E. Cuenca Asensioa*
a*Department of Civil and Environmental Engineering (DICA), Politecnico di Milano, Milano, Italia. estefania.cuenca@polimi.it
Recibido: 28 de abril de 2021
Aceptado: 18 de junio de 2021
RESUMEN
La investigación sobre el comportamiento a cortante de elementos estructurales de hormigón armado se ha llevado a cabo durante casi un siglo. Dicha investigación ha ido evolucionando con la aparición de nuevos materiales, haciendo necesario adaptar las formulaciones tradicionales a los nuevos materiales. Por ejemplo, el Hormigón Reforzado con Fibras (HRF) ha resultado un material muy prometedor en términos de comportamiento a cortante, sin embargo, las formulaciones tradicionales del cortante deben adaptarse para poder ser utilizadas también en este material. Con este propósito, en este artículo se explora el comportamiento a cortante en HRF mediante el análisis del estado del arte y aplicaciones estructurales para detectar cuáles son los beneficios y efectos que aportan las fibras al hormigón, así como los aspectos en los que las formulaciones para elementos estructurales tradicionales no pueden ser aplicadas en elementos de HRF.
PALABRAS CLAVE: hormigón, fibras de acero, vigas, placas alveolares
ABSTRACT
Research on shear behaviour of reinforced structural concrete elements has been carried out for almost a century. This research has been evolved with the appearance of new materials and the formulations should be verified and adjusted to these new materials. For instance, Fibre Reinforced Concrete (FRC) has resulted a very promising material in terms of shear behaviour, however the traditional shear formulations need to be adapted to be applicable also to this material. For this purpose, this paper studies the shear behaviour in FRC through the analysis of the state of the art and structural applications to detect what are the benefits and effects that fibres provide to concrete, as well as the aspects in which formulations for traditional structural elements cannot be applied to FRC elements.
KEYWORDS: concrete, steel fibres, beams, hollow core slabs
- Introducción
El Código Modelo 2010 [1] define al Hormigón Reforzado con Fibras (HRF) como un «material compuesto caracterizado por una matriz de cemento y fibras discretas (discontinuas)”. La matriz está hecha de hormigón o mortero. Las fibras pueden ser de acero, polímeros, carbono, vidrio o materiales naturales, aunque este artículo se centrará íntegramente en fibras de acero.
Se pueden obtener diferentes propiedades de HRF para aplicaciones estructurales usando distintos materiales con fibras. De la resistencia residual post-fisuración del compuesto, se obtienen las leyes constitutivas de diseño [1].
Para aplicaciones estructurales con hormigón normal y de alta resistencia, la clasificación del material se basa en la resistencia residual post-fisuración.
Se necesitan prestaciones mecánicas mínimas de HRF para uso estructural. Las fibras mejoran la durabilidad y el comportamiento en servicio porque reducen el ancho de la fisura y la distancia entre fisuras. Las fibras también mejoran el comportamiento en Estado Límite Último (ELU) porque pueden sustituir parcial o totalmente la armadura transversal tradicional (estribos). Salvo que se utilice un alto porcentaje de fibras, las fibras no cambian las propiedades elásticas ni la resistencia a la compresión, pero pueden modificar propiedades mecánicas [1].
En tensión uniaxial, los HRFs pueden mostrar un comportamiento softening o hardening en función de su composición. En un comportamiento softening, las deformaciones se localizan en una fisura. Por otra parte, en un comportamiento hardening, se genera una fisuración múltiple antes de alcanzar la carga pico.
La norma EN 14651 [2] da las pautas para obtener los valores nominales de las propiedades del material mediante una prueba de flexión a 3 puntos. Este ensayo permite obtener una curva carga-apertura de fisura (en inglés, Crack Mouth Opening Displacement, CMOD). La resistencia residual a flexotracción (fRj) para diferentes valores de CMODj se determina de la siguiente forma (1):
donde: fRj (MPa): resistencia residual a flexotracción correspondiente a CMOD =CMODj; Fj (N): carga correspondiente a CMOD = CMODj; l (mm): es la longitud de vano; b (mm): ancho de la probeta; hsp (mm): distancia entre el inicio de la entalla y el lado superior de la probeta (125 mm).
Para clasificar un HRF en función de su resistencia residual a flexotracción, se puede asumir un comportamiento elástico lineal considerando como resistencia residual característica para Estado Límite de Servicio, ELS (fR1k) y para condiciones en Estado Límite Último, ELU (fR3k).
- Efecto de las fibras en el comportamiento a cortante
2.1. Efecto de las fibras en la resistencia a cortante
Las fibras de acero aumentan la resistencia al cortante [3,4,5] y la carga correspondiente a la primera fisura [4].
La eficacia de las fibras en el aumento de la resistencia a cortante depende de varios factores relacionados con: propiedades de la matriz, propiedades de la fibra (propiedades de los materiales, esbeltez y forma), contenido de fibra y adherencia frente a la respuesta de deslizamiento de las fibras [6].
En 1987, Narayanan y Darwish [7] afirmaron que la resistencia última a cortante aumentaba en mayor medida con el uso de fibras de mayor esbeltez, aunque el contenido de fibras también fue un factor determinante para la mejora de la resistencia a cortante.
Por otro lado, otros autores como di Prisco et al. [8], Lim et al. [9], Oh et al. [10] y Conforti [11] observaron que la resistencia a cortante de vigas de hormigón podría aumentar significativamente incorporando pequeñas cantidades de fibras de acero. De hecho, desde la aparición del Código Modelo 2010 la contribución de las fibras al cortante se basa en un concepto de prestación mecánica, y no se focaliza en la cantidad de fibras o la forma de las mismas.
Conforti [11] también aseguró que las fibras pueden alterar el modo de fallo de elementos estructurales de cortante a flexión mejorando la ductilidad y la capacidad de carga.
Otros autores relacionan el aumento de la resistencia a cortante con el volumen de fibras. Greenough y Nehdi [12] aseguraron que un volumen de fibras de acero igual al 1% podía aumentar la capacidad a cortante hasta un 128% con respecto a las vigas de referencia (sin fibras), por otro lado, Dinh et al. [6] aseguraron que con volúmenes de fibras superiores al 1% la mejora a cortante es relativamente pequeña. Majdzadeh et al. [13] afirmaron que un volumen del 1% es óptimo y que, por encima de dicho valor, no se detectan mejoras.
El aumento de la resistencia a cortante fue aproximadamente del 100% cuando el contenido de fibra se incrementó de 0 a 2% [10]; el uso de fibras de acero en forma de gancho en una fracción de volumen superior al 0,75% condujo a una mejora del patrón de fisuración inclinado (grietas múltiples) y a una resistencia a cortante en vigas mejorada (sin armadura transversal, estribos), de 0,33 x √fc (MPa). El aumento de la resistencia a cortante se asoció con un aumento en el contenido de fibras más allá del 1% por volumen, sin embargo, dicho aumento fue relativamente pequeño [6]; el máximo aumento de la resistencia a cortante en la primera fisura en vigas pretensadas debido a la adición de fibras fue del 5, 10 y 20% para los volúmenes de fibras de 0,5, 1,0 y 1,5%, respectivamente. En el caso de vigas parcialmente pretensadas, se observó que el aumento de la carga máxima debido a la adición de fibras fue de 12 y 17,5% con contenidos de fibras de 1,0 y 1,5%, respectivamente [14].
2.2. Efecto de las fibras en la fisuración a cortante
Las fibras son muy eficaces para contener el avance de la fisuración de cortante controlando tanto su propagación como el aumento del ancho de la fisura [6,7,16,19,21,22,28–32]. El engranamiento de agregados aumenta con la reducción del espacio entre fisuras y del ancho de las mismas dando lugar a una mejor durabilidad de la estructura de hormigón [6,19].
Los elementos estructurales realizados con hormigones de alta resistencia a compresión mostraron menores anchos de fisura debido a la mayor densidad de la matriz cementicia, mejor adherencia de las fibras y la matriz así como una mayor transferencia de la carga a través de las fisuras [4]. La estabilización de la acción de las fibras tiene lugar en ELU con valores próximos a un ancho de fisura de 1,2-1,4 mm [33].
2.3. Efecto de las fibras en la respuesta post-pico (ductilidad)
Las fibras aumentan la ductilidad de las vigas de HRF respecto a las vigas sin fibras [4,7,14,17–23]; también, el aumento de la ductilidad del hormigón en compresión se debe a la adición de fibras y depende, entre otros factores de: cantidad, geometría, orientación, resistencia del acero de las fibras, adherencia entre fibras y hormigón [24] y resistencia post-fisuración a causa de las fibras [8,18,19,25,26]. Para obtener una respuesta post-pico dúctil, es generalmente recomendable el uso de fibras con mayor esbeltez [20].
Los ensayos experimentales mostraron que las vigas de HRF con un volumen de fibras de 0,64% tuvieron un comportamiento post-fisuración similar o incluso mejor que las vigas con armado transversal tradicional mínimo [27].
2.4. Efecto de las fibras en la plastificación de las barras longitudinales
Las fibras aumentan el nivel de carga al que las armaduras longitudinales plastifican [4]; por lo tanto, la capacidad portante de los elementos en tracción y en vigas a flexión aumentan con la presencia de fibras [24].
2.5. Efecto de las fibras en la distribución de la fisuración
Mayores volúmenes de fibras permiten el desarrollo de la fisuración múltiple, que se distribuye a lo largo del vano de cortante [4,5,11,32,34-40] eliminando o retrasando la localización de la fisura crítica de cortante responsable de un modo de rotura frágil [3,9,11,17]. La fisuración múltiple produce una redistribución de los esfuerzos [31,41] dando la posibilidad de tener cierto preaviso antes del colapso de la estructura [11,32].
Las fibras de acero resultan efectivas tras la formación de la fisura de cortante y son capaces de resistir esfuerzos de tracción hasta el completo arrancamiento (pullout) o plastificación de la fibra [41]. Después de la formación de la primera fisura, las fibras comienzan a trabajar, resistiendo la carga aplicada y evitando que las microfisuras se transformen en macrofisuras. Consecuentemente, la resistencia de post-fisuración aumenta alcanzando una ductilidad considerable debido a la capacidad de las fibras a unir y conducir esfuerzos a través de ambos lados de la fisura [18,20].
2.6. Efecto de las fibras en las propiedades a tracción
Las fibras de acero mejoran: las propiedades de tracción del hormigón, la resistencia a la fisuración, la resistencia al arrancamiento (pullout) [9,21] y la resistencia última a tracción [42].
El refuerzo con fibras mejora la resistencia a cortante por transferencia de los esfuerzos de tracción a través de las fisuras diagonales [6]. Las fibras mejoran la resistencia a tracción de las fisuras tanto en el alma como en la zona traccionada [31].
2.7. Efecto de las fibras en la distancia entre fisuras
Las fibras reducen la distancia entre fisuras y su anchura dando lugar a una redistribución de los esfuerzos. En consecuencia, el engranamiento de agregados aumenta dando lugar a vigas de HRF con mayor capacidad portante [6-8,16–29,41].
- Las fibras de acero como armado transversal
Las fibras pueden sustituir, al menos parcialmente, a la armadura transversal. Por esta razón, algunos autores enfatizan la utilidad de las fibras para aplicaciones industriales.
3.1. Las fibras como armado mínimo a cortante
El requisito mínimo de armado transversal puede ser satisfecho mediante una cantidad de fibras suficiente y una tenacidad mínima [3,32,43]. Las fibras pueden reemplazar la armadura transversal mínima cuando se satisface el criterio mínimo de armado transversal mínimo según el ACI 318 [32,44,45,46] y entre otros códigos de diseño [46].
De acuerdo con el ACI 318 [46], se recomienda un volumen mínimo de fibras de un 0,75% [6,47]. Por otra parte, las vigas reforzadas únicamente con fibras de acero (Vf = 0,64%) muestran un comportamiento post-fisuración similar, o incluso mejor, que vigas con armado transversal mínimo [27].
Según el Código Modelo 2010 [1], es posible sustituir la armadura transversal mínima (estribos) si se cumple la siguiente condición (2):
Donde: fFtuk (MPa) es el valor característico de la resistencia última residual a tracción para HRF, considerando una abertura última de fisura (wu) de 1,5 mm. Esto permite limitar el desarrollo y la difusión de la fisuración inclinada y, como consecuencia, puede garantizar una ductilidad suficiente en el elemento.
3.2. Las fibras como total sustitución de los estribos
Las fibras actúan claramente como armadura transversal [19,28,48,49] y pueden emplearse como sustitución de los estribos en vigas sin reducir la capacidad a flexión [50]; en vigas pretensadas prefabricadas [51], el uso del HRF puede reducir de manera significativa los costos de producción [27] ya que deja de ser necesaria la colocación de armadura [45].
Desde un punto de vista práctico, las fibras de acero pueden sustituir a la armadura transversal de forma satisfactoria, pero no pueden sustituir a la armadura longitudinal [48].
- Aplicaciones estructurales
4.1. Vigas pretensadas de HRF de alta resistencia
A pesar de las décadas de investigación en el esfuerzo cortante todavía existen algunas dudas sin resolver debido a que los códigos de diseño actuales tienen que adaptarse a los nuevos materiales y a los nuevos métodos de producción que surgen en el mercado. Así pues, Cuenca y Serna [53] llevaron a cabo una investigación experimental consistente en el ensayo de 9 vigas pretensadas de HRF en doble T con diferentes anchos de ala. La evaluación del cortante se ha llevado a cabo desde el punto de vista de los códigos de diseño actuales para analizar la posible influencia de distintos aspectos: combinación de fibras con estribos, efecto del ancho de ala en la resistencia a cortante y la interacción de las fibras de acero con otros importantes parámetros como el ancho de ala y la cuantía de armadura longitudinal.
En la presente campaña experimental se produjo un HRF autocompactable con valores de resistencia a compresión y flexión dentro de los estándares industriales. Los resultados indicaron que la inclusión de fibras de acero en vigas con estribos da lugar a un comportamiento mucho más dúctil en la viga. En lo que se refiere al análisis de los modos de fallo, flechas y patrones de fisuración se obtuvieron las siguientes conclusiones:
– Las fibras de acero no sólo controlaron la aparición de fisuras sino también controlaron su propagación (Fig. 1).
– La presencia de fibras de acero en el hormigón hizo que apareciera un mayor número de fisuras, menos distanciadas unas de otras pero más finas en comparación con un hormigón sin fibras (Fig. 1).
– Las fibras de acero interactuaron positivamente con el armado transversal, tuvieron por tanto un efecto sinérgico (Fig. 1).
– Las fibras mejoraron el mecanismo de “tensión-stiffening” en el hormigón.
– Los resultados obtenidos de las vigas ensayadas mostraron que la presencia del ala no afecta significativamente a la capacidad última resistente.
– En el Código Modelo 2010 la contribución de las fibras aumentó cuando las vigas tenían altas cuantías de armadura longitudinal. Dicho código mostró unos márgenes de seguridad equilibrados para el rango de anchos de ala y las cuantías de armado estudiadas. Sin embargo, los márgenes de seguridad resultaron siempre conservadores (Fig. 2).
– Los códigos en general subestimaron el efecto de las fibras en el cortante, es necesario, por tanto una aproximación menos conservadora en el Código Modelo 2010 (Fig. 2).
4.2. Placas alveolares pretensadas de HRF
Las placas alveolares son elementos prefabricados por extrusión en los que es muy complicado posicionar estribos, por lo tanto, es difícil garantizar la resistencia a cortante en algunos casos. Cuenca y Serna [54] llevaron a cabo una investigación consistente en la fabricación por extrusión de 26 placas alveolares con HRF. Dichos elementos fueron ensayados a cortante de acuerdo a las siguientes variables: cantidad de fibras de acero (0, 50 y 70 kg/m3) y relación vano de cortante/canto útil (a/d): 2,3-4,4 y 8,6. Se observaron diferentes modos de rotura.
Las principales conclusiones a las que se llegaron son:
– Es posible producir placas alveolares con HRF sin encontrar problemas técnicos durante la fabricación.
– Las placas alveolares con fibras alcanzaron mayores resistencias a cortante que aquellas sin fibras y obtuvieron además un comportamiento más dúctil. Esto resultó ser una ventaja fundamental dada la imposibilidad de posicionar armadura transversal en las placas alveolares.
– Se observó una clara influencia de la relación a/d en la resistencia a cortante (Fig. 3).
– Para verificar la validez de los códigos de diseño actuales se evaluó la capacidad a cortante de las placas con y sin fibras de acuerdo con el Código Modelo 2010 y la normativa europea EN1168 [55] asumiendo en ambos casos regiones fisuradas a flexión. En el caso de la EN1168 [55] se evaluó la contribución del hormigón sin fibras y, para tener en cuenta la contribución de las fibras se hizo uso del RILEM [56]. En este caso de estudio tanto el Código Modelo 2010 como la EN1168 [55] resultaron ser similares y muy conservadores para bajos valores de a/d, en estos casos el modo de rotura fue frágil causado por una rotura por cortante por tracción en el alma. Sin embargo, los códigos resultaron bien ajustados para altos valores de a/d, en estos casos los modos de rotura fueron por flexión o por una combinación flexión-cortante (Fig. 3).
– El modelo propuesto por la EN1168 [55] para evaluar la capacidad a cortante en regiones no fisuradas a flexión fue el que más se ajustó a las placas con modos de fallo por cortante por tracción en el alma.
– Las placas alveolares fisuradas a flexión previamente al ensayo de cortante mostraron una resistencia a cortante mejorada y obtuvieron márgenes de seguridad mayores (20-30%) en comparación con las placas no fisuradas previamente a flexión.
- Conclusiones
El análisis de los resultados confirma que las fibras de acero mejoran el comportamiento a cortante de los elementos estructurales y su contribución es altamente beneficiosa en muchos casos.
Las conclusiones principales pueden resumirse de la siguiente forma:
– Es posible fabricar un hormigón autocompactable con fibras con una calidad consistente y a nivel industrial.
– La presencia de fibras de acero en una viga con estribos mejora la ductilidad ya que las fibras previenen la fisuración y ayudan a controlarla.
– En un hormigón con fibras de acero se genera un mayor número de fisuras pero más finas y con menor separación entre ellas en comparación con un hormigón sin fibras.
– Dada la imposibilidad de disponer estribos en placas alveolares fabricadas por extrusión, las fibras pueden ser muy beneficiosas ya que mejoran la resistencia a cortante.
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Citar como: Cuenca Asensio, E. (2021). Hormigones reforzados con fibras de acero. Conceptos fundamentales y aplicaciones estructurales. Revista Hormigón, 60, 36–44.