural de muros de concreto reforzados con fibras deacero. Para cumplir este objetivo se realizaron ensayos dinmicos enmesa vibratoria de muros de con-creto sometidos a acelerogramasnaturales y sintticos. Se reconoce ampliamente
  • XVIII Muros de concreto reforzados con fibras de aceroque los ensayos en mesa vibratoria constituyen el mejor mtodopara reproducir, con alto grado de fidelidad, los efectos dinmicosque los sismos imponen a las estructuras o elementos estructurales.Las variables de estudio se definieron de acuerdo con losresultados de investigaciones previas, las caractersticas de losmuros y las especificaciones de los reglamentos vigentes.
  • En este captulo se describen los usos y ventajas principales delConcreto Reforzado con Fibras de Acero (CRFA), su nivel deagrietamiento, los parmetros ms representativos para evaluarexperimentalmente su desempeo, as como las aplicaciones del CRFA enelementos sometidos a acciones de tipo ssmicas.1.1. Usos y ventajas del CRFAEl uso de fibras en materiales de edificacin para mejorar sucomportamiento es un concepto antiguo e intuitivo. Ejemplosincluyen la adicin de fibras de baja resistencia a piezas de adobey cermica para crear un compuesto con mejor desempeo. Sin embargo,el uso de fibras resistentes y discretas como refuerzo del concretoha sido un desafo para la mayora de ingenieros en materiales. Laadicin de refuerzo en forma de fibras a la mezcla, como la adicinde los agregados, para crear un material homogneo, isotrpico ymoldeable, es una tarea que empez hace ms de cien aos y, hoy en da,puede considerarse como una realidad. El empleo exitoso delconcreto reforzado con fibras empoz a inicios de los aos 60, ydesde ese entonces, muchos investigadores estn tratando de evaluarlas propiedades potenciales de este material para un uso ms amplio(Barragn, 2002).Captulo 1Revisin de la literatura
  • 2 Muros de concreto reforzados con fibras de aceroUn incremento en la resistencia del concreto desde laresistencia normal hasta alta resistencia est directamente asociadacon un aumento de casi todas las propieda-des del material pero, almismo tiempo, produce un incremento en su fragilidad, lo cualorigina limitaciones para su aplicacin. Esto es especialmentecrtico en secciones donde, debido a restricciones de construccin,una pequea cantidad de barras de refuerzo puede colocarse o dondela falla est dominada por la pro-pagacin sbita de grietas, como enel caso de fallas de cortante. Si el Concreto Reforzado con Fibrasde Acero (CRFA) tiene tales caractersticas importantes, unapregunta lgica podra estar basada en porqu ste casi no es usadopara un diseo estructural ms seguro. Esto se explica al considerarla falta total de regla-mentos que contemplen el diseo estructuraldel concreto reforzado con fibras (Barragn, 2002).El enfoque ms fundamental para estudiar la reduccin de lafragilidad, o mejor el incremento de tenacidad, est basado en elensayo de tensin uniaxial. Sin embargo, este ensayo tiene algunaslimitaciones prcticas, las cuales han con-ducido a utilizar elensayo de flexin para la determinacin de los parmetros de tenacidaddel material basados en la respuesta carga-deflexin determinadaexperimentalmente en especmenes prismticos. Con frecuencia, elobjetivo del ensayo es determinar parmetros que pueden utilizarseen el diseo estructural general contra fallas frgiles, la cual esla principal tarea a conseguir si el CRFA tiene que serextensamente utilizado (Barragn, 2002).El uso de fibras para reforzar materiales frgiles se hareportado desde hace varios siglos. Por ejemplo, datos histricoshacen referencia a una casa construida en el ao 1540, en la cual seutiliz adobe reforzado con fibras de paja. En los ltimos aos, enuna gama amplia de materiales de ingeniera (incluyendo cermicos,plsticos, cementantes y productos de yeso) se han incorporado lasfibras para mejorar las propiedades de resistencia a tensin,resistencia a compresin, m-dulo de elasticidad, resistencia a lafatiga, resistencia al impacto y a la abrasin, control delagrietamiento, contraccin, expansin, durabilidad, resistencia alfuego, as como las propiedades trmicas (ACI-544, 1996). En elconcreto, desde el ao 1910 se han adicionado elementos discontinuosde acero, tales como cla-vos y pequeos trozos de alambre y de metal(Naaman, 1985). Durante la dcada de 1960, en los Estados Unidos serealiz la primera investigacin para evaluar el potencial de lasfibras de acero como refuerzo para concreto (Romualdi, 1963). Desdeentonces, se ha generado una cantidad importante de investigacinpara el desarrollo y aplicacin del CRFA.El uso de fibras en el concreto para proveer comportamientoadecuado antes y despus de agrietamiento ha ganado gran popularidaden las ltimas dcadas. Desde 1967 varios tipos de fibras han sidoutilizadas en el concreto de forma satisfactoria, pues se hanmejorado las propiedades fsicas y de durabilidad del
  • Captulo 1: Revisin de la liteRatuRa 3concreto. Adicionalmente, los resultados de investigacionesexperimentales han demostrado la capacidad de las fibras paramejorar las propiedades mecnicas del concreto (ACI-544, 2010). Lasventajas ms significativas de la adicin de fibras de acero alconcreto son las siguientes: a) proveen tenacidad a la flexin(capaci-dad de absorber energa despus del agrietamiento), b)aumentan la resistencia a tensin directa, al cortante y a latorsin, c) incrementan las propiedades de resistencia al impacto ya la fatiga, d) mejoran el comportamiento de contraccin y flujoplstico y, e) incrementan la durabilidad en ciertas condicionesclimticas (ACI-544, 1996).En aplicaciones donde la presencia del refuerzo continuo no esesencial para la integridad de la estructura, por ejemplo enpavimentos, pisos, revestimientos de concreto lanzado, entre otros,los incrementos de resistencia a la flexin asociados a las fibraspueden reducir los espesores y/o proporcionar desempeo estructural(ACI-544, 1996). A continuacin se describen algunos ejemploscaractersticos de usos estructurales y no estructurales delCRFA:Pisos industriales: til para altas cargas de impacto y parareduccin o elimi-nacin de juntasPavimentos: particularmente cuando se requieren espesoresmenores a losnormalesCapas de compresin: puede sustituir la malla de alambre soldadoen entrepi-sos de edificios y losas de puentesConcreto lanzado: en revestimientos temporales y definitivos detneles y mi-nas para estabilidad de taludes de suelo y roca, ascomo en cortes y terraple-nes carreterosEstructuras prefabricadas: para controlar agrietamientos enelementos pres-forzados, as como en muros o paneles autoportantesque no soportan cargas,dovelas de tneles, tubos, etc.Tanques o depsitos de fluidos: puede eliminar o reducir lautilizacin de ma-llas de alambre soldado en fosas spticas, tanquesde aceite, colectores delluvia, cisternas, etc.Estructuras tipo cascaron: en domos.Reparaciones estructurales: rehabilitacin ssmica a partir delencamisado decolumnas, vigas y muros.A pesar de las propiedades y ventajas del CRFA, en la actualidadla utilizacin de CRFA en aplicaciones estructurales tiene un papelsecundario, es decir, se usa esencialmente como suplemento paracontrolar el agrietamiento, aumentar la resistencia al impacto yresistir la desintegracin del material. En elementos
  • 4 Muros de concreto reforzados con fibras de aceroestructurales solicitados por tensin axial o tensin por flexin,tales como vigas, columnas, losas de entrepiso, entre otros, elacero de refuerzo debe resistir los esfuerzos de tensin. En estoscasos, el uso de fibras de acero en combinacin con refuerzoconvencional ha demostrado buenos resultados. Por ejemplo, loestudios de Jindal (1984), Batson et al. (1984) y Craig (1987) hanindicado que el CRFA incrementa la resistencia a la flexin, alcortante y a la torsin.Despus de 30 aos de investigacin y desarrollo, el CRFA no hasido usado ma-sivamente en elementos estructurales. Este hecho estrelacionado con la falta de mtodos de anlisis y diseo deestructuras con CRFA. Debido a la anisotropa originada por lafundida del material y la dispersin originada por el relativo bajonmero de fibras, tales mtodos deben estar ligados a unacaracterizacin precisa del material (Casanova y Rossi, 1997).1.2. Nivel de agrietamiento del CRFACuando se alcanza la resistencia a tensin de la matriz del CRFAse supone que aparece una sola grieta. Con los CRFA usadosactualmente, el esfuerzo remanente despus del agrietamiento entensin directa es aproximadamente menos que la mitad de laresistencia a tensin de la matriz. En consecuencia, unamacro-grieta aparece bajo flexin y se propaga significativamente enla seccin e incrementa el brazo de palanca del refuerzo. Esta largagrieta modificar el campo de esfuerzos en su rea y una grietasecundaria no aparecer cerca de la primera grieta. Por tanto, deforma diferente al concreto reforzado convencionalmente, lasgrietas de flexin de una viga de CRFA no podran considerarse tancercanas y regularmente espaciadas. La mejor forma de modelar talcomportamiento es el uso de una r-tula plstica (Casanova y Rossi,1997).Evitar en la estructura una falla no-dctil de cortante, es unade las principales preocupaciones de los ingenieros civiles.Cientos de ensayos se han llevado a cabo en muros de concretoreforzado (CR) para estudiar los mecanismos de falla y paraestablecer relaciones de prediccin. Ms recientemente, la capacidadde las fibras de acero para controlar el agrietamiento del concretoha originado grandes espe-ranzas para mejorar la ductilidad de loselementos sometidos a cortante. Algunos estudios han sido llevadosa cabo sobre el comportamiento a cortante de vigas de CRFA (Lim etal., 1987; Baston et al., 1972; Narayanan y Darwish, 1987; Swamy etal., 1993). Estos estudios han probado la eficiencia del CRFA comorefuerzo del alma.1.3. Desempeo a flexin del CRFAVarios ensayos se han desarrollado para caracterizardirectamente la capacidad de absorcin de energa del ConcretoReforzado con Fibra (CRF) bajo conside-raciones simples de carga,tales como compresin, flexin y tensin. Debido a las dificultadespara llevar a cabo pruebas de tensin directa en especmenes de
  • Captulo 1: Revisin de la liteRatuRa 5concreto reforzado con fibras, el ensayo de flexin es el msrepresentativo en el CRFA pues a partir de este ensayo se puedeestimar la capacidad de deformacin que la fibra le proporciona alconcreto despus de alcanzar la resistencia mxima a flexin.Adicionalmente, el ensayo de flexin es el ms popular porque stesimula ms realsticamente las condiciones en muchas situacionesprcticas. Los resultados de la prueba de flexin permiten lacaracterizacin de la tenacidad a partir de unos o ms de lossiguientes parmetros: absorcin de energa ab-soluta, ndicesadimensionales relacionados con la capacidad de absorcin de energa,resistencias equivalentes a flexin asociadas a determinadasdeflexiones pos-agrietamiento (Gaitn, 2013), entre otros parmetrosque describen la res-puesta pos-agrietamiento del CRF.Segn la norma ASTM-C-1609 (2010), para determinar el desempeo aflexin del CRF se debe utilizar una viga con seccin transversaligual a 150150 mm y longitud de 600 mm, con cargas aplicadas en lostercios de la luz central, la cual debe ser igual a 450 mm. Estaconfiguracin de ensayo tiene un cociente entre el claro de cortantey la altura (150 mm / 150 mm) igual a 1, y un cociente entre la luzcentral y la altura (450 mm / 150 mm) igual a 3. Aunque lasprue-bas experimentales de tensin y flexin intentan caracterizar elcomportamiento del material, los resultados de estos ensayos soncomnmente afectados por el tamao y la geometra del espcimen(Gopalaratnam y Gettu, 1995). Por ejem-plo, el valor extremadamentepequeo del cociente entre el claro de cortante y la altura, causagrandes esfuerzos cortantes similares a los observados en vigasperaltadas y muros. Por tanto, en los resultados obtenidos a partirde esta con-figuracin podra estar implcita una significativainfluencia de la dependencia geomtrica. Adicionalmente, este estadode esfuerzos es poco representativo de muchas de las aplicacionesms comunes del CRF (dovelas para tneles, losas sobre suelo). Sedebe notar que para esta configuracin de ensayo, la deformacinadicional debido a cortante es del orden de 25% para compuestostpicos de CRF (Gopalaratnam y Gettu, 1995).En la Figura 1 se presenta el desempeo caracterstico del CRFA aflexin. La l-tima lectura de deformacin que se muestra en la figurano est asociada a la ca-pacidad ltima de desplazamiento, ya que elvalor de este parmetro se establece explcitamente en la normaASTM-C-1609 (2010) como 1/150 de la longitud del claro del espcimen(lc). En la seccin 5.6.6.2 del Reglamento ACI-318 (2011) seespecifica un criterio de aceptacin basado en el desempeo a laflexin, el cual debe medirse siguiendo los lineamientos de la normaASTM-C-1609 (2010). De acuerdo con dicho criterio, se consideraaceptable el CRFA para resistir fuerza cortante, siempre y cuandosus resistencias residuales asociadas a deflexiones al centro delclaro equivalentes alc/300 y lc/150, sean mayores que 90% y 75%,respectivamente, de la resistencia de agrietamiento (carga deprimer pico Pp, Figura 1).
  • 6 Muros de concreto reforzados con fibras de aceroA partir de una investigacin experimental utilizando CRFA conlongitudes dife-rentes de fibras, Dinh et al. (2010) proponen uncriterio de aceptacin distinto, pero basado tambin en la normaASTM-C-1609; es decir, recomiendan con-siderar el primer lmite dedeflexin en funcin de la longitud de la fibra lf, enlugar de lalongitud del claro del espcimen, lc, as como valores diferentes delasresistencias residuales. Por ejemplo, Dinh et al. (2010)consideran aceptable un CRFA para resistir fuerza cortante, siemprey cuando sus resistencias residuales en deflexiones al centro delclaro equivalentes a lf /24 y lc/150, no sean menoresque 75% y 40%,respectivamente, de la resistencia de agrietamiento (Figura 1).Figura 1. Curva carga deflexin caracterstica de CRFA(ASTM-C-1609, 2010).1.4. Aplicaciones del CRFA en el diseo ssmicoEl CRFA ha demostrado ser efectivo tanto para mejorar eldesempeo estructural en elementos sometidos a cargasgravitacionales, como para incrementar la resis-tencia al cortante,la ductilidad y disipacin de energa en elementos sometidos afuerzas ssmicas (Henager, 1977; Parra-Montesinos, 2005). En laliteratura dis-ponible se reportan varios estudios donde se hainvestigado el comportamiento del CRFA en elementos sometidos afuerzas ssmicas. Por ejemplo, Katzensteiner et al. (1994) ensayarondinmicamente dos modelos de marcos estructurales; en uno de ellosel refuerzo fue detallado con estribos de confinamiento de acuerdocon los requerimientos de los reglamentos de diseo para estructurasdctiles y en el segundo modelo se disminuy la cantidad requerida deestribos a cambio de utilizar CRFA en toda la estructura. Losresultados de estas pruebas demostraron que ambos modelosexperimentaron niveles de ductilidad similares, pero la disi-pacinde energa en las juntas fue mayor y el nivel de agrietamiento fuemenor en el modelo donde se utiliz CRFA.
  • Captulo 1: Revisin de la liteRatuRa 7Debido al incremento del costo asociado con la adicin de lasfibras, en algunos casos se planea la utilizacin de CRFA solamenteen zonas crticas. En dichas zonas las demandas de deformacininelstica obligan a un detallado especial y sustancial delrefuerzo, el cual es necesario para garantizar un comportamientoadecuado durante un evento ssmico. El buen comportamiento a tensinque exhibe el CRFA, hace especialmente atractivo su uso paraelementos con res-puesta dominada por cortante, por ejemplo, enconexiones viga columna, mu-ros de baja altura, vigas deacoplamiento, as como en regiones de elementos a flexin sometidos ala combinacin de grandes deformaciones inelsticas y altos esfuerzoscortantes, tales como bases de muros y columnas, y algunas zonas devigas de marcos estructurales donde se espera la formacin dearticulaciones pls-ticas (Parra-Montesinos, 2005). Por ejemplo,para asegurar un comportamiento adecuado de las vigas deacoplamiento ante sismos, con frecuencia se requieren cantidades derefuerzo significativas, lo cual genera congestionamiento delre-fuerzo y dificultades constructivas. Como una alternativa dediseo, Cambolat et al. (2005) y Lequesne et al. (2009) estudiaronexperimentalmente el compor-tamiento de vigas de acoplamientoutilizando Concreto Reforzado con Fibras de Alto Desempeo (CRFAD)ante cargas cclicas reversibles. Los resultados de estasinvestigaciones mostraron que el funcionamiento del CRFA de altodesempeo fue adecuado, pues se registr mayor resistencia alcortante, mayor capacidad de retencin de rigidez y, de esta manera,se constituy la posibilidad de reducir o eliminar el refuerzotransversal gracias al confinamiento provisto por el CRFAD.Parra-Montesinos y Kim (2004) estudiaron el uso de CRFAD enmuros de me-diana altura. En el programa experimental se incluy elensayo de dos muros de CRFAD con relacin de aspecto h/lw=1.5,sometidos a carga cclica reversible.En uno de los modelo se utilizfibras de polipropileno y en el otro, fibras de acero con gancho.La cuanta de acero de refuerzo a cortante en el alma fue menor queel valor establecido por el reglamento ACI-318 de la poca. Losresultados de esta investigacin indicaron que el desempeo de laresistencia al cortante, la capacidad de deformacin y la toleranciaal dao de los muros de CRFAD fueron adecuados para propsitos dediseo ssmico. Continuando con esta lnea de investigacin,Parra-Montesinos et al. (2006) ensayaron cuatro muros con rela-cinh/lw3.5, sometidos a desplazamientos cclicos reversibles. Elpropsitode esta nueva investigacin fue proporcionar evidenciaexperimental para relajar los requisitos del refuerzo porconfinamiento que se requiere en los elementos de borde de losmuros, los cuales son esenciales para mantener una capacidad dedesplazamiento adecuada durante un evento ssmico. En general, alutilizar CRFA se disminuyen las dificultades constructivasocasionadas por el congestio-namiento del refuerzo. Uno de losmuros fue construido usando concreto nor-mal y con refuerzodetallado de acuerdo con los requisitos del captulo 21 del ACI-318de la poca. En la zona de articulacin plstica de los tresespecmenes
  • 8 Muros de concreto reforzados con fibras de acerorestantes se utiliz CRFA y se emplearon fibras con gancho ofibras retorcidas en fracciones de volumen (Vf) iguales a 1.5% y2%; es decir, dosificaciones aproxi-madas de 120 y 160 kgf/m,respectivamente.Los muros con fibra exhibieron capacidades de deriva entre 2.5%y 3.5%. Aunque en el muro con fibras con gancho y Vf=2% se eliminel refuerzo por confi-namiento en los bordes, no se observaronefectos negativos en la respuesta del muro. En este muro la fallase ocasion por la fractura del refuerzo longitudinal en una derivaigual a 3.5%. El espcimen con Vf=1.5% y el uso de fibras conganchorepresent una solucin viable para reducir la cuanta porconfinamiento. El muro de concreto normal donde se detall elrefuerzo de acuerdo con el ACI-318 de la poca exhibi un buencomportamiento y no se observ una indicacin clara de falla para unnivel de deriva igual a 3.5%.Con el propsito de estudiar nuevas tcnicas de rehabilitacin demuros de con-creto de baja altura, Carrillo et al. (2014) evaluaronexperimentalmente el des-empeo del encamisado por medio de concretoreforzado con fibras. Para ello, se estudi la respuesta dinmica dedos muros de concreto reforzados con malla de alambre soldado yrehabilitados mediante una capa adicional de CRFA. Antes de llevara cabo la rehabilitacin, los especmenes haban sido ensayados enmesa vibratoria hasta condiciones de dao severas. La capacidad deresistencia de los muros rehabilitados fue, en el menor de loscasos, 40% mayor que la del muro original. En cuanto a la capacidadde desplazamiento, uno de los modelos al-canz el mismo nivel dederiva que su modelo original. Sin embargo, el otro mo-delorehabilitado registr derivas un poco menores que el modelooriginal. Esto se ocasion a causa del aumento pronunciado de larigidez del muro rehabilitado en comparacin con la del murooriginal.
  • MUROS DE CONCRETOREFORZADO CON FIBRAS DE ACEROMuros de concreto reforzadoconbras deacero9 789587 713480ISBN 978-958-771-348-0e-ISBN 978-958-771-349-7El concreto reforzado con bras de acero (CRFA) es utilizado comomaterial de construccin en estructuras modernas. Estudios recienteshan mostrado que las bras de acero pueden ser utilizadas paraincrementar la capacidad de momento de exin y la resistencia acortante de elementos de concreto reforzado. LaRevisin de la literatura sobre concreto reforzado con bras deacero (CRFA).Desarrollo de un programa experimental de muros deCRFA para uso en vivienda de baja altura. Resultados de los ensayosde muros de CRFA en mesa vibratoria.Incluyeresistencia a tensin y capacidad de deformacinpost-agrietamiento convierten al concreto reforzado con bras deacero en un material atractivo para la construccin de muros paraviviendas de baja altura.El objetivo de esta obra es presentar criterios yrecomendaciones para diseo sismo-resistente de muros de concretoreforzados con bras de acero (CRFA) en sustitucin del acero derefuerzo por cortante convencional (barras y mallas). Para ello,los autores inician ampliando el conocimiento sobre la utilizacinde concretos con bras de acero en elementos sometidos a fuerzasssmicas; luego establecen correlaciones para diseo entre laspropiedades mecnicas del concreto reforzado con bras de acero; ynalizan con una evaluacin experimental del desempeo estructural demuros de CRFA por medio de ensayos dinmicos en mesa vibratoria demuros de concreto sometidos a acelerogramas naturales ysintticos.Esta obra est dirigida a estudiantes y profesores de Ingenierade Materiales, Ingeniera Civil e Ingeniera Industrial, centros deinvestigacin e institutos relacionados con el concreto reforzado y,en general, a profesionales y consultores del sector de laconstruccin.Coleccin: Ingeniera y salud en el trabajorea: IngenieraCivilwww.ecoeediciones.comhttps://www.ecoeediciones.com/libros/ingenieria-civil/muros-de-concreto-reforzado-con-fibras-de-acero-1ra-edicion/
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