Concreto reforzado con fibras de acero

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Documento que describe el concreto reforzado con fibras de acero, sus características y ventajas en la ingenieria civil.

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  • 1. HORMIGN CON FIBRAS DE ACEROrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012ndice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.Perspectiva histrica Generalidades Caractersticas de las fibras Modelizacin mecnica Propiedades del Hormign Reforzado con Fibras de Acero Dosificacin y fabricacin Otros hormigones reforzados con fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012

2. 1. Perspectiva histrica Inconveniente tradicional del mortero y el hormign: Baja resistencia a traccin Alta fragilidad control mediante el uso de refuerzosa) Refuerzo localizado a traccin: HORMIGN ARMADO b) Refuerzo distribuido a fisuracin: HORMIGN CON FIBRASrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20121. Perspectiva histricaa. C. a. C. 1900 1920 (1935 - 85) 1935 1950 1960 1970 (1985, - ) 19902000+ Fibras naturales Crines de caballo Fibras de asbesto (Hatscheck) Resistencia terica/resistencia aparente Desarrollo de fibras sintticas DuPont: fibra de nylon Materiales compuestos FRC (Hormign armado con fibras) Hormign proyectado (gunita) Fibras orgnicas de altas prestaciones Micromecnica, sistemas hbridos, fibras derivadas de la madera, procesos de produccin, armadura secundaria, control de la retraccin Aplicaciones estructurales, integracin en normativas, nuevos productosrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 3. 1. Perspectiva histrica: HRFA 187419271943>19501970A. Berard (California): Primera patente de hormign reforzado con acero granular procedente de desechos G. Martin (California): patente de hormign reforzado con alambres rizados de acero, refuerzo de tuberas Constantinescu (Inglaterra): patente de hormign reforzado con fibras helicoidales y espirales, para pavimentos de carros de combate, refugios frente a ataques areos, cimentaciones para maquinaria pesada,. Proliferacin de investigacin en hormign reforzado con fibras de acero Comienzo de empleo de hormign reforzado con fibras de acero en Espaarea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012ndice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.Perspectiva histrica Generalidades Caractersticas de las fibras Modelizacin mecnica Propiedades del Hormign Reforzado con Fibras de Acero Dosificacin y fabricacin Otros hormigones reforzados con fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 4. 2. Tipos de fibras Fibras metlicas: refuerzo de estructuras Acero, acero inoxidable, acero galvanizadoFibras sintticas: control de fisuracin, mejora de resistencia a impacto Elevado mdulo de deformacin, elevada resistencia a traccin, bajo peso Polietilenos de alta tenacidad, aramidas, poliariatos, fibra de carbonorea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20122. Objetivo de las fibras Control de la fisuracin: proporcionan fisuracin ms dispersa (menor abertura de fisuras) Aumento de resistencias Traccin CompresinMayor ductilidad Aumento de la tenacidadrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 5. 2. Efectos de las fibras Similares al efecto de armaduras: Mejoran el comportamiento del hormign a traccin Aumentan la ductilidad del hormign (rea bajo la curva tensin de compresin-deformacin)Efectos adicionales Proporcionan isotropa en ft al no presentar direccin preferente Aumentan resistencia al impacto y choque Aumentan resistencia a fatiga Reducen la abertura de fisuras (+ durabilidad) Reducen ligeramente la retraccin del hormignrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20122. Inconvenientes de las fibras Empeoran trabajabilidad del hormign (=ridos aciculares) El parmetro L/D resulta esencial Si L/D 1, la fibra es esfrica y el hormign tiene ms trabajabilidadPueden producir segregacin Aumento del costerea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 6. 2. Tipos de hormign con fibras FRCFiber reinforced concrete (HRF)SFRCSteel Fiber Reinforced Concrete (HRFA)GFRCGlass Fiber Reinforced ConcreteSNFRCSynthetic Fiber Reinforced ConcreteNFRCNatural Fiber Reinforced ConcreteSIFCON Slurry Infiltrated Fibers Concrete= fibras (Vf=5-20%) + cemento + humo de slice + metacaoln o cenizas volantes. Gran tenacidad y alta resistencia. Contenedores de municin, pavimentos, hormigones refractarios,rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20122. Aplicaciones especficas Elementos de lmina delgada Componentes que soportan localmente cargas o deformaciones elevadas No caben las barras Contenido elevado de fibras (> 5% en volumen) Las fibras mejoran la resistencia y tenacidadEscudos de proteccin en tneles Estructuras resistentes a explosiones y vibraciones Pilotes prefabricados para hincarComponentes con control de fisuracin Forjados, soleras, pavimentos Funciona como refuerzo secundariorea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 7. 2. Aplicaciones Pavimentos Suelos industriales Bases de carros de combate, hangares, recintos protegidos de impactos de metralla y proyectiles Hormign proyectado (gunita), en revestimientos de tneles y galeras de minas Lminas Cubiertas Tuberas Prefabricados Paneles Muros cortina GFRC Trillium Building WoodlandHills, California Losas de cimentacin Capa de compresin de tableros de puentes Elemento de contencin de vehculos Elementos de proteccin frente a impactosrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 8. rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 9. rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 10. 2. Aplicaciones especficasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20122. Aplicaciones especficasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 11. ndice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.Perspectiva histrica Generalidades Caractersticas de las fibras Modelizacin mecnica Propiedades del Hormign Reforzado con Fibras de Acero Dosificacin y fabricacin Otros hormigones reforzados con fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20123. Clasificacin de las fibras Inorgnicas: fibra de vidrio, fibra de carbono Orgnicas: vegetales y sintticas Metlicas: acero, acero inoxidable y acero galvanizado Obtencin a partir de corte de alambre trefilado de acero de bajo contenido de carbono, corte de lminas de acero, o arrancamiento en caliente (virutas) Para mejorar la adherencia: ondulaciones, corrugas, extremos conformados, ganchos,rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 12. 3. Requisitos mecnicos Resistencia a traccin mayor que la matriz Deformacin en rotura mayor que la matriz Mdulo de deformacin: mejor respuesta en seccin compuesta para mayores rigideces Coeficiente de Poisson: similar a la matriz Coeficientes de Poisson mayores en las fibras inducen traccionesAdherencia con la matriz Fluencia controladarea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20123. Requisitos geomtricos Relacin L/D adecuada Forma y textura adecuadas Tamao proporcionado al grano de la matriz Estructura filamentosarea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 13. 3. Requisitos fsico-qumicos Durabilidad Atencin a ambientes agresivos Posible uso de fibras galvanizadas o inoxidables en ambientes con cloruros (III, IV) Estudio especfico en ambientes qumicos agresivosAusencia de toxicidadrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20123. Propiedades de diversas fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 14. 3. Tenacidad e ndice de tenacidad UNE 83510:2004Factor de Tenacidad: rea bajo la curva cargaflecha en ensayo a flexotraccin, hasta flecha= (luz /150) entre apoyosndice de Tenacidad, I30: rea bajo la curva carga-flecha en ensayo a flexotraccin, hasta flecha=15.5 veces flecha 1 fisura/ rea bajo la curva carga-flecha en ensayo a flexotraccin, hasta flecha de 1 fisurarea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20123. Tenacidad e ndice de tenacidadrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 15. 3. EHE-08: resistencia a flexotraccin Ensayo sobre probeta prismtica de 150 mm x 150 mm x 600 mm a 28 das FL: lmite de proporcionalidad F1: abertura de fisura 0.5 mm F3: abertura de fisura 2.5 mm fct,fl fR,1 fR,3fct,fl fR,1 fR,3Resistencia a flexotraccin resistencia residual a flexotraccin 1 resistencia residual a flexotraccin 3fR,1 > 0.40fct,fl ; fR,3 > 0.20fct,fl rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20123. EHE-08: resistencia a flexotraccinrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 16. 3. EHE-08: tipificacin Designacin: T - R / f R1 R3 / C / TM - TF / A T: Tipo {HMF, HAF, HPF} R: Resistencia caracterstica en N/mm2 F: Tipo de fibras {A, P, V} R1, R3: Resistencias fR,1,k ,fR,3,k en N/mm2 C: Consistencia TM: Tamao mximo de rido en mm TF: Longitud mxima de fibra en mm A: Ambienterea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20123. HRF: Normativa espaola EHE-08 (dentro de su campo de aplicacin): ANEJO 14UNE-EN 14651: Ensayo de flexotraccin (lmite de proporcionalidad, resistencia residual)UNE-EN 14889-1:2008. Fibras para hormign, Parte 1 : Fibras de acero. Definiciones, especificaciones y conformidad. UNE-EN 14889-2:2008. Fibras para hormign, Parte 2 : Fibras polimricas. Definiciones, especificaciones y conformidad.UNE 83501:2004 a 83514:2005: Ensayos en hormigones con fibras de acero y/o polipropileno Toma de muestras y medida de docilidad Fabricacin, conservacin y tratamiento de probetas Ensayos mecnicos Determinaciones de contenidos de fibrasImportante verificar contenido en cloruros de materiales componentes para evitar corrosin de las fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 17. ndice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.Perspectiva histrica Generalidades Caractersticas de las fibras Modelizacin mecnica Propiedades del Hormign Reforzado con Fibras de Acero Dosificacin y fabricacin Otros hormigones reforzados con fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Comportamiento general de materiales compuestos Relaciones tensin deformacin en fase elstica para materiales formados por matriz + partculas. Dos modelos: En paralelo (mximo) En serie (mnimo)Vm = volumen de matriz; Em = mdulo de la matriz Vp = volumen de partculas; Ep = mdulo de partculas rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 18. 4. Efecto de las fibras cortas Aumento de resistencias (traccin, compresin) respecto a la matriz Rotura por deslizamiento de fibras pull-out Fragilidadrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Efecto de las fibras largas Aumento de resistencias (traccin, compresin) respecto a la matriz Proporcionan efecto compuesto Las fibras se encuentran ancladas de forma efectiva en la matriz Las fibras transmiten la mayor parte de la carga No se evita la fisuracin de la matriz Se limita la abertura de fisuras, fisuracin repartida Se reparte el dao y la disipacin de energa de forma uniforme en todo el elemento Proporcionan ductilidad al materialrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 19. 4. Modelo de Voight (paralelo) para las fibras cortas Equilibrio de fuerzas: Fc Fm F f c Ac f A f m Am Ec c Ac E f f Af E f m AmFcEquilibrio de deformaciones: c f m Ec Ac E f A f Em Am Ec E fFcAf Ac EmAm AcREGLA DE MEZCLAS:rea de Ingeniera de la ConstruccinEC E f V f EmVmMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Modelo de Voight (paralelo) (2)rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 20. 4. Modelo realista para HF Ec = Mdulo compuesto Ef = Mdulo fibra Vf = Fraccin volumtrica de fibra Em = Mdulo matriz Vm = Fraccin volumtrica de matriz K = factor de eficiencia de la fibraEc KE f V f EmVm rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Rotura del material compuesto Se considera que el material falla cuando falla uno de sus componentes (eg la fibra) f ult m ult Tcult fultEf m ult Em f Ec f ult f V f ultV E V E E 1 V fultfultfmrea de Ingeniera de la ConstruccinmmfMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 21. 4. Rotura del material compuesto (2) Si la cantidad de refuerzo es demasiado baja, es posible que la resistencia a traccin del compuesto sea inferior a la de la matriz sola: Vf,crit m ult c ult f ult V f ,crit f ult Em 1 V f ,crit V f ,crit m ult f ult Em frea de Ingeniera de la Construccinult f Em ultMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Respuesta del material compuesto (1)rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 22. 4. Respuesta del material compuesto (2)rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Relacin tenso-deformacional del HFrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 23. 4. Efecto de la longitud de la fibra cortarea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Tensiones medias en la fibra. Eficiencia de la longitud de la fibraPararea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 24. 4. Mejoras del anclaje y de la fibra Se intenta reducir al mximo lc para aumentar la eficiencia de la fibra aadida Adems se aumenta la resistencia a traccin de la fibrarea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Ecuaciones de diseo ACI Tensin en primera fisuracin (MPa) cf 0.843 f rVm 2.93V f l / d Tensin ltima en flexotraccin (MPa) cu 0.970 f rVm 3.41V f l / d fr = traccin en la matriz (mdulo de rotura en flexotraccin), MPa rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 25. 4. Ecuaciones de diseo ACI Momento ltimo en Dominio 3a h e a M n As f y d t b h e 2 2 2 2 s , fib cu e c cu t 0.00772 Fbe f l / d f Fbe = eficiencia adherencia (1.0 1.2) f = porcentaje en volumen de fibras s,fib = deformacin de las fibras en el instante de agotamiento a flexin (= f/Es con f = traccin en arrancamiento = 2.3 MPa) rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Ecuaciones de diseo ACI 544rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 26. 4. Diagramas EHE-08: rectangularrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Diagramas EHE-08: multilinealrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 27. 4. Diagramas EHE-08: multilinealrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20124. Diagramas EHE-08: multilinealrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 28. ndice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.Perspectiva histrica Generalidades Caractersticas de las fibras Modelizacin mecnica Propiedades del Hormign Reforzado con Fibras de Acero Dosificacin y fabricacin Otros hormigones reforzados con fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20125. Resistencia a compresin/deformacin ltima en funcin de Vfrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 29. 5. Efecto del aspecto (L/D) de la fibra en la resistencia a compresinrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20125. Aumento de la ductilidad, en funcin de Vfrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 30. 5. Aumento de la resistencia a traccin con la reduccin del espacio entre fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20125. Aumento de la tenacidad en funcin de VfFlexinrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 31. 5. Deformacin ltima a compresin 45 MPa 22.5 MParea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20125. Deformacin ltima a compresin 45 MPa 22.5 MParea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 32. 5. Comportamiento a flexotraccinrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20125. Comportamiento a flexotraccinrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 33. 5. Comparacin con otros hormigonesrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20125. Fibra de carbonorea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 34. 5. Comparacin con fibra de vidriorea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20125. Otros efectos de las fibras metlicas en el hormign Mejora de comportamiento a cortante de hormign con fibras, reduccin de armadura a cortante Aumento de resistencia al impacto: energa disipada= 40-100% superior a HC Mejora de comportamiento a fatiga a flexin Mejora de la adherencia de las armaduras Menor tendencia a fisuracin por splitting Mayor energa de fractura: rea bajo la curva F-desp. del ensayo a traccin directarea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 35. ndice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.Perspectiva histrica Generalidades Caractersticas de las fibras Modelizacin mecnica Propiedades del Hormign Reforzado con Fibras de Acero Dosificacin y fabricacin Otros hormigones reforzados con fibrasrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20126. Composicin del hormign con fibras (HF) Cemento Portland Agua: agua potable, analizar componentes que puedan causar corrosin de fibras. ridos: conveniente empleo de arena rodada. Preciso mayor contenido en finos. Tmx< 20 mm Fibras continuas discontinuas Aditivos superfluidificantes Aditivos aireantes: hormigones sometidos a hielo-deshielorea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 36. 6. Principales parmetros de las fibras de acero Material (acero, densidad= 7850 kg/m3) Geomtricos: Seccin transversal Dimetro real o equivalente, D Longitud, L Esbeltez o ndice de aspecto: L/D Mecnicos Resistencia a traccin Ductilidad rea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20126. Diseo de la mezcla Propiedades recomendables de las fibras: Longitud de fibra 12.5 mm 62.5 mm: > 1.5 Tmax rido, ideal 2 Tmx Secciones transversales habituales Canto 0.25-1 mm Ancho 0.5-1 mm 0.5-1 mm de dimetroDiversas formas de anclaje de las fibras en la matrizPrincipales parmetros de diseo: Esbeltez o ndice de aspecto L/D: 40-100 Fibras de acero: fmax= 345 MPa > 310 MPa, hasta 1100 MPa Vf (%), volumen de fibras/volumen de hormign Tamao mximo de rido recomendado =10 mmrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 37. 6. Diseo de la mezcla Contenido de fibras, Vf = 0.35-2.0% 30-1500 kg/m3 Hormign proyectado: L 30 mm 40 mm (limitacin de tamao de boquilla)Posibilidad de fibras encoladas en peines 25-35 fibras, reduce probabilidad de formacin de erizosTipo de superfluidificante, contenidoTipo de adiciones, contenido: microslice=4-8%C, cenizas volantes=20-35%Crea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/20126. Dosificacin Efecto de las fibras: ridos aciculares, reducen docilidad Necesidad de efectuar reajustes en granulometra para mantener trabajabilidad Punto de partida: dosificacin de HC + reajustesrea de Ingeniera de la ConstruccinMateriales y Sistemas Constructivos 2011/2012 38. 6. Parmetros de dosificacin Mtodo dosificacin: HC (Bolomey, de la Pea, ACI 211, Faury,) + correcciones rido fino/rido gruesoRelacin agua/cemento: HC, 0.40-0.65Contenido de cemento: C, 300-450 kg/m3Contenido de pasta: 35-45% de Vtotal (25-35% en HC)Granulometra de los ridos Contenido en arena superior al HC para conseguir buen recubrimiento de fibras A mayor Vf reducir TmaxCantidad de fibras: Vf =0.25-0.75