Adherencia y Anclaje y Longitud de Desarrollo

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

ADHERENCIA, ANCLAJE Y LONGITUD DE DESARROLLO

Adherencia, Anclaje y Longitud de Desarrollo ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL – CONCRETO ARMADO I

TRABAJO DE INVESTIGACION CONCRETO ARMADO I

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1.1) Introducción

En un elemento de concreto reforzado, es indispensable que exista adherencia entre el acero de refuerzo y el concreto que rodea el acero, de manera que ambos materiales trabajen juntos logrando la acción compuesta. Por ejemplo, en una sección fisurada de una viga de concreto armado en flexión simple, las compresiones originadas por la flexión son resistidas por el concreto mientras que las tracciones las soporta el acero de refuerzo. Para que exista este trabajo conjunto concreto – acero, debe existir transferencia de esfuerzos a adherencia entre los dos materiales. Si no existiera adherencia, las barras de refuerzo deslizarían dentro de la masa de concreto sin encontrar resistencia en toda su longitud y no acompañarían al concreto en sus deformaciones. Al fisurarse el concreto se producirá una falla brusca, la resistencia de la viga será prácticamente la correspondiente al agrietamiento del concreto en tracción por flexión, es decir como si el refuerzo de acero no existiera. La figura 21-1 (adaptada de Nilson)ilustra esta situación en una viga simple sin adherencia entre concreto y acero.

Fig. 21-1 Viga sin adherencia entre el acero y el concreto

Situaciones como las indicadas en la figura 21-1 son frecuentes cuando se emplean barras lisas, sin corrugaciones. Si bien existe algo de adherencia entre las barras y el concreto, provenientes de la adhesión y la fricción, estos mecanismos se vencen fácilmente. La fricción se encuentra afectada por el efecto de Poisson que reduce el diámetro de las barras en tracción, en consecuencia es indispensable proveer anclajes mecánicos (los ganchos a 180º eran muy frecuentes) en todas las terminaciones de las barras. En el caso en el cual las barras tengan un anclaje mecánico en sus extremos, como por ejemplo un gancho a 90º 0 180º, la situación seria un tanto distinta adherencia, la viga trabajará como un arco con un tirante constituido por el acero de refuerzo. La tracción en el tirante es prácticamente

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constante a lo largo de la viga, igual al momento flector al centro dividido entre el brazo de palanca jd. El comportamiento de la viga no sería “bueno” ya que mostraría mucho agrietamiento y deflexiones excesivas debido a que la elongación o estiramiento del acero sería mucho mayor que la correspondiente al caso en el cual sí existe adherencia. La figura 21-2 (adaptada de Nilson) ilustra el mecanismo de arco que se produce en una viga con baja adherencia, es indispensable que el tirante esté firmemente anclado en los extremos, en caso contrario al agrietarse el concreto la viga colapsa.

Fig. 21-2 Acción de acero con tirante en una viga con poca adh erencia.

Gracias a la adherencia, las barras de refuerzo pueden trabajar, inicialmente, a la vez que el concreto y después, cuando éste se fisura, lo hacen de forma más o menos regularmente distribuida a lo largo del elemento. La adherencia permite que el acero de refuerzo tome los esfuerzos de tracción, manteniendo la unión entre los dos materiales en las zonas entre fisuras. La adherencia cumple fundamentalmente dos objetivos: 

Asegurar el anclaje de las barras de refuerzo.



Transmitir los esfuerzos cortantes que aparecen en la periferia de las armaduras como consecuencia de las variaciones en los esfuerzos longitudinales de las mismas.

El segundo objetivo es consecuencia de las variaciones de los esfuerzos longitudinales (tracción o compresión) en las armaduras de refuerzo. Para que p ueda ocurrir esta variación, es necesario que se transmitan esfuerzos de las barras al concreto. Por lo tanto, en todos los casos en que los esfuerzos de las barras cambien de un punto o sección a otro, será necesario que se desarrollen esfuerzos de adherencia. 1.2 Mecanismos que Originan la Adherencia

La adherencia o resistencia al deslizamiento se origina por dos fenómenos: uno de naturaleza física (o físico - química) y otros de naturaleza mecánica. El primero genera la adhesión del acero con el concreto, a través de fuerzas capilares y moleculares que se desarrollan en la interfase. Es como si el acero absorbiese pasta cementante. El segundo, más importante que el anterior, proviene de la resistencia al deslizamiento debida a la penetración de la pasta de cemento en las irregularidades de la superficie de las barras de refuerzo. Esta causa de origen mecánico, puede denominarse rozamiento o fricción y es la que


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produce la mayor parte de la adherencia en las barras lisas (hoy en día prácticamente en desuso) y varía notablemente con el estado de la superficie del refuerzo. En el caso de barras corrugadas, a la fricción se le añade el efecto de acuñamiento o de apoyo directo de las corrugaciones o resaltos de ¡as barras contra el concreto circundante. En las barras corrugadas este efecto es el más importante. Los dos primeros mecanismos, adhesión y fricción, son los únicos presentes en las barras lisas. El primero es un mecanismo débil que se vence fácilmente cuando la barra está en tracción. Vencida la adhesión el único mecanismo que resta es la fricción. Al aumentar la carga, la fricción se debilita ya que las barras por efecto de Poisson, reducen su diámetro, por este motivo las barras lisas necesitan anclajes del tipo mecánico (normalmente ganchos) en sus extremos. En las barras corrugadas también están presentes estos mecanismos, sin embargo, la adhesión queda anulada cuando el deslizamiento de la barra alcanza una cierta magnitud. La fricción y las fuerzas de acuñamiento son las únicas que quedan, no siendo posible separar ambos efectos, sin embargo, las fuerzas de acuñamiento son las más importantes. Las fuerzas de acuñamiento dependen de las características de las corrugaciones de las barras de refuerzo. La figura 21-3 (CEB, 2000) muestra la evolución de los diversos mecanismos que generan la adherencia. Las fallas de adherencia se desarrollan en cuatro grandes etapas, estas son: 1.) A esfuerzos de adherencia bajos, están presentes los tres grandes mecanismos (adhesión, fricción y fuerzas de aplastamiento sobre el concreto o efecto de acuñamiento). No existe desplazamiento relativo de la barra con respecto al concreto que la circunda. El único movimiento de la barra proviene de la deformación elástica del concreto circundante. 2.) Se inicia el deslizamiento del acero. Se forman micro fisuras transversales a la barra detrás de las corrugaciones. Restan dos mecanismos, la fricción y el aplastamiento que producen las corrugaciones sobre el concreto. 3.) Las microfisuras se propagan radialmente hacia afuera. El confinamiento que provee el concreto circundante y/o el refuerzo transversal presente resiste la propagación de las grietas. La trituración (aplastamiento o crushing) local del concreto al frente de las corrugaciones acelera el deslizamiento y reduce la pendiente del diagrama (ver figura 21-3). 4.) Finalmente ocurre la falla de adherencia ya sea por extracción (pullout) de la barra o por excesivo agrietamiento del concreto (agrietamiento por adherencia). La falla de extracción ocurre en presencia de fuerzas de confinamiento importantes Como las producidas por refuerzo transversal a las barras (estribos a poco espaciamiento o una espiral envolviendo a la barra).


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Fig. 21-3 Esfuerzos de adherencia y deslizamiento de la barra.

La figura 21-4 (adaptada de MacGregor) ilustra el mecanismo de apoyo directo de las corrugaciones o resaltes de las barras sobre el concreto circundante, también lo hemos llamado efecto de acuñamiento. La corrugación de la barra se “apoya” sobre el concreto generando

aplastamiento, el ángulo de inclinación de estas fuerzas depende de muchas variables, entre ellas las características de los resaltes. Las fuerzas en el concreto pueden descomponerse en una componente tangencial o longitudinal y una componente radial. Esta última genera esfuerzos circunferenciales de tracción en el concreto que producen agrietamiento (split o hendidura) y cuando el agrietamiento se propaga hasta la superficie del elemento se produce la falla de adherencia.

Fig. 21-4 Mecanismo de apoyo directo de las corrugaciones


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Las fallas de adherencia en una viga siguen a las barras de refuerzo a lo largo del fondo o las caras laterales de la viga tal como se muestra en la figura 21-5 (Nilson)

Fig. 21-5 Fallas de adherencia en una viga.

La figura 21-6 (adaptada de MacGregor) muestra algunas de las superficies típicas de adherencia en una viga de concreto armado. Los círculos concéntricos que se han dibujado alrededor de las barras, simbolizan el cilindro de concreto que está más afectado por las tracciones inducidas por las fuerzas radiales sobre el concreto producto del apoyo de las corrugaciones (véase la figura 21-4 c). Las dimensiones de este cilindro se pueden estimar, de manera gruesa, imaginando un círculo de diámetro 1.5 db(db es el diámetro de la barra) con centro en la barra de refuerzo. Cuando el círculo toca alguna de las superficies de la viga puede producirse una grieta de adherencia. Estas grietas tienden a desarrollarse a lo largo de la distancia más corta entre una barra y la superficie del elemento o entre dos barras. De la observación de esta figura se desprende nuevamente la importancia de ser exigente con los recubrimientos y con el espaciamiento mínimo entre barras de refuerzo.


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Fig. 21-6 Superficies típicas asociadas con fallas de adherencia (splitting o hendidura).

La figura 21-6 también permite imaginar la influencia que tiene el refuerzo transversal en el control de la falla de adherencia. Por ejemplo, si la barra estuviese rodeada por una espiral de acero, las grietas de adherencia estarían interceptadas por el refuerzo aumentando de manera importante la resistencia. También los estribos con poco espaciamiento, interceptan a las potenciales grietas restringiendo su crecimiento. La carga a la cual puede desarrollarse una falla de adherencia depende de: a) La distancia entre la barra y la superficie del elemento o de la distancia a la barra próxima, la que sea menor. Cuanta más pequeña sea esta distancia menor será la carga de falla. b) La resistencia a la tracción del concreto. c) La intensidad promedio de los esfuerzos de adherencia. Cuantos mayores sean los esfuerzos de adherencia mayores serán las fuerzas radiales de tracción que obran sobre el concreto. d) La presencia de refuerzo transversal que retarde el crecimiento de las grietas por hendidura. Si el recubrimiento y el espaciamiento entre barras son grandes, en comparación al diámetro de las barras, puede ocurrir una falla de extracción (pullout) en la cual la barra y un cilindro de concreto adherido a ella, tangente a la parte superior de las corrugaciones, se sale del elemento. 1.3 Esfuerzos de Adherencia en una Viga

La figura 21-7 muestra el diagrama de cuerpo libre de un pedazo (cercano al apoyo) de una viga y el diagrama de la barra de refuerzo con las fuerzas de adherencia necesarias para mantener el equilibrio de la misma. Si las fuerzas de adherencia desaparecen, las barras serían incapaces de tomar los esfuerzos de tracción, las barras se “saldrán” delconcreto causando el colapso de la viga, salvo que en sus extremos tengan algún tipo de anclaje mecánico.

Fig. 21-7 Esfuerzos de adherencia en las barras de refuerzo.


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En todos los casos en que los esfuerzos de las barras cambien de un punto o sección a otro, será necesario que se desarrollen esfuerzos de adherencia. Esta situación se ilustra en el diagrama de cuerpo libre mostrado en la parte inferior de la figura 21-7, si la fuerza 72 es mayor que 77, en la superficie de la barra deberán producirse esfuerzos de adherencia para mantener el equilibrio de la barra en la dirección de la misma. El equilibrio horizontal exige:

Las ecuaciones 21-1 y 21-2 son equivalentes y representan el esfuerzo de adherencia promedio necesario en la longitud L (ó Ax) de la barra para mantener el equilibrio de la misma. Se denomina promedio porque no toma en cuenta las fuertes variaciones en la intensidad de la adherencia que se producen dentro del segmento de barra analizado. El esfuerzo real de adherencia en un punto puede obtenerse de 21-1 considerando una longitud de barra L muy pequeña.

Para diferenciar ei esfuerzo de adherencia promedio del real, consideremos un segmento de viga entre dos grietas consecutivas en una viga sometida a flexión pura. El segmento se indica en la figura 21-8 (Nilson) junto con la variación de las fuerzas de tracción en el acero (figura c). Ya que entre las grietas el concreto resiste tracciones, es evidente que el esfuerzo en las barras de refuerzo debe variar entre ellas. La tangente a la curva de variación de las tracciones (dT/ dx) es directamente proporcional al esfuerzo de adherencia real presente en ese punto como lo indica la ecuación 21-4. Sin embargo el esfuerzo de adherencia promedio entre las dos grietas es nulo ya que el cambio de tracción en la barra también lo es (ecuación 21-2). En consecuencia los esfuerzos de adherencia deben variar como se indica en la figura d, con una resultante horizontal neta nula.


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Analicemos ahora el caso de una viga en flexión simple como la mostrada en la figura 21- 9. Se ha aislado un segmento de la viga de longitud Ax comprendido entre dos grietas de flexión. Asumiremos que el concreto no resiste tracciones y que existe una sola barra de refuerzo en el lecho inferior.

Fig. 21-9 . Esfuerzos de adherencia en un segmento de viga en flexión simple.

La fuerza en ¡a barra en la zona de la grieta y el esfuerzo promedio de adherencia son:

Si existen varias barras de refuerzo la ecuación 21-6 se convierte en:

Las ecuaciones 21-6 y 21-7 permiten calcular el esfuerzo promedio de adherencia que existe en las barras de tracción entre dos grietas. Demuestran que el esfuerzo promedio es proporcional a la fuerza cortante que existe en esa sección y en consecuencia a la tasa de variación del momento flector. El esfuerzo promedio no toma en cuenta las fuertes variaciones que sufre la adherencia de punto a punto entre las grietas.


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