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“ComportamientoMecánico aEscala Real de un Piso Industrialde Hormigón Reforzado conFibras Sintéticas”Paolo Chioma ValenzuelaGerente Técnico EPC

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Conceptos Estructurales de un HRF

• El hormigón, es un material compuesto formado por una matriz cementicea que

envuelve y liga un esqueleto mineral constituido por los agregados.

• Debido a su naturaleza el hormigón presenta una serie de defectos y fisuras internas.

El comportamiento del hormigón frente a diferentes condiciones de carga está regido

por la propagación de esos defectos y fisuras.

• Cuando una fisura se propaga, surgen una serie de mecanismos que se oponen a su

avance, denominándose a este efecto aumento de la tenacidad.

• El mecanismo más efectivo es el puente de fisura, en este caso la fisura es frenada

cuando se encuentra con una partícula relativamente resistente, por ejemplo, una

pieza de grava, una barra de acero o una fibra.

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HRF Material Compuesto

� Con el conocimiento adquirido en la últimas décadas y losavances en normativas, ensayos y guías de diseño el conceptode HRF hoy es entendido como un material compuesto, y sudesempeño obedece a un conjunto de materiales que locomponen entre los que se encuentran las fibras.

� Es muy importante que los usuarios entiendan que existenparámetros mínimos que debe cumplir un HRF de acuerdo aestas normativas y guías de diseño, para ser considerado comoestructural.

� Por esta razón, es que al momento de elegir una fibra debe saberque existen de “diferentes materiales y calidad de los mismos”.

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Fibras poliméricas UNE 83500-2

Clasificación

� Según el material:

• Polipropileno y/o polipropileno de alta densidad

• Aramida

• Alcohol de polivinilo

• Acrílico

• Nylon

• Poliester

� Según el proceso de fabricación:

• Monofilamentos extruidos (Tipo I)

• Láminas fibriladas (Tipo II)

� Según las dimensiones

• Micro-fibras : < 0,20 mm diámetro

• Macro-fibras: ≥ 0,20 mm diámetro

Concepto reciente sobre Macro Fibras Estructurales

HPPF (High Perfomance Polypropylene Fiber)

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Fibras de acero UNE 83500-1

Clasificación:

� Según el proceso de fabricación:

• Trefiladas (Tipo I)

• Cortadas en láminas (Tipo II)

• Extraídas por rascado en caliente (Tipo III)

• Otras, p.e.: fibras de acero fundido (Tipo IV)

� Según la forma:

• rectas

• onduladas corrugadas

• conformadas en extremos de distinta forma

Recomienda que: lf ≥ 2 tmáx (Usual entre 2,5 a 3)

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Fibras Estructurales

� Según EN 14889

- La Resistencia mínima a la tensión de las fibras será de 800 Mpa para fibras de acero y 500 Mpa para fibras sintéticas.

- Las fibras deben tener una relación aspecto entre 30 –150 para largos de 12,7 a 63,5 mm.

“Esta parametrización permite identificar de forma preliminar el rendimiento de una fibra, se deben considerar

otros factores como el relieve y la forma ”

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Métodos de Ensayos para HRF

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Comportamiento en tracción del HRF

Efecto de

Ablandamiento

Dosis de fibra

baja

Efecto de

Endurecimiento

Dosis de fibra

alta

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Ensayo de Viga Norma ASTM C-1609

Viga

- Ensayo con carga en los

tercios

- Dimensiones:

150 x 150 x 530 mm

- Luz de apoyos: 450 mm

- Deformación máxima:

L/150 = 3 mm

Comportamiento en Flexo Tracción del HFR

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ASTM C-1609

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Viga Norma Europea EN 14651

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Norma Europea EN 14651

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Norma Japonesa JCI-SF4

(%)

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Aceptación Comité ACI-544

fe

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Criterios para fibras estructurales

� ACI-318-08 “Consideración de Resistencia al Corte”

- La resistencia residual en flexión bajo norma ASTM C-1609 a unadeflexión de L/300 debe ser mayor o igual al 90% de la resistenciamáxima en flexión del hormigón, y para una deflexión de L/150 debe sermayor o igual al 75% de la resistencia máxima en flexión del hormigón.

� EN 14651-2005 “Resistencia Residual Mínima”

- La dosis de fibra utilizada debe cumplir con una resistencia residual igualo mayor a 1,5 Mpa a un CMOD de 0,5 mm (equivalente a una deflexióncentral de 0,47 mm) y una resistencia residual igual o mayor a 1,0 Mpa aun CMOD de 3,5 mm (equivalente a una deflexión central de 3,02 mm).

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Criterios para fibras estructurales

� Código Modelo 2010 “Resistencia Residual Mínima”

� Para que las fibras puedan ser consideradas con función estructural la resistenciacaracterística residual a tracción por flexión fR,1,k no será inferior al 40 % del límitede proporcionalidad y fR,3,k no será inferior al 20 % del límite deproporcionalidad.

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Diagrama Tensión – Deformación del HRF

Se determina a través de los resultados obtenidos en el ensayo a flexo tracción

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Diagrama Tensión – Deformación del HRF

Modelo Simplificado

- El primer gráfico esta basado sobre la serviciabilidad y la resistencia

residual equivalente última.

- El segundo gráfico representa el modelo rígido plástico, esta basado

en un valor adecuado de la resistencia residual última.

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Investigación Pisos Industriales

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Alcance del Autor

“ Los resultados de la presente investigación pueden serconsiderados significativos, por cuanto cuestionan lacreencia común y la práctica dentro del sector . Porejemplo, el documento TR 34.2003 (en revisión en laactualidad) establece que “las macro fibras sintéticasproporcionan algo de capacidad de momento residualpos fisuramiento, pero con un rendimientosignificativamente menor que las fibras de acero,sugiriendo que estas no pueden ser utilizadas en laindustria de construcción de pisos””

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Introducción

“Es muy necesaria la información y el conocimiento sobre laspropiedades mecánicas, físicas y químicas de un hormigóncon un alto contenido de fibras. Sin duda, la disponibilidad dedatos fiables de las características anteriores ayudará aingenieros, investigadores y tecnólogos del hormigón en eldiseño de estructuras de concreto de una manera más viabley sostenible“

Resultados de investigaciones (Cengiz-Turanli) dicen que lasFibras Sintéticas de Alto Desempeño (HPPF) pueden mejorarmucho la ductilidad a la flexión, resistencia y capacidad decarga de la matriz frágil del hormigón en comparación con lamalla electro soldada y la fibra de acero.

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Evaluaciones durante la investigación

� 1.- Una losa reforzada con fibra de acero en una dosis de 40Kg/m3.

� 2.- Una losa reforzada con fibra sintética (HPPF) en una dosis de 7Kg/m3.

� 3.- Una losa de hormigón simple sin refuerzo.

� 4.- Una losa reforzada con una malla de acero de 6 mm dediámetro separados a 150 mm, lo que representa un áreaseccional de 142 mm2 por metro lineal. La malla fue ubicada a50 mm de la parte superior de la losa.

“Inicio de la investigación año 2010”

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Metodología de ensayo

Se implementó un equipo único y específico para aplicar cargas enlosas de prueba de pavimentos, el cual fue construido en lasinstalaciones de la Universidad de Greenwich para “ensayos decapacidad de carga sobre pisos industriales”

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Metodología de ensayo

El equipo utilizado para cargar el pavimento fue diseñado paramantener una carga puntual de hasta 1000 KN (100 toneladas), lacual se aplica en un área de contacto de 100 mm x 100 mm, lo quepermite simular la carga máxima de una un estantería (racking)actualmente en uso en diferentes construcciones para almacenaje.

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Metodología de ensayo

Losa de pruebasLos puntos de carga fueron aplicados

de la siguiente forma:

Punto central de la losa.

Borde de la losa (placa de carga

centrada a 150 mm desde el borde de

la losa)

Borde de la losa (placa de carga

centrada a 300 mm desde el borde de

la losa)

Esquina de la losa (placa de carga

centrada a 150 mm de la esquina)

Esquina de la losa (placa de carga

centrada a 300 mm de la esquina)

La figura muestra la disposición de los 5

puntos de carga.

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Metodología de ensayo

Las pruebas de carga serealizaron con Celdas deCarga de la serie Adam4000, se complementaroncon un detector de grietasacústico y el equipo fuesuministrado por PhysicalAcoustics Incorporated.

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Metodología de ensayo

La figura muestra la disposición del transductor dedesplazamiento y los sensores acústicos,respectivamente.

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Especificación del Pavimento

- De acuerdo a lo establecido en el TR34-2003, el módulo dereacción determinado fue k = 0,05 N/mm3.

- Losa de 6,0 x 6,0 m y 15 cm de espesor.

- El hormigón se especificó como grado C32/40, que de acuerdocon la Tabla 9.1 del TR34.2003, la resistencia a compresión delhormigón se definió como fCU = 40 N/mm2 (resistencia cubica).

- Módulo de elasticidad de ECM = 33,5 kN/mm2.

- Para las cinco posiciones de carga el valor del coeficiente dePoisson fue v = 0,2 (ver TR34.2003).

- 7 kilogramos de HPPF se incorporaron al hormigón.

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La losa fue construida el 12 de abril de 2011 y el promedio de lasmuestras cubicas a 28 días dieron un fCU= 41,83 Mpa.

Tracción por Hendimiento

Ensayos y Resultados

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El ensayo de la viga con entalla fue adoptado para obtenerel valor Re3 que fue igual a 37,0 % (promedio de 8 vigasomitiendo los valores máximos y mínimos).

Ensayos y Resultados

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Ensayos y Resultados

La gráfica muestra el incremento de la carga puntual aplicada v/sla deformación (movimiento de la placa) en 5 puntos diferentes dela losa.

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Ensayos y Resultados

Las siguientes figuras muestran el patrón de deformación debido a la carga puntual aplicada en diferentes posiciones de la losa de hormigón reforzada con fibra sintética

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Resumen de Resultados en los 5 puntos de carga

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Resultados Comparativos

Esta tabla se muestra los valores teóricos y de ensayos realizados para falla de corte por

punzonamiento a dos diferentes losas de hormigón reforzadas con fibras (fibra de acero y

fibra sintética) que han sido probadas en mecanismos de carga similares, incluyendo las

condiciones de suelo en términos del valor CBR.

TR34.2003 (en revisión en la actualidad) se utilizó para calcular los valores teóricos

presentados, basados en las ecuaciones 9.28-9.33 para punzonamiento. Se puede ver

claramente que los valores teóricos difieren significativamente de los valores obtenidos en

las pruebas

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Conclusiones

- La adición de HPPF en un hormigón reforzado con fibra mejora latenacidad, ductilidad a la flexión, capacidad de carga yabsorción de energía.

- Los resultados de esta investigación demuestran que el uso de lasfibras sintéticas en una dosis de 7 kg/m3 se comparafavorablemente con fibras de acero con ganchos en losextremos a una dosis de 40 kg/m3.

- Los resultados de esta investigación también demuestranclaramente la importancia de las pruebas a gran escala, enparticular en lo referente al tema de losas apoyadas sobre suelo.

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Conclusiones

- Los valores teóricos informados en los resultados sonsignificativamente menores que los valores obtenidos en losensayos. Una explicación para esto es que los valores teóricos sebasan en ecuaciones sugeridas en el TR34-2003, que no sonecuaciones específicas para el diseño de hormigón con fibrassintéticas. Esto refuerza la importancia de los hallazgos en estainvestigación, que pueden ser considerados potencialmentepara la modificación de las ecuaciones sugeridas.

- Los resultados presentados en esta investigación pueden serconsiderados fiables, como también todas las medidasnecesarias que han sido aplicadas de acuerdo con las prácticascomunes de ensayos dentro de la disciplina. Las mismascondiciones de ensayo se aplicaron a la losa de fibra sintéticacomo a la losa de fibra de acero, incluyendo las condiciones delsuelo, instalaciones de prueba y la infraestructura.

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GRACIAS!!!!!!

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Resumen de Resultados en los 5 puntos de carga

1.- Carga Interior Central.- No hay evidencia de punzonado en la parte superior de la losa, sin

grietas visibles. Tipo de falla por punzonado se observó a 490 kN.

2.- Eje del plato de carga centrado a 150 mm del borde de la losa.- Se observaron fisuras

inmediatamente por debajo del punto de carga a 190 kN seguido de grietas

radiales/circunferenciales a 290 y 320 kN propagándose hacia los bordes con el incremento de la

carga.

3. Eje del plato de carga centrado a 300 mm del borde de la losa.- Se observaron fisuras

inmediatamente por debajo del punto de carga a 180 kN seguido de grietas

radiales/circunferenciales a 360 y 430 kN propagándose hacia los bordes con el incremento de la

carga.

4.- Esquina-placa de carga centrada a 150 mm de la esquina de la losa.- fisura

radiales/circunferenciales se observaron a 60 kN seguido de fisuras por tensión a 140 kN debajo

del punto de carga, fisuras radiales/circunferenciales continuaron apareciendo hasta 200 kN.

5.- Esquina-placa de carga centrada a 300 mm de la esquina losa.- fisuras radiales/

circunferenciales se observaron a 165 kN seguido por fisuras por tensión a 190 kN bajo el punto

de carga. Fisuras radiales se desarrollados a 290 kN propagándose hacia el centro.