duranquintal (1)

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO

PROGRAMA DE MAESTRA Y DOCTORADO EN INGENIERA

INSTITUTO DE INGENIERA

REFUERZO CON BANDAS DE FIBRA DE CARBONO (CFRP) EN COLUMNAS CORTAS DE CONCRETO

REFORZADO ESTUDIO EXPLORATORIO

T E S I S

QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:

MAESTRO EN INGENIERA

INGENIERA CIVIL ESTRUCTURAS P R E S E N T A :

CARLOS IVN DURN QUINTAL

DIRECTOR DE TESIS: DR. ROBERTO MELI PIRALLA

ABRIL DE 2008

JURADOASIGNADO:

Presidente:Dr.GonzlezCuevasOscarM.

Secretario:M.I.vilaRodrguezJorgeArturo

Vocal:Dr.MeliPirallaRoberto

1er.Suplente:Dr.LpezBtizOscar

2do.Suplente:M.I.GarcaDomnguezOctavio

Lugardondeserealizlatesis:INSTITUTODEINGENIERA,UNAM.

TUTORDETESIS:

Dr.RobertoMeliPiralla

AmispadresDorayCarlosporsuapoyoyconfianza

AGRADECIMIENTOS

Agradezco al Dr. Roberto Meli Piralla por su apoyo y su tiempo en la revisin de este trabajo, al Ing. Roberto Snchez por su valiosa ayuda durante el diseo del dispositivo de carga y a los seores Salomn Trinidad y Raymundo Mondragn por su ayuda en la realizacin de los trabajos experimentales.

De manera muy especial agradezco al Ing. Julio C. Baeza Balam por su apoyo incondicional en la elaboracin de este trabajo.

A mi adorada novia Zacil Semramis por alentarme a finalizar este trabajo.

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CONTENIDO

RESUMEN..................................................................................................................................vii

CONTENIDO................................................................................................................................ix

CAPTULO1.INTRODUCCIN,PROBLEMTICAYOBJETIVOS.......................................................11.1ANTECEDENTES.........................................................................................................................1

1.2ESTUDIOSPREVIOS....................................................................................................................2

1.3ELORIGENDELASCOLUMNASCORTAS....................................................................................3

1.4CARACTERSTICASDELASCOLUMNASCORTAS........................................................................4

1.5OBJETIVOSYALCANCESDELESTUDIO......................................................................................4

CAPTULO2.ELREFUERZODELCONCRETOCONFIBRAS..............................................................7

2.1TIPOSDEMATERIALESABASEDEFIBRAS.................................................................................7

2.2CARACTERSTICASDELASFIBRAS.............................................................................................7

2.3CARACTERSTICASDELAMATRIZDEPOLMEROS....................................................................9

2.4LACOLOCACINDEFIBRAS.....................................................................................................10

2.5TIPOSDEREFUERZO................................................................................................................10

2.5.1Refuerzoporflexin.......................................................................................................11

2.5.2Refuerzoporcortante....................................................................................................11

2.5.3Confinamiento...............................................................................................................12

2.6REGLAMENTACINYFILOSOFASDEDISEO.........................................................................12

CAPTULO3.ESTUDIOEXPERIMENTAL.......................................................................................13

3.1CONSIDERACIONESPREVIAS...................................................................................................13

3.2JUSTIFICACINYCARACTERSTICASDELOSESPECMENES....................................................14

3.3DISPOSITIVODEAPLICACINDECARGAYSISTEMADESUJECIN........................................16

3.4INSTRUMENTACIN................................................................................................................18

3.5APLICACINDECARGA...........................................................................................................21

CONTENIDO

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3.6PROPIEDADESDELOSMATERIALES........................................................................................22

CAPTULO4.RESULTADOSEXPERIMENTALES............................................................................25


4.2ESPCIMENFUERTE(EF1)........................................................................................................25

4.2.1Anlisisdelostransductoresdedesplazamiento..........................................................26

4.2.2Anlisisdelosdeformmetrosenlasbarras..................................................................29

4.3ESPCIMENDBIL(ED1)..........................................................................................................33

4.3.1Anlisisdelostransductoresdedesplazamiento.........................................................33


4.4ESPCIMENREFORZADO(ER1)................................................................................................36

4.4.1Anlisisdelostransductoresdedesplazamiento.........................................................36


4.5COMPARACINDECICLOSDECARGA....................................................................................40

4.5.1Rotacionesdelcabezalydelabase..............................................................................41

4.6ANLISISDELCOMPORTAMIENTODELASBIELAS..................................................................43

4.7APARICINYPROGRESINDEGRIETAS.................................................................................44

CAPTULO5.MODELOANALTICO...................................................................................................47

5.1ANTECEDENTES.......................................................................................................................47

5.2MODELODEPUNTALESYTENSORESPARALOSESPECMENESENSAYADOS.........................50

5.2.1EspcimenEF1...............................................................................................................50

5.2.2EspcimenED1...............................................................................................................53

5.2.3EspcimenER1...............................................................................................................56

5.3COMPARACINDERESULTADOSTERICOSYEXPERIMENTALES..........................................59

CAPTULO6.ESTUDIOSFUTUROS..............................................................................................63


6.2MODIFICACIONESALOSESPECMENES(NUEVOSESPECMENESEF2YED2).........................63

6.3CONSIDERACIONESENELDISEODELOSESPECMENESREFORZADOSCONCFRP..............65

6.4MODIFICACIONESALDISPOSITIVODEAPLICACINDECARGA..............................................65

CONTENIDO

xi

6.5INSTRUMENTACINDELASBARRAS......................................................................................66

6.6INSTRUMENTACINDELOSESPECMENES............................................................................67

6.7ESTUDIOSFUTUROS................................................................................................................68

CAPTULO7.CONCLUSIONESYCOMENTARIOSFINALES............................................................69

APENDICEA:Clculodelosmomentosdeagrietamiento,defluenciayltimoparalosespecmenesEF1yED1.............................................................................................71

APENDICEB:ClculodelaresistenciaporcortanteempleandolaecuacinpropuestaporUmeharayJirsa........................................................................................................................75

APENDICEC:Clculodelacapacidaddecargadelasvigasdelcabezal........................................77

APENDICED:ClculodelaresistenciaporcortanteabasedeCFRP.............................................79

APENDICEE:Grficascargalateralcontradesplazamiento..........................................................81

APENDICEF:Grficascargalateralcontradeformacindelasbarras..........................................85

APENDICEG:Grficascargalateralcontrarotacin.....................................................................99

APENDICEH:Grficascargacontradeformacindelasbielas...................................................103

APENDICEI:Fotografas...........................................................................................................107

REFERENCIASYBIBLIOGRAFA.................................................................................................113

CONTENIDO

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REFUERZOCONBANDASDEFIBRADECARBONO(CFRP)ENCOLUMNASCORTASDE

CONCRETOREFORZADO

ESTUDIOEXPLORATORIO

RESUMEN

Elpresenteestudiofuerealizadoconcarcterintroductoriohaciaelempleodelasbandasdefibradecarbonocomoelementoderefuerzoencolumnascortasdeconcretoreforzadoquepertenecen a edificios de altura relativamente baja, como es el caso de las escuelas o deunidadeshabitacionalesquetienenunacargaaxialmenoralaqueseencontraraenotrotipodeedificaciones,por loque lavariablede lacargaaxialnoseconsiderenestetrabajo.Portanto,sedecidihacerunestudioexperimentalcondosespecmenesquetuvierandiferentescuantas de acero transversal y un tercer espcimen que sera uno de los dos primeros yaprobadoyreforzadoconlasfibrasdecarbono.

Losresultadosobtenidosmuestranunincrementoenlacapacidaddecargayresistenciaantelascargaslateralesdelespcimenrecubiertoconlasfibrasdecarbono,tambinmuestranunadegradacin de la rigidez muy paulatina en comparacin con los especmenes que no serecubrieronconlasfibras.Finalmentesepudierondarrecomendacionesqueayudenamejorareldiseode losespecmenesydel sistemadeaplicacinde cargasempleado, conel findeadentrarseenelestudiodelasbandasdefibrasdecarbono.

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CAPTULO1

INTRODUCCIN,PROBLEMTICAYOBJETIVOS

1.1ANTECEDENTES

Durante los ltimos eventos ssmicos registrados en gran parte delmundo, se han observadodeficienciasenedificiosquetienencolumnascortas;estefenmenoesdemuchointersenzonasgranactividadssmicayendonde losedificioscambiandeusoyen loscualesavecessecolocanmurosoelementosnoestructuralesqueacortan lascolumnas.Cuandoenunaedificacinnosetoman las previsiones necesarias durante el diseo de los elementos, entonces los resultadospuedengeneraruncolapsoenlasestructuras,deahqueseaindispensablecontarconunmtododereforzamientoqueseaidneo,eficienteyprctico.

Paradecidirsiunedificioserefuerzaesnecesarioconsiderarlossiguientesaspectos:

Reforzamientocontraelcostodelremplazodeelementos

Relacinentreelniveldereforzamientoyelimpactofuturodelosdaosssmicos

Materialesparaelreforzamientoytcnicasdisponiblesenelmercado

Consecuenciasdelaevacuacinparcialototaldeledificio

Duracindelasoperacionesdereparacinoreforzamientoadicional

Restriccionesdeespacioenlaszonasadyacentesaladelreforzamientoorestauracin

Restriccionessociales,polticasohistricasdelasestructura

Requerimientodemsreparacionesodelretirodelrefuerzoenelfuturo

Unatcnicaquepresentaventajasenlamayoradelosaspectosantesmencionadoseselrefuerzoabasedematerialescompuestos.

Los materiales compuestos estn formados por dos componentes, la matriz y las fibras, queactan demanera conjunta; existen diferentes tipos demateriales compuestos, pero el msusadoenlaactualidadparaelreforzamientodeestructuraseselqueestfabricadoabasedeunamatrizdepolmerosreforzadacon fibrasdecarbono,oCFRP (CarbonFiberReinforcedPolymer)porsussiglasen ingls; losmaterialesestndispuestosen formadebanda,con las fibrasen ladireccinlongitudinaldelabanda.

Elusode lasbandasdefibrapresentadiversasventajassobreotrostiposdereforzamientotalescomo:larapidezdelprocesodecolocacin,elserunprocesorelativamentelimpio,yaquecasinohay desperdicios, la comprobada eficacia enmuchos casos especficos (aunque faltan algunosaspectos a investigar), es relativamente fcil de obtener comercialmente, es durable si se leprotegeadecuadamentecontraloselementosquelodegradan,noaumentasignificativamenteel

CAPTULO1

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peso del edificio (su masa) la cual es de primordial importancia ante la accin ssmica, loselementosareforzaroarehabilitarnorequierenprocesosdepreparacincomplicados.

ParaelcasodeMxico,elusodelasbandasdefibradecarbonoparaelrefuerzodeestructurasesunatcnicaqueesttomandoaugeyaquepresentalasventajasyasealadasyademssepuedeseguirusandoeledificiomientrasserealizanlasreparaciones;ademsseobtienenlasresistenciasmximasdelosmaterialescompuestosenpocotiempoporloquenoserequierenlargostiemposdeesperaparatenerlosbeneficiosdelreforzamiento.Otraventajadeestatcnicaeslacapacidaddedesplazamientoqueproporcionanlasfibras.

Si bien el uso de esta tcnica de refuerzo tiene grandes y numerosas ventajas, tambin tienealgunos aspectos en contra, tales como el costo relativamente alto de los materiales, lasensibilidad ante altas temperaturas y ante ambientes salinos, as como la adherencia con elconcreto.

Elestudiodelascolumnascortasreforzadasconbandasdefibradecarbonoesdeimportancianosloparaobtener expresionesquedescriban su comportamiento, sinopor que los resultadospuedenextrapolarseparaotrotipodeelementoscomosonlasvigasdegranperalteolasvigasdeacoplamiento, que tienen en comn con las columnas cortas el que su comportamiento estfuertemente influenciadopor la fuerzacortantesobre la flexin.Asmismo, sepuedenobtenerresultadosimportantesencuantoalaadherenciadelasfibrasconelconcreto.

1.2ESTUDIOSPREVIOS

Se han hecho varios estudios previos en lo que se refiere al comportamiento y diseo de lascolumnascortas,entreellosdestacanlasinvestigacioneshechasporUmeharayJirsa(1996)enlasque se proponen expresiones para el clculo de la resistencia de ste tipo de elementos;Woodwardy Jirsa (1984)enelqueseestudia la influenciadelrefuerzo tanto longitudinalcomotransversal;Maruyama, Ramrez y Jirsa (1984) en el cual se estudian las columnas cortas bajocargasbidireccionales.

En los ltimos aos, se han desarrollado modelos analticos que se adapten mejor a lascondicionesdeesfuerzosydeformacionesdeloselementos,esascomosurgeelusodemtodoscomoeldepuntalesytensoresoStrutandTiecomoseleconoceeningls;stemtodoofrecemejoresresultadoseneldiseodeelementosqueestnsometidosacortanteyportantoesunaherramienta de mucho inters en estudios como ste. Existen tambin numerosos estudiosexperimentalessobreelusodelsistemadefibrasdecarbonoen loscualessehanpresentado lacapacidad que tienen losmateriales compuestos para aumentar la ductilidad en las columnasduranteunsismo,talescomolosefectuadosporIacobucci,SheikhyBayrak(2003)olosrealizadosporHosseiniyFadae (2004)asmismo,existenestudiossobre laadherenciade las fibrasen loselementosreforzadosconestesistemacomo losrealizadosporHarmon,Kim,Kardos,JohnsonyStark (2003);yengeneralexisteunagran cantidaddeartculosydocumentosqueexplican lascaractersticas de los materiales compuestos y su uso en la rehabilitacin de estructuras deconcreto,comolosrealizadosporTriantafillou(20002006).

A pesar de contar con las herramientas para el diseo de elementos de concreto reforzadosometidosa fuerzas cortantes,esnecesario tambin tenerexpresionesquepuedanpredecirelcomportamientodeelementosreforzadosconbandasdefibradecarbono,yaque,comosedijo


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anteriormente, este tipo de refuerzos son cada vez ms comunes en la rehabilitacin yreforzamientodeestructuras.

1.3ELORIGENDELASCOLUMNASCORTAS

Lapresenciadecolumnascortasenedificiosesunfenmenoquepuedecausardaosmuygravesa laestructurasise tieneencuentaque lascolumnascortas tienenuncomportamientomenosdctil que las columnasmas largas; esto se debe a que estos elementos poseen una elevadarigidezyporlotantoatraenmayorescargaslateralesduranteunsismo;altenerunabajarelacindeclarodecortanteaperalte, lascolumnascortascambiansucomportamientode flexinauncomportamientoendondelafallaprincipalesacortante,portanto,sinosetomanprevisionesensu diseo, se pueden presentar fallas estructurales importantes inclusive el colapso total deledificio.

Lascolumnascortaspuedengenerarsedevarias formas, laprimeradeellases lacolocacindeelementosnoestructurales,comosonlosmurosdemamposteraquellenanlacrujadeunmarcodeconcreto,aexcepcindeuna franjaubicada inmediatamentedebajode lasvigasyquesirvecomo ventilacin e iluminacin; la rigidez adicionalqueproporcionan estosmuros, restringe eldesplazamiento lateralde laestructuraprovocando lageneracindeunmecanismode fallaporcortanteenlascolumnas;enlafigura1.3.1,sepuedeobservarunacolumnacortaqueseformadeestemodo.

Fig.1.3.1Columnascortasformadasporlacolocacindemurosdemamposteraenlacrujadeunmarco

Otrosmodosde formacindecolumnascortassondebidosaldesniveldel terrenoenelqueseencuentralaestructuraloqueocasionaqueenunmismonivelsetengancolumnasdelongitudesdiferentes,ytambinpuedenformarsepor lacolocacindepisos intermedios loquepropiciaelacortamientode las columnasoriginales, en las figuras1.3.2a y1.3.2b, sepresentan stosdoscasos.

Columnascortas

CAPTULO1

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Fig.1.3.2Otrasformasdecreacindecolumnascortas

1.4CARACTERSTICASDELASCOLUMNASCORTAS

Por columna cortade concreto seentiendeunelementoenel cual laesbeltezes tanbajaquepredominan losefectosdecortante sobre losde flexin;cuandoestoselementospertenecenaedificiosque se encuentran en zonas conuna fuerte actividad ssmica yde relativamentebajaaltura, stas condiciones se traducen en que la carga axial a la cual estn sometidos dichoselementosesrelativamentedespreciablecomparadaalasfuerzasssmicascuyamagnitudpudieraser muy importante. Se dice que una columna es corta cuando la relacin entre el claro decortante(distanciaentrelacaradelavigayelpuntodeinflexineneldiagramademomentos)yelperalteefectivoesmenora2.5(a/d2.5).

Estetipodeelementospuedenresultarparticularmentecomplicadosensuanlisisypuestoquelasuposicindequelasseccionesplanaspermanecenplanas,derivadadelateorageneraldevigas,stanosepuedeaplicar.Porlotanto,esnecesarioparaeldiseodeestetipodeelementosusarmodelosdepuntalesytensores,talcomoloplanteaelapndiceAdelreglamentoACI.

1.5OBJETIVOSYALCANCESDELESTUDIO

Elpresenteestudiotieneuncarcterexploratorioenelusodelasfibrasdecarbono(CFRP)comorefuerzodecolumnascortasdeconcretoreforzado,quepudieranencontrarseenedificacionesdealtura relativamente baja como el caso de las escuelas o de unidades habitacionales. Dada lanaturalezadelpresentetrabajo,elnmerodeespecmenesensayadoseslimitado.

Deloanterior,podemosdecirquelosobjetivosquepersigueelpresentetrabajoson:

a) Iniciarelprogramade investigacinsobreelreforzamientodeelementoscondaoysuposteriorrefuerzomedianteelempleodelasfibrasdecarbono.

Poreldesniveldelterreno Porlacolocacindepisosintermedios

Columnascortas

Columnascortas


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b) Definir la metodologa experimental que ser usada en las etapas siguientes deinvestigacin.

c) Evaluarlaprcticaactualparalacolocacindelasbandasdefibradecarbono.

d) Entender losmodosde falla,capacidaddecargaycapacidaddedeformacinde lascolumnascortas.

e) Estudiarycuantificarelefectobenficoqueelempleode lasfibrasdecarbonojuntoconelrellenodegrietasconresinaepxicaejercensobreelementosdeconcretoquehansufridodaoestructuralvisiblesinpresentarelcolapsototal.

Portanto, enelcaptulo2sehablasobreelsistemaderefuerzoabasedefibrasdecarbono,sucolocacin y los tipos de refuerzo, as como algunos aspectos sobre la reglamentacin y lasfilosofasdediseo;enelcaptulo3sedescribenlascaractersticasdelosespecmenesensayadosy su instrumentacin;enel captulo4 sepresentan los resultadosobtenidosen losensayesentrminos de las curvas de histresis; en el captulo 5 se obtuvieron losmodelos analticos depuntalesytensoresconelfindeentenderelcomportamientodelosespecmenesensayados;enel captulo 6 se presentan algunas modificaciones en los especmenes y en el dispositivo deaplicacindecargaparamejorareldesempeodelosensayesenestudiosfuturosyfinalmenteenelcaptulo7sepresentanloscomentariosyconclusionesalosquesellegconesteestudio.

CAPTULO1

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CAPTULO2

ELREFUERZODELCONCRETOCONFIBRAS

2.1TIPOSDEMATERIALESABASEDEFIBRAS

Cuandosehabladematerialescompuestosconfibras,podemospensarenunagrancantidaddeproductoselaboradosapartirdediferentes tiposdemateriales.Engeneral,podemosencontrartresvariedadesenelusode las fibras, fibrassueltasquese leadicionanalconcreto,materialespreconformados,ytejidosabasedefibras.Enesteestudio,seusarontejidosabasedefibras.

Las fibras sueltas se han usado para aumentar la resistencia del concreto principalmente antecambiosvolumtricos;noobstante,tambinsehanobtenidobuenosresultadosconfibrasdealtaresistenciaempleadascomorefuerzoacortanteenvigasdeacoplamientocomolodemuestranlosestudiosexperimentalesrealizadosporParraMontesinos(2005).Elmtododeaplicacindeestasfibrasconsisteen colocarlasduranteelprocesode fabricacindelconcreto, locualpropiciaunacomodo en todas direcciones de las fibras, lo que a su vez provoca cierto aumento en laresistenciadelelemento.Losmaterialespreconformadospuedenencontrarseenformadebarrasde refuerzo que pueden ser empleados en lugar del acero o bien en forma de placas que secolocanenelementosexistentesconelfinderehabilitaroreforzardichoselementos;finalmenteencontrarnos los materiales compuestos hechos a base de tejidos de fibras, los cuales sepresentan en este estudio; estosmateriales se colocande igualmaneraque ciertosmaterialescompuestospreconformados,ysuusoesparalarehabilitacinyreforzamiento.

2.2CARACTERSTICASDELASFIBRAS

Existen tres tiposprincipalesde fibras, las cualesesposibleutilizarpara reforzarelementosdeconcretoquehansufridodaooquepresentandeficiencias;enprimerlugarsetienenlasfibrasdevidriocuyaresistenciaatensinestentre1900y4800MPa,seguidasporlasfibrasdearamidalascualestienenunaresistenciaatensinentre3500y4100MPa,yfinalmentelasfibrasdecarbonocuyaresistenciaatensinoscilaentre2100y6000MPa.Lafibradevidrio,altenerunaresistenciarelativamentebaja,aportapocosbeneficioscomorefuerzo,entantoquelasfibrasdearamidasoneconmicamenteprohibitivasydifcilesdeconseguircomercialmente;porlotanto,laopcinmsfactible es el refuerzo con las fibras de carbono, las cuales se encuentran disponiblescomercialmenteytienenunaresistenciasuperiora lasdems.En latabla2.2.1sepresentan lascaractersticasdelasfibrasantesmencionadas.

Lasfibrasdecarbono(CFRP),formadasapartirdeuncopolmero(poliacrilonitrilo)ymedianteunagranaportacindeenergaenformadecalor(hasta2000C),sehanusadodesdeyahacevariosaos en la industria aeronutica y espacial como material idneo por su bajo peso y altaresistencia. Fue hasta ladcada de 1990 cuando los costos de produccin de estosmaterialespermitieron su empleo en otros sectores de la industria como son el de la construccin y seobservqueestetipodemateriales,aportagrandesbeneficiosal incrementar lascaractersticasderesistenciaydedesplazamientodeelementosdeconcretoreforzado;esporesoqueelusodeCFRPescadavezmscomncomosistemadereforzamientoadicionalenlarehabilitacinenlasestructuras.

CAPTULO2

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Lasfibrasdecarbonopuedenserrgidasoflexiblesygeneralmentevienenendospresentaciones:enformadetejidosenloscualesentreel95y98%delasfibrasestnorientadasenladireccinlongitudinalyentreun2yun5%estnorientadasen ladireccintransversalcon lafinalidaddemantenerunidasalasprimeras;laotrapresentacinesenformadeplacasrgidaslascualessonelementoslaminadosenlosqueseencuentranlasfibrasylamatriz.Estetipodeelementosrgidostienen espesores entre 1.2 y 1.4 mm y anchos de 5 a 20 mm; para el presente estudio, seemplearonlasfibrasflexiblesentejido.Enlafigura2.2.1sepuedeobservarlaaparienciadeestetejido.

Tabla2.2.1Caractersticasdelosdiferentestiposdefibras

Fig.2.2.1Aspectodelostejidosdefibradecarbono

MaterialMdulodeelasticidad

(Gpa)

Resistenciaatensin(Mpa)

Deformacinltimaa

tensin(%)Carbn Altaresistencia 215235 35004800 1.42.0 Ultraaltaresistencia 215235 35006000 1.52.3 Altomdulo 350500 25003100 0.50.9 Ultraaltomdulo 500700 21002400 0.20.4Vidrio Mdulo 70 19003000 3.04.5 Resistencia 8590 35004800 4.55.5Aramida Bajomdulo 7080 35004100 4.35.0 Altomdulo 115130 35004000 2.53.5


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2.3CARACTERSTICASDELAMATRIZDEPOLMEROS

Comosehadichoantes,unmaterialcompuestosecomponededosomselementosque,enelcasodelasCFRP,sonlamatrizylasfibras.Sehaexplicadoenlaseccinanteriorlaimportanciaylascaractersticasprincipalesde las fibras, lascuales representanunaparteesencialenelbuencomportamientoydesempeodeestetipoderefuerzo;sinembargo,nodebemospasarporaltolaimportanciaquetienelamatrizdepolmerosqueseempleaparahacerfuncionarelsistemaderefuerzo adicional como un solo elemento. Un polmero se define como una larga cadena demolculasquetienenunaestructuraqumicasimilar.

Elempleodeestematerialpermiteteneruncompuestoconpropiedadesmecnicassuperioresalasque se tendran conelacero,principalmentepor tenermdulosdeelasticidadmayores. Lafuncindelamatrizdepolmerosdentrodelmaterialcompuestoesladetransferirlosesfuerzosentrelaestructuraalacualestadheridaylasfibrasquesirvenderefuerzo;asmismo,protegealas fibrasde losposiblesdaosmecnicos y ambientales;para el casode las cargas axiales, lamatriz impide que las fibras presenten pandeo. No obstante las ventajas que poseen estosmateriales,existenalgunosaspectosquehayquetenerenconsideracincuandoseempleanestetipodemateriales,yaquesuscaractersticassevenfuertementeafectadasporloscambiosenlatemperaturaambientalyporlavelocidaddeaplicacindecarga.

Existentresclasesderesinaspolimricasquepuedenusarseparaformarlamatrizdeunmaterialcompuesto,estasson:

Resinas de polyester: Estas resinas son usadas en la elaboracin de grandes elementoscompuestos para estructuras y se presentan como lquidos viscosos. Para su uso yaplicacinserequieredelempleodeaditivosoprocesosdetratamientoque lepermitanalcanzar un nivel de fluencia adecuado, por tanto no son una opcin viable para larehabilitacinyelreforzamientoadicionaldeestructuras.

Resinasdevinil:Tienencaractersticassimilaresalasresinasdepolyester,tienenmejorescaractersticas debido a su dureza, mayor flexibilidad y mejor comportamiento anteambientes agresivos como en los que predominan altas concentraciones de lcalis; sinembargosucostoesmayorque lasresinasdepolyesterysuscaractersticasnoson tanbuenascomolasquepresentanlasresinasepxicas;noobstante,seconsideraunabuenaalternativaparasuaplicacinentcnicasdereforzamientoadicionalpara lasestructurasdeconcreto.

Resinasepxicas:Estasresinasestndisponiblesenunagranvariedaddeviscosidades,loque les proporciona atributos que pueden ser tiles en una gran variedad decircunstancias. Tambin se pueden combinar con aditivos para mejorar su viscosidad.Tienen una excelente resistencia contra productos qumicos y solventes, y tambinpresentanunamejoradherenciaentre fibrasytiendenanoencogerse,por loqueestasresinas son ms empleadas para el reforzamiento de estructuras debido a lascaractersticasantesmencionadas;noobstantesucostoessuperior (casieldoble)aldelasresinasdepolyester.

CAPTULO2

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2.4LACOLOCACINDELASFIBRAS

La tcnicams usada para la colocacin de las fibras se realizamanualmente y consiste en lacolocacindelostejidos(oplacasrgidas),segnseaelcaso,sobrelasuperficiedelelementodeconcretoareforzar,quepreviamentesehaliberadodecualquierimpurezadepinturaomaterialque lo cubra, las aristas de los elementos con geometras rectangulares se desbastan y seimpregna todo el elemento con una capa de la resina; seguidamente se procede a colocar laprimera capa de fibra sobre la capa de resina; se le pasa un rodillo para eliminar cualquierirregularidadolapresenciadeaireentrelasfibrasyelelementoenrehabilitacin;hechoestoseprocede a colocarotra capade resina y las capas siguientesde fibras si fueranecesario. En lafigura2.4.1semuestralacolocacindelafibrasobreelespcimendeestudio.

Existenotrosmtodosparalacolocacindelasfibrassobreloselementosdeconcreto,talescomolasque empleanmaquinaria especializadapara la colocacinde las fibras sobre los elementosrehabilitados,elpresfuerzodelasfibrasantesdesucolocacin,elusodefibrasyaconformadas,elusodesistemasde tratamientoabasedecalor, laaplicacinde fibraspormediodelvacoo laaplicacin por medios mecnicos (pernos); sin embargo, en este estudio nos referiremos a latcnicaqueseempleaenMxicoqueeslacolocacinmanualdelasfibras.

Preparacindelasuperficie Colocacindeltejidodefibras

Fig.2.4.1Tcnicadeaplicacindelasfibras

2.5TIPOSDEREFUERZO

LasCFRPpuedenusarseparareforzarestructurasqueestnsometidasadiferentestiposdecarga,yaquedependiendodeladireccindesucolocacin,sepuedenorientarlasfibrasenlasdireccinque seams adecuadapara el reforzamientoo rehabilitacin; esdecir, se puedenorientar lasfibrasparaalcanzarunamayorcapacidadporflexin,obiensepuedenorientardemodoquesealcanceunamayorresistenciaantefuerzascortantes;tambin,sepuedencolocardeformaquesetengalamayorcapacidaddedesplazamientodeloselementosodemaneraquesetengaelmayor


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confinamientode loselementos.Enelpresenteestudiosoloseanalizarelcasoderefuerzoporcortante.

2.5.1.Refuerzoporflexin

Sepuede lograrunrefuerzoporflexinmseficazenvigasy losasmediante lacolocacinde lasfibrasendireccinparalelaaladelosesfuerzosdetensingeneradosenestetipodeelementos.Eneste tipode refuerzohayque tenerencuentaquesepuedenpresentardosmodosde falla,unoenelqueelconcretoen lazonadecompresin llegueasu lmiteypor tantoseaplastealmismo tiempo que se genere una falla en la zona de tensin que es donde se encuentra elmaterialcompuesto(CFRP);yotroenelque lasfibrascolocadasen lazonadetensinfallenpordesprendimiento del adhesivo; para que esta ltima falla no suceda es necesario tomar enconsideracineneldiseodelrefuerzo,lalongituddedesarrollodelabandadefibraparaquenoocurraundesprendimientoprematurode sta, asmismo, en algunos casos tambin convienecolocaranclasdefibraenelconcretoparaaumentar laadherenciade lostejidosdefibraconelconcreto.Laformadecolocacindeestoselementosseilustraenlafigura2.5.1

Fig.2.5.1Colocacinderefuerzoporflexin

2.5.2Refuerzoporcortante

LacapacidadporcortantedeunacolumnaodeunmurodecortantesepuedeincrementarconelusodeCFRP colocndolasen ladireccinde losestribos;estoprovocaelmismoefectoqueelcolocarestribosinternosenelelemento,sinembargo,lasventajassonmayoresyaquedebidoalanaturalezadeCFRPnosetienenproblemasdecorrosin,ynosenecesitaremoverelconcretonirealizarunprocesocomplicadoparasucolocacin.

Sibiensesabequelosesfuerzosdetensindiagonalactanconunngulode45conrespectoaleje axial del elemento, esms cmodo y prctico colocar el refuerzo de fibras orientadas endireccinperpendicularalejeaxial,(ademsestoproporcionaunrefuerzoadecuadosiseinvierteelsentidodelosesfuerzos).EnvigassepuedecolocaresterefuerzoenformadeUobienusarunrefuerzocerrado(enformadeO).Enelcasodelascolumnas,sepuedencolocarlosrefuerzos

CAPTULO2

12

cubriendotodalalongituddelacolumnaconlasfibrasoenbandasconunaseparacinentrecadaunadeellasdictadaporeldiseoprevio.

2.5.3Confinamiento

Sepuedeconseguirunaumentoenlacapacidaddecargaaxialencolumnassisecolocanlasfibrasalrededordelasmismasentodasulongitud;estoconduceaqueelconcretoestmejorconfinadoyportantolacapacidaddecargaaxialdelacolumnaessignificativamenteaumentada,respectoasucapacidaddecargaoriginal;estereforzamientoadicionalpermiteobtenerunamayorcapacidaddedesplazamiento lateral, yaque se retrasael aplastamientodel concretoen launin con lasvigasolosas.

2.6REGLAMENTACINYFILOSOFASDEDISEO

Existen diversos reglamentos en todo el mundo que contemplan el empleo de materialescompuestos (como son los tejidos de fibra de carbono), como opcin de reforzamiento; sinembargo,aquanalizaremoselquetienemasinfluenciaenMxico,queeselreglamentodelACI.

El reglamento del ACI, plantea una filosofa de diseo con base en los niveles de esfuerzo ydeformacinquesufrenlasfibrasconelconcretoyelequilibriodefuerzasenestoselementos;asmismo,planteaecuacionesen las cuales seponenfasisen las caractersticas a tensinde lasfibras yno en las fibrasque trabajan sometidas compresin. En loque se refiere a lasbandaspegadassuperficialmenteaelementos,quesonlasestudiadasenstetrabajo,laformadediseosiguemasomenoslosmismoslineamientosconsiderandotambinefectodelaadherenciaconelconcreto,principalmenteenlospuntosdondeinicianoterminanlasbandasdefibra.

Enreglamentoseuropeos,elusodelosmaterialescompuestoscomomtododerehabilitacinhasido empleado desde hace varios aos; por tanto, se han obtenido frmulas basadas en laexperimentacin, que al igual que las empleadas por el ACI estn desarrolladas a partir de lacompatibilidaddeesfuerzosydeformacionesdelosmaterialesyelequilibriodefuerzasexternaseinternas; lasexpresionesplanteadasenestos reglamentosno sernanalizadasniempleadasenesteestudio.

EnMxico, lasNormasTcnicasComplementariasdelRCDFnoplanteanecuacionesparahacerdiseos con fibrasde carbono,peroexiste laposibilidaddeusarexpresionesquepuedanestarincluidasenotrosreglamentosreconocidos.

13

CAPTULO3

ESTUDIOEXPERIMENTAL

3.1CONSIDERACIONESPREVIAS

Paraelpresenteestudiosedecididisearyconstruirunmodeloaescalarealquerepresentaraunacolumnacorta,paralacual,comosehadichoencaptulosanteriores,lacargaaxialpuedeserdespreciadasiseconsideraqueperteneceaunedificiodebajaaltura;estemodelodecolumnacorta,seconvierteentoncesenunavigadegranperalteendondelaparticipacindelcortanteesmuchomssignificativaquelaflexin.Apartirdeloanterior,sedecidiemplearunmodeloenelquelasfuerzascortantesactuaranentodalalongituddelelementodemaneraconstante,locualllevalaeleccindeunmodelodedobleempotramiento.

El modelo seleccionado es representativo del caso de columnas cortas observadas en marcostpicosen loscuales sehancolocadomurosdivisoriosquedejanunespacio libredebajode lastrabes,ymurosenlosnivelessuperiores,ascomoenloscasosenlosqueelterrenoobligaaunacimentacininclinadayestaasuvezoriginacolumnasdediferentealturagenerndosecolumnascortascomosemuestraenlafigura3.1.1

Fig.3.1.1Casosrepresentativosdelmodelodedobleempotramiento

FH

Columnacorta

Muroqueaumentalarigidezyproporcionanunmecanismodeempotramientoenelextremo

superiordelacolumna

Cimentacinqueproporcionaunmecanismodeempotramientoenelextremoinferiordela

columna

Columnacorta

Murosqueaumentanlarigidezyproporcionanunmecanismo

deempotramientoenlosextremosdelacolumna

FH

CAPTULO3

14

Enlafigura3.1.2,semuestraeldispositivoempleadoparalosensayes,ylascaractersticasquesedebencumplir,comoeslaausenciadeldesplazamientoangularenambosextremos,privilegiandoeldesplazamientolateral.

Fig.3.1.2Modeloempleadoparalosensayes

3.2JUSTIFICACINYCARACTERSTICASDELOSESPECMENES

Existendosaspectosimportantesquerigieronlaformayeltipodeespecmenesqueseensayaronen el presente estudio; en primer lugar, contar con un elemento que pudiera representar unmodelodedobleempotramiento,quecomosehadichoantes,esunelementoenelquesetieneuncortanteuniformeentodasulongitud,yensegundo,contarconlasdimensionesycuantasdeacerosuficientesparaobtenerunafallaporcortantesantesquelafallaporflexin.Porotrolado,sedecidiqueelespcimen conmenos cuantade refuerzo transversal tuvieraun refuerzodefibrasdecarbonocomoelementoderehabilitacinyderefuerzo,conelfindeprobarlacapacidaddecargaydedesplazamientodeestetipoderefuerzo.

Por talmotivo, seconstruyeronyensayaronen total tresespecmenesde loscualeselprimerotenacomocaractersticaprincipalunrefuerzotransversalconespaciamientoded/4;elsegundoespcimen tenaun refuerzo transversalconespaciamientoded/2,peroconservando lamismacuanta de acero longitudinal que el primero, y finalmente el tercer espcimen consisti en elmismosegundoespcimenensayadoelcualfuerehabilitadoinyectndoleresinaepoxiyreforzadoadicionalmenteconbandasdefibradecarbono. En lafigura3.2.1,semuestraelarmadode losespecmenes1y2yelrefuerzoconfibrasdelespcimen3.

Conel finde calcularel valor aproximadode la fuerza cortanteque resistiraelespcimen, sedecidiemplear lassiguientesexpresiones (ecuaciones3.1,3.2y3.3)propuestaporUmeharayJirsa(1996)paraeldiseodecolumnascortas.

Fh

Base

Posicindelactuador

Bielasarticuladas

Vigafijadora

Cabezal

Losadecarga

ESTUDIOEXPERIMENTAL

15

(lb)(3.1)

7.3 2.6

1.7 (lb) (3.2)

0.6

(lb) (3.3)

Donde:

a/d=clarodecortantesobreperalteefectivo

=relacindelrefuerzolongitudinaldeunavigab=anchodelaseccinenpulgadas

d=distanciade lafibraextremaencompresinalcentroidedelrefuerzo longitudinalentensinenpulgadas

fc=resistenciaalacompresindelconcretoenpsi

fy=esfuerzodefluenciadelaceroenpsi

Av=readelacerotransversalenpulgadascuadradas

s=separacinentreestribosenpulgadas

Asmismo,secalculelmomentoresistente,defluenciaydeagrietamientoempleandolateorageneraldevigas(apndiceA);enelcaptulo5seharunclculoempleandolateoradepuntalesytensores.

Lostresespecmenestuvieronunaseccintransversalensupartetil,queessupartecentral,de25x35cm,siendo ladimensinde25cmen lamismadireccinsobre lacualactuara lacargahorizontal,sedecidiusar ladireccincortayaquepor logeneralesenestepuntoenelcualsecolocaranelementosdemampostera.Elcabezaldelosespecmenestenaunaseccinde50x35cmyunaalturade35cm;enelcabezalsedejaron8agujerosde1dedimetroparalasujecindel sistema de aplicacin de carga. La base tena dimensiones de 70 x 70 x 35 cm con cuatroagujerosespaciadosa50cmqueserviranparaelanclajeenlalosadecarga,laalturatotaldelosespecmenes fuede120 cm,de los cuales50 cm correspondana la columna cortay70 cmalcabezalya labase. Loselementos, superiore inferior (cabezalybase), sirvieronadems comoelementosdesujecinparaaumentar la inerciade lacolumnaydeestemodoproporcionarunaumentoenlarigidezenlosextremosdelespcimensimilaralaqueproporcionaranlosmurosdemamposteraylastrabesdelosmarcosenunsistemareal.

Elrefuerzolongitudinalconsistide8barrasdeacerode,colocadosencarasparalelasenlostresespecmenes.Paraelprimerespcimen,seusaronestribosdedobleramaconundimetrode3/8yespaciadosaunadistanciad/4,esdecirde6.25cm;paraelsegundoespcimen,seusaronestribosdedobleramaconundimetrodeyespaciadosaunadistanciaded/2,esdecir12.5cm. Las dimensiones de los especmenes se definieron a partir de un claro de cortante entre

CAPTULO3

16

peraltedea/d=1,altenersedoblecurvatura.ElclarodecortantequeddefinidocomoL/2=25cm.

Fig.3.2.1Refuerzodelostresespecmenesensayados

3.3DISPOSITIVODEAPLICACINDECARGAYSISTEMADESUJECIN

Para lograr las caractersticas descritas anteriormente, como la ausencia del desplazamientoangularenambosextremosylacapacidaddedesplazamientolateral,sediseundispositivodecarga que pudiera deformar al espcimen con una doble curvatura; esto se logrmediante lacolocacindedosvigasCenposicinencontradade30cmdeperaltey220cmde longitud,formadasportresplacasde3/8(figura3.3.1),unidasalcabezaldelespcimenpor8pernosde1de dimetro que atravesaban transversalmente al cabezal y que estaban en direccinperpendicularalactuador;estospernoscruzabanalcabezaldelespcimenpor8agujeroslogradosduranteel coladodelespcimenmediante tubosdePVCqueposteriormente fueron retirados.AdicionalmenteparanodependertotalmentedelafriccinydelapresinejercidasporlasvigasC sobre el cabezal, se adicionaron 2 componentes metlicos en forma de U que fueroncolocadosenlaseparacindejadaporlasdosvigasCvistosenplanta(figura3.3.2),quesirvieronde topesparaconfinarelcabezal;estaspiezasseconstruyeroncon3placasdeacerodedeespesoryseencontrabanatornilladasa lasvigasmediante12 tornillosde1dedimetro.Paraguiareldesplazamientoendireccinhorizontalsecolocaron4bielasdeaceroquefueronhechasabasedetubosde3dedimetroexterior,soldadasaplacasde1deespesorqueseunanensuextremoinferioravigasdeacerosujetasfirmementealalosadecargayensuextremosuperioralavigafijadora,comosemuestraenlafigura3.3.3.

4 #64#6#3

@6.25cm

6#5

4#5

#[email protected]

6 #5

4 #5

Fibradecarbonoentodalalongituddel

espcimen

ESTUDIOEXPERIMENTAL

17

Fig.3.3.1Vigafijadorausadaparatransmitirlacargaalespcimen

Fig.3.3.2PiezasenformadeUusadasparaconfinarelcabezaldelespcimen(dimensionesenmetros)

CAPTULO3

18

DispositivocompletodeaplicacindecargaBiela

Fig.3.3.3Componentesdeldispositivodeaplicacindecarga

3.4INSTRUMENTACIN

Seemplearonen totalcatorcedeformmetroselctricos (StrainGages)deunadireccin,paraelprimer espcimen conocido como espcimen fuerte (EF1), y ocho transductores dedesplazamientolineal(DCDTs);adicionalmenteysloparasteespcimen,seinstalunsistemaabasedediodosemisoresde luz infrarroja(LEDs)paraestablecer losmximosdesplazamientosentrepuntosespecficosdelespcimen;debidoaqueel sistema relaciona losdesplazamientosconeltiempoynoconnivelesdecargaespecficos,resultserdepocautilidadporloquenofueempleadoenelensayedelosdosespecmenesposteriores.Paraelsegundoespcimenconocidocomo espcimen dbil (ED1), se usaron doce deformmetros (S. G.) y ocho transductores edesplazamiento lineal (DCDTs). En las figuras 3.4.1 (a) y (b) y 3.4.2, se pueden observar lasposicionesdelosdistintosdeformmetrosytransductoresenlosdosprimerosespecmenes.

VigasCfijadorasdel cabezal Placasen

forma de U

BielaVigasfijadoras

debase

Placade1deuninconelactuador

Tornillosde1

Pasadorredondode1(paraformarlaarticulacin)

PlacadeuninconlavigaC

Placadeuninconlavigafijadorade

base

ESTUDIOEXPERIMENTAL

19

Fig.3.4.1Posicindedeformmetros(S.G.)enlosespecmenesEF1yED1

Fig.3.4.2Posicindetransductores(DCDTs)yyugosenlosespecmenes

LosdeformmetrosmarcadoscomoTrans1aTrans3yTransA1aTransA3,fueroncolocadosenlaparte central de las ramas efectivas de los estribos en tanto que los deformmetrosmarcadoscomo Long 1 a Long4 y Long I1 a LongI4, fueron colocados en los extremos de las barraslongitudinales; entendiendo por esto la zona en donde se unen al cabezal y a la baserespectivamente;finalmentesecolocarondeformmetroselctricosendosdelasbielasmarcadascomoBielaN1aBielaN3yBielaS1aBielaS3,conelfindemonitorear losnivelesdeesfuerzoydeformacin de lasbielas y verificar durante todo el ensaye si semantenandentrodel rangolineal,asmismo,esta informacinobtenidade lasbielaspuede serusadaparael rediseodelsistemadeaplicacindecarga.Enlafigura3.4.3,seobservalainstrumentacindelasbielas.

S.G.: Long1 y3

S.G.: Trans 1 yA1

S.G.: Trans2yA2S.G.: Trans3yA3

S.G.: LongI1 eI2

S.G.:Long2y4

S.G.:LongI2eI4

S.G.: Long2y4

S.G.: LongI2eI4

S.G.:Long1y3

S.G.:LongI1eI2

S.G.:Trans1yA1

S.G.:Trans2yA2

(a)EspcimenEF1 (b)EspcimenED1

Yugosuperior

Yugo inferiorDCDTs1y2

DCDT3 DCDT4

DCDT7 DCDT8

DCDT5 DCDT6

CAPTULO3

20

Fig.3.4.3Instrumentacindebielas

Delosochotransductoresempleados(mostradosenlafigura3.4.2),el1y2tenanlafinalidadderegistrar losdesplazamientoshorizontalesde labase, y fueron empleados en losdosprimerosensayesyeliminadosfinalmenteeneltercero.Lostransductores3y4tenanlafinalidaddemedireldesplazamientorelativohorizontalentrelabaseyelcabezalsuperiorysuubicacinfuecercanaa los bordes de los especmenes; finalmente los transductores 5, 6, 7 y 8 medan losdesplazamientosverticalesquesedabanentreelyugoinferiorylabase,yentreelyugosuperioryelcabezal;estopermitimedirelgiroporflexinquesetieneenlaregintildelosespecmenes.En las figuras 3.4.1 (a) y (b) se muestra el espcimen EF1 sin instrumentacin y coninstrumentacin.

Sininstrumentacin Instrumentado

Fig.3.4.4VistalateraldelespcimenEF1

Bielasinstrumentadas

S.G.

ESTUDIOEXPERIMENTAL

21

3.5APLICACINDECARGA

Lacargaseaplicmedianteunactuadorhidrulico,elcualesposiblecontrolarmediantergimendecargacondiferentesmodalidadesobienmediantedesplazamientos lineales;comosepuedeveren la figura3.5.1,esteactuador tieneposicinhorizontal conunextremoempotradoenelmurode carga y elotro extremo sujeto a la vigadel cabezal; el actuadorposee articulacionesintegradasen cadaextremo justamenteantesde lasplacasde conexin.Es importante sealarque,aunquesteactuadortiene lacapacidaddetransmitircargasdinmicasreversiblesanteunamplio rangode frecuencias,en los tresensayes realizadosenesteestudio seaplicuna cargacuasiesttica, yaque la frecuencia fuedeun ciclo en variosminutos con el findeobservar elprogresode losdaosenelespcimenyhacerelbarridocompletode las lecturasde todos losinstrumentosdemedicincolocadosenlosespecmenes.

Enelprimer espcimen, se control la aplicacinde cargaen ambos sentidosmantenindoseparaunmismoniveldecargalamismamagnitudtantoantecargapositiva(empujn)comoantecarganegativa (jaln);para este ensaye los incrementosde carga fueronde5 toneladashastallegara lacargade fallaque fuecercanaa las30 toneladaspara lacualesteprimerespcimen(EF1),yapresentabaundeterioroconsiderable.Detodaslasgrficashisterticasobtenidasconlosdistintos aparatos de medicin, la que sirvi de gua durante los ensayes y que rigi elcomportamiento del espcimen, fue la de la carga aplicada por el actuador junto con losdesplazamientos promedio de los transductores 3 y 4 colocados en el cabezal del espcimen.Comoyasehamencionado,elcriterioempleadoparadefinirel finaldelensayeensteprimerespcimenfueelniveldedeteriorodelmismo,elcualcomosepuedeapreciarenlafigura3.5.2,fuecasiladestruccintotal.

Fig.3.5.1Actuadorhidrulico Fig.3.5.2DeteriorodelespcimenEF1alalcanzarunacargalateral

cercanaalas30ton

Parael segundoespcimen, se controlelensayemediante losdesplazamientosdelpistndelactuador; el criterio de aplicacin de carga cambi con respecto al primer ensaye debido a lasiguientecausa:cuandoseaplicacargaenelactuadorstaesmuyconfiableyestablecuandoelespcimenposeepocodaoysevuelveinestableypococonfiablecuandolosnivelesdedeteriorodelespcimensongrandes;esporesto,queparaelsegundoytercerensayesedecidicontrolarel actuadormediantedesplazamiento apoyndonosen laobservacindirectade losnivelesde

CAPTULO3

22

cargaconelfindedefinirloslmitesdecadacicloenambossentidos.Estesegundoensayenofuellevado a la destruccin total y se utiliz como criterio para finalizar la prueba el alcanzar ladeformacinde fluenciadelrefuerzodeacerotransversalquehabasido instrumentadocon losdeformmetros elctricos y la correspondiente aparicin de grietas diagonales causadas por elniveldefuerzacortante,comopuedeobservarseenlafigura3.5.3.

Enel tercerensaye,paraelcual seutilizelmismo segundoespcimenpero reforzadocon lasfibrasdecarbonoyalcualseleinyectresinaepoxienlasgrietas,setratdelograrlafalladelostejidosdefibradecarbono;noobstante,stafallanofueposibledelograryaquesepresentungrandaoenlabasedelespcimenconsistenteengrietasanchassuperioresamediocentmetroyconestoyanoexista laadecuadasujecindelespcimena la losadecarga;sinembargo,estetercerensayemostr, como sediscutir condetallemsadelante,que las fibrasde carbono saportan resistencias adicionales muy significativas ya que se alcanzaron niveles de resistenciasuperioresaldelprimerensaye.Enlafigura3.5.4semuestraelespcimenreforzadoconlasfibrasdecarbono.

Fig.3.5.3GrietasdiagonalesenelespcimenED1Fig.3.5.4Espcimenreforzadoconfibrasdecarbono

3.6PROPIEDADESDELOSMATERIALES

Losdimetrosdebarrasquefueronempleadosenlafabricacindelosestribosfueron=,sincorrugaciones,conunafynominalde2400kg/cm2;tambinseemplearoncomoacerotransversalbarrascorrugadasde=3/8conunaresistencianominalofy=4200kg/cm2;finalmente,paraelrefuerzo longitudinal seemplearonbarras corrugadasde = y resistencianominalde4200kg/cm2.

Para efectos de anlisis e interpretacin de los resultados experimentales de los especmenesfabricadosconstasbarras,serecurrialaobtencindelasgrficasesfuerzodeformacin() en barras similares individuales aisladas de los especmenes a ensayar para explorar lascaractersticasenelrangonolineal;paralograrestoseinstrumentaronindividualmentecadaunode los tres tipos de barras ( =, 3/8 y) con deformmetros elctricos que permitieronobtenerlagrfica,tantoenelrangoelsticocomoenlarangodefluencia;enlafigura3.6.1,semuestran los resultadosobtenidosdeestosensayesdebarras;cabe sealarquedespusde

alcanzacapacedeform3.6.1,barras.

Fig.3.6

En loespecmtamamayorekg/cm2

kg/cm2

Comotercerkg/cm2

laruptprimerobservcompoemple

ar la deformesdesostenemmetrosyansemuestra e.

6.1Graficaselosespec

Tabl

que se refiemenes, se teomximodees edades de2, lo que in2.

se hamenciespcimen f2ysumdulouraesde0.0rounadhesivvanen la tabonentes (mezunaresinae

1/

3/

3/

macin mostrrtantolosnivno tenan laen trminos

esfuerzodefocmenes)

la3.6.1Carac

ere a las carena planeadeagregadodel concreto,crementa su

ionado anterfueron a basoelsticode1mm/mmyvoepxicotixla3.6.2;parazclados en prepxicaconl

E(Kg/c/4" 16731

/8" 19984

/4" 20650

ada en las gvelesdeesfucapacidaddegenerales lo

ormacindel

ctersticasde

actersticas da una resistede20mm; sien las fecha modulo de

riormente, lase de tejidos627,125.47ksuespesoresotrpico(cona la inyeccinroporcin 2ascaracterst

cm2) fy(Kg/cm

107 2844

461 5196

000 5172

23

grficas, loserzocomome registraress resultados

lasbarrasde

elasbarrasus

del concretoencia nominanembargo, ls de los enselasticidad c

s fibras de cs, y su resistkg/cm2,asmsde1mm.Pancaractersticnde lasgrieta 1), as misticasmostrad

m2) defluenc0.0017

0.0026

0.0025

especmenesmayoresdeforstosnivelesdobtenidos p

yde(

sadasenlos

empleado pal de 250 kglaspruebasdayes,mostracalculada de

carbono empencia mxim

mismo,sudefoaralareparaccasplastificanasseemplesmo para ladasenlatabla

cia Pmax(Kg)

1295

4580

18780

EST

s de barras armacionesundedeformacpara los 3 dis

(ensayadosai

especmenes

para la constg/cm2 a los 2de lasprobetaron una resi221,359 kg/

pleadas parama nominal eormacinunicindelasgrntes)cuyascaunaresinacolocacin da3.6.3.

max(Kg/cm2)4085

6424

6590

TUDIOEXPERIMEN

aisladas fueritarias,peroin.En la tabstintos tipos

isladamente

s

truccin de28 das contas realizadasistencia de 3/cm2 a 252,0

el refuerzo dra de 7,596.itariamximaietasseemplaractersticasepxicadedde las fibras

TAL

ronlosblade

de

losunsa324000

del.88aalese

dosse

CAPTULO3

24

E(Kg/cm2)Adherencia(Kg/cm2)

Resistenciaacompresin(Kg/cm2)

Resistenciaacortante(Kg/cm2)

128000 40 540950 150

Tabla3.6.2Caractersticasdelaresinaepxicaempleadoparalareparacindelasgrietas

Mdulodeflexin(Kg/cm2)

Mdulodetensin(Kg/cm2)

Resistenciaatensin(Kg/cm2)

Temperaturadeservicio

(C)

30000 35000 450 40a60

Tabla3.6.3Caractersticasdelaresinaepxicaempleadoparalacolocacindelasfibras

25

CAPTULO4

RESULTADOSEXPERIMENTALES

4.1CONSIDERACIONESPREVIAS

Como sehadichoencaptulosanteriores, seensayaron tresespecmenes, llamadosEF1,ED1yER1, los cuales consistieron en un espcimen fuerte, un espcimen dbil y un espcimenreforzado. Estos especmenes se llevaron a diferentes niveles de dao, con el fin de hacercomparaciones entre cada uno de ellos. En los apartados siguientes de este captulo, sepresentarn las curvas de histresis que se obtuvieron de los tres ensayes y se harncomparacionesentre los resultadosexperimentalesobtenidosen cadaunode losespecmenesensayados, asmismo, sepresentarn todos los resultados yobservacioneshechasdurante laspruebas.

4.2ESPCIMENFUERTE(EF1)

Hayquesealarqueenesteprimerensayesepresentaronalgunosproblemasrelacionadosconelsistema de aplicacin de carga y con los transductores de desplazamiento (DCDTs). En primerlugarelsistemadeaplicacindecargatenaladesventajadetenerholgurasentrelosorificiosdelespcimeny lospernosdesujecinde lasvigasdelcabezal,estoprovocaba lecturaserrneasenlos transductoresdedesplazamiento,asmismo, lasplacasen formadeUque terminabandeconfinar el cabezalhacanque el espcimen tuvierauna concentracinde esfuerzos en ciertospuntoscomolosquesemuestranenlafigura4.2.1;estoocasionquelostransductorescolocadosen esa zona tuvieran lecturas errneas pues se presentaron agrietamientos excesivos ydesprendimientodelrecubrimiento;adicionalmente lostransductoresusadosnoeranadecuadosparalaprueba,yaquedebanestaradheridosalespcimenloqueocasionabaquelosvstagossedoblaranyaumentaranlasincertidumbresdurantelarecoleccindedatos,porlotantosedecidiconcluirlaprimerapruebacuandosealcanzunniveldecargadeaproximadamente20toneladas,pues los transductoresyanomedanadecuadamente; sinembargo,para losprimeros ciclosdecarga,se lograronobtenervaloresdedesplazamientoydedeformacinconfiables.Finalmenteyunavezquesecambiaronlostransductoresmostradosenlafigura4.2.2porlosdelafigura4.2.3,elespcimen fuerteoEF1, seprobnuevamente ante cargas cclicas lateraleshastauna cargamximade31.138toneladas,conlacualseobtuvolafallatotaldelespcimen.Esteespcimensesometiaun totalde6ciclosen su segundoensaye,en la tabla4.2.1 seobservan lascargasydesplazamientosmximosregistrados.

CAPTULO4

26

Fig.4.2.1Daosenelcabezaldebidosalaplacadesujecinyconfinamiento

Fig.4.2.2DCDTempleadoenelensaye1delFig.4.2.3DCDTempleadoenelensaye2delespcimenEF1espcimenEF1

4.2.1Anlisisdelostransductoresdedesplazamiento

En el primer ensaye del espcimen EF1 se observaron curvas de carga contra desplazamientocomolasquesemuestranenlafigura4.2.4;enellaspuedenobservarselosproblemasdelecturadedatos,yaque losDCDTs colocadosenel cabezalno registraron valoralguno; sinembargo,paralosprimerosciclosdecargasetienenvaloresmsadecuados;asmismo,ycomoseexplicarmasadelante, losdeformmetroselctricoscolocadosen lasbarras longitudinalesytransversalesreportaronvaloresmuyrepresentativos.


27

Fig.4.2.4Curvasdecarga lateralcontradesplazamientocorrespondientesalprimerensayedelespcimenEF1

Durantelaspruebasdeesteespcimenseobservlaaparicindegrietasenlacaraperpendiculara la direccin de la carga debidas a la flexin cuando se lleg a una carga aproximada de 5toneladas;aliraumentandolosnivelesdecargacomenzaronaaparecerlasgrietasproducidasporlafuerzacortante,yaquealllegaraunacargacercanaalas12toneladasaparecieronenlascaraslateralesdelespcimengrietasconunnguloaproximadode45grados;estosepuedeobservarenlasfiguras4.2.5.

Fig.4.2.5PatronesdegrietasobservadosenelespcimenEF1

LecturaserrneasdelosDCDTscolocadosenelcabezal

Lecturaserrneasde losDCDTscolocadosenelcabezal

10ton

5ton7ton

7ton

10ton10ton

20ton20ton

+12ton12ton

20ton+20ton

+20ton

+20ton

20ton

+10ton

+5ton+10ton

+10ton

+10ton+10ton

+10ton

12ton

+12ton

20ton

20ton

10ton

+10ton +12ton10ton

+20ton

20ton20ton

+20ton

20ton+20ton

+20ton

CAPTULO4

28

Enlafigura4.2.6sepresentalagrficadecargacontradesplazamientoparalosseisciclosdeloscualesconsisti lapruebafinal;enellasetienencurvasconunapendientemuycercanaaceroyconformesevanaumentandolascargaslospatronesdedeformacinsigueniguales,esdecir,quela rigidez del espcimen se fue degradando de forma paulatina y constante conforme seincrementaba lacarga.Asmismo,seobservaquepara losprimerostrescicloselreaentre loslazoshisterticosespequeaen tantoquepara losdosltimoscicloselreaentre los lazossehace mayor; esto es debido a la aparicin de grietas que produjeron que el espcimenincursionaraenelrangoinelsticodelosmateriales.Asmismo,seobservaunacurvaenformadeS invertida, locualescaractersticodelcomportamientoacortantede lascolumnas,segn lasinvestigacioneshechasporMaruyama,RamrezyJirsa(1984).

Se observ que durante la aplicacin de la carga en la direccin negativa (empujn) sobre elespcimen,seobtuvierondesplazamientosmayoresque losregistradosdurante laaplicacindecargaen ladireccinpositiva (jaln);estoesdebidoaldesprendimientodelrecubrimientoen laparteinferiordelespcimendebidoalaflexincomosemuestraenlafigura4.2.5.Sicomparamoslas curvas carga desplazamiento del primer ensaye de este espcimen con los del segundoensaye, podemos observar que para el segundo ensaye se tiene solo degradacin debido alcortante,yaqueloslazoshisterticossemuestranmsabiertosyenformadeSinvertida.

Fig.4.2.6GrficacargalateralcontradesplazamientodelespcimenEF1


29

Mximascargasydesplazamientosdelespcimen1(fuerte)

EmpujnCiclo Carga DCDT3 DCDT4 0 0 01 16.09 13.324 10.9362 20.434 13.958 12.2693 21.644 13.956 12.5684 26.907 13.954 15.1945 23.564 13.952 15.8136 31.138 13.95 19.234

JalnCiclo Carga DCDT3 DCDT4 0 0 01 15.993 2.864 3.2932 21.447 3.536 4.5913 21.442 3.454 4.8614 26.705 3.781 6.7195 25.976 2.876 6.7196

Tabla4.2.1.ValoresdecargalateralydesplazamientomximosdelespcimenEF1

4.2.2Anlisisdelosdeformmetrosenlasbarras

Con respecto a los deformmetros colocados en las barras longitudinales y transversales, sepudieron obtener resultados adecuados durante los dos ensayes realizados a este espcimen.Puestoqueserealizarondosdiferentesensayescondiferentesnivelesdecarga,seanalizarnporseparado las curvas de carga contra deformacin de las barras transversales y de las barraslongitudinalesdelosdosensayes.

En la grfica 4.2.7 se aprecian las curvas de histresis de uno de los deformmetros elctricoscolocadosenelrefuerzotransversalparaelprimerensaye;enellasepuedeobservarclaramenteunrango linealduranteelprimerciclodecarga,asmismo,seobserva lafluenciadelaceroconunacargaprximaalas12toneladas,locualcoincideconlaaparicindelasgrietasdiagonalesenlas caras paralelas a la direccin de la carga. Observando la grfica 4.2.7 se nota que en lasenvolventes presentan una simetra tanto a carga positiva como a negativa, esto nos conducedirectamentealaevidenciadequeeldeformmetromantuvoenambossentidosdeaplicacindelacargalosmismosnivelesdedeformacin,paralosmismosnivelesdecarga.

CAPTULO4

30

Fig.4.2.7GrficacargalateralcontradeformacindeunadelasbarrasderefuerzotransversaldelespcimenEF1

Las grficas carga contra deformacin del primer ensaye correspondientes a las barraslongitudinales semuestranen la figura4.2.8;enellas sepuedenobservar las variacionesenelcomportamientohisterticodeunamismabarraperoendiferentesseccionesdelespcimen,esdecir, la grficamarcada como Long 1 representa a un deformmetro localizado en la partesuperior,cercadelcabezalylagrficamarcadacomoLongI1muestraelcomportamientodelamismabarraperoenunaseccincercanaalabasedelespcimen.Sepuedeobservarqueparalosmismosnivelesdecargasetienenvaloresdiferentesdedeformacin,asmismo,para laseccinde la barra situada cerca del cabezal los lazos de histresis son ms abiertos que los lazosobtenidos en la seccin inferior. Este tipo de comportamiento se repite en todas las barraslongitudinales en las cuales se observa que para los extremos inferiores se tienen valores dedeformacindiferentesalossuperiores.

Fig. 4.2.8 Graficas carga lateral contra deformacin unitaria correspondientes a una mismabarralongitudinaldelespcimenEF1

Fluenciadelacero

Fluenciadelacero


31

Paraelsegundoensaye,setuvieron lasgrficasdecargacontradeformacincorrespondientesalas barras transversales mostradas en la figura 4.2.9. En ellas se observa un comportamientosimilaraldelprimerensaye,asmismo,semuestralafallatotaldelespcimenalaproximarsealas30toneladasdecarga.Nuevamentesepudeapreciar latendenciaamantener lasimetrade lasdeformaciones tanto a carga positiva como a negativa, lo cual est asociado a que en ambassituacioneslosdeformmetroselctricosestnsometidosaalargamientosportensin.Tantoenlagrfica4.2.7comoenla4.2.9,seobservaqueladeformacinmximaocurriantecargapositivayfueaproximadamenteun50%mayorque laproducidapor lacarganegativa;este fenmenosepuedejustificarsiseaceptaoreconocequehubieronexcentricidadesenlaaplicacindelacargaenelactuadorloqueharaqueunadelasramasactivasdelestribotuvieramayordesplazamientoque laramaparalela;estaexcentricidaden laaplicacinde lacargaesmuydifcildeeliminaryaqueelactuadornoestempotradoperfectamenteen susextremosy lasbielascolocadasa loscostados del espcimen fueron incapaces demantener la alineacin horizontal y central de lacargaaplicada.

Fig.4.2.9GrficacargalateralcontradeformacindeunadelasbarrasderefuerzotransversaldelespcimenEF1

Lasgrficascorrespondientesa lasegundapruebade losdeformmetroselctricoscolocadosenlasbarraslongitudinalessemuestranenlafigura4.2.10;enestasgrficassepuedeobservarquepara el deformmetro situado en la parte superior de la barra (grfica Long 1) se tiene uncomportamientomuydiferentealregistradoporeldeformmetrocolocadoenlaparteinferiordelabarra(grficaLongI1);estasituacinpuedetenersuorigenenelcambiodeposicinrelativadelosdeformmetroselctricosyaquenofueposiblemantenerdichaposicindurante laetapadehabilitadodelrefuerzo;estoconduceaquesieldeformmetroestenlalneaneutradelabarra,sucomportamientonoes influenciadoa tensinyacompresin,en tantoquesi laposicindeldeformmetroest fuerade la lneaneutra lacompresin induceexcentricidadesy flexiones lascualesnosetienenatensin,porloqueatensinyacompresinenlaparteinferiordelabarra,

CAPTULO4

32

lagrficaserepitedandoun lazorecalcadoentantoqueen lapartesuperiorel lazoesabierto,esto se ilustra en la figura 4.2.11. Tambin se observa que en ambas grficas no se llega a ladeformacindefluencialocualnosindicaquelasbarraslongitudinalesnofluyeron.

40

30

20

10

0

10

20

30

0.00070

0.00060

0.00050

0.00040

0.00030

0.00020

0.00010

0.00000

0.00010

0.00020

0.00030

0.00040

Cargalateral(Ton)

Deformacinunitaria

Cargavs.deformacinLong1

Primerciclo Segundociclo Tercerciclo

Cuartociclo Quintociclo Sextociclo

40

30

20

10

0

10

20

30

0.00100

0.00050

0.00000

0.00050

0.00100

0.00150

0.00200

Cargalateral(Ton)

Deformacinunitaria

Cargavs.deformacinLongI1



Fig. 4.2.10 Grficas carga lateral contra deformacin correspondientes a una misma barra

longitudinaldelespcimenEF1

Fig.4.2.11Barrassometidasacompresinyatensincondeformmetroselctricosendiferentesposiciones

Deformmetrocolocadosobrelalneaneutradecompresin

Deformmetrocolocadofueradelalneaneutradecompresin


33

4.3ESPCIMENDBIL(ED1)

ElespcimendbiloED1,seensaydeigualformaqueelespcimenfuerteesdecir,antecargascclicaslateraleshastaalcanzarunmximode17.437toneladas,(conlacualseobtuvolaprimerafluenciadelacero transversal);esto fueconel findedejarelespcimenconpocodaoparasuposteriorrehabilitacinyreforzamiento.


La grfica carga contra desplazamiento de este espcimen se observa en la figura 4.3.1. Esteespcimen se someti a un total de 9 ciclos. En la tabla 4.3.1 se observan las cargas ydesplazamientosmximosregistrados.

Laaparicindegrietasen lacaraperpendiculara ladireccinde lacargadebidasa la flexinseobserv alrededor de las 6 toneladas; al ir aumentando los niveles de carga se empezaron aformarlasgrietasproducidasporlafuerzacortante,yaquealllegaraunacargacercanaalas12toneladasaparecieronen lascaras lateralesdelespcimengrietasconunnguloaproximadode45grados,locualseobservaenlafigura4.3.2.

Fig.4.3.1GrficacargalateralcontradesplazamientodelespcimenED1

Enlagrficaanterior,seobservaqueparalosprimeros5ciclosdecargaqueactuaronsobreesteespcimenseobtuvieroncurvasconunapendientemuypronunciada, locualnos indicaquehayuncomportamientopredominantedeflexin,sinembargo,seobservaqueparalosltimosciclossetieneuncambioenlapendientedelascurvasprovocadoporladegradacindelarigidezantecargascortante,nuevamente,semuestraunacurvatpicadelcomportamientoporcortante.

CAPTULO4

34

Mximascargasydesplazamientosdelespcimen2(dbil)

Empujn

Ciclo Carga DCDT3 DCDT4 0 0 0

1 2.155 0.09 0.105

2 4.276 0.265 0.275

3 6.455 0.485 0.51

4 8.376 0.814 0.76

5 10.783 1.124 1.005

6 12.953 2.608 2.404

7 12.082 2.603 2.374

8 11.185 2.658 2.394

9 11.797 2.892 2.608

Jaln

Ciclo Carga DCDT3 DCDT4

0 0 0

1 2.15 0.11 0.123

2 4.28 0.348 0.373

3 6.462 0.503 0.583

4 8.645 0.658 0.808

5 10.869 0.923 1.073

6 13.04 1.752 1.962

7 17.437 2.906 3.311

8 16.455 3.091 3.506

9 17.403 3.37 3.83

Tabla4.3.1ValoresdecargalateralydesplazamientomximosdelespcimenED1

Fig.4.3.2PatronesdegrietasobservadosenelespcimenED1

12ton

12ton

5ton

8ton +6ton6ton

8ton+8ton

+12ton

+12ton

12ton+8ton

8ton

+8ton

+12ton

+12ton

+15ton

+15ton

+12ton

+15ton+12ton

+5ton +5ton

+15ton

+15ton

+12ton12ton

12ton8ton

+12ton

12ton 8ton+8ton


35


Lagrficacarga lateralcontradeformacindeunode losdeformmetroselctricoscolocadosenunade lasbarras transversalessemuestraen la figura4.3.3;enellaseapreciaquedurante losprimerosciclosdecargasetuvouncomportamientolinealmientrasqueapartirdelcuartocicloycercadelacargade5toneladasseobtuvounaprimerafluenciadelacero,sinembargo,nohubouna gran degradacin de rigidez sino hasta el sptimo ciclo, en el cual se aprecia una grandeformacin cercanade las12 toneladas,queeselpuntoenelqueempezaronaaparecer lasgrietasporcortante,enlosestudioshechosporMaruyama,RamrezyJirsa(1984),seexplicaqueenlosespecmenesensayadosnoseincrementabanlasdeformacionesenlasbarrastransversaleshasta que una grieta las cruzaba, situacin que ocurri durante este ensaye y que puedeobservarseenlascurvasdehistresis,yaqueapartirdelaaparicindelasgrietascercadelas12toneladas,lascurvassemuestranmsabiertas.

Fig. 4.3.3 Grfica carga lateral contra deformacin de una de las barras transversales delespcimenED1

Los resultados obtenidos de los deformmetros colocados en las barras longitudinales de esteespcimensemuestranenlafigura4.3.4,enellaseaprecianloscicloshisterticosparaunamismabarra condeformmetros colocadosen laparte superior (Long1)e inferior (Long I1), sepuedeobservar un comportamiento similar durante los primeros ciclos de carga en el deformmetrosuperior con lazosmsabiertosen losltimos ciclos.Paraeldeformmetro inferior se tuvierongrandes deformaciones para la carga positiva y deformaciones ms pequeas para la carganegativa.Ladiferenciaentrelasgrficaspuedesertambinatribuidaaquenoexistaunadecuadoanclajede lasbarrasenel cabezal y aqueen la zonadel cabezal se tenan rotacionesquenopermitanunempotramientoigualaldelabasedelespcimen.

CAPTULO4

36

15.000

10.000

5.000

0.000

5.000

10.000

15.000

20.000

0.0001000

0.0000000

0.0001000

0.0002000

0.0003000

0.0004000

0.0005000

0.0006000

0.0007000

0.0008000

0.0009000

Cargalateral(Ton)

Deformacinunitaria


Primerciclo Segundociclo Tercerciclo Cuartociclo Quintociclo

Sextociclo Septimociclo Octavociclo Novenociclo

15.000

10.000

5.000

0.000

5.000

10.000

15.000

20.000

0.0010000

0.0005000

0.0000000

0.0005000

0.0010000

0.0015000

0.0020000

Cargalateral(Ton)

Deformacinunitaria




Fig.4.3.4GrficacargalateralcontradeformacindeunadelasbarrasderefuerzolongitudinaldelespcimenED1

4.4ESPCIMENREFORZADO(ER1)

ElespcimenreforzadooER1,seensaydeigualformaquelosdosanteriores,hastaalcanzarunmximode33.047toneladas;anteestosnivelesdecarga,setuvoquedetenerlapruebayaquelabasedelespcimen(queyahabasidoensayadoanteriormentecomoED1)presentabadaosmuyseverosloqueimpedacontinuarlapruebaencondicionesdeseguridadadecuadas,noobstante,seobtuvierondatossignificativosquesepresentanen lagrfica4.4.1yen loscualessemuestrauncomportamientobiendefinidoantelascargascclicasqueactuaron.


Lascurvasdehistresisobtenidasenesteensayesemuestranmuysimtricasencomparacindelasobtenidasenlosensayesanteriores;asmismo,seobservauncomportamientomsregularentodoslosciclosylasreasentreloslazosdehistresisseencuentranbienmarcadasyaintervalosmsomenos iguales.Seobservque tanto lacargaaplicadacomoeldesplazamiento lateralalfinalde laprueba superaron los valoresque sehabanobtenido conelespcimenEF1, lo cualindicaquehubounmayorconfinamientode laseccinporpartede lasfibrasdecarbono loquepermitiaumentarsucapacidadacortanteysuductilidad.Enlassiguientesseccionesserealizaruncomparativodeloscicloshisterticosdelostresespecmenes.

Paraesteespcimennosepudieronobservargrietasyaqueestabarecubiertopor lasfibras,sinembargo,sehicieronevidenteslosdaosproducidosenlaszonasadyacentesalrecubrimientoconfibrayenlabaseyelcabezaldelespcimen,comosemuestranenlafigura4.4.2


37

Fig.4.4.1GrficacargalateralcontradesplazamientodelespcimenER1

Fig.4.4.2ZonascondaosobservadasenelespcimenER1

CAPTULO4

38

Mximascargasydesplazamientosdelespcimen3(reforzado)

Empujn

Ciclo Carga DCDT3 DCDT4 0 0 0

1 5.367 0.725 0.715

2 10.794 1.529 1.374

3 9.873 1.449 1.239

4 11.68 1.824 1.604

5 14.095 2.628 2.304

6 14.061 2.723 2.368

7 18.73 4.147 3.388

8 22.38 6.09 4.816

9 21.765 6.71 5.201

10 26.621 9.618 7.329

11 29.249 12.246 9.403

12 32.731 16.097 12.216

Jaln

Ciclo Carga DCDT3 DCDT4

0 0 0

1 5.389 0.558 0.773

2 10.767 1.747 2.017

3 9.586 1.413 1.752

4 14.313 2.447 2.796

5 14.281 2.452 2.831

6 18.224 3.086 3.761

7 22.12 4.34 5.584

8 22.314 4.79 6.379

9 25.419 5.964 8.092

10 28.658 7.568 10.096

11 33.047 9.441 12.574

12

Tabla4.4.1ValoresdecargalateralydesplazamientomximosdelespcimenER1


Losdatos registradospor losdeformmetroselctricoscolocadosen lasbarras transversalesdelespcimensepuedenobservaren lafigura4.4.3;enestagrficaseobservauncomportamientosimilarentre losciclosyentre lascargaspositivasynegativas; tambinpodemos inferirque losvaloresdedeformacinparalosprimerosciclossonmayoresalosobservadoscuandoseensayelespcimenporprimeravez(ED1)yaqueelacerohaballegadoasupuntodefluenciaenaquellaprimeraprueba.


39

Fig. 4.4.3 Grfica carga lateral contra deformacin de una de las barras transversales delespcimenER1

Con referencia a las barras longitudinales, podemos observar en la figura 4.4.4 que para unamismabarrainstrumentadaensusextremos,setienengrficasdiferentes;podemosdeducirquelosdatosregistradospor losdeformmetroselctricosen lapartesuperiordelespcimensonuntanto menos representativos debido a que, como se ha dicho antes, se tuvieron algunosproblemasconelsistemadeaplicacindecarga loscuales impidieroneldesarrollocorrectodelmecanismodeempotramientoenelcabezaldelespcimen.Sinembargo,losdatosrecopiladosenesteensayesoncoherentescon losdatosobtenidosenelensayedelespcimenED1.En lasdosgrficasseobservaque loscicloshisterticosestnmuycercanos, loquesignificaquenohayungrandeteriorode lasbarras;asmismo,seobservaqueparaunacargasuperiora30 toneladasaunnosehallegadoalafluenciadelasbarraslongitudinales.

40.000

30.000

20.000

10.000

0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

0.0004000

0.0002000

0.0000000

0.0002000

0.0004000

0.0006000

0.0008000

0.0010000

0.0012000

0.0014000

Cargalateral(Ton)

Deformacinunitaria


Primerciclo Segundociclo Tercerciclo Cuartociclo

Quintociclo Sextociclo Septimociclo Octavociclo

Novenociclo Decimociclo Onceavociclo Doceavociclo

40.000

30.000

20.000

10.000

0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

0.0020000

0.0015000

0.0010000

0.0005000

0.0000000

0.0005000

0.0010000

0.0015000

0.0020000

0.0025000

0.0030000

Cargalateral(Ton)

Deformacinunitaria





Fig.4.4.4GrficacargalateralcontradeformacindeunadelasbarrasderefuerzolongitudinaldelespcimenER1

CAPTULO4

40

4.5COMPARACINDELOSCICLOSDECARGA

Enestaseccinseharunacomparacinentrelostresespecmenes(EF1,ED1yER1)loscualesseprobaronantecargascclicascomoyasehadichoanteriormente;enlasgrficasdelafigura4.5.1,semuestranciclossimilaresencuantoanivelesdecargalateralalcanzados;enlaprimeragrficasemuestra que para el ciclo del espcimen EF1 hubo un desfasamiento en la grfica hacia laizquierda con respectoa losotrosdosespecmenes, situacinque sevolvia repetiren ciclosposteriores.Estopuedeexplicarseporelaplastamientodelconcretoocurridoenlauninentreelespcimeny labasedurante lacarganegativa, locualsepuedeobservaren lafigura4.2.5,estemismoaplastamientodel concretodebiocurriren laparte superiorde la caraparalelaaesteagrietamiento, sin embargo,no sepresent este agrietamientodebido a la imperfeccin en lasujecindelcabezal,locualpermitiunaligerarotacinenelcabezal,locualpuedeobservarseenlasgrficasde lasfiguras4.5.2,4.5.3,4.5.4y4.5.5.Asmismo,estefenmenodecorrimientodelos cicloshisterticosdel especimen EF1pudo ser fuertemente influenciadopor el corrimientolateraldelasvigasdesujecinalosladosdelcabezal.

ComparativoantenivelesdecargasimilaresdelosespecimenesEF1,ED1yER1

ComparativoantenivelesdecargasimilaresdelosespecimenesEF1yER1

Fig.4.5.1Graficascomparativasdecicloshisterticosdecargalateralcontradesplazamiento


41

4.5.1Rotacionesdelcabezalydelabase

En loreferentea lascurvasdehistresisde losDCDTscolocadosen labaseyenelcabezaldelespecimen, seobservque los instrumentos colocados en el cabezalno tuvieron lecturasmuyprecisasyaquenosepodatenerunmecansmodeempotramientomuyeficiente.

De las grficas en las figuras 4.5.2, 4.5.3, 4.5.4 se observa que losDCDTs correspondientes apuntossometidosa tensionpresentanalnivelde 16 toneladasenelespcimen fuerteyde13toneladas en el caso del especiemen dbil una plataforma parecida a la fluencia del acerolongitudinal. Revisando los deformmetros elctricos instrumentados en estas barraslongitudinalesquetambinestabanatensin,seobservqueningunadedichasbarrasalcanzlasdeformacionesdefluencia.Laexplicacinojustificacindeestasplataformasdefluenciaenloscicloshisterticosdelasrotaciones,sepuedenencontraralrecordarquelaadherenciamecnicadelascorrugacionesdelasbarraslongitudinalesconelconcretocircundanteaellasalcolapsarsegradualmente producen grandes desplazamientos a tensin, los cuales ya no se repiten en losciclossubsiguientes,yaqueestafalladelaadherenciamecnicaunavezocurrida,yanoescapazde repetir la trayectoriade la curvaorignalpero ses capazdealcanzar losnivelesde carga,amenosque sepierda totalmente laadherenciade toda la longituddeanclajede labarra.Estefenmeno solamente ocurre a tensin y jams a compresin ya que esto implicara elaplastamientodelconcretodelabase,locualnosucedienelespcimen;tampocosucediestefenmeno en el espcimen en el cual se infiltraron las piezas con resina epxi y se le reforzadicionalmenteconlasbandasdefibradecarbono,lascualesrestauraronelconcretocircundantey resistieron la tensiones provocadas por la aplicacin de las carga generados de esfuerzos atensinenlabasedelazonatildelosespecmenes.Loanteriorseesquematizaenlafigura4.5.5.

Fig.4.5.2Grficasde rotacionesen labaseycabezaldelespcimenEF1correspondientesa laprimeraprueba

CAPTULO4

42

Fig.4.5.3GrficasderotacionesenlabaseycabezaldelespcimenED1

Fig.4.5.4GrficasderotacionesenlabaseycabezaldelespcimenER1

Fig.4.5.5Prdidadelaadherenciamecnicadelasbarrasyelconcreto


43

0.400

0.300

0.200

0.100

0.000

0.100

0.200

0.300

0.0001000

0.0000000

0.0001000

0.0002000

0.0003000

0.0004000

0.0005000

0.0006000

Carga(Ton

)

Deformacinunitaria

BielaN1



0.400

0.300

0.200

0.100

0.000

0.100

0.200

0.300

0.0002000

0.0001000

0.0000000

0.0001000

0.0002000

0.0003000

0.0004000

0.0005000

0.0006000

Carga(Ton

)

Deformacinunitaria

BielaS1



4.6ANLISISDELCOMPORTAMIENTODELASBIELAS

Como sedijoanteriormente, se colocarondeformmetroselctricosendosde las cuatrobielasparaconocerlosnivelesdedeformacinenestas,ascomoparamonitorearsucomportamientoysobretodoasegurarsedelacorrectaaplicacindelascargasalespcimenmedianteelactuador;cuandoseaplicaronlascargasnegativas,dosbielaspermanecanentensinmientrasquelasotrasdospermanecanacompresin,demanerasimilar,cuandosecambiabaelsentidodelacarga,lasbielasatensinsesometanacompresinylasqueestabanacompresinsesometanatensin,estopuedeobservarseen la figura4.6.1 (a), (b)y (c)endondesepresentan lasgrficascarga deformacincorrespondientesa lasbielas instrumentadasparacadaunode lostresensayes.Entodos los casos, las deformaciones mximas alcanzadas son pequeas en comparacin con ellimitedeproporcionalidaddelacero;yenelcasode losespecmenesEF1yER1queestuvieronsometidosanivelesdecargaelevados,observamosque ladeformacinmximaalcanzadaenelacero de las bielas es de aproximadamente 0.0005, que corresponde a un esfuerzo de 1050kg/cm2yqueestmuypordebajodelos2300kg/cm2correspondientesalesfuerzodefluenciadelacero.

Sinembargo, laprincipaldiscordanciaen losparesdegrficosmostrados,ocurreenelmomentoenelqueelespcimense regresaasuposicinoriginalyseprocedea invertirelsentidode lacarga; esto puede entenderse si pensamos que para los niveles de carga aplicados a losespecmenes, se tuvieron agrietamientos que posiblemente produjeron distorsiones; ademsrecordemosquese tuvieronalgunas rotaciones relativasentreelcabezaly lasvigasdesujecindebidoalasholgurasexistentesentrelosagujerosdelcabezalylasvigasdesujecin.Lasbielasnosufrierondaopermanenteensucuerponiensusconexionesyseverificalfinaldecadaensayequenoexistieranholgurasenlasarticulacionesdebidoalaconcentracindeesfuerzos.

Fig.4.6.1GrficascargacontradeformacindelasbielasN1yS1duranteelsegundoensayedel

espcimenEF1

CAPTULO4

44

0.150

0.100

0.050

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.0001000

0.0000500

0.0000000

0.0000500

0.0001000

0.0001500

0.0002000

0.0002500

0.0003000

Carga

(Ton)

Deformacinunitaria

BielaN1



0.150

0.100

0.050

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.0001500

0.0001000

0.0000500

0.0000000

0.0000500

0.0001000

0.0001500

0.0002000

Carga

(Ton)

Deformacinunitaria

BielaS1



0.400

0.300

0.200

0.100

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.0001000

0.0000000

0.0001000

0.0002000

0.0003000

0.0004000

0.0005000

0.0006000

Carga(Ton

)

Deformacinunitaria

BielaN1




0.400

0.300

0.200

0.100

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.0002000

0.0001000

0.0000000

0.0001000

0.0002000

0.0003000

0.0004000

0.0005000

0.0006000

Carga(Ton

)

Deformacinunitaria

BielaS1




Fig.4.6.2GrficascargacontradeformacindelasbielasN1yS1delespcimenED1

Fig.4.6.3GrficascargacontradeformacindelasbielasN1yS1delespcimenER1

4.7APARICINYPROGRESINDEGRIETAS

Enlasfiguras4.2.5y4.3.2semuestranlasgrietastotalesqueaparecieronenlas4carasdelosdosprimerosespecmenes;ademssemuestranlosaplastamientosquesetuvieronenalgunasreasreducidasubicadasen launindelespcimeny labase.Enprimer lugar,aparecieron lasgrietaspor flexin tanto a carga positiva como a carga negativa a un nivel de carga aproximado a 5toneladas y que estn a similar altura, despus surgieron mas grietas horizontales a las 10toneladas para el espcimen EF1 y a las 8 toneladas para el espcimen ED1, lo que sugierenuevamenteuncomportamientoporflexin;posteriormente,aparecierongrietascercadelas12toneladasenambosespecmenes,coninclinacionesmuycercanasalos45yqueestnasociadasal comportamiento por cortante, dichos agrietamiento se tuvieron en ambas direcciones. Lasgrietas por flexin en los especmenes aparecieron en las caras normales a la direccin delactuador y se propagaron en las caras laterales que es donde predominaron las grietas porcortante. En estos especmenes las grietas por flexin fueron escasas mientras que en elespcimenEF1seobservunamayorcantidaddegrietasdiagonalesqueenelespcimendbil.Elfenmenodeaparicinde lasgrietasen losdosprimerosespecmenesno tuvounaprogresinmayoralaobservadaaciertosnivelesdecarga(20toneladasenelespcimenEF1y15toneladas


45

en el espcimen ED1), sino que una vez que aparecieron y se desarrollaron las grietas noaparecieron nuevas, simplemente las existentes ampliaron su ancho conforme aumentaba lacarga.

Esimportantesealarqueenambosespecmenesqueposeangrandesdiferenciasenelrefuerzotransversal,aparecieronlasgrietasdiagonalesaproximadamentealas12toneladas,locualpuedeexplicarseporlafragilidaddelconcretoelcualesmuysensiblealosesfuerzosporcortanteantesdelagrietamientocuando todavanohay influenciade lacuantadel refuerzo transversal.Todoesto nos conduce a la idea de que antes de que surjan las grietas por cortante, no influye lacuantani laseparacinde losrefuerzostransversalesysolamentesenotasu influenciaunavezquehanaparecidolasgrietas.Observandolafigura4.2.7quecorrespondealosprimerosciclosdecargacontradeformacinunitariacaptadosporeldeformmetroelctricoTrans3colocadoenuna de las ramas activas de los estribos del espcimen EF1, se puede observar que hayprcticamenteunacoincidenciaentreelniveldecargadecargade12toneladasy lafluenciadelacero de los estribos, mismo comportamiento que puede observarse en la grfica 4.3.3 delespcimendbil;enesteinstantefuedondelagrietayafuevisible,esimportantesealarquelasgrietasfueronmarcadasenlaspausasenlasqueterminabanlascargasmximasparacadaciclo,aunque lasgrietasenocasiones ya sehabanempezadoa formar incipientementeanivelesdecargainferiores.Seconcluyedetodoestoquelasgrietaseranapreciablesenfuncindelafluenciadelacero locualsucedaa losmismosnivelesdecargasin importar lacuantaoseparacindelacerotransversal.

Unavezabiertaslasgrietasnosemonitoredurantelaspruebaselaumentoensuancho,tambinhayquemencionarqueenelespcimenEF1nosetuvoaccesoalasgrietasdeunadelascarasporlapresenciadeLEDs;estaaesunade lascausaspor lascualesseobservaunmayornmerodegrietasenunade lascarasparalelasalsentidodeaplicacinde lacarga.Lasgrietasformadasenlosdosprimerosespecmenesestnclaramentediferenciadasentrelasgrietasdeflexinylasdetensindiagonalpor loqueno sepuedehablardeuna interconexinde grietasde cortante yflexin que condujeran a mecanismos de friccin entre bloques aislados de concreto. Para eltercerespcimenalestartotalmenterecubiertoensuscarasporlasfibrasdecarbononosepudoobtener informacinalguna sobre lasgrietasenelmismo, sinembargo, seobservarongrandesagrietamientosen labase, raznpor laquenosecontinu laprueba.Enestadiscusinsolosepresentanlasgrficasrepresentativasrelacionadasconlosaparatosdemedicincolocadosenlostresespecmenes,todaslasgrficasobtenidasdelainstrumentacinsepresentanenelanexoE.

El mecanismo de falla observado hacia el final del ensaye del espcimen EF1 consisti en laprdidadelconcretoexteriorde lascarasqueposeangrietasporcortanteydelaplastamientoycombadura final del concreto de las caras con grietas por flexin. En el instante de la falla, elespcimen EF1 ya no tena mucha capacidad de resistencia con una seccin transversal muydisminuida.EnlasfotosI.2aI.9delanexoIseaprecianlasgrietasiniciales,unaetapaintermediayelestadofinalenquequedelespcimenEF1.

ParaelcasodelespcimenED1,nosellegalmecanismodecolapsototaldelespcimenfuerteyaquesecontrolelensayecondesplazamientodelactuadorysedecidisuspenderelensayeantesdequesucedieraeldeteriorotandrsticopresentadoenelespcimenEF1.EnlasfotografasI.12aI.15delanexoIseobservanlasgrietasinicialesyelestadofinaldelespcimenED1.

CAPTULO4

46

En el espcimen reforzado con las fibras de carbono (ER1), como se ha dicho antes no seobservarongrietasyaqueestabarecubiertoentodasusuperficiepor lasfibras,sinembargo, lascurvas carga lateral contra desplazamiento,muestran un aumento en su capacidad de resistircargaslateralesydeproducirdesplazamientos,estonosconducealaideaquelasfibrasayudanatenerunamayorductilidadenelementosdeestetipopuestoqueseveaumentada lacapacidaddedesplazamiento lateral,sinembargo,hayqueconsiderarqueelaumentoen laresistenciadelelementoreforzadodebeveniracompaadoconunincrementoenlaresistenciadeloselementosa loscualesestunidoyaque,comoseobserven losensayes, loselementossin refuerzosonsusceptiblesdesufrirgrandesdaos,puestoquelafibraproporcionaungranrefuerzo.

Finalmente,podemosdecirqueelmodode fallaobservadoen losespecmenesEF1yED1, fuedirectamente influenciadopor las fuerzas cortantes,mientrasqueparaelespcimen reforzadoconlasfibrasdecarbono(ER1)setuvounincrementodelacapacidaddedesplazamientoydelaresistenciaantecargaslaterales,perodesafortunadamenteelmalestadodelabaseydelcabezalimpidieronelobservarelmecanismodefallafinaldelmismo.Estoltimoesdegranimportanciayaquelanicaformadedarsecuentadeldeteriorodelespcimenesconlascurvasdehistresisdecarga lateralcontradesplazamiento,yaqueelespcimenestabarecubiertoensus4caras, loqueimpidiobservareldaorealsufridoporelespcimennoobstantequesetenanevidenciasdelgrandaoregistradoenlabaseycabezalloscualesnoestabanrecubiertosconCFRP.

47

CAPTULO5

MODELOANALTICO

5.1ANTECEDENTES

Laideadequeunavigadeconcretoconrefuerzoenelalmapuedeidealizarsecomounaarmaduradecuerdasparalelasesunconceptoquehaexistidoen lasestructurasdesdeprincipiosdelsigloXX(analogadelaarmadura);estaanalogaimplicaqueelrefuerzoporcortante(estribos)deunavigadeconcretoreforzadoequivalealosmiembrosentensindeunaarmadura,queelrefuerzopor flexinpuederepresentarsepor lascuerdassuperioreso inferioresyque lasdiagonalessonrepresentadasporpuntalesdeconcretoquetienenunciertongulodeinclinacin.Sinembargo,la analoga de la armadura, puede considerarse como un caso particular de un mtodo msgeneralllamadodepuntalesytensores(strutandtie).

Elmtododepuntalesytensoresesunaanalogade laarmaduraperomsgeneralypuedeseraplicado a una variedad de situaciones de diseo, especialmente en donde se tienendiscontinuidades tambin llamadas regionesD;esdecir,enunavigadeconcretopuedenexistirdostiposderegiones,lasregionesDenlascualespuedenhabercargasconcentradasosetienendiscontinuidadesdebidasacambiosabruptosenlageometrayenlasquelateoradevigasenl

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