Manual - Fibras

Índice.

1 - Introducción............................................................................................................................07 2 - Fibras como elemento estructural para el refuerzo del hormigón..............................................09 2.1 - Reseña histórica de la tecnología de incorporación de fibras al hormigón........ .....................09 2.2 - Concepto de refuerzo del hormigón con fibras....................................... ..............................09 2.3 - Tipos de fibras – Clasificación de las actuales fibras en el mercado en función de las materia prima. Fibras orgánicas (polímeros naturales y sintéticos) y fibras inorgánicas (metálicas).......................................................................................................................14 2.4 - Fibras de acero. Clasificación según las características geométricas, físicas, químicas, mecánicas y el proceso productivo................................................................................................16 2.5 - Fibras sintéticas y naturales. Clasificación según las características geométricas, físicas, químicas, mecánicas y el proceso productivo.....................................................................22 .....................23 2.6 - Marco normativo actual................................................................................... 2.7 - Elenco y clasificación de las fibras MACCAFERRI........................................... MACCAFERRI............................................... .........................25 3 - Hormigón fibroreforzado; fibroreforzado; Elementos básicos para el diseño estructural.............. .....................27 3.1 - Caracterización mecánica del hormigón fibroreforzado fibroreforzado.. Principales características..............................................................................................................................27 3.2 - Compatibilid Compatibilidad ad estructural de elementos de hormigón fibroreforzado............ .....................43 3.3 - Metodología de diseño y compatibilidad del modelo de cálculo...................... .....................44 3.4 - Marco normativo actual........................................................................................................50 4 - Diseño y consideracio consideraciones nes particulares para mezclas de hormigón ; Recomendaciones para la incorporación de fibras dentro dentro de la mezcla.................................................. mezcla....................................... ................................53 4.1 - Hormigones Hormigones,, aspectos tecnológicos para su formulación.......................................................53 4.2 - Recomendaciones para la incorporación de fibras en hormigones vaciados o vertidos en sitio............................................................................................................................62 4.3 - Recomendacion Recomendaciones es para la incorporación de fibras en hormigones prefabricados................................................................................................................................65 4.4 - Recomendaciones para la incorporació incorporación n de fibras en hormigones proyectados en seco y húmedo........................................................................................................................66 4.5 - Aditivos y su compatibilidad de uso en el hormigón fibroreforzado.................. fibroreforzado.................. .....................74 4.6 - Aplicaciones típicas del hormigón fibroreforzado estructurales y no estructurales.................................................................................................................................75 4.7 - Marco normativo actual........................................................................................................75 5 - Aplicaciones del hormigón reforzado con fibras: túneles, proyecto del revestimiento primario y revestimiento final........................................................................................................77 5.1 - Túneles excavados convencionalmente y con TBM......................................... ......................77 5.2 - Criterios de diseño de soportes y revestimientos de túneles............................. .....................79 5.3 - Diseño de soportes en hormigón fibroreforzado fibroreforzado proyectado............................ .....................99 03

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5.4 - Diseño de revestimiento en hormigón fibroreforzado bombeado en sitio............ ...................108 5.5 - Uso de fibras para resistencia al fuego en el hormigón. Descripción de mix de fibras, propuesta estructural y anti fuego en revestimientos finales........................................................115 5.5.1 - Objetivo de la protección pasiva del hormigón al fuego................................ ...................118 5.5.2 - Fibras de polipropileno como protección pasiva del hormigón contra el fuego........................118 5.6 - Control de calidad del hormigón fibroreforzado en los túneles....................... ...................124 5.7 - Marco normativo actual......................................................................................................135 6 - Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: fibroreforzado: Diseño de pavimentos....................... ...................139 6.1 - Pavimentos industriales , portuarios, aeroportuarios, carreteros y aplicaciones especiales...................................................................................................................................139 6.2 - Metodología de diseño convencional para pavimentos........................................................140 6.3 - Diseño de juntas en pavimentos..................................... pavimentos..................................................................... ...................................................154 6.4 - Métodos de diseño de pavimentos en hormigón fibroreforzado..........................................159 6.5 - El hormigón fibroreforzado y el diseño de las juntas............................................................168 6.6 - Control de calidad del hormigón fibroreforzado para pavimentos.......................................174 6.7 - Marco normativo actual......................................................................................................175 7 - A p l i c a c i o n e s e n h o r mi g ó n fibrore fib roreforz forzado: ado: Pre Prefabr fabricad icados.. os..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ........................177 7.1 - Uso del hormigón fibroreforzado en los prefabricados........................................................177 7.1.1 - Observaciones finales.....................................................................................................178 7.2 - Diseño de dovelas para túneles en hormigón fibroreforzado prefabricado....... prefabricado....... ...................178 7.3 - Ejemplos de aplicaciones. Paneles de cierre, vigas pre-tensadas, elementos prefabricados no estructurales.........................................................................................................188 7.3.1 - Paneles de cierre.............................................................................................................189 7.3.2 - Losas de sección doble T.................................................................................................189 7.3.3 - Estructuras para azotea..................................................................................................191 7.3.4 - Vigas pre-tensadas.........................................................................................................194 7.3.5 - Diversos elementos elementos prefabricados.................................................................. prefabricados............................................................. ........................195 7.4 - Aplicaciones especiales de SFRC........................................................................................196 7.4.1 - Sistemas de cimentaciones.............................................................................................196 7.4.2 - Nuevas potenciales aplicaciones......................................................................................198 7.4.2.1 - Estructuras sometidas a efectos sísmicos......................................................................198 7.4.3 - Topping para entrepisos o forjados metálicos y prefabricados....................... ...................199 8. Dosificadores para fibra Wirand ®............................................................................................205 8.1 - Equipos de incorporación de las fibras al hormigón........................................ ...................205 8.2 - Sistemas de dosificación de las fibras para hormigón proyectado.................... ...................211 8.3 - Sistemas de dosificación de fibras para la producción de dovelas..................... ...................211 8.4 - Sistemas de dosificación de fibras para hormigón para pavimentos.....................................214 8.5 - Sistemas de dosificación de fibras orgánicas y poliméricas...................................................216

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8.6 - Dosificadores circulares.............................................................................................................217 8.6.1 - Descripción del equipo....................................................................................................217 8.6.2 - Finalidad.........................................................................................................................217 8.6.3 - Tipología.........................................................................................................................217 8.6.4 - Principio de funcionamiento.................................................... funcionamiento.......................................................................... .........................................217 8.6.5 - Principio de utilización.....................................................................................................218 8.6.6 - Datos técnicos y dimensiones principales................................................. principales....................................................... .........................219 8.6.7 - Movimiento / transporte..................................................................................................219 8.6.8 - Disposición eléctrica eléctrica necesaria....................................................................... necesaria................................................. .........................................219 8.6.9 - Herramientas y elementos necesarios para la instalación.............................. ...................220 8.6.10 - Ubicación......................................................................................................................221 8.6.11 - Ajuste de los pies de apoyo...........................................................................................221 8.6.12 - Regulación de las masas excéntricas............................................. excéntricas........................................................... .............. ...................222 8.6.13 - Intervenciones de soldadura.................................................. soldadura........................................................................ .........................................222 8.6.14 - Almacenaje de las fibras................................................................................................222 8.6.15 - Informaciones a ser tenidas tenidas en cuentas para la correcta configuración del del equipo........................................................................................................................................223 8.7 - Dosificador neumático........................................................................................................223 8.7.1 - Finalidad.........................................................................................................................223 8.7.2 - Tipología.........................................................................................................................224 8.7.3 - Principio de funcionamiento............................................................................................224 8.7.4 - Principio de utilización.....................................................................................................224 8.7.5 - DOSOBOX.......................................................................................................................224 8.7.6 - SC99/2............................................................................................................................225 8.8 - Equipos especiales..............................................................................................................225 8.8.1 - Equipos Equipos personalizados........................................ personalizados............................................................................ ......................................... ........................226 9 - Autores.................................................................................................................................229 10 - Referencias bibliográfi bibliográficas.................................... cas....................................................................... .............................................. ..............................231

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1 - Introducción.

La finalidad de este manual es proporcionar información, criterios generales y metodologías para el dimensionamiento, proyecto y ejecución de obras de hormigón reforzado con fibras. Serán presentadas por lo tanto, las informaciones obtenidas de las investigaciones realizadas por Maccaferri, orientadas al estudio del comportamiento y eficiencia de tales estructuras. El propósito de Maccaferri es disponer de nuevas y útiles contribuciones para las obras de hormigón reforzado con fibras, ayudando al trabajo de consultores y contratistas que actúan en el segmento de la ingeniería estructural. Para un análisis mas detallado sobre los argumentos aquí tratados, sugerimos consultar las obras específicas que están indicadas en las referencias bibliográficas. En este manual serán presentados y detallados los fundamentos teóricos, ejemplos numéricos de las aplicaciones del hormigón reforzado con fibras y detalles de la utilización de las fibras Wirand ® y Fibromac®. Maccaferri se coloca a total disposición, para dar solución a los problemas específicos, basada en su experiencia, adquirida a lo largo de más de 100 años de existencia en todo el mundo.

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2. Fibras como elemento estructural para el refuerzo del hormigón 2.1 - Reseña histórica de la tecnología de incorporación de fibras al hormigón La idea de reforzar con materiales fibrosos manufacturas resistentes pero de elevada fragilidad se remonta a muchos años atrás; en el antiguo Egipto se introducía paja al macizo arcilloso con el cual confeccionaban ladrillos para conferirle una mayor resistencia y por lo tanto una buena manejabilidad después de la cocción al sol. Existen otros ejemplos históric os de refuerzo con fibras: revoques reforza dos con crin de caballo, o también con paja en las construcciones más precarias, para evitar fisuras de retracción, paneles en yeso armado con trenzados de bambú, conglomerados de cemento reforzados con fibras de amianto, etc. La orientación científica cuanto la tecnologia del refuerzo com fibras es indudablemente más reciente. Son de los años ’50 los primeros estudios sobre la utilización de fibras de acero y de vidrio en el hormigón. En los años ’60 aparecieron los primeros estudios sobre hormigones reforzados con fibras sintéticas. La definición del hormigón fibroreforzado en el Boletín Oficial CNR N. 166 parte IV, en Italia es: “La utilización de fibras en el interior de la ma triz del hormigón tiene como finalidad la formación de un material compuesto en el cual el conglomerado, que ya puede ser considerado un material constituido por un esqueleto de agregados disperso en una matriz de pasta de cemento hidratada, está unido a un elemento de refuerzo formado por un material fibroso de diferente naturaleza”.

2.2 - Concepto de refuerzo del hormigón con fibras Las fibras con una adecuada resistencia mecánica a la tracción, homogéneamente distribuidas dentro del hormigón, constituyen una micro-armadura la cual, se muestra extremadamente eficaz para contrastar el fenómeno de fisuración por retracción y, ademas de conferir al hormigón una ductilidad (1) que puede llegar a ser considerable en la medida en que sea elevada la resistencia de las fibras y su cantidad, confiriendo en tales circunstancias una gran tenacidad (2) al hormigón. Como es conocido, en la mayoría de los actuales códigos de diseño, la resistencia a tracción del hormigón (debido a su conducta frágil), es normalmente despreciada dentro de las c onsideraciones de cálculo. Con la inclusión de una matriz fibroreforzada, esta propiedad de resistencia a tracción se logra estabilizar, de manera tal que la misma puede ser considerada como propiedad mecánica con fines de diseño. En el capitulo 3 de la presente publicación se expondrá en detalles esta gran ventaja técnica. Debido a que, por dificultades operativas, generalmente no se realizan sobre el hormigón ensayos de tracción directa, la evaluación de tal propiedad de resistencia, así como de ductilidad (1) (2)

Ductilidad es la capacidad de un material poder soportar deformaciones conservando su resistencia. Tenacidad es la capacidad de un material oponerse a la propagación de las fisuras disipando energía de deformación.

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2. Fibras como elemento estructural para el refuerzo del hormigón.

y de tenacidad, se efectua indirectamente mediante ensayos de flexión sobre vigas o placas, así como se comentará en los capítulos siguientes con más detalle. El gráfico 2.1 ilustra cualitativamente las posibles respuestas, que se pueden obtener mediante los referidos ensayos de flexión, sobre elementos de hormigón fibroreforzado, representadas en su mayoría mediante gráficos de carga vs. abertura de fisura o carga vs. deflexión. Bajo cargas moderadas, inferiores a la de rotura del hormigón, el comportamiento del material es siempre elástico y no se produce ninguna fisuración en la probeta bajo ensayo de flexión, independientemente de la presencia o calidad y cantidad de f ibras. Sin embargo, comportamientos bastante distintos se pueden verificar continuando la prueba, incrementando la carga a partir del punto A, denominado “punto de primera fisuración”:

Gráfico 2.1 – Ensayos de flexión.

- La curva I esquematiza el comportamiento de un hormigón simple sin refuerzo. La estructura, siendo isoestática (la vigueta simplemente apoyada en sus extremos), una vez alcanzada la carga de primera fisuración, esta colapsa de inmediato, siendo el típico comportamiento de un material frágil. - La curva II muestra la capacidad del hormigón (fibroreforzado) para absorber después del punto de primera fisuración cierta carga, aunque baja (A-B), con luego un colapso más lento (comportamiento suavizado). - La curva III es típica de un material dúctil el cual muestra un hormigón capaz de soportar, a partir del punto de primera fisuración, un desplazamiento importante (A-B) bajo carga constante, bastante antes del colapso que es v erificado de una manera más lenta (c omportamiento plástico). - La curva IV finalmente evidencia un hormigón con un cierto incremento de carga portante bajo un amplio desplazamiento (A-B), después del punto de primera fisuración (comportamiento endurecido). Es importante destacar que todos estos posibles comportamientos, o grados de ductilidad y 10


tenacidad adquiridos por el hormigón, dependen de la cantidad de fibras, sus características mecánicas y geométricas. En cuanto a la influencia de la geometría de las fibras (formas y dimensiones longitudinales y transversales) sobre el comportamiento del FRC (3) y del SFRC (4) , aunque cada aspecto anteriormente mencionado es importante, la relación longitud (L) – diámetro equivalente (D) (denominada relación de aspecto o de esbeltez) es el parámetro más característico, ya que de su valor dependen la ductilidad y la tenacidad del hormigón fibroreforzado (Gráfico 2.2).

Gráfico 2.2 – Energía absorbida Vs relación de aspecto (L/D).

Obviamente las características mecánicas de las fibras, esencialmente su resistencia a la tracción, tienen un papel fundamental en el comportamiento del FRC y del SFRC ya que, al no producirse la extracción (pull out) impedida por la adherencia real e impuesta entre la interfaz fibra-hormigón (Gráfico 2.3), puede llevar la rotura de la fibra debido la insuficiencia de su resistencia a la tracción (Gráfico 2.4).

Gráfico 2.3 – Incremento de la adherencia fibra-hormigón con la forma de la fibra. (3) (4)

FRC = Fiber Reinforced Concrete. SFRC = Steel Fiber Reinforced Concrete.

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Gráfico 2.4 – Importancia de la resistencia a la tracción de la fibra.

Finalmente la dosificación, o sea la efectiva cantidad de fibras presentes en el hormigón (kg/ m3, o %Vf(5) ), ciertamente incide notablemente, junto con las ya comentadas características geométricas y mecánicas de las fibras, sobre el grado de ductilidad y tenacidad que adquiere el hormigón fibroreforzado (Gráfico 2.6). Es interesante observar que con el incremento de la relación de aspecto (L/D) disminuye, dentro de ciertos límites, la cantidad de fibras (dosificación) necesaria para alcanzar un determinado resultado (Gráfico 2.5), debido a que estadísticamente se incrementa la resistencia a la tracción, como directa consecuencia del incremento estadístico de la longitud de fibra a extraer.

Gráfico 2.5 – Dosificación X Relación de aspecto (L/D).

(5)

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Vf% = Porcentaje de fibras en volumen.


Gráfico 2.6 – Ductilidad X Dosificación.

Es importante destacar que, todo el conjunto de las características menciondas que es utilizado para determinar el comportamiento del hormigón fibroreforzado y el resultado óptimo depende de una adecuada combinación de todos los factores, ya que cada uno por si tiene siempre un límite en su influencia, más allá de cual sea el resultado se muestra inútil cuando no es efectivo, como se evidencia claramente (Gráfico 2.6) para el caso de la dosificación: El primer trecho de la curva muestra como una dosificación muy baja prácticamente no tiene efectos (comportamiento suavizado), ya que dispersando pocas fibras en la mezcla, su distancia relativa es tan grande que no produce consecuencia alguna. El segundo trecho muestra como, aumentando el número de fibras, o sea reduciendo el volumen de influencia de cada fibra, se alcanzan configurac iones de superposición estadística de las fibras entre si con buenas posibilidades de interacción (comportamiento plástico), produciéndose un incremento de la ductilidad del hormigón directamente sensible a la dosificación efectiva. El tercer trecho muestra finalmente como, más allá de una determinada dosificación (comportamiento endurecido), el incremento de la ductilidad, aumentando por el contrario las dificultades de realizar una mezcla uniforme y fluida. Para concluir con este capitulo, a propósito de calidad y cantidad de fibras metálicas a introducir en un elemento en SFRC, se pueden avanzar las consideraciones cuantitativas siguientes: - La calidad mecánica de las fibras debe ser muy elevada, con resistencias a la tracción típicas del orden de los 1100 MPa. - La relación de aspecto debe también ser suficientemente elevada, entre 45 y 70. - La dosificación no debe ser inferior a 20-25kg/m 3 (0,025%-0,03% en volumen) y puede alcanzar, para las aplicaciones más exigentes, los 40 ó 80kg/m 3 (0,5 -1 % en volumen).

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2.3 - Tipos de fibras – Clasificación de las actuales fibras en el mercado en función de las materia prima. Fibras orgánicas (polímeros naturales y sintéticos) y fibras inorgánicas (metálicas). Actualmente existen diferentes tipos de fibras para el hormigón en función de la materia prima por la cual son producidas: Metálicas: aceros de carbono y ligas, aluminio Naturales: amianto (asbesto), celulosa y carbón Sintéticas: nylon, polipropileno y otras

Tabla 2.1 - Características mecánicas de las fibras.

Por lo general, las fibras han sido clasificadas por BISFA 6:

Tabla 2.2 - Clasificación de las fibras según BISFA 6. (6)

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BISFA = THE INTERNATIONAL BUREAU FOR THE STANDARDISATION OF MAN-MADE FIBRES.


Observación: la presente clasificación se refiere a todas la fibras sintéticas y no sólo a las utilizadas para el hormigón. Ejemplos de tipos de fibras:

Macrofibras de acero anclada suelta.

Macrofibras de acero anclada pegadas.

Microfibras de polipropileno.

Microfibras de vidrio.

Microfibras de celulosa.

Macrofibras metálicas fresadas.

Macrofibras metálicas laminadas.

Microfibras metálicas.

Macrofibras de polipropileno alta tenacidad.

Microfibras de polipropileno.

Microfibras sintéticas .

Microfibras metálicas.

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2.4 - Fibras de acero. Clasificación según las características geométricas, físicas, químicas, mecánicas y el proceso productivo. La fibra de acero es un producto caracterizado geométricamente por una dimensión longitud predominante respecto a las demás, con superficie pareja o trabajada empleada como refuerzo en el conglomerado del hormigón, de forma rectilínea o doblada, para poder ser dispersada de forma homogénea en la masa, sin alterar sus las características geométricas (UNI 11037). Basicamente, la fibra es caracterizada geométricamente por la longitud (L), por la forma y por su diámetro o diámetro equivalente (D e). De la relación entre longitud (L) y el diámetro o diámetro equivalente (D e) se obtiene la relación de aspecto, ( l=L/De).

Figura 2.1 - Ejemplo de fibra metálica con anclaje en las extremidades.

Una fibra se define rectilínea cuando presenta en el eje deformaciones localizadas menores de L/30 pero, en todo caso, no mayor del diámetro equivalente. Longitud L (mm): es la distancia entre los dos extremos de la fibra. Axialmente, la forma puede ser rectilínea o perfilada, transversalmente; la fibra puede tener sección circular, rectangular o variada (Figura 2.2 y 2.3).

De

De

Figura 2.2 - Ejemplo de diferentes formas de fibras metálicas.

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De


RECTILINEAS

CON GANCHOS

EXTREMIDADES ACHATADAS

EXTREMIDADES ENSANCHADAS

ONDULADAS

IRREGULARES

FORMA DOBLE

FORMA ORDINARIA

DENTADAS

(a) ) Varias formas de fibras metálicas

CIRCULAR (alambre)

RECTANGULAR (chapa)

IRREGULAR (fresada)

(b) Tipos de secciones transversales

(c) Fibras metálicas pegadas

Figura 2.3 - Ejemplo de fibras de diferentes formas.

Diámetro equivalente D e (mm): es definido por diferentes métodos, en función de la forma transversal y del proceso productivo. Método directo Para fibras obtenidas de alambre, cualquiera que sea la forma longitudinal, el diámetro equivalente (D e) es igual al diámetro nominal del alambre de salida o de la fibra acabada.

Método indirecto geométrico Para fibras producidas de chapa, cualquiera que sea la forma longitudinal, el diámetro equivalente (D e) es igual al diámetro de una circunferencia que posee área igual a la de la sección transversal de la fibra dada por la siguiente fórmula

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Donde A es el área de la sección transversal de la fibra (mm 2).

Siendo w = ancho (mm), t = espesor (mm) Método gravimétrico Para fibras obtenidas por otros processos productivos, con sección variable, cualquiera que sea la forma longitudinal, el diámetro equivalente se calcula empezando por la longitud media de la fibra (L) y por el peso medio (m) de un determinado número de fibras, en base a una masa volumétrica r= 7,85g/cm³, según la fórmula:

Simplificando, en el caso de fibra de acero:

Según el EN 14889 1 Fibres for concrete. Part. 1: Steel fibres, el diámetro equivalente se calcula empezando no por la longitud media (L) , entendida como distancia entre las extremidades de la fibra, sino por la longitud desarrollada (L d), obtenida extendiendo y ende-rezando la fibra manualmente o utilizando un martillo.

Número de fibras por Kilogramo [n° / kg] El número de fibras en un kilogramo se calcula con la siguiente formula:

donde: L = Longitud de la fibra (mm) De = Diámetro equivalente de la fibra (mm) g = peso específico (kg/m 3). 18


Relación de aspecto ( l= L/D e) establece la esbeltez de la fibra: en igualdad de longitud, cuan-to más éste es alto, y cuanto más reducido sea el diámetro equivalente, la fibra es esbelta. Aún en igualdad de longitud, cuanto más alto es l, tanto más ligera es la fibra, por lo tanto hay muchos más fibra por unidad de masa. Si se utilizan los métodos directo e indirecto geométrico, la relación de aspecto desatiende la forma longitudinal, por lo tanto son considerados el volumen y la masa de la fibra. Caso seja utilizado el método indirecto gravimétrico, la relación de aspecto tiene en cuenta la geometría efectiva de la fibra, a través de su masa:

La resistencia a tracción Rm (N/mm 2 o MPa) de la fibra se calcula dividiendo el esfuerzo necesario a la rotura por el área de la sección de la fibra o del alambre semiacabado (UNI EN 10218 para alambres). Además de la resistencia a tracción, en la norma UNI 11037 se requiere limitar la resistencia al 0,2 % de deformación residual, Rp 0,2 . En la norma italiana, la resistencia a tracción está dividida en tres clases, R1, R2 y R3. Cada una de estas clases viene subdividida interiormente según la resistencia a tracción que sea referida : 1- Fibras rectilíneas, y en éste caso no hay diferencia haber testado la fibra o el alambre semiacabado. 2 - Fibras perfiladas, en este caso la resistencia es mayor, en igualdad de clase, presumiendo que el proceso de perfilado reduzca la resistencia. La clasificación de resistencia tiene en cuenta el diámetro de la fibra: para diámetros gradualmente más pequeños corresponden clases de resistencia crecientes.

Tabla 2.3 - Resistencia a la tracción para las tres classes de fibras según la norma italiana.

La ductilidad de una fibra, o de su alambre semitrabajado: Es evaluada con pruebas de doblado alternado. Por lo que se refiere al alambre trefilado, se remite a la UNI EN 10218. 19


Proceso productivo Según la norma UNI 11037, hay diversos tipos de fibras en función del proceso productivo: - Alambre de acero trefilado en frío obtenido de alambrón fabricado según la norma UNI EN 10016-1,2,4 o UNI EN 10088-3; - Chapa de acero laminada en frío; - Otros tipos de fabricación (como, por ejemplo, fresado de un bloque de acero). La clasificación de la fibra es correlacionada con su composición química:

Tabla 2.4 - Clasificación de las fibras en función de la composición química.

En el EN 14889-1. Fibres for concrete. Part. 1: Steel fibres la categoría “otros tipos de fabricación” viene mejor detallada. Grupo I: alambre trefilado en frio; Grupo II: corte de chapa; Grupo Ill: extracción por fundición; Group IV: alambre fresado; Group V: extracción de bloques. Composición química El material de base puede tener una composición química variada. Por este motivo en la norma UNI 11037 ha sido elaborado un prospecto sobre el análisis químico de la materia prima.

Tabla 2.5 - Composición química (de las fibras de acero) según la norma italiana.

Revestimiento superficial Las fibras pueden tener un revestimiento superficial de zinc con la finalidad de garantizar su durabilidad en caso de aplicaciones en ambientes especialmente agresivos. A seguir es presentado el contenido mínimo en función del diámetro del alambre:

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Tabla 2.6 - Revestimiento mínimo de zinc para las fibras de acero.

Tolerancias Las normas (UNI 11037, EN 14889-1 y ASTM A820) presentan varios criterios para las tolerancias. En la tabla que sigue se reporta la tabla del EN 14889-1, la más restrictiva, ya que prescribe que el porcentual de conformidad no sea menor del 95% de las muestras controladas (mientras la ASTM A820 habla del 90% con desvíos en los valores nominales medios más altos):

Tabla 2.7 - Tolerancias dimensionales de las fibras según la norma europea. Por la menos 95% de las muestras individuales deben estar conforme a las tolerancias especificadas.

Tabla 2.8 - Tolerancias dimensionales según la norma americana. Por lo menos 90% de las muestras individuales deben estar conforme a las tolerancias especificadas.

En el EN 14889-1 es indicada la tolerancia respecto a la resistencia a tracción y el módulo elástico. Para la resistencia a tracción, la tolerancia es del 15% para el valor medio y del 7.5% para los valores individuales; por lo menos 95% de las muestras deben estar conforme a las respectivas tolerancias indicadas.

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Designación Según la UNI 11037/2003 “Fibras de acero a ser empleadas en la elaboración de conglomerado de hormigón reforzado”, estas son designadas con la siguiente sigla: A1 – 1,00 x 50 – R2 – moldada Donde: A = indica las fibras de hilo trefilado; 1 = indica el bajo contenido de carbono; 1,00 = indica el diámetro de la fibra; 50 = indica la longitud entre las extremidades de la fibra; R2 = indica la segunda a clase de resistencia (por el diámetro considerado R > 910MPa); Moldada = indica deformaciones transversales o longitudinales mayores de L/30.

2.5 - Fibras sintéticas y naturales. Clasificación según las características geométricas, físicas, químicas, mecánicas y el proceso productivo Las fibras sintéticas más comunes para los hormigones, fueron agrupadas en la siguiente tabla de un documento de BISFA:

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Tabla 2.9 - Clasificación de las fibras sintéticas según BISFA.

2.6 - Marco normativo actual Para la materia prima y para el alambre semiacabado, hay las siguientes normas (sólo en el ámbito europeo) - UNI 5549 Pruebas mecánicas de materiales metálicos – Pruebas de dobladura alterno de las chapas finas y de las cintas de acero con espesor menor de 3mm; - UNI EN 10002-1 Materiales metálicos – Prueba de tracción – Parte 1: Método de prueba (a temperatura ambiente); - UNI EN 10016 Alambrón de acero no aleado destinada al trefilado en frío y/o al laminado en frío; - UNI EN 10088 Aceros inoxidables; - UNI EN 10130 Productos planos laminados en frío, de acero a bajo contenido de carbono, para embutición o dobladura en frío; - UNI EN 10204 Productos metálicos – Tipos de documentos de control; - UNI EN 10218-1 Alambre de acero y relativos productos – Parte 1: Generalidad – Métodos de prueba;

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- EN 10244-2 Steel wire and wire products – Non-ferrous metallic coatings on steel wire – Part. 2: Zinc or zinc alloy coatings on steel wire; - ECISS CR 10261Circular de información N° 11 – Aceros y gusas – Lista de los métodos de análisis químicas disponibles; Las normas específicas sobre las fibras de acero son: - UNI 11037 Fibras de acero a ser empleadas en la preparación de conglomerado de cemento reforzado. - ASTM A820 Standard Specification for Steel Fibers for Fiber-Reinforced Concrete; - EN 14889-1 Fibres for concrete – Part 1: Steel fibres – Definition, specifications and conformity La norma EN 14889-1 ha sido elaborada por CEN/TC104/WG11, bajo el Mandado M128, CPD 89/106 y ha sido aprobada en la votación formal de mayo 2006. Es una norma armonizada. A seguir el esquema de la norma y de las demás normas relacionadas:

Tabla 2.10 - Esquema de las normas EN 14889-1 y correlatas.

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2.7 - Elenco y clasificación de las fibras MACCAFERRI La Officine Maccaferri produce fibras moldadas y cortadas de alambre de acero trefilado en frío. Las características químicas de la materia prima (alambrón) están relatadas en la siguiente tabla, en función del diámetro final de la fibra:

Tabla 2.11 - Elenco Maccaferri.

Tabla 2.12 - Comportamiento cualitativo de las fibras Maccaferri.

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Tabla 2.13 - Guía de aplicación del hormigón reforzado con fibras. Orientación según el tipo de fibra y espesores. Observaciones: Todas las dosifciaciones y espesores aconsejadas en esta tabla son baseadas en una variedad de experiencias, por esto pueden variar de acuerdo con cada caso que deberá ser particularmente estudiado. Consultar el departamento de ingeniería estructural de Maccaferri para una correcta orientación de su proyecto.

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3. Hormigón fibroreforzado; Elementos básicos para el diseño estructural. 3.1 - Caracterización mecánica del hormigón fibroreforzado. Principales características. Introducción Mediante la adición de fibras de diferente naturaleza al hormigón, sean estas micro o macro fibras, como fue descrito en el capítulo anterior, se obtiene un nuevo materia l con características mecánicas diferentes de un hormigón normal. Tal compuesto es llamado Hormigón Fibroreforzado (FRC). En caso que se trate de un refuerzo constituido por fibras metálicas se habla de Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC). La evaluación de las diferentes propiedades del FRC se efectúan mediante ensayos normados, algunos son típicos del hormigón ordinario, y otros creados especialmente para el hormigón fibroreforzado. Propiedades del hormigón fibroreforzado en estado endurecido Los factores que influyen en las propiedades de un hormigón fibroreforzado son las siguientes: - Fibras: geometría, relación de aspecto, contenido, orientación y distribución; - Matriz: resistencia y dimensión máxima de los agregados; - Interfaz fibra-matriz; - Probetas: dimensiones, geometría y metología de ensayo. Las propiedades del hormigón fibroreforzado bajo carga (estática y dinámica) pueden ser clasificadas según las acciones siguientes: - Compresión; - Tracción directa uniaxial; - Tracción indirecta por splitting; - Tracción indirecta por flexión (medida de la tenacidad y de la energía absorbida) ; - Corte y torsión; - Fatiga; - Impacto; - Abrasión; - Deformación viscosa (Creep). El comportamiento físico químico tiene que ser evaluado según los siguientes fenómenos: - Retracción a corto plazo (retracción plástica); - Retracción a largo plazo (retracción hidráulica); - Durabilidad;

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3. Hormigón fibroreforzado; Elementos básicos para el diseño estructural.

- Hielo-deshielo; - Carbonatación; - Corrosión en la presencia de cloruros (hormigón fisurado y no fisurado); - Exposición al fuego. Para cada una de dichas características serán indicadas en las adecuadas referencias normativas. Compresión La resistencia a compresión del hormigón no viene substancialmente modificada por la adición de fibras. Puede observarse un modesto incremento para elevadas porcentajes de fibras metálicas (no menos del 1.5% en volumen, aproximadamente). Una vez alcanzado el pico, el material muestra una acentuada ductilidad, influenciada fuertemente por el contenido de fibras (dosificación).

Gráfico 3.1 - Ejemplo de Gráfico carga x deformación para hormigones con diferentes confenidos de fibras.

Con respecto al comportamiento del hormigón fibroreforzado a compresión, el módulo elástico y el coeficiente de Poisson resultan substancialmente invariados para porcentajes de fibras menores del 2% en volumen. Los ensayos de resistencia son efectuados en probetas cilíndricas (diámetro 150mm, altura 300mm) o cúbicos (100 mm a 150 mm). Las normas de referencia son las mismas que se aplican al hormigón simple (ASTM C39, EN 12390-3, etc.).

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Tracción directa uniaxial El comportamiento a tracción uniaxial del hormigón con fibras está fuertemente influenciado por la presencia de las fibras, en particular en la fase después de la primera fisuración. Solamente utilizando elevadas dosificaciones, especialmente de microfibras (de la orden del 1,5 – 2 % en volumen y superiores) pueden obtenerse incrementos relevantes del valor pico:

Figura 3.1 - Esquema de espécimen ensayado a tracción pura.

Gráfico 3.2 - Curva de carga (P) – desplazamiento (δ) para hormigones fibroreforzados caracterizados

con: bajos contenidos de fibras (a) y elevados contenidos de fibras (b).

En el caso de hormigones de alto desempeño (High Performance Fiber Reinforced Cement Composites, f ck > 100MPa) y con elevadas dosificaciones de fibras cortas (L f < 13mm, dosificación > 2% volumen), el comportamiento llega a ser del tipo endurecido. El ensayo a tracción directa del hormigón fibroreforzado no es de fácil ejecución. Como puede observarse en la siguiente figura, es recomendable cortar la probeta para inducir la fisura:

mm

mm

Figura 3.2 - Esquema gráfico de prueba a tracción pura para el hormigón fibroreforzado según la norma UNI U73041440.

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En la actualidad no existen normativas sobre la tracción directa. En Italia está siendo aprobada la norma UNI U73041440 en la cual son dadas algunas indicaciones sobre las dimensiones de la probeta, cilíndrica o prismática, sobre la profundidad del corte sobre el cual se medirá la apertura de fisura. Tracción indirecta – ensayo brasileño Las dificultades prácticas de ejecutar la prueba de tracción directa han llevado a procedimientos alternativos, como el ensayo a tracción indirecta por splitting, también conocido como el “ensayo brasileño”:

Figura 3.3 - Esquema de probeta para ensayo a tracción indirecta, metodo brasileño.

Foto 3.1 - Instrumentación del ensayo a tracción indirecta.

Foto 3.2 - Ejemplo físico de probeta configurada para ejecución de ensayo a tracción indirecta, método brasileño.

En la figura arriba, la probeta es cilíndrica pero es posible someter a un ensayo también probetas cúbicas o prismáticas. El ensayo consiste en someter una probeta c ilíndrica a una fuerza de compresión aplicada a una zona reducida al largo de toda su longitud. La rotura ocurre por alcance de la resistencia máxima a tracción en la dirección ortogonal a la fuerza aplicada. A partir de la carga máxima, se consigue la resistencia a tracción indirecta del hormigón fibroreforzado. Para la determinación de tal propiedad, puede hacerse referencia a las normas ASTM C496 y EN 12390-6. Para hormigones simple, puede deducirse la resistencia a tracción directa a partir de la indirecta (EC 2, Normas Técnicas Italianas, ACI). Actualmente no hay posibles correlaciones para hormigones fibroreforzados. Tracción indirecta - Flexión El ensayo de flexión es por cierto el más difundido por su relativa facilidad de ejecución y porque es representativo en muchas situaciones prácticas. Otra razón del éxito de éste ensayo se debe al mayor grado de hiperestaticidad del mismo, que pone en mejor evidencia la ductilidad aportada por el refuerzo fibroso, en mayor medida que en los ensayos anteriores (compresión y tracción 30


directa):

Grafico 3.3 - Comparación de promedios de resistencias a tracción pura del hormigón fibroreforzado con diferentes dosificaciones.

Grafico 3.4 - Comparación de resultados de ensayos a flexión para diferentes dosificaciones de fibras en una misma matriz de hormigón.

Hay dos tipos de ensayos: ensayo de flexión sobre probeta prismática (vigueta) y ensayo de punzionamiento sobre placa (circular o cuadrada). Ensayo de flexión sobre vigueta La finalidad de tal ensayo es la determinación de la tenacidad aportada por las fibras al hormigón. La tenacidad es la resistencia ofrecida por el material al avance del proceso de fractura (estático, dinámico o por impacto) por efecto de su capacidad de disipar energía de deformación. La probeta es apoyada en dos puntos, y está cargada en uno o dos puntos: en el primer caso se habla de Three Point Bending Test (3PBT), en el segundo de Four Point Bending Test (4PBT) (Figura 3.4 y 3.5): 31


Figura 3.4 - Esquema de ensayo a flexión con aplicación de carga central en tres puntos.

Figura 3.5 - Esquema de ensayo a flexión con aplicación de carga en cuatro puntos.

La vigueta sobre tres puntos de carga está cargada a mitad de la luz, en el caso de la vigueta sometida a cuatros puntos de carga, la luz se divide en tres partes de misma longitud. Las dimensiones de las viguetas en las principales normas no son muy diferentes entre ellas. En la ASTM C 1018, con base en la longitud de las fibras, es posible elegir entre dos diferentes geometrías de probetas.

Tabela 3.1 - Tabla comparativa para diferentes ensayos a flexión según diferentes códigos internacionales, descripción de la configuración y resultados.

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Tabela 3.2 - Tabla comparativa para diferentes ensayos a flexión según diferentes códigos internacionales, descripción de la configuración y resultados.

El ensayo de flexión puede ser representado por una curva Carga – Desplazamiento vertical (medido bajo los puntos de carga) o, de otra manera, en el caso de la probeta entallada, por una curva Carga – Apertura de fisura (Crack Opening Displacement o COD), así como se muestra en la figura siguiente:

Grafico 3.5 - Ejemplo de ensayo a Flexión UNI11039, medición de carga vs. Apertura de fisura.

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Un importante parámetro es el “punto de primera fisuración”, a partir del cual las fibras empiezan a dar su propia contribución. La formación de la primera fisura viene asociada por algunas normas a la pérdida de linealidad de la curva carga-desplazamiento (ASTM), mientras en otros casos ésta se hace coincidir con la intersección entre la curva carga-desplazamiento y una paralela al tramo lineal a partir de un valor constante de 0,05mm sobre el eje de las abscisas (desplazamiento vertical) (RILEM, CUR, DBV, AFNOR, NBN). En lo que se refiere al comportamiento en la fase de post-fisuración, las normativas se fundamentan en la definición de índices de ductilidad adimensionales basados en la energía disipada en el proceso de fractura y/o en la resistencia residual. En la norma ASTM C1018 es calculado el área abajo de la curva carga-desplazamiento para valores múltiplos del desplazamiento de primera fisuración. En otros casos se considera la resistencia restante puntual para un desplazamiento vertical expresado porcentaje (NBN, JCI-SF4). En el caso de la reciente norma Europea EN 14651 son indicados los valores de resistencia resultante post-fisuración para valores puntuales de apertura de fisura: en el caso de la norma RILEM, se asumen valores de resistencia “equivalentes” que se son obtenidos a partir de la energía absorbida en intervalos de apertura de fisura.

Figura 3.6 - Ejemplo de determinación gráfica del momento de primera fisuración. Determinación de energía absorbida en la fase post fisurativa de la curva carga apertura de fisura o deformación.

La norma italiana UNI 11039 es basada en ensayos de flexión sobre 4 puntos con control de apertura de fisura (entalle).

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Figura 3.7 a - Geometría y vínculos para las vigas de hormigón fibroreforzado.

Figura 3.7 b - Detalle de la talla en la probeta.

Foto 3.3 - Vista frontal de un cuerpo de prueba instrumentado antes de inicial el ensayo.

La normativa UNI 11039 permite clasificar el hormigón fibroreforzado en función de su resistencia y de su tenacidad. La resistencia de primera fisuración (f If) está indicada por la relación:

Donde: - l es la distancia entre los apoyos inferiores (450mm); - b es el ancho de la viga (150mm); - h es la altura de la viga (150mm); - a0 es la profundidad del entalle (45mm).

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La norma prevé también la determinación de dos resistencias post-fisuración: la primera, típica para estado de servicio, es la tensión media en el trecho con apertura de fisura en el ápice del corte (CTOD) variable entre 0 y 0,6mm (f eq (0-0.6)); la segunda, típica para el estado limite último, es la tensión media en el trecho de apertura de fisura variable entre 0,6 y 3,0mm (f eq (0.6-3.0)):

Con:

Gráfico 3.6 - Curva típica carga x CTOD.

Gráfico 3.7 - Intervalos de fisura considerados para el cálculo de las resistências equivalentes.

La norma UNI 11039 (2003) propone determinar dos “Indices de ductilidad” definidos como:

Ensayo de flexión sobre placa El ensayo de flexión sobre placa, también denominado ensayo de punzonamiento, ha sido codificado por primera vez por la SNCF (Empresa Nacional Ferrocarriles Franceses) en 1989. A diferencia del ensayo de flexión sobre vigueta, en este caso se trata de someter una placa, cuadrada o circular, a una carga central concentrada, con la finalidad de determinar, através de una flexión prefijada del punto de carga, la energía absorbida. Sea en el caso de placa cuadrada, o circular, la flexión está en el orden de 1/20 de la luz libre, para producir un cuadro de fisuración mucho más amplio, obteniendo más líneas de fractura de relevante amplitud. 36


Figura 3.8 - Esquema gráfico de ensayo tipo UNI10834 ó EFNARC, ensayo de placa ó energía absorbida.

Foto 3.4 - Vista frontal de un ensayo tipo UNI10834 /EFNARC totalmente instrumentado.

Este comportamiento es característico para una energía de deformación muy elevada. Este tipo de ensayo en la práctica se ha hecho muy común por la relativa facilidad de ejecución. En contraposición a lo anterior sin embargo, los resultados presentan una marcada dispersión estadística, debido a la condición hiperestática: por ésta razón, se está difundiendo, el ensayo sobre placa circular apoyada sobre de tres apoyos esféricos con una condición estáticamente determinada.

Figura 3.9 - Esquema geométrico de placa para el ensayo ASTM 1550.

Foto 3.5 - Ejemplo de configuración de ensayo de placa (energía absorbida) tipo ASTM C1550, Placa circular.

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A continuación tenemos un cuadro de las normas existentes. Nº

nn

País

UE

Norma

CEN TC229

Publicada

NN

Dimensiones w x d x l/s (mm)

Sistema/ Carga

Clases de tenacidad

Particularidades

600 x 600 x 100 / 500

Carga central 100 x 100

E in J

-

E1:> 500 J E2:> 700 J E3:> 1000 J (@ 25mm defl.)

-

UE

EFNARC

1996

600 x 600 x 100 / 500


1

Suiza

SIA162/6

1999

600 x 600 x 100 / 500


l: 500 J ll: 800 J lll: 1000 J (min G = 4 kN/m)

2

Noruega

NB Publicación Nº7

1999

600 x 600 x 100 / 500


E700:>700 J E1000:>1000J

-

3

Austria

OBV Guia para shotcrete


E1:>500 J E2:>700 J E3:> 1000J (@ 25mm defl.)

-

4

USA

@ 5, 10, 20, 40mm

Prueba de determinación estática

nn

ASTM C 1550 -02

1998

2005

800 x 75 / 700

600 x 600 x 100 / 500

800 x 75 / 700

4pt/3 puntos de apoyo

Cálculo de la resistencia equivalente

Tabela 3.3 - Tabla comparativa de los diferentes códigos a nivel global para ensayos de placa ó energía absorbida.

Corte y torsión Por lo general, las fibras metálicas incrementan la resistencia al corte y a la torsión del hormigón. Através de los ensayos efectuados sobre vigas en donde sean utilizadas fibras para el corte y armadura longitudinal para flexión, puede afirmarse que las fibras pueden substituir parcialmente o totalmente los tradicionales estribos para esfuerzos tangenciales, modificando el mecanismo de rotura por corte, con c ontenido y tipo de fibra adecuados. Han sido propuestas varias fórmulas para la resistencia al corte para vigas (ACI Building Code, Walraven, etc.). A continuación son indicadas algunas:

(ACI Building Code)

(ACI Building Code – simplificada)

(Walraven)

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(Minelli)

En general, puede afirmarse que la validez de todas las expresiones mostradas es de todas maneras aún bastante limitada, pues las mismas, fueron obtenidas a partir de observaciones experimentales y no hay en normas nacionales específicas. Fatiga El aumento de la resistencia a la fatiga debido la introducción de fibras es notoria, sin embargo para más detalles, hay una vasta literatura basada en varias campañas experimentales. Las dimensiones y los tipos de ensayos son muy variados: también en este caso, no hay normas de referencia. Se puede definir la resistencia a fatiga como el nivel máximo de esfuerzo al cual el hormigón fibroreforzado puede resistir para un determinado número de ciclos de cargas antes de la rotura, o bien como el número máximo de ciclos de carga necesario a la rotura para un determinado nivel de esfuerzo (ACI Committee: Report 544.1R – Fiber Reinforced Concrete; Report 544.2R – Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete). Impacto El comportamiento del hormigón fibroreforzado puede ser estudiado mediante a varios métodos de ensayo (ACI Committee: Report 544.2R – Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete): 1. Weighted Pendulum Charpy-type impact test; 2. Drop-weight test (single or repeated impact); 3. Constant strain-rate test; 4. Projectile impact test; 5. Split-Hopkinson bar test; 6. Esplosive test; 7. Instrumented pendulum impact test. Como ejemplo, en el ítem 2 el ensayo mide el número de caídas necesarias para producir un cierto nivel de daño en la probeta. Este tipo de ensayos permite comparar: 1. Diferencia de comportamiento entre hormigones fibroreforzados y simple; 2. Diferencia de comportamiento entre hormigones fibroref orzados sometidos a impacto y cargas estáticas.

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3. Hormigón fibroreforzado; Elementos básicos para el diseño estructura estructural.l.

Experiencias realizadas por varios investigadores demostraron que, utilizando el método dropweight, se registra un incremento muy expresivo en la resistencia de los hormigones, de aproximadamente 6-7 veces en comparación con hormigones no reforzados, con dosificaciones en volumen del orden del 0,5 % de fibras metálicas. Abrasión La evaluación de la resistencia a la abrasión, cavitación y/o erosión puede ser ejecutada según ensayos de la ASTM C418 y C779. Otro tipo de aplicación interesante es el uso del hormigón fibroreforzado para prevenir o reparar daños debidos a la cavitación, como ha sido confirmado experimentalmente en laboratorio, realizando ensayos según la ASTM C779 - C779M-05 Standard Test Method for Abrasion Resistance of Horizontal Concrete Surfaces. Otro método sugerido es el CRD-C 63-80 “Test Method for Abrasion-Erosion Resistance of Concrete (Underwater Method)”, U.S. Army Corps fo Engineers. Por lo contrario, no es de fácil demostración el beneficio aportado por las fibras en la mejora del comportamiento de las superficies sometidas a tráfico de medios sobre neumáticos. Deformación viscosa (Creep) La experimentación hasta ahora realizada no muestra relevantes diferencias entre hormigones simple y fibroreforzados (contenido de fibras < 1%) sometidos a compresión en el largo plazo. La norma para el ensayo es la misma mi sma del hormigón simple: ASTM C512-02 Standa rd Test Method for Creep of Concrete in Compression. Retracción a corto plazo (plástica) La fisuración por retracción plástica se desarrolla por causa de la pérdida de agua en el pasaje de la fase líquida para la fase plástica. Retracción plástica del hormigón puede ser eficazmente controlada con el uso de microfibras del tipo polimérica en virtud de su elevada superficie específica por unidad de volumen y por lo tanto una elevada capacidad de retener el agua debido la tensión superficial. Hay varios métodos para medir la fisuración, fisur ación, uno de los cuales es el AASHTO PP34-98 “Standa rd Practice for Estimating the Crack Tendency of Concrete”. Recientemente ha sido redactada una norma específica para el fibroreforzado: ASTM C1579-06 “Standard Test Method for Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete (Using a Steel Form Insert)”.

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3. Hormigón fibroreforzado; Elementos básicos para el diseño estructural estructural..

Retracción a largo plazo (hidráulica) Durante la maduración del hormigón y con la pérdida de agua, ocurre una reducción volumétrica: si la estructura tuviera la capacidad de contraerse libremente no habrían tensiones. Por otro lado, si la estructura no tuviera libertad para contraerse, se desarrollarían tensiones de tracción que pueden superar la capacidad resistente del material causando fisuras en el hormigón. Es posible eliminar a este fenómeno añadiendo a la masa, fibras cortas, en cantidad adecuada. Las fibras de mejor desempeño en este sentido son las microfibras de acero ( F < 0,20mm) debido su mayor superficie específica y, por lo tanto, de la posibilidad de interactuar con la matriz de cemento. Uno de los métodos más utilizados para medir los efectos de retracción en condiciones no confinadas, es la norma ASTM C157 “Standard Test Method for Length Change of Hardened Hydraulic-cement Mortar and Concrete”. Por el momento, no hay normas sobre el tema para hormigones fibroreforzados. fibroreforzados. Durabilidad En las recientes instrucciones CNR_DT204_2006 se muestra una tabla relativa a las fibras metálicas, en la cual se indica la posibilidad de uso de estas en función de las clases de exposición (conforme con la norma EN 206-1:2006 - Concrete - Part 1: Specification, performance, production and conformity) y de la profundidad de penetración del agua bajo presión (UNI EN 12390-8). Hielo-deshielo En cuanto a la resistencia al hielo de compuestos reforzados con fibras metálicas, hay que decir que sólo un aumento de porcentaje de vacíos de aire debe ser considerada eficaz. Sólo si se actúa en este sentido es posible obtener hormigones resistentes al hielo y esto también vale para los hormigones fibroreforzados. Hormigones reforzados con fibras metálicas, con un adecuado contenido de aire muestran una óptima resistencia a ciclos de hielo-deshielo respecto a hormigones no reforzados (Massazza y Coppetti, Italcementi, 1991). La norma a utilizar ASTM C666-03 “Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing”, es también aplicable para hormigones no reforzados. En el ámbito Europeo pueden utilizarse las normas CEN/TR 15177:2006 “Testing the freeze-thaw resistance of concrete - Internal structural damage”, EN 13581-2003 “Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test method - Determination of loss of mass of hydrophobic impregnated concrete after freeze-thaw salt stress” o de otra manera la norma UNI 7987-2002 “Calcestruzzo - Determinación de la resistencia al deterioro para ciclos

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de hielo y deshielo”. Carbonatación La presencia de fibras no parece influir significativamente el fenómeno de la carbonatación por el hecho que no han sido registrados incrementos de la profundidad del frente de avance de la CO2. La medición de la profundidad de carbonatación del hormigón fibroreforzado fibroreforzado es realizada con el procedimiento de ensayo utilizado para hormigones simple UNI 9944-1992 “Corrosión y protección de la armadura del hormigón. Determinación de la profundidad de carbonatación y del perfil de penetración de los iones cloruro en el hormigón”. Corrosión de las fibras A fin de evaluar los efectos de la exposición del hormigón fibroreforzado fibroreforzado en ambientes agresivos (ambiente saturado de sal, iones agresivos, etc.) es necesario distinguir entre hormigones íntegros y hormigones pre-fisurados. pre-fisurados. En el primer caso la corrosión generará únicamente un problema de tipo estético en la superficie. En el caso de probetas fisuradas, la disminución de resistencia es modesta y depende de la extensión y profundidad de la fisura: para aperturas de fisura mayores de 0,1mm, pero limitadas en profundidad, no hay consecuencias sobre la eficacia estructural (ACI 544.1R – Fiber Reinforced Concrete). Exposición al fuego Por la experiencia hasta ahora adquirida sobre el comportamiento al fuego de hormigones reforzados con fibras metálicas es posible formular las siguientes consideraciones (Extraídas de las recomendaciones CNROT 204 2006): - Bajos porcentajes de fibras (hasta 1%) no alteran significat ivamente la difusión térmica, que queda por lo tanto calculable a partir de la base de los datos disponibles para la matriz de hormigón; - Los daños provocados en el material por un ciclo térmico llevado hasta 800 °C resulta preferentemente correlacionado a la máxima temperatura alcanzada en el ciclo y produce un efecto irreversible sobre la matriz. Tal comportamiento, obtenido preferentemente en presencia de limitadas fracciones volumétricas de fibras metálicas, sugiere, una vez restablecida la temperatura ambiente, de apreciar el deterioro inducido a través de la evaluación de la restante resistencia. - Al variar la temperatura máxima de exposición, la resistencia de primera fisuración tiende a ser la misma de la matriz. Para temperaturas superiores a 600 °C, las fibras mejoran el comportamiento de la matriz; 42

3. Hormigón fibroreforzado; Elementos básicos para el diseño estructural estructural..

- Al variar la temperatura máxima de exposición, el módulo de elasticidad de los hormigones fibroreforzados fibroreforzado s no resulta influenciado significativamente por la presencia de limitadas fracciones volumétricas ( ≤ 1%) de fibras y, por lo tanto, puede ser considerado igual al de la matriz; - La presencia de fibras de polipropileno resulta eficaz para limitar los efectos de spalling destructivo, es decir minimizar el estallido del hormigón. En particular, tales fibras subliman en parte a una temperatura de 170 °C dejando cavidades libres en la matriz. Una fracción volumétrica de fibras comprendida entre el 0.1% y 25% está en grado de mitigar significativamente o de eliminar el fenómeno. Para la verificación de los efectos de exposición al fuego, existen varios procedimientos, dos de los cuales son: - ISO 834 – 1994: Fire-resistance tests - Elements of building construction; - BS 476 – 2004: Fire tests on building materials and structures.

3.2 - Compatibili Compatibilidad dad estructural de elementos de hormigón broreforzado. broreforzado. En un principio, el uso del hormigón fibroreforzado está indicado sobre todo para las estructuras hiperestáticas, debido a que el esfuerzo resultante de tracción del hormigón fibroreforzado puede aumentar la capacidad portante global de la estructura y mejorar su ductilidad. Las propiedades mecánicas del hormigón fibroreforzado tienen que ser directamente determinadas sobre probetas mediante ensayos normados. En ausencia de experimentaciones específicas, las propiedades que no están expresamente indicadas pueden ser asumidas las propiedades del hormigón simple. A continuación se reportan los requisitos mínimos, expresados por las “Instrucciones para el Proyecto, la Ejecución y el Control de Estructuras de Hormigón Fibroreforzado – CNR_DT204_ 2006”. - La dosificación mínima de fibras para fines estructurales no debe ser inferior del 0,3% en volumen; - La utilización, para objetivos estructurales, de hormigón fibroreforzado con comportamiento degradante está consentido siempre que la resistencia resultante a tracción en ejercicio fFts sea superior por lo menos el 20% de aquella de la matriz f ct; - En todas las estructuras de hormigón fibroreforzado es ne cesario garantizar que la carga máxima sea superior por lo menos al 20% de la resistencia de primera fisuración. Cómo alter-

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nativa puede aceptarse que sea igual o superior siempre que la relación entre desplazamiento máximo y resistencia de primera fisuración sea por lo menos igual a 5; - Pueden ser realizados elementos monodimensionales monodimensionales en hormigón fibroreforzado en falta de armadura tradicional si, además de ser satisfechas las anteriores limitaciones, el hormigón fibroreforzado tenga un comportamiento endureci do a tracción tal que la relación entre la resistencia resultante última f Fts y la resistencia de la matriz f ct sea por lo menos igual a 1,05.

Gráfico 3.8 - Relación tensión-deformación. tensión-deformación.

3.3 - Metodología de diseño y compatibilidad del modelo de cálculo. El diseño de las estructuras en hormigón fibroreforzado fibroreforzado está basado en los principios enunciados enunciados por los Eurocódigos para las estructuras en hormigón simple y armado. En el presente párrafo son mencionadas las reglas contenidas en el documento “RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete – s-e Design Method” y en las recomendaciones “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato”. La resistencia y el comportamiento a compresión del hormigón fibroreforzado pueden ser muy similares a los valores del hormigón simple, por lo que se pueden tomar estos como válidos, de acuerdo con lo previsto por el Eurocode 2, “Design of Concrete Structures”, ENV 1992-1-2, 2003. La resistencia a la tracción es la misma de la matriz f ct, que puede ser encontrada a partir de la resistencia de primera fisuración encontrada con la prueba de flexión (Istruzioni CNR DT204 2006 y RILEM TC 162-TDF). Esto no es válido para un comportamiento endurecido, endurecido, que se alcanza solamente con dosificaciones del orden del 1.5 - 2% en volumen. Las relaciones constitutivas se encuentran con las curvas e tensión ( s) x deformación (e) de pruebas de flexión, obtenidas a través de los ensayos a la flexión. En el caso de comportamiento a flexión endurecido ó suavizado son dadas algunas fórmulas de equivalencia para encontrar los valores de resistencia residual a tracción en el estado limite de servicio 44


fFts y último f Ftu a partir de las resistencias equivalentes f eq(0-0.6) y feq(0.6-3.0). En el caso de comportamiento rígido plástico, en las Instrucciones CNR son usadas fórmulas ligeramente diferentes, no así en las Recomendaciones RILEM que quedan iguales:

Gráfico 3.9 - Determinación de la ley constitutiva tracción vs. apertura de fisura, idealización de comportamientos endurecido, rígido plástico y suavizado. Fuente CNR DT204/2006.

Lo mismo vale para las recomendaciones RILEM TC 162-TDF, con algunas diferencias en la ley constitutiva y en las fórmulas que relacionan las resistencias residuales a flexión con aquellas a tracción.

Gráfico 3.10 - Diagrama de Esfuerzo vs. Tensión propuesto por RILEM TC162.

Las verificaciones de los elementos fibroreforzados deben ser realizadas tanto en relación a los estados límite de servicio (ELS), cómo en relación al estado límite último (ELU), tal y como se define en las normas vigentes. La verificación debe realizarse mediante el método de coeficientes parciales, para todas las situaciones de diseño deben adoptarse valores de diseño de las acciones, de las solicitudes y de las resistencias, y no debe ser violado un estado límite. Debe así resultar:

Donde E d y R d son, respectivamente, los valores de diseño del efecto genérico considerado y de la correspondiente resistencia en el ámbito del estado límite examinado.

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Los valores de diseño se obtienen de los valores característicos a través de coeficientes parciales, cuyos valores, para los varios estados límite, son aquellos indicados en la norma vigente, oportunamente integrados en lo que se refiere a la resistencia a tracción del hormigón fibroreforzado. Los valores de las propiedades de los materiales utilizados en el diseño de estructuras fibroreforzadas deben haber sido determinados mediante pruebas normadas de laboratorio. Las propiedades mecánicas de resistencia y deformación de los materiales son cuantificadas por los correspondientes valores característicos. Solamente los parámetros de rigidez de los materiales (módulo elástico) son evaluados a través de los valores medios. El valor de diseño de la propiedad genérica de resistencia, X d, puede ser expresada en la forma general, mediante una relación del tipo:

Donde X k es el valor característico de la genérica propiedad y gm es un coeficiente parcial del material. En la determinación del valor característico de la resistencia a tracción del hormigón fibroreforzado se puede tener en cuenta la estructura que:

Donde f Ftm es el valor medio, k es el coeficiente de Student, s la variación media, mientras que a es un coeficiente que disminuye al aumentar la hiperestaticidad estructural. Los coeficientes parciales de seguridad sobre los materiales están de acuerdo con los Eurocódigos, con posibilidad de reducción en el caso de elevados controles de calidad. Verificación al Estado Límite Último para elementos monodimensionales: Flexo-compresión El diseño al estado limite último de vigas sometidas a flex ión necesita la evaluación y comparación con el momento resistente último apenas de la comparación con los momentos considerados en el diseño. Se hace la hipótesis que la ruptura por flexión se manifieste cuando se verifique una de las siguientes condiciones: - Alcanzar la máxima deformación de compresión en el hormigón; - Alcanzar la máxima deformación de tracción en el acero de la armadura (si existe); 46


- Alcanzar la máxima deformación de tracción, eFu, en el hormigón fibroreforzado. Para un comportamiento suavizado, la máxima deformación a tracción es considerada igual al 2% y, de cualquier manera, la máxima abertura de fisura no debe superar 3mm. Para un comportamiento endurecido, la máxima deformación es del 1%. La evaluación del estado limite último a flexión y a flexo-compresión con o sin la presencia de armadura convencional con varillas de acero, puede ser efectuada en función de comportamientos ejemplificados como en la siguiente figura:

Gráfico 3.11 - Estado limite último por flexo-compresión: utilización de las leyes constitutivas simplificadas (stress-block con coeficientes EC2).

η y λ conforme

Un enfoque similar es usado por las Recomendaciones RILEM TC 162-TDF:

Gráfico 3.12 - Ley tensión - deformación.

Como se indicó anteriormente, los valores a ser utilizados en la verificación derivan de las pruebas de flexión en laboratorio y vienen posteriormente convertidos en valores de tracción, reducidos de los coeficientes parciales de seguridad. Corte y torsión Sin entrar en detalles (se recomienda remitirse a las normas mencionadas para profundizar en este tema) es possible de cuantificar el aporte debido a las fibras (a ser determinado con el mismo procedimiento usado para la flexo-compresión) que permite sustituir, parcialmente o totalmente, la armadura por corte o torsión. Cuando el esfuerzo cortante, o torsional, es de pequeña magnitud, las normas exigen, una 47


armadura mínima que puede ser garantizada por el refuerzo fibroso. Verificación al Estado Límite Último para elemento de plasa: Para elementos tipo losa sin armadura c onvencional sometidos principalmente a esfuerzos de flexión, la verificación de la resistencia puede ser efectuada con referencia al momento resistente, mRd , evaluado en la hipótesis de la ley constitutiva rígido-plástica:

En el caso de acción simultánea de dos momentos flexionantes m x y my actuando en las direcciones ortogonales, la verificación al estado limite último requiere satisfacer la siguiente condición:

Vale notar que la capacidad resistente de una losa apoyada sobre el suelo, como en el caso de los pavimentos, sería muy baja si se evalúa con un enfoque tradicional, en términos de tensiones, cómo describen todas las normas y las recomendaciones CNR, no es hecha ninguna excepción. Para obtener la debida contribución estructural, dada por la alta hiperestaticidad de pavimentos sobre suelos, es indispensable para comportamientos a flexión suavizados, utilizar métodos de análisis no lineales (Yield Line Method) ó (Non Linear Fracture Mechanics method). Verificación al Estado Límite de Servicio Verificación de las tensiones La verificación de las tensiones de compresión en servicio, deber ser realizada de acuerdo con la norma vigente para el hormigón simple. Si la estructura es compuesta por un hormigón fibroreforzado de comportamiento suavizado, la verificación de las tensiones de tracción en servicio es implícitamente satisfecha caso la misma estructura ha sido verificada al Estado Límite Último. Si, por lo contrario, el hormigón fibroreforzado posee comportamiento endurecido, es también necesario realizar la verificación de las tensiones de tracción en servicio, controlando que la máxima tensión solicitante respete la siguiente condición:

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Apertura de las fisuras En la evaluación de la amplitud característica de las fisuras, es posible cuantificar la contribución ofrecida por las fibras a través del nivel de esfuerzo absorbido por el hormigón fibroreforzado, en beneficio de la armadura normal (RILEM TC 162-TDF y recomendaciones CNR_DT204_2006). Para tal situación, las recomendaciones CNR sugieren asumir una distribución constante de las tensiones de amplitud igual a la tensión de tracción característica en el Estado Límite de Servicio, f Ftsk. Armadura mínima para el control de las fisuras Para controlar las fisuras, en los elementos flexionados es necesario prever una armadura mínima. En las recomendaciones CNR, el área de la armadura mínima es calculada por la siguiente expresión:

Donde: - A s es el área de armadura a flexión (mm 2). En el caso A s resulte negativa, la armadura mínima puede estar constituida únicamente por refuerzo fibroso; - Act es el área de hormigón de la sección sujeta a tracción (mm 2), determinada asumiendo un estado de esfuerzo en el límite elástico; - ss es la máxima tensión en la armadura admisible en la fase de fisuras. Puede ser asumida igual al enervamiento del acero; - f ct,ef es la resistencia a la tracción del hormigón efectiva en el momento de la primera fisura (mm 2). Depende de las condiciones ambientales. En falta de datos específicos, se debe considerar la resistencia a tracción determinada a 28 días del vaciado; - kc es un coeficiente que tiene en cuenta la redistribución seccional de los esfuerzos inmediatamente antes de la fisura, donde k c=1 en la presencia de pura tracción y k c=0.4 en la presencia de pura flexión,

para e/h<0,4;

para e/h>0,4;

- k s tiene en cuenta el efecto de esfuerzos autoequilibrados no uniformes. En la falta de datos precisos, este valor puede ser considerado igual a 0,8; - k p tiene en cuenta la presencia de la precompresión:

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Donde:

Es la relación de precompresión, ev es la excentricidad de la resultante e la fuerza de precompresión,

En pura flexión k c=0,4 , por lo tanto k p=1-1,5a

3.4 - Marco normativo actual. A continuación se hace una amplia lista de normas de referencia: - ACI Committee - Report 544.1R – State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete - ACI Committee - Report 544.2R – Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete - ACI Committee – Report 544.4R – Design Considerations for Steel Fiber Reinforced Concrete - ASTM C39 - Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens - ASTM C157 - Standard Test Method for Length Change of Hardened Hydraulic-cement Mortar and Concrete - ASTM C418 - Standard Test Method for Abrasion Resistance of Concrete by Sandblasting - ASTM C496 - Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens - ASTM C512 - Standard Test Method for Creep of Concrete in Compression - ASTM C666 - Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing - ASTM C779 - Standard Test Method for Abrasion Resistance of Horizontal Concrete Surfaces - ASTM C1018 - Standard Test Method for Flexural Toughness and First-Crack Strength of Fiber Reinforced Concrete - ASTM C1116 - Standard Specification for Fiber Reinforced Concrete and Shotcrete - ASTM C1399 – Standard Test Method for Obtaining Avera ge Residual-Strength of Fiber Reinforced Concrete - ASTM C1550 - Standard Test Method for Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete (Using Centrally Loaded Round Panel) - ASTM C1579 - Standard Test Method for Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete (Using a Steel Form Insert) - CRD-C 63-80 - Test Method for Abrasion-Erosion Resistance of Concrete (Underwater Method), U.S. Army Corps of Engineers 50


- AASHTO PP34-98 - Standard Practice for Estimating the Crack Tendency of Concrete - EFNARC - European Specification for Sprayed Concrete - EN 206-1 - Concrete - Part 1: Specification, performance, production and conformity - EN 12390-3 - Testing hardened concrete - Compressive strength of test specimens - EN 12390-6 - Testing hardened concrete - Tensile splitting strength of test specimens - EN 12390-8 - Testing hardened concrete - Depth of penetration of water under pressure - EN 13581 - Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test method - Determination of loss of mass of hydrophobic impregnated concrete after freeze-thaw salt stress - EN 13687-1 - Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test methods - Determination of thermal compatibility - Freeze-thaw cycling with de-icing salt immersion - EN 14651 – Precast concrete products - Test method for metallic fibre concrete - Measuring the flexural tensile strength - CEN EN 1992-1-1 - Eurocode 2 – Design of concrete structures - Part 1-1:general rules and rules for buildings - CEN/TR 15177 - Testing the freeze-thaw resistance of concrete - Internal structural damage - RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete – Bending test - RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete – s-e Design Method - RILEM CPC-18 – Measurement of hardened concrete carbonation depth - NF P18-409 – Beton avec Fibres Metalliques. Essai de flexion - UNE 83-510 – Determination del Indice de Tenacidad y Resistencia a Primera Fisura - NBN B 15-238 – Essai des bétons renforcés des fibres. Essai de Flexion sur éprouvettes prismatiques - JCI–SF4 – Method of Tests for Flexural Strength and Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete - UNI 7087 - Calcestruzzo - Determinazione della resistenza al degrado per cicli di gelo e disgelo - UNI 9944 - Corrosione e protezione dell’armatura del calcestruzzo. Determinazione della profondità di carbonatazione e del profilo di penetrazione degli ioni cloruro nel calcestruzzo - UNI 11039-1 – Calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio. Part. I: Definizioni, classificazione e designazione - UNI 11039-2 – Calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio. Part. II. Metodo di prova per la determinazione della resistenza di prima fessurazione e degli indici di duttilità - UNI U73041440 - Progettazione, esecuzione e controllo degli elementi strutturali in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio - Norme Tecniche per le Costruzioni – Decr. 14/09/05 – G.U. 23/09/05 - CNR_DT204_2006 - Istruzioni per la Progettazion e, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato - ISO 834 – Fire resistance tests - Elements of building construction - BS 476 - Fire tests on building materials and structures

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4 - Diseño y consideraciones particulares para mezclas de hormigón; Recomendaciones para la incorporación de bras dentro de la mezcla 4. 1 - Hormigones, aspectos tecnológicos para su formulación Sin duda alguna el hormigón es el material más utilizado por el hombre en la construcción de estructuras civiles. Son muchas las experiencias e investigaciones que han sido llevadas a cabo para perfeccionar los tipos de hormigón, sin embargo, en este capítulo no se pretende abarcar una exposición amplia de la tecnología del hormigón, sino un resumen de las características primordiales de dicho material, haciendo énfasis en los aportes que las fibras son capaces de ofrecer. Con este capítulo se pretende que el lector tenga una visión de cuales son los aspectos tecnológicos para la formulación del hormigón reforzado con fibras metálicas. El hormigón reforzado con fibras metálicas, no es más que el mismo compuesto de hormigón al que se le incorporan las fibras creando dentro de la matriz una armadura tridimensional aumentando notablemente la resistencia mecánica post fisura del hormigón. El hormigón utilizado de forma bombeada o vertida es el más utilizado en la actualidad, la mayoría de las implementaciones que se le dan a este material es a través de este método. Es importante a la hora de diseñar el hormigón considerar que uso se le dará y si será necesario una mayor o menor trabajabilidad. Durante el desarrollo de este capitulo se pretende exponer de forma resumida cuales son las consideraciones a tomar en cuenta para su formulación. Para la formulación de cualquier tipo de hormigón es necesario considerar las tres principales variables que deben ser modificadas para alcanzar el resultado esperado: relación agua / cemento, trabajabilidad (medida a través del cono de Abrams) y dosis de cemento. La interrelación entre estas tres variables permiten alcanzar una resistencia específica del hormigón, es decir, si alguna de las tres varía, entonces deberán variar las demás si se quiere conservar la misma resistencia (Ver Figura 4.1).

Figura 4.1- Relación básica entre los parámetros que condicionan la mezcla.

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4. Diseño y consideraciones particulares para mezclas de hormigón; Recomendaciones para la incorporación de fibras dentro de la mezcla.

La relación existente entre estas tres variables puede ser definida con bastante exactitud a través de la siguiente ecuación llamada relación triangular:

Donde: c = dosis de cemento (kg/m 3); a = a/c = relación agua / cemento (1/kg); T = asentamiento en el cono de Abrams (cm); K, m y n son variables que dependen del tipo de agregado que se utilice. Esta ecuación es conocida como la relación triangular, y junto con la ley de Abrams (trabajabilidad) conforman las dos leyes principales a tomar en cuenta para el diseño de mezcla a través del método que en este manual se propone. Actualmente existe una gran variedad de metodologías de diseños propuestas, en este manual se presenta un método con un carácter general el cual ha sido utilizado y comprobado en muchas ocasiones. El método fue concebido para hormigones con resistencia a compresión (resistencia media a 28 días de edad, en probetas cilíndricas de 15cm de diámetro y 30cm de altura) entre 18MPa y 42MPa y asentamiento en el cono de Abrams entre 2,5cm y 18cm. Para hormigones particulares (condiciones distintas a las planteadas) se recomienda utilizar otra metodología de diseño. La metodología que a continuación se describe se presentará de una forma resumida, en caso de querer profundizar más en el tema se recomienda ver las normativas correspondientes Datos de Entrada 1) Resistencia: La resistencia de cálculo o resistencia característica deberá ser igual a la resistencia a compresión esperada por el calculista, aumentada por medio de la siguiente ecuación (resistencia medida en probetas de 15cm de diámetro y 30cm de altura):

Donde; Fcr =Resistencia a compresión de cálculo o resistencia característica; fć = Resistencia a compresión esperada por el calculista; Z = Coeficiente del student de la distribución normal (Ver Tabla 4.1); s = Desviación estándar esperado para el hormigón (Ver Tabla 4.2).

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Tabla 4.1 - Fracciones definitivas y valores del coeficiente de student Z.

Tabla 4.2 - Relación entre el grado de control y la desviación estándar.

2) Asentamiento (SLUMP) Deberá ser evaluado a través del cono de Abrams. Debe tenerse en cuenta que mientras mayor sea la dificultad para colocar el hormigón, menor tendrá que ser el asentamiento. En la tabla 4.3 se puede ver los valores usuales de asentamiento:

Tabla 4.3 - Valores usuales de asentamiento.

3) Tamaño Máximo de los agregados El tamaño máximo de agregado deberá ser seleccionado dependiendo de la utilización y el tipo de estructura en el que será aplicado el hormigón. Alguna de las consideración que deberán tenerse en cuenta para la selección del tamaño máximo de los agregados son, que en ningún caso el tamaño máximo de agregado deberá ser mayor que 1 / 3 de la menor dimensión de la pieza a hormigonar, ni deberá ser mayor a ¾ la separación entre la armadura.

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Usualmente el tamaño máximo de agregado se encuentra entre 2 y 5cm, si se utilizan áridos con mayores tamaño máximo se producirán hormigones que tienden a la segregación, mientras para hormigones de altas resistencias se recomiendan tamaños máximos de menores dimensiones. 4) Límites granulométricos En el hormigón deberán actuar conjuntamente agregados de distintos tamaños, repartidos en una forma tal que el conglomerado trabaje de la mejor manera. Existen muchas teorías con respecto a cual es la combinación o mejor granulometría que se debe adoptar en determinado proyecto, de manera general en la Tabla 4.4 se dan los límites granulométricos apropiados para agregados combinados de diferentes tamaños máximos. 5) Relación b Representa el peso de arena expresado en porcentaje con relación a el peso total de agregados que existe en el conglomerado (arena + agregado grueso), y se expresa a través de la siguiente ecuación:

Esta relación debe encontrarse de forma tal que el combinado tenga una granulometría dentro de la zona recomendada en la tabla 4.4. Existen varios métodos para el cálculo correcto de b, el más simple y bastante exacto es el método gráfico, el cual puede ser encontrado en el común de la bibliografía usual para la formulación del hormigón. 6) Ley de Abrams Esta ley establece la correlación existente entre la resistencia del hormigón y la relación agua/cemento en peso, dicha expresión se simboliza como a:

Donde: a = Peso de agua; c = Peso de cemento; La ley de Abrams puede ser expresada como:

Donde; R = Resistencia a determinada edad de maduración; M y N: Son constantes que dependen de las características de los materiales, componentes de la 56


mezcla y la edad de la prueba.

Tabla 4.4 - Limites granulométricos recomendados para distintos tamaños máximos del agregados en porcentajes pasantes.

Si de la expresión 36 se despeja a, obtenemos :

Para agregados gruesos triturados de 25,4mm de tamaño máximo, arena natural (ambos en condición saturadas con superficie seca) y cemento Pórtland Tipo I de una calidad media, se obtienen buenos ajustes con: a) R7 = 902,5 / 13,1a ; a = 1,724 – 0,3887 Ln R 7 ; (MPa) b) R28 = 88,50 / 8,69a ; a = 2,073 – 0,4628 Ln R 28 ; (MPa) c) R90 = 95,43 / 7,71a ; a = 2,232 – 0,4896 Ln R 90 ; (MPa) 7) Corrección de a; En caso que las condiciones de M y N no sean las planteadas originalmente, existe un factor K R que tiene como finalidad ajustar los valores de a para las distintas condiciones de agregados. Ver tabla 4.5 y tabla 4.6.

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Tabla 4.5 - K R, Factores para corregir a por tamaño máximo, (mm /pulgadas).

Tabla 4.6 - K A, Factores para corregir a por tipo de agregado.

Una vez calculado a, deberá ser multiplicado por los factores de corrección K R y KA dependiendo del tipo de agregado a utilizar para obtener un valor más preciso. 8) Límites de a por durabilidad Es importante tener en cuenta que a debe encontrarse dentro de unos limites, ya que este factor condiciona la durabilidad del hormigón, en caso que a supere estos valores deberá considerarse su valor como el máximo permitido. Ver tabla 4.7.

Tabla 4.7 - a máximos para distintas condiciones de servicios o ambientes.

9) Relación triangular Por medio de esta ley, se relacionan tres de los parámetros más importantes que caracterizan al hormigón: relación agua cemento ( a), cantidad de cemento (c) y el asentamiento (t) a través del cono de Abrams. Dicha expresión es:

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Donde “K”, “n” y “m” son constantes que dependen de las características de los materiales que componen el hormigón. De la misma manera que en el caso de a, para condiciones en que el hormigón esté formado por agregados gruesos triturados de 25,4mm de tamaño máximo, arena natural (ambos en condición saturadas con superficie seca) y cemento Pórtland Tipo I de una calidad media, se obtienen buenos ajustes con:

“T” es expresado en cm y “c” en Kg/m 3. 10) Corrección de c De la misma manera que en el caso de a, en caso de utilizar otras características que las descritas anteriormente para los componentes del hormigón, se deberán utilizar las tablas 4.8 y 4.9 para corregir la cantidad de cemento a utilizar.

Tabla 4.8 - Factores para corregir “c” en función de tamaño máximo, (mm/pulgadas).

Tabla 4.9 - Factores para corregir “c” por tipo de agregado.

Para el caso de a, en ningún caso la cantidad de cemento deberá ser inferior a los valores en la tabla 4.10.

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Tabla 4.10 - Contenido mínimo de cemento bajo las condiciones de servicio ambientales.

11) Cálculo de los componentes restantes En general, todo diseño de mezcla se realiza en base a un metro cúbico (1000 litros) por tanto es necesario considerar los demás compuestos que forman el hormigón. - Aire incorporado.

Donde: V = Volumen de aire incorporado (l/m 3); c = Cantidad de cemento (kg/m 3); P = Tamaño máximo de los agregados (mm). - Volumen absoluto de cemento: Es igual al peso del material dividido por su peso específico. Es calculado a través de pruebas de laboratorio. En condiciones normales, este valor se encuentra cercano a 3,3. - Volumen absoluto de agua (kg/m 3)

Considerando que el peso específico del agua es igual a 1. - Volumen absoluto de los agregados Corresponde al peso de los agregados dividido por sus respectivos pesos específicos, calculados en laboratorio. En condiciones normales, este valor se encuentra en promedio cerca de 2,65 tanto para agregados gruesos como para la arena.

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12) Cálculo final de la mezcla Como se ha dicho anteriormente, el diseño de mezcla debe realizarse en base a 1 metro cúbico, por lo tanto, la suma de los componentes deberá ser igual a esta unidad;

Donde: g (G + A) = Peso específico del agregado combinado. Dicho valor puede ser calculado en base a b a través de la siguiente expresión:

; ( b < 1)

Finalmente despejando de la Fórmula 42 el valor de G+A y utilizando la relación b, se pueden obtener cada uno de los pesos por separado;

Evidentemente como ya se ha expresado anteriormente el método planteado en este manual es bastante simplificado y no considera muchos otros factores que pueden entrar en juego a la hora de diseñar una mezcla, sin embargo resume de una forma sencilla los principales pasos a seguir para la formulación del hormigón.

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4.2 - Recomendaciones para la incorporación de bras en hormigones vaciados o vertidos en sitio El Hormigón Fibroreforzado no es más que el mismo conglomerado con un componente adicional que son las fibras, las cuales a nivel de la producción de la mezcla deben ser consideradas como un árido más, por lo que no es necesario modificar los componentes al incluir éstas dentro de la mezcla. Las consideraciones iniciales para lograr la resistencia mecánica especificada a compresión y módulo de rotura no se ven afectadas. Existen sugerencias fundamentales para controlar la incorporación de las fibras dentro de la mezcla, que obedecen a una selección adecuada del elemento, para evitar problemas como segregación, aglomeramiento y garantizar así una distribución uniforme. A continuación mencionamos esta reglas básicas que son validas para cualquier configuración de hormigón para cualquier aplicación: - La longitud de la fibra seleccionada deberá ser mayor que el doble de la dimensión máxima de los agregados presentes en la mezclas, con tolerancias. q máx > 0,5 LFibra , incluyendo una tolerancia del 20%.

Ejemplo: árido máximo 1” (25mm) de diámetro, involucraría una fibra de 2” (50mm) de longitud , con variación no mayor al 20% de la longitud (40mm< L Fibra<60mm). Smin ≥ 1,5 LFibra También para esta regla puede existir en casos tolerancia de 20%. - Se deberá tener en cuenta la dosificación mínima recomendada según la normativa vigente del país en donde se esté utilizando la fibra. En ningún momento se recomienda utilizar menos de las siguientes dosificaciones de fibras metálicas: - Dosificación Mínima: 20kg/m 3 (0,25%V) para elementos no estructurales; - Dosificación Mínima: 25kg/m 3 (0,3%V) para elementos estructurales. Las reglas anteriores obedecen a cualquier configuración de hormigón, sin embargo haremos algunas sugerencias en función de las particularidades de mezclas para hormigones vertidos en sitio. Estos hormigones deben ser de una trabajabilidad acorde con la dificultad de su colocación, y la sugerencia general para la aplicación de fibras es considerar un asentamiento adicional de 1” (25mm), para compensar la pérdida que puede haber, por el hecho que las fibras f orman un mínimo entrabado, tendiendo a afectar levemente esta propiedad. La experiencia en dosificaciones mínimas de 20kg/ m3 y gruesas de más de 45kg/m 3 es del orden comentado. Claro que todo esto obedece a las reglas primarias de selección geométrica de las fibras, que de no respetarse, puede afectar sustancialmente el resultado, pudiendo generar problemas en la mezcla como segregación y aglomeramiento de la misma. El asentamiento previsto en las tablas referenciales mostradas anteriormente deberá ser ajustado con esta sugerencia de incremento de no más de 1”(25mm), y la durabilidad de esta trabajabilidad deberá ser controlada de manera básica y tradicional a través de los aditivos químicos fluidificantes para tal 62


fin, no existiendo alguna contraindicación de aplicación de aditivos para este tipo de mezclas. Las fibras pueden ser incorporadas de dos formas dentro de la mezcla: Incorporación en la mezcla elaborada. Processo donde las fibras son añadidas directamente al camión hormigonera una vez la mezcla ya esta elaborada. En este caso en particular, se sugiere el control del asentamiento antes de la incorporación de las fibras en la mezcla y luego de la incorporación de las misma para verificar la afectación mínima y corroborar que el asentamiento solicitado en planta, fue correctamente estimado. En todo caso, respetando las sugerencias realizadas anteriormente, no debera existir problemas de trabajabilidad imputables a la incorporación de las fibras.

Foto 4.1 - Incorporación mecánica en camión hormigonera.

Foto 4.2 - Incorporación manual en boca del camión de hormigonera.

Foto 4.3 - Aspecto de la mezcla luego de incorporadas de las fibras.

Foto 4.4 - Control de asentamiento luego de incorporar las fibras.

Incorporación junto con los áridos. Es cuando las fibras son incorporadas dentro de la masa de áridos ó iner-tes en su camino a la mezcladora, para luego proceder al mezclado de todos los componentes de la mezcla. En este caso en particular se debe formular adecuadamente la relación agua/cemento, para lograr esa trabajabilidad deseada que todo caso su afectación no será mayor que la prevista de 1” (25mm).

Foto 4.5. - Incorporación manual en la cinta transportadora de aridos.

Foto 4.6 - Incorporación manual junto a los agregados en la cinta transportadora.

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Foto 4.7 - Incorporación manual en el trompo.

Foto 4.8 - Medición de asentamiento (SLUMP).

La incorporación de la mezcla de hormigón fibroreforzado vertido o vaciado en sitio no implica ningún tipo de consideración mecánica adicional a las comúnmente utilizadas, donde la aplicación común de vibradores , bombas son totalmente válidas y sin contraindicaciones. Hay solo que tener especial atención en hormigones bombeados, en lo que refiere al diámetro de los conductos o mangueras de bombeado, donde la longitud de la fibra no debe exceder el 70% del diámetro de la boquilla de salida del equipo de bombeo. A continuación se muestran fotos de ejemplo vertido de hormigones en sitio en una aplicación muy común para la tecnología , como es el caso de la pavimentación industrial, en donde se puede apreciar la aplicación de equipo convencional, y el algunos casos equipo especializados para lograr amplios rendimientos como las niveladoras laser:

Foto 4.9 - Vertido directo desde camión hormigonera.

Foto 4.10 - Vertido directo desde camión hormigonera.

Foto 4.11 - Incorporación en la bomba para lanzado.

Foto 4.12 - Lanzado con bomba.

El común de estos hormigones vertidos o vaciados en sitio, son hormigones fluidos en el orden de trabajabilidad y asentamiento entre 4” a 6”, con relaciones agua /cemento entre 0,3 y 0,5. La selección de áridos y su granulometría uniforme y acorde a la confección del elemento a verter, será de única influencia de la geometría del elemento a verter y de la resistencia mecánica exigida en el diseño, donde la selección de la fibra más acorde deberán ser ajustadas a estas premisas. 64


4.3 - Recomendaciones para la incorporación de bras en hormigones prefabricados Se ha descrito extensamente en los puntos anteriores sobre la confección de mezclas con la incorporación de fibras dentro de la misma, y sus reglas básicas generales para evitar problemas de segregación ó aglomeración de las fibras. La flexibilidad de la incorporación de fibras a la mezcla es tan amplia, que pueden ser logrados hormigones de relación agua cemento muy baja o nula, donde en este caso en particular, las reglas de configuración y selección geométrica de las fibras son de extrema importancia. En la actualidad las fibras metálicas de formato suelto, pueden ser incorporadas a mezclas secas sin afectar la homogeneidad. En este caso de mezclas de baja relación de agua /cemento, los aditivos cumplen una función muy importante para activar la conformación de la mezcla y lograr un acabado adecuado de los elementos confeccionados. La sugerencia para este tipo de mezcla es de usar fibras de relación de esbeltez, no muy elevadas, para evitar aglomeraciones dentro de un proceso de mezclado seco, donde la fluidez limitada puede evidentemente afectar la distribución uniforme. Es ampliamente conocido que fibras de configuración de esbeltez muy elevada tienden a aglomeración, y son pocos los fabricantes que han logrado controlar este fenómeno, siendo este un problema netamente industrial. Algunas alternativas para mitigar este efecto de aglomeración de fibras de alta relación de esbeltez son las fibras pegadas, pero que son de difícil aplicación para el caso de mezclas de baja relación de agua/cemento, ya que la escaza fluidez en algunos casos no logra diluir por completo el pegamento, produciendo cierta aglomeración de las fibras. En este caso la aplicación de algunos aditivos plastificantes pueden contribuir a mejorar esta condición. Como hemos comentado, las fibras no afectan los aspectos tecnológicos de confección de una mezcla por lo que dentro de la realización de la mezcla, las fibras son incorporadas como un agregado adicional como se muestra a continuación:

Foto 4.13 - Ejemplo de mezcla seca con fibras.

Foto 4.14 - Mezclador en plata de prefabicados produciendo mezcla seca para hormigón vibrocompactado.

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Foto 4.15 - Planta mezcladora preparando mezcla seca para hormigón vibrocompactado.

Foto 4.16 - Incorporación en bomba para posterior bombeado.

Foto 4.17 - Planta mezcladora preparando mezcladora seca para hormigón en dovelas.

Foto 4.18 - Incorporación en bomba para posterior bombeado.

Hay casos en la confección de hormigones para elementos prefabricados, donde la mezcla es más fluida, en las que se deben seguir las consideraciones antes expuestas para hormigones vertidos en sitio. La selección de áridos y granulometría en general estará gobernada por las dimensiones de los elementos prefabricados a confeccionar y de allí entrara en rigor las sugerencias fundamentales para la selección adecuada de un tipo de fibra que sea compatible con la mezcla, por lo que no existe un regla fija en este aspecto.

4.4 - Recomendaciones para la incorporación de bras en hormigones proyecta dos en seco y húmedo. El hormigón proyectado o Shotcrete (conocido también como “Gunita”), viene siendo utilizado desde hace casi un siglo en el campo de la construcción, y aunque en muchos casos se afirma que es un tipo de hormigón diferente, la realidad es que, si bien es cierto que tiene algunas particularidades, no es más que el mismo hormigón pero variando la forma de ser colocado. Hay dos formas de aplicar el hormigón proyectado: la primera por vía seca, en donde por un lado se mezcla la arena, piedra y cemento en una mezcladora y son transportados por manguera mediante presión de aire, y por otro lado, es expulsada el agua por medio de una manguera que finaliza en la boquilla de la primera. En el momento que los inertes salen por la boquilla es cuando se mezclan con el agua. Un segundo método, y más reciente, es el de vía húmeda, que consiste en preparar la mezcla de hormigón incluyendo el agua necesaria, igual a los métodos tradicionales. Una vez que el conglomerado está listo es transportado a través de manguera y expulsado mediante presión de aire. Este último método ha venido siendo utilizado cada vez con mayor frecuencia, incluso en algunos países únicamente se utiliza este método.

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En la actualidad son muchos los campos en los que el hormigón proyectado es utilizado. La facilidad de su implementación, y las ventajas que ofrece al lograr acceder de una forma rápida y efectivas a lugares que de otra forma sería muy complicado llegar, son algunas de las razones por la que este método ha sido y continua siendo utilizado en todo el mundo. El tipo de obras en el que principalmente es empleado este método son: - Construcción de Túneles; - Industrias Mineras; - Revestimiento de Taludes; - Estabilización de excavación para fundaciones; - Obras de Saneamiento. En general el hormigón proyectado puede ser utilizado prácticamente en cualquier tipo de obra en la que se busca la estabilización o recubrimiento de una capa superficial irregular, en donde no se utiliza encofrado. Su función principal es el soporte de rocas, aunque su uso puede ser extendido a la reparación de muros y/o estructuras en general. ASPECTOS GENERALES DE LA MEZCLA. Como ya hemos mencionado antes, la composición del hormigón proyectado es similar a la de hormigones convencionales, respetando ciertas particularidades como son: - Baja relación agua / cemento; - Menor cantidad de agua; - Menor cantidad de cemento; - Agregado máximo de 16mm. En cuanto a la relación Agua / Cemento óptima, hay que mencionar las diferencias entre los dos métodos existentes. En el método por vía seca para calcular la relación Agua / Cemento es necesario tener en cuenta no solo el agua que será agregada en la boquilla de la manguera, sino también el porcentaje de humedad de los agregados. Sin embargo en este método no hay un valor definido para dicha relación ya que el operario que controla la manguera es a su vez quien controla la cantidad de agua que saldrá, siendo esto una desventaja. No obstante la misma características físicas del hormigón obligan a que la relación Agua / Cemento no sea muy variada, pues en caso que dicha proporción no se encuentre entre los valores admitidos o bien existirá un exceso de polvo (en caso de escasez de agua) o bien el hormigón no se fijará a la superficie (en caso de exceso de agua). Dicha relación se encuentra normalmente entre 0,4 y 0,5. En el método por vía húmeda, la relación Agua / Cemento se mantiene en los mismo niveles que en el método por vía seca, la diferencia está en que debido a que la mezcla es realizada previamente dicha relación se puede asegurar desde el inicio. Debido al hecho en la mayoría de los casos que se utiliza proyectado se realiza a través de vía húmeda, será a este método al que haremos mayor referencia a lo largo de este capítulo. En cuanto a la composición de los áridos es importante tener especial cuidado, al igual que para cualquier tipo de hormigón, en la calidad de los mismos. Par a obtener buenos resultados es necesario que exista una buena distribución de los agregados, se recomienda que en ningún caso alguna

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fracción durante el tamizado supere el 30%. Algunos criterios que no pueden pasar por alto a la hora de utilizar hormigón proyectado son: - El tamaño máximo de los agregados no debe superar los 16mm, y en todo caso se recomienda que las partículas mayores a los 8mm no superen el 10%, en caso contrari o se producirá un rebote excesivo en el momento que estas entren en contacto con la superficie. - La curva granulométrica de los agregados es de suma importancia, ninguno de las fracciones deberá superar el 30% del peso total. Se deberá tener especial cuidado en la sección inferior de la curva, los agregados más finos (Tamiz nº 0,125) deberán encontrarse entre un mínimo del 4% y un máximo del 9%. En caso que exista un exceso de material fino se ocasionarán segregaciones que producirán atascos de la manguera, y una escasez de este hará que la mezcla pierda cohesión afectando la resistencia última de hormigón (Ver gráfico 4.1). - La utilización de aditivos tiene como finalidad mejorar las condiciones del material entre las que se encuentra: - Aumento de la velocidad del fraguado; - Mejora en la trabajabilidad del hormigón; - Mejora en distribución de los agregados; - Reducción del rebote. Dada la importancia y variedad de aditivos existentes en el mercado, se ha dejado este tema para un capítulo aparte. Para más informaciones ver capítulo 4.5. - La incorporación de fibras distribuidas homogéneamente dentro del hormigón, por un lado se demuestra extremadamente eficaz para contrarestar el conocido fenómeno de la fisuración por retracción y por otro lado, confiere al hormigón una ductilidad que puede llegar a ser considerable en la medida en que sea elevada la resistencia de las fibras, confiriendo además al hormigón en tales circunstancias, una gran tenacidad. Para más informaciones ver capítulo 3.1 y 3.2. Como particularidad del método por vía seca, la incorporación de fibras no es muy común ya que produce una gran cantidad de rebote (que podrá llegar hasta un 50%).

Gráfico 4.1 - Curva Granulométrica Recomendada Para Hormigón Proyectado.

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Tabla 4.11 - Selección de aridos en función del tamiz de agregados para una mezcla de hormigón proyectado.

Equipos para proyección La utilización de los equipos adecuados para la proyección del hormigón es tan importante como la selección de los componentes adecuados que forman el conglomerado. Dependiendo del método que se utilice (vía seca o húmeda) existen en esencia dos tipos de maquinarias distintas; Por vía Seca Hay en el mercado una gama amplia de mezcladoras para este uso, sin embargo todas se rigen bajo el mismo principio. La mezcla de áridos debe ser vertida en la tolva diseñada para dicho fin (Figura 4.2 A). A medida que el agitador gira (Ver figura 4.2 B) los agregados van cayendo y rellenando la zona de expulsión que finalmente por medio de una presión de aire entre 3 y 6 bars son proyectados a través de la manguera de conducción que finaliza en la boquilla donde se mezclan con el agua (Ver figura 4.2 C).

Figura 4.2 - Esquema de maquinaria para mezcla seca. A la izquierda esquema de máquina mezcladora A. material, B. rotor de mezcla, C. boquilla de salida a manguera, P, presión desde compresor para bombear la mezcla.

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A continuación se muestra una secuencia fotográfica de configuración de mezcla para hormigones por vía seca:

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Foto 4.19 - Introducción de aridos en la mezcla.

Foto 4.20 - Introducción de fibras en la mezcla.

Foto 4.21 - Mezcla seca saliendo del trompo.

Foto 4.22 - Transporte de material por la cinta.



Foto 4.25 - Cinta de aridos y equipo de proyección.

Foto 4.26 - Detalle del equipo de proyección..


Foto 4.27 - Detalle del trompo.

Foto 4.28 - Mezcla siendo bombeada en el sistema.

Foto 4.29 - Detalle de proyección con incorporación de agua en la splida de la manguera de proyección.

Foto 4.30 - Detalle de la proyección con incorporación de agua en la splida de la manguera de proyección.

Por vía Húmeda En la actualidad, los mecanismos de bombeo de las maquinarias utilizadas para la proyección de hormigón por vía húmeda pueden regirse a través de dos tipos de sistemas de bombeo: a) un sistema de espiral que bombea el flujo de hormigón ó b) a través de un sistema de pistones que por medio de presión es impulsada la mezcla por la manguera de conducción. Es importante señalar que en el método por vía húmeda la mezcla debe ser preparada antes de incorporarla a la máquina (incluyendo el agua correspondiente). Esta mezcla debe ser suficientemente fluida para evitar que se produzcan atascos en la manguera. Es recomendado la utilización de aditivos para aumentar la fluidez del hormigón en el momento de ser bombeado. A continuación se muestra una secuencia fotográfica del preparo y aplicación de la mezcla para hormigones proyectados por el proceso de vía húmera.

Foto 4. 31 - Fibras sueltas para la mezcla.

Foto 4.32 - Incorporación de fibras en el camión.

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Foto 4.33 - Mezcla húmeda lista.

Foto 4.34 - Mezcla lista con fibras uniformemente distribuidas.

Foto 4.35 - V erificación del asentamiento (SLUMP).

Foto 4.36 - N ótese la distribución homogénea de la mezcla.

Foto 4.37 - Incorporación de la mezcla en la bomba de hormigón.

Foto 4.38 - Incorporación de la mezcla en la bomba de hormigón.

Foto 4.39 - Proyectado con maguera manual.

Foto 4.40 - Proyectado con maguera manual.


TÉCNICA PARA LA PROYECCIÓN Como ya se ha dicho anteriormente, el hormigón es un método de aplicación, donde la correcta ejecución de este es tan importante como la composición proyectado de la mezcla. Una incorrecta ejecución tiene como consecuencia un resultado deficiente. Con una adecuada aplicación del proyectado, se obtiene un conglomerado con las características exigidas por el proyectista. En caso de no ser ejecutado correctamente, puede traer como consecuencia una mala distribución de los componentes, exceso de desperdicio o rebote, mal posicionamiento, entre otros factores indeseados. Para concluir este capitulo, se darán algunas de las recomendaciones más importantes que deberán ser respectadas durante el proceso de proyección.

Foto 4.41 - Operario manteniendo la perpendicularidad entre la superficie a gunitar y la posición del piso de manguera.

Angulo de incidencia El ángulo de incidencia con que el chorro de hormigón debe alcanzar la superficie tiene que ser perpendicular a esta. En caso contrario la cantidad de material de rebote (material de desperdicio) será excesiva. Por esta razón en todo momento la boquilla de la manguera de conducción deberá encontrarse perpendicular a la superficie.

Velocidad de impacto La separación entre la boquilla y la superficie es de gran importancia, esta separación es directamente proporcional a la velocidad de salida del hormigón. Es decir a mayor velocidad mayor deberá ser la distancia y viceversa. Pues en caso que la velocidad de impacto sea muy alta se producirá un exceso de rebote impidiendo que el hormigón se fije eficazmente a la superficie, y en caso contrario debido a la falta de cohesión la masa de hormigón no se fijará a la superficie produciéndose grandes perdidas. Para logra un equilibrio en esta relación, se aconseja agregar aire a razón de 7-15m 3 /min a una presión de 7 bars aproximadamente en la boquilla del extremo, bajo estos principios la separación entre la

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manguera y la superficie deberá encontrarse entre 1 y 2 metros.

Selección del Operario Correcto Como se puede ver en las dos recomendaciones anteriores, gran parte de la responsabilidad la tiene el operario que se encuentra manipulando la manguera (bien sea manual o por robot), la selección de la persona correcta para el proyectado es de gran importancia ya que de este depende en gran parte el resultado final (colocación de la manguera, distancia de separación, cantidad de agua en vía seca, etc.)

Foto 4.42 - Proyectado con robot.

Foto 4.43 - Proyectado manual con manguera.

4.5 - Aditivos y su compatibilidad de uso en el hormigón broreforzado En la aplicación del hormigón fibroreforzado, existen consideraciones de uso común sobre la aplicación de aditivos en el diseño de mezcla que no difieren de las comúnmente aplicadas para mezclas de hormigón simple. A continuación se muestran según los aspectos tecnológicos de formulación de mezclas según las distintas aplicaciones descritas anteriormente las posibilidades de aditivos a aplicar: - Fluidificantes , plastificantes, superpalstificante o retardante. Como su nombre lo dice es para mantener la trabajabilidad del hormigón, normalmente son a base Naftaleno Sulfonado, Copolimeros de Vinilo, Policarboxilatos modificados, que logran mantener la trabajabilidad del concreto entre 2 y 6 horas dependiendo de la necesidad. Este aditivo es incorporado al ser elaborada la mezcla para controlar el tiempo de trabajabilidad cuando existen difíciles accesos a sitio del proyectado, largos trechos de recorrido del hormigón hasta llegar a la obra. - Acelerantes de fraguado. Estos, como su nombre lo dice, son incorporados, una vez llega la mezcla a sitio de colocación para lograr un rápido aumento de resistencia. Normalmente son productos basados en silicato, sulfato de aluminio. Es importante controlar el porcentaje de este producto ya que su uso abusivo, reduce la resistencia del material a largo plazo. Normalmente se usa entre 4% y 6% de la fracción de cemento. El formato puede ser en polvo ó liquido. - Protectores de corrosión. Son una nueva generación de aditivos que activa los álcalis del hormigón y actúan en conjunto a ellos para generar una mayor protección contra la acción de iones de cloruro que inducen la oxidación.

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Todos los aditivos antes mostrados son de normal uso dentro de la configuración de mezclas de hormigón y ninguno posee una contraindicación para la aplicación de fibras. Los aditivos permiten controlar la calidad y trabajabilidad de la mezcla para lograr garantizar la resistencia y condiciones de trabajo.

4.6 - Aplicaciones típicas del hormigón broreforzado estructurales y no estruc turales Desde hace ya algunos años, hacia los sesenta, la tecnología del hormigón reforzado con fibras metálicas en integración o en sustitución del refuerzo tradicional con barras metálicas, ha pasado del campo de la experimentación iniciada en los años cincuenta, al campo de la aplicación industrial y actualmente son numerosos los sectores de aplicación rutinaria de esta tecnología: los elementos prefabricados monolíticos, los pavimentos industriales, los soportes de excavaciones subterráneas y superficiales en hormigón proyectado, los revestimientos prefabricados y vaciados en sitio para túneles, constituyen ciertamente ejemplos de las aplicaciones más ampliamente difundidas en Europa y en los Estados Unidos. Desde sus inicios el uso de las fibras ha venido sufriendo un proceso en el cual cada día son más los que usan estas como solución o alternativa al refuerzo del hormigón. Inicialmente las fibras fueron incorporadas en la matriz de hormigón para evitar el comportamiento frágil de este y mejorar su aspecto físico. En condiciones normales el hormigón tenderá a agrietarse, principalmente debido a las fuerzas de tracción que se producen en su interior. Para evitar este fenómeno es necesario reforzar con malla electrosoldada o con fibras. La ventaja en usar las fibras para contrarrestar este fenómeno es evidente, pues estas logran distribuirse a lo largo de todo el volumen del elemento creando una armadura tridimensional, evitando de esta forma el fenómeno de contracción plástica. Posteriormente diversas investigaciones concluyeron que las fibras no solo mejoraban significativamente el aspecto físico del hormigón sino que incluso mejoraban las características mecánicas del mismo, pudiendo llegar a ser utilizadas como refuerzo estructural en muchos casos. Son muchos los casos en que las fibras pueden ser y están siendo utilizadas como refuerzo estructural. Sin embargo es la falta de una normativa clara y simple la limitante más grande que ha tenido y sigue teniendo esta “nueva” tecnología para difundirse entre un mayor número de ingenieros y campos de aplicación.

4.7 - Marco normativo actual En la confección de hormigones, son aplicadas todas las referencias normativas que fueron referenciadas en capitulo 4 del presente manual, abarcando las siguientes fases: - Confección de la mezcla; - Fibras, regulaciones para su incorporación en los diferentes procesos productivos; - Control de las resistencias mecánicas del material; - Normas de diseño.

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5. Aplicaciones del hormigón reforzado con bras: túneles, proyecto del revestimiento primario y revestimiento nal 5.1 - Túneles excavados convencionalmente y con TBM Cuando la gran longitud de un túnel y la constancia de sus condiciones geomecánicas a lo largo de la misma constituyen elementos suficientemente caracterizantes de un proyecto subterráneo, están dadas en principio las condiciones para que se opte por una construcción mecanizada mediante el uso de una TBM (Tunnel Boring Machine) adecuadamente seleccionada dentro de las cada vez mas amplias y versátiles alternativas disponibles.

Foto 5.1 - Túnel ejecutado con TBM de 12m de diámetro. Linea 9 del Metro de Barcelona, España.

Tal procedimiento de excavación mecanizada está asociado, en la casi totalidad de los casos, al uso de un anillo de revestimiento compuesto por segmentos prefabricados en hormigón armado, los cuales son oportunamente ensamblados en el subterráneo, sistemáticamente y continuamente con el avanzar de la excavación del túnel, el cual en consecuencia queda completamente terminado con el paso de la TBM.

Foto 5.2 - Dovelas prefabricadas para máquinas TBM en la ejecución del túnel, Línea 9 Metro de Barcelona , España.

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5. Aplicaciones del hormigón reforzado con fibras: túneles, proyecto del revestimiento primario y revestimiento final.

Cuando en cambio se opta por la excavación convencional de un túnel, bien sea mediante el uso de voladuras o bien sea recurriendo al abatimiento mecánico de los terrenos, generalmente se procede a estabilizar de inmediato la cavidad expuesta con el avance del frente, colocando un soporte para construir, en el cual la actual tecnología hace extenso uso del hormigón proyectado, integrándolo eventualmente con elementos estructurales metálicos, marcos ó perfiles de acero y/o pernos de anclaje.

Foto 5.3 - Ejemplo de túnel excavado convencionalmente con voladura. Línea Ferroviaria CaracasCharallave, Venezuela.

Foto 5.4 - Ejemplo de túnel excavado convencionalmente con voladura, posicionamiento de soporte metálico. Línea Ferroviaria Caracas-Charallave, Venezuela.

Luego, más o menos inmediatamente o inclusive una vez completada la excavación del túnel, por lo general y no necesariamente siempre, se procede a revestir la cavidad con un vaciado en sitio de hormigón eventualmente o parcialmente armado, cuya función puede ir de la estrictamente estructural hasta la puramente ¨cosmética¨, dependiendo de las condiciones geoestáticas y funcionales de cada obra específica. 78


Foto 5.5 - Ejemplo de túnel excavado convencionalmente con Voladura, siendo ejecutado el revestimiento definitivo vaciado en hormigón, Línea Ferroviaria Caracas-Charallave, Venezuela.

La moderna tecnología del hormigón estructural recurre cada vez con más frecuencia y cada vez con más ventajas comparativas y resultados exitosos, al uso de las fibras metálicas en sustitución o a integración del tradicional refuerzo de barras metálicas y con el eventual complemento de las fibras sintéticas.

5.2 - Criterios de diseño de soportes y revestimientos de túneles El comportamiento geoestático de una excavación subterránea depende, entre otros tantos factores, de las características geomecánicas del medio natural en el que se opera, de las solicitaciones naturales preexistentes en el medio, del proceso y procedimiento constructivo adoptados incluyendo la naturaleza misma del eventual soporte instalado y de las circunstancias específicas de tal instalación. Todo lo anterior se puede reflejar suficientemente bien en la oportuna definición de “clase de comportamiento de la excavación” que, como se explica más adelante pasa, entre otros factores, a través de la caracterización geomecánica del medio (geomecánica del macizo rocoso a excavar) así como de la definición del estado de solicitaciones naturales (función en primera instancia de la profundidad o cobertura del túnel y de la densidad del macizo rocoso). El soporte primario, o de primera fase, debe garantizar la seguridad de los trabajadores y la estabilización (posiblemente total) de la cavidad a corto plazo y se pone en obra en condiciones ambientales que pueden llegar a ser incómodas, hostiles y hasta peligrosas, por lo cual los controles de su calidad son normalmente limitados y pueden llegar a ser deficientes, recomendándose en consecuencia no asignar a tal soporte una confiabilidad estructural formal de largo plazo, sino solamente una tarea de colaboración estática inmediata y limitada. El soporte primario conservativo (como hormigón proyectado reforzado con fibras metálicas, costillas metálicas y pernos de costura o trabadura) podrá ser integrado con elementos de refuerzo mecánico (de mejora) del macizo rocoso (tales como por ejemplo, pernos metálicos, vidrio resinas, inyecciones, etc.) o de pre-soporte (tales como por ejemplo, arcos troncocónicos de hormigón en precorte, o de jet grouting o de micropilotes) toda las veces que

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tal integración resulte necesaria o beneficiosa a los fines de la seguridad y de un adecuado control de la estabilización de la cavidad a corto plazo y que al mismo tiempo redunde en el establecimiento de condiciones estáticas de mayor eficiencia para las funciones del revestimiento definitivo. La deformación del núcleo de avance de la excavación representa un elemento fundamental de control de la estabilidad de la excavación misma y por lo tanto, el controlar y limitar la deformación del núcleo de avance (extrusión) incrementando adecuadamente su rigidez, juega un rol determinante sobre la estabilidad misma del túnel, a corto y largo plazo. Lo anterior deriva de la comprobada existencia de un ligamen estrecho entre el fenómeno de extrusión del núcleo al frente de avance y los fenómenos de pre-convergencia y convergencia de la cavidad con dependencia cronológica entre los fenómenos de deformación de la cavidad y los que afectan previamente al núcleo del frente de excavación, así como de un ligamen igualmente estrecho entre la inestabilidad o el colapso del frente o núcleo de avance y la consecuente inestabilidad o colapso de la cavidad, aún si previamente estabilizada. El revestimiento definitivo, debe garantizar el adecuado factor de seguridad o la confiabilidad establecida para la obra, absorbiendo las cargas que se estime le sean aplicadas a largo plazo, según los criterios definidos al respecto. En tales cargas, en principio, no se incluirían las acciones sísmicas, a menos que se trate de secciones específicas correspondientes a circunstancias consideradas especialmente sensibles a las acciones sísmicas, tales como por ejemplo ocurre en secciones de túnel muy superficiales o en secciones de túnel excavadas en sectores geológicos especialmente desfavorables (puntos de falla, etc.). En las secciones de revestimiento en que no resulte requerido acero de refuerzo para absorber solicitaciones estáticas de tracción, se colocará acero para controlar el agrietamiento por retracción. El acero de refuerzo, cuando las solicitaciones de tracción resulten limitadas o cuando se requiera solamente para el control del agrietamiento por retracción, se podrá colocar ventajosamente en forma de una adecuada cuantía de fibras metálicas. Cuando el revestimiento no resulte directamente de exigencias estructurales, sus funciones serán entre otras, facilitar la ventilación natural, garantizar la regularidad geométrica de la sección, contribuir a la impermeabilización; en estos casos su espesor será el mínimo compatible con las exigencias tecnológicas (del orden de los 30cm) y en estos casos, la cuantía de fibras metálicas de refuerzo a aplicar, será la mínima prevista por las normas (25kg/m 3). Las formas de la excavación, del soporte y del revestimiento, deben ser seleccionadas en manera tal que resulten estáticamente eficientes, constructivamente factibles y económicamente optimas, para lo cual en principio estarán caracterizadas por una forma de herradura, o por un único arco de circulo, menos que en la solera, la cual podrá ser seleccionada para cada sector de túnel, desde plana hasta curva con el mismo radio que el resto del perímetro de la sección, a medida en que la calidad geomecánica de la sección de excavación vaya pasando de optima a muy precaria. Cuando el revestimiento definitivo se concibiese para no poseer carácter o función estructural, sino solamente ¨cosmética¨ e inclusive, si este elemento llegase a faltar por completo como ocurre en algunos proyectos, entonces será el soporte de primera fase que deberá cumplir con todas las funciones estructurales antes asignadas al revestimiento definitivo, bien sea en términos de capacidad estructural y bien sea en términos de confiabilidad estructural. Algo similar ocurre en el caso de los anillos prefabricados en segmentos de hormigón que se emplean para revestir los túneles excavados con TBM, ya que tal soporte único debe cumplir con todas las 80


funciones estáticas permanentes. En este caso además, cada uno de los elementos que componen el revestimiento, debe igualmente cumplir con las muy exigentes funciones estructurales temporales, ligadas al proceso constructivo, de almacenamiento, de movilización, de ensamblaje y a veces, de contraste a las fuerzas de excavación ejercidas por la TBM sobre el frente. Finalmente, e independientemente de cual caso se trate, el diseño estructural debe partir de la definición de las cargas actuantes y de los vínculos del contorno, para lo cual resulta ser elemento previo fundamental, la caracterización geomecánica del medio a excavar. Caracterización geomecánica de rocas y suelos La identificación de los terrenos, los suelos, las rocas y los macizos rocosos, que estarán afectados por las excavaciones, es el punto de partida del complejo proceso por el cual transita el proyecto de un túnel y tal identificación está directamente ligada a los resultados de lo que se denomina tradicionalmente estudio geológico, o levantamiento geológico, o sencillamente geología del área de emplazamiento de la obra subterránea. Tal referida identificación y eventual agrupación de los suelos, las rocas los macizos rocosos involucrados, es importante que sea realizada también con criterio ingenieríl y no solamente geológico, en el sentido de considerar en todo momento las condiciones y las propiedades físicas y mecánicas de los materiales y del conjunto. Ya que el túnel será finalmente excavado y construido dentro del macizo rocoso a su escala natural, será este medio el objetivo final de la caracterización geomecánica, aunque la misma pasará en secuencia, por la caracterización del o de los materiales (suelos y rocas intactas) que conforman al macizo y luego por la caracterización de las estructuras (discontinuidades) que interrelacionan entre ellas los materiales componentes del macizo. Para los ambientes predominantemente rocosos, en función de la densidad de fracturas y de la orientación de las fracturas (grado de anisotropía) respecto al medio rocoso, el macizo puede ser esquematizado con un modelo continuo, discontinuo, o continuo equivalente. Para los ambientes típicamente caracterizados por suelos, cohesivos o no cohesivos, se hará en cambio referencia general a los correspondientes modelos continuos. En los casos de aplicación de un modelo discontinuo, el objetivo fundamental de la caracterización es individuar las características geométricas y de resistencia de las discontinuidades utilizando por ejemplo, el criterio de Barton que se expresa mediante la siguiente fórmula de la resistencia al corte:

Siendo: t - resistencia al corte sn - esfuerzo normal fb - ángulo de fricción de la base (obtenido en muestras de corte sobre superficies lisas, no alteradas) 81


JRC = coeficiente de rugosidad (Joint Roughness Coefficient). JCS = resistencia a la compresión de la pared de la discontinuidad (Joint Compressive Strength). Para los casos de macizos rocosos representables con un modelo continuo o con uno continuo equiva lente, de acuerdo con la metodología propuesta por Hoek y Brown (1997), para estimar los parámetros geomecánicos de resistencia y deformación de los macizos rocosos que puedan ser considerados macroscópicamente isótropos en relación con la escala de la aplicación especifica, se requiere el conocimiento de los tres siguiente parámetros básicos, dos de ellos relativos a los materiales rocosos que conforman el macizo y el tercero relativo a la macro-estructura del macizo: - La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta ¨ sci ¨ - La constante ¨m ï que define el carácter friccionante de la roca - El Geological Strength Index ¨GSI¨ del macizo rocoso. Se anexan dos tablas que resumen los posibles rangos numéricos correspondientes a cada uno de los dos primeros parámetros referidos, las cuales pueden ser utilizadas en primera aproximación para estimar los valores de estos dos parámetros para una determinada roca, en ausencia ó a complemento de ensayos de laboratorio. Luego también se anexan las tablas de Hoek relativas a la definición y determinación del tercer parámetro, el GSI. El siguiente paso es la estimación de las características geomecánicas de resistencia y deformación del macizo rocoso: - El ángulo de fricción ¨ ϕm ¨ - La cohesión ¨c m ¨ - La resistencia a la compresión uniaxial ¨ s cm ¨ - El módulo de deformación Ë m ¨. Para ello Hoek y Brown indican las siguientes fórmulas empíricas: ϕm

= sen-1[(6amb(s+ mb s3n)a-1)/(2(1+ a)(2+ a)+ 6amb(s+ mb s3n)a-1)]

cm = sci[(1+2a)s+(1-a)mb s3n](s+ mb s3n)a-1 /(1+a)(2+a)[1+(6amb(s+mb s3n)a-1)/((1+a)(2+a)]0.5 scm = sci [(mb+4s–a(mb–8s))*(mb /4+s)a-1]/[2(1+a)(2+a)]

Em = 1000(sci /100)1/2 10 (GSI-10) / 40 (en MPa)

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5. Aplicaciones del hormigón reforzado con fibras: túneles, proyecto del revestimiento primario y revestimiento final. s 3n = s3max / sci

(s3max / scm) = 0.47(scm / γH)-0.91

con H = profundidad del túnel Con ¨D¨ factor de perturbación constructiva: igual a ¨0¨ para condiciones no disturbadas e igual a ¨1¨ para voladuras no bien controladas. Se debe recalcar que se trata de formulas empíricas que deben ser utilizadas con extremo cuidado y en todos los casos, cada uno de estos siete parámetros geomecánicos es recomendable sea cuantificado en términos estadísticos, asignando a cada uno de ellos una distribución probabilística en función de su naturaleza y unos índices y rangos estadísticos en función de los conocimientos específicos de los cuales sobre ellos se dispone.

Tabla 5.1 - Grados de macizo rocoso según la resistencia uniaxial de la roca.

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“Valores de la constante M i para roca intacta definido por grupo de roca. Nótese que los valores en paréntesis son estimados. El rango de valores expresados depende de la granulometría y de la interlocación de la estructura de cristales- Los valores elevados obedecen a una muy cerrada interlocación y demás características de fricción.” Tipo de roca

Grupo

Clase

Carbonatos NoClástica

Bruta Conglomerados (21 + 3)

Fina Silcretas (7 + 2)

Muy fina Arcillas (4 + 2)

Grauvaca (18 + 3)

Arcillitis (6 + 2) Margas (7 + 2)

Calizas Esparcita ( 10 + 2 )

Calizas Micritas (9 + 2)

Dolomitas (9 + 3)

Yeso hidrato ( 8+2)

Anhidrita ( 12 + 2 )

Media Areniscas (17 + 4)

Brechas (19 + 5)

Clástica S A I R A T N E M I D E S

Textura

Caliza Cristalina (12 + 3)

Evaporitas

Yeso (07 + 2)

Orgánicas

A C I F R Ó M A T E M

Mármol (9 + 3)

Corneanas ( 19 + 4 ) Metarenisca ( 19 + 3 )

Ligeramente exfoliada

Migmatita (29 + 3)

Anfibolitas (26 + 6)

Exfoliada*

Gneis (28 + 5)

Esquistos (12 + 3)

Granito (32 + 3)

Diorita (25 + 5)

No exfoliada

Clara

Ortocuarcitas (20 + 3)

Filitas (7 + 3)

Pizarras (7 + 4)

Pórfidos (15 + 5)

Peridotita (25 + 5)

Riolita (25 + 5) Andesita (25 + 5)

Dacita (25 + 3) Basalto (25 + 5)

Obsidiana (19 + 3)

Brecha (19 + 5)

Toba (13 + 5)

Granodiorita (29 + 3)

Plutónica Obscura A E N G Í

Eufótida (27 + 3)

Dolorita (16 + 5)

Norita (20 + 5) Pórfidos (20 + 5)

Hipoabisal

Lava Volcánica Piroclástica

Aglomerado (19 + 3)

* Estos valores son para especimenes de roca intacta ensayados en la dirección normal a la foliación. El valor obtenido de M si la falla ocurre en la dirección del plano débil o foliación.

i

puede variar significativamente

1* Nótese que esta tabla contiene cambios sustanciales en referencia a las mostradas en publicaciones precedentes. Estos cambios han sido hechos para reflejar datos acumulados de recientes ensayos de laboratorio, y de la experiencia ganada de grandes discusiones técnicas con Geólogos e Ingenieros geólogos. Tabla 5.2 -Velores de M i para diferentes clasificaciones de roca segun su origen geomorfológico.

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Tabla 5.3 - Determinación de la clase de según su GSI.

Tabla 5.4 - Valores de GSI en función de la condición de la roca en la superficie de fractura.

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Tabla 5.5 - Determinación del GSI en funció de la calidad superficial observada y de su grado de fractura.

Clase de comportamiento y preselección del soporte primario El comportamiento geo-estático de una excavación subterránea o, aún más esquemáticamente, la clase de comportamiento de la excavación¨, depende de la combinación de un conjunto de numerosos factores que, con el máximo de la simplificación, pueden identificarse como: el estado de solicitación natural preexistente en el medio a excavar y la resistencia geomecánica del mismo. 86


El estado de solicitación natural, en primera aproximación, puede (a falta de elementos adicionales como por ejemplo mediciones en sitio) asociarse directamente con la profundidad o cobertura (H) de la excavación y la geomecánica del medio a excavar puede, también con una cierta aproximación, asociarse por un lado con la resistencia de los materiales dominantes en el medio y por el otro lado, con la macro-estructura geomecánica del macizo (fracturas, alteraciones, anisotropías y morfologías de las superficies de las discontinuidades, entre otros) para identificar la cual se pueden usar diferentes índices de calidad geomecánica (por ejemplo el RMR de Bieniawsky, el Q de Barton, el RSR de Wikham, etc.) y en especial el ya comentado GSI de Hoek. En condiciones de solicitaciones naturales que resulten considerablemente elevadas en relación con la resistencia del macizo natural y simplificando un poco mas, puede hacerse directamente referencia a la resistencia a la compresión no confinada del macizo rocoso ( scm) y ponerla directamente en relación con el estado de solicitación natural ( γ.H), siendo (γ) la densidad del macizo rocoso, introduciendo para tal correlación el importante concepto de “Índice de competencia de la excavación“ (IC=scm / γ.H) el cual resultará de gran utilidad al momento de discriminar la clase de comportamiento de la excavación en las circunstancias descritas, mientras para condiciones de valores elevados del referido índice (IC), así como generalmente ocurre a coberturas moderadas donde las condiciones de solicitaciones naturales resultan igualmente bajas, podrá resultar suficientemente condicionante y discriminante de la clase de comportamiento, la calidad geomecánica del macizo (GSI) por sí sola, según se detallará más adelante. Dentro de este orden de ideas, las posibles clases de comportamiento de la excavación pueden, para fines prácticos, resumirse en las cinco siguientes: CLASE DE COMPORTAMIENTO “A” Comportamiento de el frente y cavidad estables. Tal clase de comportamiento se produce cuando el estado de solicitación que se establece al frente y al contorno de la cavidad, como consecuencia de la redistribución de los esfuerzos naturales que sigue a la excavación misma, es tal que los esfuerzos en el medio no superan las características de resistencia del mismo y la relación de movilización entre resistencia y solicitaciones es por lo tanto siempre mucho mayor de la unidad (FS>2,5). Los fenómenos de deformación que consiguen a la excavación evolucionan manteniéndose en campo elástico, son inmediatos y son por lo general de modesto alcance, limitados al orden de pocos centímetros. Las deformaciones axiales del núcleo, presentes bajo la forma de extrusiones, son despreciables. La deformación radial libre de la cavidad (relación porcentual entre el desplazamiento radial y el radio de la galería: Ro) es muy baja ( e<1%); aún menor es la deformación radial al frente ( eo<<0,5%); la plastificación (expresada en términos de extensión del radio plástico, R p) es prácticamente inexistente (Rp /Ro=1) y el índice de competencia de la excavación resulta ser muy elevado (IC>>0,45). El GSI, principal controlador del comportamiento de la excavación cuando las coberturas son moderadas, es elevado (GSI>60). La eventual presencia de agua, también en régimen hidrodinámico, generalmente no influencia la estabilidad del túnel, a menos que se trate de terrenos alterables o, que gradientes hidráulicos de-

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masiado fuertes provoquen un lavado tal de reducir drásticamente la resistencia al corte a lo largo de los planos de discontinuidad presentes. Toda la excavación es globalmente estable y se pueden eventualmente producir solamente inestabilidades muy localizadas, en términos de caída de bloques aislados debido a localmente desfavorables circunstancias geo-estructurales en un macizo discontinuo. Las intervenciones de estabilización son por lo general mínimas y están principalmente dirigidas a evitar localizados desprendimientos del terreno potencialmente peligrosos para las personas y al mismo tiempo a mantener un perfil de excavación regular. En lo que específicamente se refiere al soporte a preseleccionar en esta clase, se considera suficiente la eventual puesta en obra de pernos aislados con además una eventual capa poco espesa de hormigón proyectado fibroreforzado.

Foto 5.6 - Ejemplo de excavación en zona de comportamiento tipo A.

CLASE DE COMPORTAMIENTO “B” Comportamiento con frente estable y cavidad estable a corto plazo. Tal clase de comportamiento se produce cuando el estado de solicitación que se establece al frente y al contorno de la cavidad, como consecuencia de la redistribución de los esfuerzos naturales que sigue a la excavación misma, es tal que los esfuerzos en el medio se acercan a las características de resistencia elástica del mismo y la relación de movilización entre resistencia y solicitaciones es aún mayor de la unidad (FS f≈2) en el frente y es próxima a la unidad (FS c≈1) en el contorno de la cavidad a cierta distancia del primero. Los fenómenos de deformación que consiguen a la excavación evolucionan en campo elasto-plástico sobre el contorno de la cavidad, son algo diferidos y son por lo general de limitado alcance, en el orden de centímetros. Las deformaciones axiales del núcleo, presentes bajo la forma de extrusiones, son limitadas y no condicionan la estabilidad del túnel ya que el terreno está aún en condición de movilizar una suficiente resistencia residual. Bajo coberturas elevadas, la deformación radial libre de la cavidad vale (1%< e<2,5%); la deformación 88


radial al frente vale ( eo <0,5%); el radio de plastificación vale (1
Foto 5.7 - Ejemplo de excavación en zona de comportamiento tipo B.

CLASE DE COMPORTAMIENTO “C” Comportamiento para cavidad inestable. Tal clase de comportamiento se produce cuando el estado de solicitación que se establece al frente y al contorno de la cavidad como consecuencia de la redistribución de los esfuerzos naturales que sigue a la excavación misma, es tal que los esfuerzos en el medio superan por poco las características de resistencia elástica del mismo y la relación de movi-

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lización entre resistencia y solicitaciones es próxima a la unidad (FS f≈1) en el frente y es menor a la unidad (FSc<1), en el contorno de la cavidad a cierta distancia del primero. Las deformaciones se desarrollan lentamente en relación a las normales velocidades de avance de la excavación y aunque no se producen evidentes derrumbes del frente debido al moderado desequilibrio tensional, las deformaciones axiales del núcleo, presentes bajo la forma de extrusiones, pueden condicionar la estabilidad del túnel. Además, debido al producirse ya en el mismo frente de deformaciones plásticas, las condiciones de la cavidad lejos del frente resultan algo críticas y la franja plástica se desarrolla en sentido radial en una extensión superior al radio del túnel, con una consecuente convergencia radial importante y con deformaciones axiales en el frente. Bajo coberturas elevadas, la deformación radial libre de la cavidad vale (2,5%< e<5%); la deformación radial al frente vale (0,5< eo<1%); el radio de plastificación vale (2
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Foto 5.8 - Ejemplo de excavación en zona de comportamiento tipo C.

CLASE DE COMPORTAMIENTO “D” Comportamiento a frente inestable. Tal clase de comportamiento se produce cuando el estado de solicitación que se establece al frente y al contorno de la cavidad como consecuencia de la redistribución de los esfuerzos naturales que sigue a la excavación misma, es tal que los esfuerzos en el medio superan las características de resistencia del mismo y la relación de movilización entre resistenc ia y solicitaciones es menor a la unidad (FS f<1) en el frente y es mucho menor a la unidad (FS c<<1) en el contorno de la cavidad a cierta distancia del primero. Los fenómenos de deformación resultan inaceptables ya que evolucionan rápidamente en campo de rotura dando lugar a graves manifestaciones de inestabilidad tales como la caída del frente y el colapso de la cavidad, sin dejar el tiempo de actuar con intervenciones de contención radial: las deformaciones axiales del núcleo, presentes bajo la forma de extrusiones o colapsos, condicionan la estabilidad del túnel. En la zona del frente el desequilibrio tensional es tal de producir altos gradientes deformativos, resultando críticas las condiciones de estabilidad del frente para las normales velocidades de avance. Además, las condiciones de la cavidad lejos del frente resultan críticas y la franja plástica se desarrolla en sentido radial en una extensión superior al diámetro del túnel, con una consecuente convergencia radial muy importante: se requieren por lo tanto intervenciones de pre-consolidación a monte del frente de avance para desarrollar acciones de pre-contención y capaces de inducir artificialmente los efectos de arco. Bajo coberturas elevadas, la deformación radial libre de la cavidad vale (5%< e<10%); la deformación radial al frente vale ( eo>1%); el radio de plastificación vale (R p /Ro>4) y el Índice de competencia vale (0,15
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en fenómenos de arrastre de materiales y de sifonamiento absolutamente inaceptables y peligrosos para la estabilidad global de la excavación. Por lo tanto, es necesario prevenir la presencia del agua, sobretodo en la zona del frente de avance, desviándola para mantenerla en todo lo posible hacia el exterior del núcleo. Para contener el desarrollo de la plastificación, sea más allá del frente de la excavación y sea en sentido radial, es muy útil una densa intervención mejorativa de consolidación preventiva del núcleo con elementos resistentes de vidrio resina conectados al macizo rocoso mediante inyecciones de mezclas de cemento. El soporte primario preseleccionado debe ser pesado y estar constituido por una espesa capa de hormigón proyectado fibroreforzado y pesadas costillas metálicas eventualmente integradas con la aplicación de elementos radiales de mejora del macizo rocoso cuya densidad y longitud dependerán esencialmente del comportamiento deformacional del macizo rocoso alrededor de la excavación. Tales elementos radiales mejorativos podrán ser constituidos por vidrio resina, o podrán ser cables o pernos estructuralmente equivalentes, dependiendo de la factibilidad práctica de su construcción, en relación con la densidad y longitud que resulten necesarias.

Foto 5.9 - Ejemplo de excavación en zona de comportamiento tipo D.

CLASE DE COMPORTAMIENTO “E” Comportamiento inestable. Tal clase de comportamiento se produce cuando el estado de solicitación que se establece al frente y al contorno de la cavidad como consecuencia de la redistribución de los esfuerzos naturales que sigue a la excavación misma, es tal que los esfuerzos en el medio superan ampliamente las características de resistencia del mismo y la relación de movilización entre resistencia y solicitaciones es mucho menor a la unidad (FS<<1) sea en el frente y sea en el contorno de la cavidad. Esta clase se distingue por una inestabilidad a corto plazo del frente con derrumbes inmediatos en el mismo como consecuencia de las operaciones de avance y en presencia de la convergencia libre de la cavidad muy acentuada. Tal comportamiento es, por ejemplo, típico de los terrenos no cohesivos, de macizos rocosos catacla92


sados, como en las zonas de fallas, o en presencia de fuertes gradientes hidráulicos, o de todos modos en los casos en donde desequilibrios tensionales elevadísimos determinan el derrumbe inmediato del frente al momento de la abertura de la cavidad. En el caso de cruce de fallas o en los tramos que de todos modos se caractericen por una inestabilidad a corto plazo del frente con condiciones de colapso inmediato, se evaluará en función de las características geo-estructurales y hidrogeológicas, la necesidad de intervenciones de pre-confinamiento, pre-soporte o de mejoramiento en avance, o de eventualmente una oportuna combinación de dichos métodos. Bajo coberturas elevadas, la deformación radial libre de la cavidad vale ( e>10%); la deformación radial al frente vale ( eo >>1%); el radio de plastificación vale (Rp /Ro>>4) y el índice de competencia vale IC<0,15.O GSI, El GSI, principal controlador del comportamiento de la excavación cuando las coberturas son moderadas, es muy bajo (GSI<20). La eventual presencia de agua, reduce drasticamente la capacidad de resistencia al corte del terreno favoreciendo una mayor extensión de la plastificación e incrementando la magnitud de los fenómenos de deformación, dando posiblemente lugar a fenómenos de arrastre de materiales y de sifonamiento absolutamente inaceptables y peligrosos para la estabilidad global de la excavación. Por lo tanto, es indispensable prevenir la presencia del agua, desviándola para mantenerla en todo lo posible hacia el exterior. Debido a la reducida capacidad portante de los terrenos, el sistema de contraste de primera fase además de resultar lo suficientemente pesado y debidamente integrado como en la clase anterior, contemplará también adecuadas soluciones técnicas complementarias (por ejemplo, costillas con apoyo aumentado, tratamiento mejorativo del terreno de fundación de las costillas, arco invertido provisional, arco invertido definitivo en avance, arcos de pre-soporte de la excavación, etc.). El soporte primario preseleccionado debe ser muy pesado y estar constituido por una muy espesa capa de hormigón proyectado fibroreforzado y pesadas costillas metálicas integradas con la aplicación de densos elementos radiales de mejora del terreno. Tales elementos radiales mejorativos podrán ser constituidos por vidrio resina, o podrán ser cables o pernos estructuralmente equivalentes, dependiendo de la factibilidad práctica de su construcción, en relación con la densidad y longitud que resulten necesarias.

Foto 5.10 - Ejemplo de excavación en zona de comportamiento tipo E.

Figura 5.1 - Ejemplo de conceptualización de soporte para terrenos tipo E.

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Tabla 5.6 - Clasificación del comportamiento del soporte en función del GSI, indice de competencia, calidad de material y cobertura de excavación.

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Determinación de las cargas actuantes Una vez preseleccionado el soporte necesario a la adecuada estabilización el túnel, basado en la determinación de la clase de comportamiento de la excavación de acuerdo con las pautas establecidas con anterioridad, para elaborar un detallado diseño estructural es luego necesario proceder con los correspondientes análisis y cálculos para lo cual, el elemento básico lo constituye la determinación de las cargas actuantes sobre la estructura del soporte, además obviamente de la calibración de la rigidez de los terrenos que acogerán la misma estructura del soporte a diseñar. Para la determinación práctica de las cargas actuantes, es conveniente diferenciar las secciones de excavación de un túnel correspondientes a coberturas moderadas (hasta del orden de 10 veces el ancho ¨b¨ del túnel) de las secciones de excavación más profundas, ya que dependiendo de tales condiciones de cobertura (H) las cargas actuantes se estiman generalmente siguiendo dos diferentes metodologías: la del ¨sólido de cargas¨ en el primer caso y la de las ¨líneas características¨ en el segundo caso. Además, también se aplica un esquema distinto de distribución para las cargas actuantes: sobre el revestimiento definitivo, cargas gravitacionales verticales en bóveda y horizontales en los hastíales para las secciones bajo coberturas moderadas y cargas radiales solo en bóveda para las secciones más profundas. Sobre el soporte primario, se aplica por lo general indistintamente el modelo de cargas radiales en bóveda y hastíales. Para las secciones de excavación bajo coberturas moderadas y clasificables como “superficiales” (H<2,b), la carga de equilibrio de contraste sobre el soporte primario y las cargas verticales actuantes sobre el revestimiento definitivo serán las mismas y serán iguales a las cargas gravitacionales ( γ.H) correspondientes a un sólido de altura coincidente con la cobertura específica. Sobre el revestimiento definitivo de estas secciones, las cargas horizontales de diseño serán iguales a las que se deriven de la aplicación de la teoría clásica de empujes sobre estructuras de contención de tierra y además actuarán también las acciones sísmicas. Para las secciones de excavación bajo coberturas moderadas y clasificadas como “intermedias” (2,b
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Gráfico 5.1 - Abacos para la determinación de alfa de Terzaghi, Perri 2000.

En estas secciones clasificadas como intermedias, para estimar las cargas verticales actuantes sobre el revestimiento definitivo se podrá eventualmente asumir una oportuna disminución del coeficiente ¨ a ¨, de entre el 25% y el 50% del valor obtenido de la fórmula, dependiendo de las condiciones geomecánicas de la excavación y de los tiempos de construcción previstos para el revestimiento.

Grafico 5.2 - Gráfico de relación de cargas sobre soportes vs. cobertura, incidencia de Factor Alfa en función del GSI.

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Efectivamente, la referida reducción de la carga de diseño actuante sobre el revestimiento, podrá ser tanto más acentuada cuanto más se pueda asumir que el soporte primario se haya efectivamente cargado por efecto del sólido de cargas antes de la construcción del revestimiento, el cual a su vez deberá recibir solamente toda aquella porción de la carga no previamente y seguramente absorbida por el soporte primario. Sobre el revestimiento definitivo definitivo de estas secciones secciones intermedias, las cargas horizontales horizontales de diseño serán iguales a las que se deriven de la aplicación de la teoría clásica de empujes sobre estructuras de contención de tierra, o serán simplemente las que se deriven de la reacción elástica de confinamiento ofrecida por el terreno sobre el revestimiento deformable, según indique el modelo de análisis que se aplique en cada caso específico. Las acciones sísmicas se aplicarán solamente donde explícitamente lo recomienden los estudios geológicos y geotécnicos. Para las secciones clasificadas como “profundas” (H>10.b), las cargas de equilibrio de contraste actuantes sobre el soporte primario serán las radiales que resulten de un análisis de interacción por líneas características. Sobre el revestimiento definitivo, las cargas de diseño serán radiales, aplicadas solamente en la zona de bóveda y de magnitud proporcional a la extensión del radio de plastificación establecido en correspondencia del equilibrio alcanzado alcanzado con el soporte primario o del radio que luego se pueda eventualmente alcanzar hasta la efectiva entrada en actuación del revestimiento, mientras las cargas horizontales actuantes serán las resultantes de la reacción elástica de confinamiento ofrecida por el terreno sobre el revestimiento deformable. deformable. Las acciones sísmicas se aplicarán solamente donde explícitamente lo recomienden los estudios geológicos y geotécnicos. Todos los elementos anteriores, relativos a los criterios para calcular las cargas actuantes sobre los soportes, podrán ser diligentemente empleados para un detallado diseño estructural sobre la base de la capacidad estructural misma de los posibles soportes a emplear disponibles en cada caso específico. Estos mismos elementos han sido utilizados en este manual para definir los soportes a utilizar sobre la base de condiciones geomecánicas más comunes y referidos a los posibles soportes típicamente disponibles, así como se expone en los capítulos siguientes.

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Esquemas de cargas sobre soportes y revestimientos

ARLOS

Figura 5.2 - Esquema de Cargas - Soporte Primario

Figura 5.3 - Esquema de cargas revestimiento definitivo definitivo - Coberturas moderadas.

Figura 5.4 - Esquema de cargas revestimiento definitivo - Coberturas elevadas. elevadas.

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5.3 - Diseño de soportes en hormigón broreforzado broreforzado proyectado. En la moderna tecnología de túneles, los soportes colocados durante la excavación se componen de un conjunto de elementos elementos resistentes, resistentes, el principal de los cuales cuales es el hormigón proyectado proyectado fibroreforzado eventualmente complementado con marcos y pernos metálicos los cuales, según sea el caso, podrán ser colocados en diferentes combinaciones, combinaciones, así como a manera de ejemplo se indica en la tabla que sigue, para cinco típicos soportes primarios los cuales (SP-a; SP-b; SP-c; SP-d; SP-e) en el caso de la tabla están referidos a un túnel de aproximadamente 10 metros de ancho (b), o de diámetro equivalente.

En la tabla 5.7 puede observarse que, con la excepción de las dos situaciones extremas para las cuales en un caso ciertamente corresponden a situaciones geomecánicas en las que no es necesario integrar el soporte con marcos metálicos y en el otro caso a situaciones geomecánicas geomecánicas en las que es en cambio prácticamente inevitable tal uso, en todas las situaciones intermedias y más recurrentes en las practica tunelera, es siempre posible posible optar por lo menos entre dos alternativas tecnológicas tecnológicas de soporte: una basada sobre el uso de los marcos metálicos para integrar el hormigón proyectado y la otra basada en cambio sobre el uso sistemático y extensivo de los pernos metálicos para integrar el mismo hormigón proyectado.

Efectivamente desde un punto de vista estrictamente estructural, es ciertamente posible alcanzar el mismo objetivo en cuanto a capacidad estructural o capacidad de contraste del soporte, con ambas alternativass tecnológicas y en consecuencia, la selección práctica finalmente depende en cada caso de alternativa factores tales como, por ejemplo: la disponibilidad en obra de los mismos elementos, la disponibilidad de los equipos para la colocación en obra de los elementos, el costo comparativo de los elementos en el mercado específico, las condiciones contractuales, los rendimientos rendimientos productivos, la experiencia y tradición del constructor y la seguridad de los abreros.

Naturalmente podría además mencionarse toda una larga serie de distintas ventajas o desventajas técnicas comparativas comparativas entre ambas alternativas, alternativas, pero en este aspecto entraría fácilmente fácilmente en juego con mucha fuerza la subjetividad de cada quien, con lo cual se terminarían invalidando con facilidad las respectivas respectivas posiciones al respecto. respecto.

Para destacar las ventajas técnico-económicas técnico-económicas que son normalmente utilizadas utilizadas como justificati justificativa va para la aplicación de la alternatia de hórmigón fibroreforzado sin afectar la objetivado de proposición de una alternativa de soporte, destacamos que su aplicación conduce mejoras tecnológicas cualitativas de importancia que elevan la calidade de proyecto logrando:

- Un revestimiento homogéneo sin vacios que pueden ser generados em la interfaz macizo roloso y hormigón proyectado con malla;

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- Diminución del rebote de material; - Obtención de una mezcla más compacta y uniforme;

- Elevada seguridad de la obra disminuyendo disminuye ndo el tiempo de exposición de los obreros em la excavación, excavaci ón, permitiendo el avance del frente de trabajo inmediatamente inmediatamente luego después de las voladuras para su estabilización sin poner las personas en riesgo, debido a los eventuales desaplazamientos superficiales de material residual en la superficie de excavación, por el echo de tener que parar las actividades para fijar la malla prevista como alternativa tradicional; tradicional;

- Genera una superficie homogénea homogénea reforzada la cual seguramente tendrá una mayor capacidad de absorción de los esfuerzos;

- Genera un hormigón dúctil capaz de absorver esfuerzos;

- Capacidad resistente à la tracción en la flexión;

- Capacidad de absorción de energía mediante la deformación.

Finalmente, sobre la base de las posibles alternativas de soporte previstas o disponibles en cada proyecto, se debe proceder a la selección específica para cada sección de diseño, confrontando los valores de la presión que se espera deba actuar (las cargas) de acuerdo con las coberturas y las posibles condiciones geomecánicas geomecánicas de los terrenos a encontrar (representadas estas por ejemplo por el Geological Strengh Index de Hoek) con los valores de la capacidad (las resistencias) de los soportes disponibles. Siguiendo tal procedimiento para, por ejemplo, un túnel de aproximadamente 10 metros de ancho, diámetro equivalente, se han obtenido preliminarmente los soportes indicados en la tabla que se reporta.

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Tabla 5.7 - Características geométricas y estructurales de soportes básicos.

Tabla 5.8 - Pre-selección de soportes básicos en función del GSI y cobertura.

Alternativamente, el diseño de un soporte en hormigón proyectado fibroreforzado se puede también efectuar basándolo sobre el cálculo de su equivalencia resistente a flexión con respecto a un soporte de hormigón proyectado reforzado con malla metálica electro-soldada. Tradicionalmente, desde hale algunos decenios el hormigón proyectado había sido universalmente empleado en la construcción de túneles, armándolo con una capa de malla metálica con los múltiples

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objetivos de conferir al hormigón una cierta resistencia flexional, controlar la fisuración por retracción, facilitar el adherencia a las paredes y techo de las excavaciones y también limitar el rebote. Es por lo tanto fácilmente comprensible como la idea de pensar y luego implementar casi universalmente la sustitución de la referida malla metálica con las fibras metálicas, ha surgido rápidamente y bastante naturalmente ya que todas las principales funciones que la malla cumplía, resultan mucho más eficientemente cumplidas por las fibras metálicas. Al mismo tiempo ha sido igualmente fácil y natural recurrir a una metodología de cálculos y diseño estructural de los soportes en hormigón proyectado fibroreforzado partiendo de la búsqueda de la equivalencia estructural de la capacidad resistente a la preso-flexión entre una placa de hormigón reforzado con una malla metálica colocada en la mitad de su espesor y la misma placa de hormigón fibroreforzado. La resistencia flexional (momento máximo resistente) de 1m de placa de hormigón de espesor (d) armada con una malla metálica, de sección S m (mm2) y resistencia sy’ (N/mm2), colocada en la mitad del espesor (d/2 en mm), se obtiene (en N.mm) con la expresión: mientras el momento máximo resistente del mismo metro de placa de hormigón fibroreforzado, resulta de:

siendo (feq) la resistencia equivalente a tracción por flexión del hormigón fibrorefoerzado en N/mm 2 (MPa) y obteniendo finalmente, para la igualdad de los dos momentos resistentes: feq = 0,0027,Sm ,sy’/d (resistencia requerida para obtener la equivalencia con un espesor dado) d = 0,0027,Sm ,sy’/feq (espesor requerido para obtener la equivalencia con una determinada f eq) La resistencia característica equivalente a tracción del hormigón fibrorefoerzado f eq debe en principio ser obtenida directamente de los ensayos sobre viga o, a falta de estos, puede ser preliminarmente deducida correlacionándola empíricamente con la clase del hormigón base (de la cual principalmente depende la resistencia de primera fisuración a tracción por flexión f if del hormigón fibrorefoerzado) y con el tipo y la dosificación de fibras (elementos de los cuales principalmente depende finalmente la ductilidad del hormigón fibroreforzado, expresada por los índices D 0 y D1). De acuerdo con todo lo anterior, el diseño estructural de los soportes en hormigón proyectado reforzado con fibras es basado en el cálculo de equivalencia entre la resistencia flexional de los soportes diseñados en hormigón proyectado reforzado con malla metálica electro-soldada (por ejemplo: 4 x 100 x 100mm) y la resistencia flexional de los mismos soportes en hormigón proyectado fibrore-

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forzado, consiste esencialmente en la determinación de la dosificación de fibras (Kg/m 3) que, para el hormigón pre-establecido y para el espesor pre-establecido en cada caso, garantice al hormigón fibroreforzado una resistencia a tracción equivalente (f eq) con la cual la resistencia flexional de la sección fibroreforzada alcance a la resistencia flexional de la correspondiente sección de hormigón reforzado con malla metálica. Por lo tanto, se debe iniciar con la determinación del valor de la referida resistencia equivalente mínima a alcanzar para cada uno de los soportes primarios previstos y luego se debe disponer de la correlación (referencial o experimental) entre la dosificación de la fibra seleccionada y la resistencia equivalente a tracción por flexión (f eq) del específico hormigón proyectado previsto a emplear (por ejemplo: C24/30). Aplicando las fórmulas reportadas anteriormente, se obtienen las siguientes resistencias mínimas para el hormigón fibroreforzado de cada uno de los cuatro soportes primarios, correspondientes a los cuatro espesores de hormigón considerados (10cm – 14cm – 16cm –20cm):

Para el hormigón de clase C24/30, correspondiente a una resistencia características cilíndrica de f’c = 240kg/cm², las normas europeas EFNARC indican una resistencia a la tracción de primera fisuración de f If = 3,4MPa para la fibra denominada Wirand ® FS3N, cuyas características se anexan a manera de ejemplo, el fabricante reporta la correlación aproximada siguiente, entre ductilidad mínima y dosificación:

Resultando en consecuencia, para un hormigón C24/30, la correlación siguiente, entre dosificación y mínima resistencia equivalente a tracción por flexión:

La tabla 5.9 fue elaborada para completar el procedimiento descrito, correspondiente al diseño de secciones fibroreforzadas por equivalencia a la resistencia flexional de secciones reforzadas con malla electro-soldada. Se puede observar, en la última línea de la tabla 5.9, que la dosificación recomendada se mantiene en 25kg/m3 como mínimo, según las normas que indican en general este valor mínimo para un hormigón estructural, independientemente de los resultados teóricos de los análisis llevados a cabo.

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Tabla 5.9 - Comparativo mecánico entre secciones reforzadas con fibras metálicas y secciones con acero convencional para la determinación de espesores del revestimiento primario.

Naturalmente, lo que se ha expuesto constituye ciertamente una manera muy simplista de dimensionar una sección resistente de hormigón reforzado con fibras metálicas para el soporte de un túnel y el mismo persigue esencialmente y solamente, definir una sección que posea una resistencia flexional equivalente a la de la misma sección reforzada con una determinada malla metálica, todo lo cual puede sin embargo tener utilidad práctica, por ejemplo al momento de decidir un eventual cambio de tecnología constructiva, en el sentido de pasar al uso del hormigón fibroreforzado para un proyecto originalmente concebido en hormigón reforzado con barras tradicionales. Por otro lado, se dispone de otras metodologías de análisis y cálculo estructural que bien pueden ser adoptadas y adaptadas al diseño de elementos estructurales resistentes en hormigón fibroreforzado, desde algunas analíticas aún sencillas, hasta otras numéricas más sofisticadas y más versátiles, tales como son las que hacen uso de códigos tan poderosos y ya tan difundidos como el SAP 2000 ®, o de otros códigos aún más complejos, con algoritmos de diferencias finitas y elementos finitos, en campo bi y tri-dimensional. Los datos de ingreso necesarios al dimensionado de los soportes en hormigón fibroreforzado varían según el método de análisis: para el caso de la simple equivalencia de la resistencia flexional, así como se evidenció con anterioridad, solamente se requiere del valor de la resistencia equivalente a tracción por flexión del hormigón fibroreforzado (f eq), mientras para las modelaciones numéricas se requiere de la geometría detallada de la estructura, de las cargas especificas y de los vínculos (rigidez de los terrenos de apoyos, en particular el módulo de reacción del terreno k) y, nuevamente, del valor de la resistencia equivalente a tracción por flexión del hormigón fibroreforzado, además que de su módulo de deformación elástica.

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Se comentan los resultados obtenidos de los análisis efectuados para soportes de túneles de 10m de ancho, recurriendo a la modelación numérica por medio del código SAP (Structural Analisis Program) de la Universidad de California – Berkeley, relativos a tres de los espesores de hormigón proyectado ya considerados (14cm para P-b, 16cm para P-c y 20cm para P-d/e), mientras el soporte primario P-a de 10cm de espesor no se ha analizado ya que su uso está generalmente limitado a los casos de cargas estáticas nulas o muy bajas y su función es esencialmente de protección contra los posibles desprendimientos locales accidentales de pequeños bloques rocosos del techo y paredes de la excavación. Los resultados más representativos de los análisis numéricos efectuados están representados por las máximas tracciones en las dos zonas críticas de la sección estructural del soporte (bóveda y hastíales) y son función sea de los niveles de rigidez del terreno y sea de los esquemas de cargas considerados en los análisis: el de una presión normal uniforme sobre todo el perímetro del arco del soporte y el, más crítico, de una presión aún normal pero diferente en la bóveda de los hastíales (presión lateral gradualmente reducida a solo una fracción hacia los pies del arco). Las tracciones más elevadas, se obtienen en correspondencia de los análisis que simulan cargas del terreno sobre el soporte con una presión lateral reducida y las más bajas por el contrario, corresponden a los análisis con presiones uniformes sobre todo el perímetro del soporte. Las zonas más críticas del soporte, en cuanto a presencia y magnitud de las tracciones, son las de los hastíales a contacto con el terreno: para los análisis con presiones uniformes sobre todo el perímetro del soporte, no se producen tracciones en las zonas de bóveda, mientras para los análisis con presión lateral reducida, las tracciones que se producen en las zonas de bóveda resultan siempre inferiores a las correspondientes de los hastíales. Las referidas tracciones en las zonas de los hastíales, que se producen también con presiones uniformes sobre todo el perímetro del soporte, resultan siempre más elevadas cuando se simula una menor rigidez para el terreno. La máxima tracción obtenida es de 9,0kg/cm 2 (0,9MPa), siguiéndole otros valores elevados (8,2; 7,3; 5,7 y 3,9kg/cm2). Todas las demás tracciones máximas obtenidas son de 2,8kg/cm 2 (0,3MPa).

Tabla 5.10 - Valores resultantes de análisis de soportes primarios, máximas tracciones.

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En suma, todos los casos analizados, incluyendo los correspondientes a las condiciones más desfavorables de magnitud y esquema de cargas así como de rigidez del terreno, muestran que las tracciones a esperar en todos los soportes resultan inferiores a 1MPa y por lo tanto en principio, siempre compatibles con las resistencias características equivalentes a tracción por flexión que se pueden generalmente alcanzar con un hormigón proyectado de clase C24/30 y con una dosificación mínima de fibras metálicas (25kg/m 3): aproximadamente unos 1,5MPa, de acuerdo con numerosos ensayos disponibles. Por lo tanto los análisis numéricos efectuados permiten concluir que para los soportes de túneles en hormigón proyectado, también desde el punto de vista estrictamente estructural, es generalmente técnicamente factible la sustitución de la malla electro-soldada con una dosificación mínima (25kg/m3) de adecuadas fibras metálicas, confirmando de tal manera los resultados ya obtenidos con los sencillos cálculos basados en la equivalencia entre la resistencia flexional de los soportes en hormigón proyectado reforzado con malla metálica electro-soldada y la resistencia flexional de los mismos soportes de hormigón proyectado fibroreforzado. Más en general, mediante modelación numérica se ha podido comprobar que con el uso de adecuadas fibras metálicas en un hormigón de clase 24/30 (y naturalmente también de clase más alta), la dosificación de 25kg/m 3 de fibras establecida como mínima por las principales normas para el hormigón estructural, es en principio suficiente a conferir al hormigón proyectado una resistencia a tracción (feq) de orden de magnitud (1,0-1,5MPa) compatible con las solicitaciones que normalmente se establecen en los soportes de los túneles en correspondencia de las más usuales condiciones geotécnicas, geométricas y de cobertura.

Tabla 5.11- Tabla de valores de resistencias media para el hormigón proyectado con fibras metalicas FS3N, obtenidos de pruebas UNI11039.

106


La tabla 5.13 se refiere al diseño del soporte primario Z de la unión de todos los análisis llevados a cabo según hasta ahora comentados, la cual puede ser diligentemente utilizada para fines de un inmediato prediseño del soporte de túneles con diámetro equivalente en el orden de los 10 metros. La primera parte de esta tabla permite seleccionar el soporte sobre la base de la clase de comportamiento de la excavación, la cual es referible: al GSI (Geological Strengh Index) para las secciones de túneles bajo coberturas moderadas y, para las secciones de túneles bajo coberturas más elevadas, al Índice de Competencia: IC = scm / γ.H = (0,0034.mi 0,8).sci[1,029+0,025.e (-0,1mi)]GSI / γ.H

H/ ci (m/MPa)

mi 5 7,5 10 GSI <=20 15 20 25 30 35 5 7,5 10 G SI =( 20 -4 0) 1 5 20 25 30 35 5 7,5 10 GSI = (30-50) 15 20 25 30 35 5 7,5 10 G SI =( 40 -6 0) 1 5 20 25 30 35 5 7,5 10 GSI > 60 15 20 25 30 35

7

8

9

10

11

12

CLASE DE COMPORTAMIENTO DE LA EXCAVACIÓN EN FUNCIÓN DE: GSI - H 13 14 15 16 17 18 19 20 23 25 28 30 ÍNDICE DE COMPETENCIA(IC =

cm

G.Perri, 2002

ci

35

40

45

50

60

70

80

90

100

/yH)

0 ,11 0 ,1 5

0 ,0 9 0 ,1 3

0 ,0 8 0 ,11

0 ,0 8 0 ,1 0

0 ,0 7 0 ,0 9

0 ,0 6 0 ,0 8

0 ,0 6 0 ,0 8

0 ,0 5 0 ,0 7

0 ,0 5 0 ,0 7

0 ,0 5 0 ,0 6

0 ,0 4 0 ,0 6

0 ,0 4 0 ,0 6

0 ,0 4 0 ,0 5

0 ,0 4 0 ,0 5

0 ,0 3 0 ,0 5

0 ,0 3 0 ,0 4

0 ,0 3 0 ,0 4

0 ,0 3 0 ,0 3

0 ,0 2 0 ,0 3

0 ,0 2 0 ,0 3

0 ,0 2 0 ,0 2

0 ,0 2 0 ,0 2

0 ,0 1 0 ,0 2

0 ,0 1 0 ,0 1

0 ,0 1 0 ,0 1

0 ,0 1 0 ,0 1

0 ,0 1 0 ,0 1

0 ,1 8 0 ,2 4 0 ,2 9 0 ,3 5 0 ,4 0 0 ,4 5

0 ,1 6 0 ,2 1 0 ,2 6 0 ,3 0 0 ,3 5 0 ,3 9

0 ,1 4 0 ,1 9 0 ,2 3 0 ,2 7 0 ,3 1 0 ,3 5

0 ,1 2 0 ,1 7 0 ,2 1 0 ,2 4 0 ,2 8 0 ,3 1

0 ,11 0 ,1 5 0 ,1 9 0 ,2 2 0 ,2 5 0 ,2 8

0 ,1 0 0 ,1 4 0 ,1 7 0 ,2 0 0 ,2 3 0 ,2 6

0 ,1 0 0 ,1 3 0 ,1 6 0 ,1 9 0 ,2 1 0 ,2 4

0 ,0 9 0 ,1 2 0 ,1 5 0 ,1 7 0 ,2 0 0 ,2 2

0 ,0 8 0 ,11 0 ,1 4 0 ,1 6 0 ,1 9 0 ,2 1

0 ,0 8 0 ,1 0 0 ,1 3 0 ,1 5 0 ,1 7 0 ,2 0

0 ,0 7 0 ,1 0 0 ,1 2 0 ,1 4 0 ,1 6 0 ,1 8

0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,11 0 ,1 3 0 ,1 5 0 ,1 7

0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,11 0 ,1 3 0 ,1 5 0 ,1 6

0 ,0 6 0 ,0 8 0 ,1 0 0 ,1 2 0 ,1 4 0 ,1 6

0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,11 0 ,1 2 0 ,1 4

0 ,0 5 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,1 0 0 ,11 0 ,1 3

0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,1 0 0 ,11

0 ,0 4 0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 9 0 ,1 0

0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 9

0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 8

0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7

0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 6

0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 5

0 ,0 2 0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 4

0 ,0 2 0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3 0 ,0 3 0 ,0 4

0 ,0 1 0 ,0 2 0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3 0 ,0 3

0 ,0 1 0 ,0 2 0 ,0 2 0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3

0 ,1 7 0 ,2 2

0 ,1 5 0, 19

0 ,1 3 0 ,17

0 ,1 2 0 ,1 5

0 ,11 0 ,1 4

0 ,1 0 0 ,1 3

0 ,0 9 0, 12

0 ,0 8 0 ,11

0 ,0 8 0 ,1 0

0 ,0 7 0 ,0 9

0 ,0 7 0, 09

0 ,0 6 0 ,08

0 ,0 6 0 ,0 8

0 ,0 6 0 ,0 8

0 ,0 5 0 ,0 7

0 ,0 5 0, 06

0 ,0 4 0 ,0 6

0 ,0 4 0 ,0 5

0 ,0 3 0 ,0 4

0 ,0 3 0, 04

0 ,0 3

E

0 ,0 2 0 ,0 3

0 ,0 2 0 ,0 3

0 ,0 2 0, 02

0 ,0 1 0 ,02

0 ,0 1 0 ,0 2

0 ,0 1 0 ,0 2

0 ,2 6 0 ,3 3 0 ,4 0 0 ,4 7

0 ,2 3 0 ,2 9 0 ,3 5 0 ,4 1

0 ,2 0 0 ,2 6 0 ,3 1 0, 37

0 ,1 8 0 ,2 3 0 ,2 8 0 ,33

0 ,1 7 0 ,2 1 0 ,2 6

D

0 ,1 5 0 ,2 0 0 ,2 4 0 ,2 7

0 ,1 4 0 ,1 8 0 ,2 2 0, 25

0 ,1 3 0 ,1 7 0 ,2 0 0 ,24

0 ,1 2 0 ,1 6 0 ,1 9 0 ,2 2

0 ,11 0 ,1 5 0 ,1 8 0 ,2 1

0 ,11 0 ,1 4 0 ,1 7 0 ,1 9

0 ,1 0 0 ,1 3 0 ,1 6 0, 18

0 ,1 0 0 ,1 2 0 ,1 5 0 ,17

0 ,0 9 0 ,1 2 0 ,1 4 0 ,1 6

0 ,0 8 0 ,1 0 0 ,1 3 0 ,1 5

0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,11 0, 13

0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,1 0 0 ,12

0 ,0 6 0 ,0 8 0 ,0 9 0 ,11

0 ,0 5 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 9

0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 8

0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6 0, 07

0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7

0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 5

0 ,0 3 0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 5

0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 4 0, 04

0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3 0 ,04

0 ,0 2 0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3

0 ,5 4 0 ,6 0 0 ,2 6 0 ,3 2 0 ,3 8

0 ,4 7 0 ,5 3 0 ,2 3 0 ,2 8 0 ,3 3

0 ,4 2 0 ,4 7 0 ,2 0 0 ,2 5 0 ,2 9

0 ,3 8 0 ,4 2 0 ,1 8 0 ,2 3 0 ,2 6

0 ,3 4 0 ,3 8 0 ,1 6 0 ,2 1 0 ,2 4

0 ,3 1 0 ,3 5 0 ,1 5 0 ,1 9 0 ,2 2

0 ,2 9 0 ,3 2 0 ,1 4 0 ,1 7 0 ,2 0

0 ,2 7 0 ,3 0 0 ,1 3 0 ,1 6 0 ,1 9

0 ,2 5 0 ,2 8 0 ,1 2 0 ,1 5 0 ,1 8

0 ,2 3 0 ,2 6 0 ,11 0 ,1 4 0 ,1 7

0 ,2 2 0 ,2 5 0 ,11 0 ,1 3 0 ,1 6

0 ,2 1 0 ,2 3 0 ,1 0 0 ,1 3 0 ,1 5

0 ,2 0 0 ,2 2 0 ,0 9 0 ,1 2 0 ,1 4

0 ,1 9 0 ,2 1 0 ,0 9 0 ,11 0 ,1 3

0 ,1 7 0 ,1 9 0 ,0 8 0 ,1 0 0 ,1 2

0 ,1 5 0 ,1 7 0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,11

0 ,1 4 0 ,1 5 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,1 0

0 ,1 3 0 ,1 4 0 ,0 6 0 ,0 8 0 ,0 9

0 ,11 0 ,1 2 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 8

0 ,0 9 0 ,11 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7

0 ,0 8 0 ,0 9 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6

0 ,0 8 0 ,0 8 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 5

0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 4

0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 3 0 ,0 3 0 ,0 4

0 ,0 5 0 ,0 5 0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3

0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 3

0 ,0 4 0 ,0 4 0 ,0 2 0 ,0 2 0 ,0 3

0 ,4 7 0 ,5 6 0 ,6 4

0 ,4 1 0 ,4 9 0 ,5 6

0 ,3 7 0 ,4 3 0 ,5 0

0 ,3 3 0 ,3 9 0 ,4 5

0 ,3 0 0 ,3 5 0 ,4 1

0 ,2 7 0 ,3 2 0 ,3 7

0 ,2 5 0 ,3 0

C

0 ,2 4 0 ,2 8 0 ,3 2

0 ,2 2 0 ,2 6 0 ,3 0

0 ,2 1 0 ,2 4 0 ,2 8

0 ,1 9 0 ,2 3 0 ,2 6

0 ,1 8 0 ,2 2 0 ,2 5

0 ,1 7 0 ,2 0 0 ,2 4

0 ,1 6 0 ,1 9 0 ,2 2

0 ,1 5 0 ,1 7 0 ,2 0

0 ,1 3 0 ,1 6 0 ,1 8

0 ,1 2 0 ,1 4 0 ,1 6

0 ,11 0 ,1 3 0 ,1 5

0 ,0 9 0 ,11 0 ,1 3

0 ,0 8 0 ,1 0 0 ,11

0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,1 0

0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 9

0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7

0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 6

0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6

0 ,0 4 0 ,0 4 0 ,0 5

0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 4

0 ,7 2 0 ,8 0

0 ,6 3 0 ,7 0

0 ,5 6 0 ,6 3

0 ,5 1 0 ,5 6

0 ,4 6 0 ,5 1

0 ,4 2 0 ,4 7

0 ,3 9 0 ,4 3

0 ,3 6 0 ,4 0

0 ,3 4 0 ,3 8

0 ,3 2 0 ,3 5

0 ,3 0 0 ,3 3

0 ,2 8 0 ,3 1

0 ,2 7 0 ,3 0

0 ,2 5 0 ,2 8

0 ,2 2 0 ,2 5

0 ,2 0 0 ,2 3

0 ,1 8 0 ,2 0

0 ,1 7 0 ,1 9

0 ,1 4 0 ,1 6

0 ,1 3 0 ,1 4

0 ,11 0 ,1 3

0 ,1 0 0 ,11

0 ,0 8 0 ,0 9

0 ,0 7 0 ,0 8

0 ,0 6 0 ,0 7

0 ,0 6 0 ,0 6

0 ,0 5 0 ,0 6

0 ,4 3 0 ,5 2 0 ,5 9 0 ,7 1 0 ,8 1

0 ,3 8 0 ,4 6 0 ,5 2 0 ,6 2 0 ,7 1

0 ,3 4 0 ,4 1 0 ,4 6 0 ,5 5

B

0 ,3 0 0 ,3 7 0 ,4 1 0 ,4 9 0 ,57

0 ,2 8 0 ,3 3 0 ,3 8 0 ,4 5 0 ,5 2

0 ,2 5 0 ,3 0 0 ,3 5 0 ,4 1 0 ,4 7

0 ,2 3 0 ,2 8 0 ,3 2 0 ,3 8 0, 44

0 ,2 2 0 ,2 6 0 ,3 0 0 ,3 5 0 ,41

0 ,2 0 0 ,2 4 0 ,2 8 0 ,3 3 0 ,3 8

0 ,1 9 0 ,2 3 0 ,2 6 0 ,3 1 0 ,3 6

0 ,1 8 0 ,2 2 0 ,2 4 0 ,2 9 0 ,3 4

0 ,1 7 0 ,2 0 0 ,2 3 0 ,2 7 0, 32

0 ,1 6 0 ,1 9 0 ,2 2 0 ,2 6 0 ,3 0

0 ,1 5 0 ,1 8 0 ,2 1 0 ,2 5 0 ,2 8

0 ,1 3 0 ,1 6 0 ,1 8 0 ,2 2 0 ,2 5

0 ,1 2 0 ,1 5 0 ,1 7 0 ,2 0 0, 23

0 ,11 0 ,1 3 0 ,1 5 0 ,1 8 0 ,21

0 ,1 0 0 ,1 2 0 ,1 4 0 ,1 6 0 ,1 9

0 ,0 9 0 ,1 0 0 ,1 2 0 ,1 4 0 ,1 6

0 ,0 8 0 ,0 9 0 ,1 0 0 ,1 2 0 ,1 4

0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 9 0 ,11 0, 13

0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,1 0 0 ,11

0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 9

0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 8

0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 5 0 ,0 6 0, 07

0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 5 0 ,06

0 ,0 3 0 ,0 4 0 ,0 4 0 ,0 5 0 ,0 6

0 ,9 2 1 ,0 3 1 ,1 4 0 ,9 4 1 ,0 7 1 ,1 6

0 ,8 1 0 ,9 0 1 ,0 0 0 ,8 2 0 ,9 4 1 ,0 2

0 ,7 2 0 ,8 0 0 ,8 9 0 ,7 3 0 ,8 3 0 ,9 0

0 ,6 5 0 ,7 2 0 ,8 0 0 ,6 6 0 ,7 5 0 ,8 1

0 ,5 9 0 ,6 6 0 ,7 3 0 ,6 0 0 ,6 8 0 ,7 4

0 ,5 4 0 ,6 0 0 ,6 7 0 ,5 5 0 ,6 3 0 ,6 8

0 ,5 0 0 ,5 6 0 ,6 2 0 ,5 1 0 ,5 8 0 ,6 3

0 ,4 6 0 ,5 2 0 ,5 7 0 ,4 7 0 ,5 4 0 ,5 8

0 ,4 3 0 ,4 8 0 ,5 3 0 ,4 4 0 ,5 0 0 ,5 4

0 ,4 0 0 ,4 5 0 ,5 0 0 ,4 1 0 ,4 7 0 ,5 1

0 ,3 8 0 ,4 2 0 ,4 7 0 ,3 9 0 ,4 4 0 ,4 8

0 ,3 6 0 ,4 0 0 ,4 4 0 ,3 7 0 ,4 2 0 ,4 5

0 ,3 4 0 ,3 8 0 ,4 2 0 ,3 5 0 ,4 0 0 ,4 3

0 ,3 2 0 ,3 6 0 ,4 0 0 ,3 3 0 ,3 8 0 ,4 1

0 ,2 9 0 ,3 2 0 ,3 6 0 ,2 9 0 ,3 3 0 ,3 6

0 ,2 6 0 ,2 9 0 ,3 2 0 ,2 6 0 ,3 0 0 ,3 3

0 ,2 3 0 ,2 6 0 ,2 9 0 ,2 4 0 ,2 7 0 ,3 0

0 ,2 2 0 ,2 4 0 ,2 7 0 ,2 2 0 ,2 5 0 ,2 7

0 ,1 8 0 ,2 1 0 ,2 3 0 ,1 9 0 ,2 1 0 ,2 3

0 ,1 6 0 ,1 8 0 ,2 0 0 ,1 6 0 ,1 9 0 ,2 0

0 ,1 4 0 ,1 6 0 ,1 8 0 ,1 5 0 ,1 7 0 ,1 8

0 ,1 3 0 ,1 4 0 ,1 6 0 ,1 3 0 ,1 5 0 ,1 6

0 ,11 0 ,1 2 0 ,1 3 0 ,11 0 ,1 3 0 ,1 4

0 ,0 9 0 ,1 0 0 ,11 0 ,0 9 0 ,11 0 ,1 2

0 ,0 8 0 ,0 9 0 ,1 0 0 ,0 8 0 ,0 9 0 ,1 0

0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 9 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 9

0 ,0 6 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 7 0 ,0 8 0 ,0 8

1 ,3 0 1 ,4 4

1 ,1 4 1, 26

1 ,0 1 1 ,12

0 ,9 1 1 ,0 1

0 ,8 3 0 ,9 2

0 ,7 6 0 ,8 4

0 ,7 0 0, 78

0 ,6 5 0 ,72

0 ,6 1

A

0 ,5 7 0 ,6 3

0 ,5 4 0, 59

0 ,5 1 0 ,56

0 ,4 8 0 ,5 3

0 ,4 6 0 ,5 1

0 ,4 1 0 ,4 5

0 ,3 6 0, 40

0 ,3 3 0 ,3 7

0 ,3 0 0 ,3 4

0 ,2 6 0 ,2 9

0 ,2 3 0, 25

0 ,2 0 0 ,22

0 ,1 8 0 ,2 0

0 ,1 5 0 ,1 7

0 ,1 3 0 ,1 4

0 ,11 0, 13

0 ,1 0 0 ,11

0 ,0 9 0 ,1 0

1 ,6 0 1 ,7 6 1 ,9 4

1 ,4 0 1 ,5 4 1 ,7 0

1 ,2 4 1 ,3 7 1 ,5 1

1 ,1 2 1 ,2 3 1 ,3 6

1 ,0 2 1 ,1 2 1 ,2 3

0 ,9 3 1 ,0 3 1 ,1 3

0 ,8 6 0 ,9 5 1 ,0 4

0 ,8 0 0 ,8 8 0 ,9 7

0 ,7 5 0 ,8 2 0 ,9 1

0 ,7 0 0 ,7 7 0 ,8 5

0 ,6 6 0 ,7 3 0 ,8 0

0 ,6 2 0 ,6 9 0 ,7 5

0 ,5 9 0 ,6 5 0 ,7 1

0 ,5 6 0 ,6 2 0 ,6 8

0 ,5 0 0 ,5 5 0 ,6 0

0 ,4 5 0 ,4 9 0 ,5 4

0 ,4 1 0 ,4 5 0 ,4 9

0 ,3 7 0 ,4 1 0 ,4 5

0 ,3 2 0 ,3 5 0 ,3 9

0 ,2 8 0 ,3 1 0 ,3 4

0 ,2 5 0 ,2 7 0 ,3 0

0 ,2 2 0 ,2 5 0 ,2 7

0 ,1 9 0 ,2 1 0 ,2 3

0 ,1 6 0 ,1 8 0 ,1 9

0 ,1 4 0 ,1 5 0 ,1 7

0 ,1 2 0 ,1 4 0 ,1 5

0 ,11 0 ,1 2 0 ,1 4

Tabla 5.12 - Indices de competencia en función del GSI -H para túneles de diámetro aproximado de 10m de anche o diámetro equivalente..

La segunda parte de la tabla describe las características geométricas y estructurales básicas de los soportes referidos, para los cuales en relación con el principal elemento estructural que los identifica, cual es el hormigón proyectado fibroreforzado, se indica su mínima resistencia equivalente a tracción por flexión (f eq) referencialmente recomendada para cada caso.

Tabla 5.13 - Clasificación de soportes para túneles de 10 metros de diámetro en función del GSI.

107


Tabla 5.14 - Ejemplo de especificación de resistencia requerida para concreto fibroreforzado en soportes primarios de túneles.

5.4 - Diseño de revestimiento en hormigón broreforzado bombeado en si tio.

-

La tabla 5.14 para el diseño del soporte en concreto proyectado fibroreforzado eventualmente integrado con pernos y/o marcos metálicos reportada al capítulo anterior, se refiere a un soporte concebido como primario y que por lo tanto prevé la sucesiva construcción de un revestimiento definitivo el cual debe cumplir con los correspondientes requerimientos de seguridad y confiabilidad de una estructura permanente, mientras el soporte primario cumple con el objetivo de estabilizar a corto plazo la excavación con un factor de seguridad relativamente bajo (por ejemplo 1,1 a 1,5) o, lo que es lo mismo, una probabilidad de falla relativamente elevada (por ejemplo 1% a 5%). Si por el contrario se concibiese la estructura de concreto proyectado fibroreforzado como única estructura permanente de soporte estructural del túnel, así como ocurre con cierta frecuencia en la práctica ingenieril moderna cuando las condiciones geomecánicas y geoestáticas de la excavación se mantienen dentro de rangos no críticos y cuando las características funcionales del túnel así lo admiten, sería necesario diseñar tal estructura con factores de seguridad mucho más elevados o con probabilidades de falla muy inferiores.

Figura 5.5 - Metodo del principio de las recciones hiperestáticas.

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En primera aproximación, el diseño de este tipo de estructura que constituye de hecho el revestimiento definitivo del túnel, se puede aún diseñar sobre la base de los mismos principios y procedimientos anteriormente ilustrados con referencia a los soportes primarios, asignando en el cálculo para ello los necesarios factores de seguridad y de confiabilidad propios de un revestimiento definitivo permanente. Con tal manera de proceder, para las mismas 5 clases de comportamiento de la exca-vación previamente definidas en función de GSI e IC respectivamente para coberturas moderadas y elevadas, se obtiene el resultado resumido en las tablas que siguen para un túnel de aproximadamente 10 metros de diámetro equivalente, en acuerdo con los resultados numéricos de los correspondientes análisis estructurales sistemáticos llevados a cabo similarmente a los que se comentan más adelante en relación con los revestimientos en concreto vaciado en sitio. Los revestimientos definitivos resultan de un espesor de mínimo 20cm y el concreto proyectado fibroreforzado a ser empleado debe poseer más exigentes características mecánicas que deben ser caracterizadas por una resistencia a tracción equivalente de mínimo 1,5MPa (f eq >1,5MPa) capaz así de conferir una muy buena resistencia flexional permanente a la secciones resistentes de la estructura del revestimiento. Así como se puede detallar directamente en las especificaciones del concreto proyectado reforzado con fibras metálicas, tales exigentes propiedades para este material a emplear para la construcción de un revestimiento definitivo resultarán directamente ligadas, por un lado a la calidad de la matriz misma del concreto proyectado el cual será por lo tanto de clase media (mínimo C28/35) y por otro lado, a la adecuada selección de la tipología de fibras a emplear y de la correspondiente dosificación, la cual resultará ser de mínimo 30kg/m 3.

Tabla 5.15 - Esquema básico para el modelo estrutural para el revestimento definitivo.

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Tabla 5.16 - Especificación del revestimiento primario con la inclusión de la solución en hormigón fibrorefrozado lanzado.

Los referidos análisis numéricos estructurales se han llevado a cabo sistemáticamente para revest imientos de túneles de 10m de diámetro neto, conformados en concreto vaciado en sitio de buena calidad (C32/40), considerando tres posibles espesores (30 – 40 – 50cm), analizando las dos posibles condiciones de cobertura ya definidas (bajas y altas) y simulando finalmente dos diferentes calidades geomecánicas del terreno (GSI menor de 40 o GSI mayor de 40). Los resultados obtenidos se reportan detallados en la tabla anexa que, para cada uno de los diez y seis casos simulados, incluye los esfuerzos máximos de tracción alcanzados en el intradós de la clave de la bóveda y en el extradós de ambos hastíales de la sección del revestimiento. En el arco invertido de solera, asumido como presente en todos los modelos con un radio de curvatura igual a tres veces el radio del arco principal de la sección, las solicitaciones de tracción en el intradós resultan casi siempre elevadas y en consecuencia deben ser más eficientemente absorbidas con la clásica armadura de refuerzo.

(*) Para túneles de aproximadamente 10 metros de ancho, o diámetro equivalente. 110


Tabla 5.17 - Esfuerzos máximos de tracción en el revestimiento obtenidos de los análisis numéricos

También en la tabla 5.17 se reporta a sola manera de ejemplo, uno de los resultados obtenidos de los análisis numéricos llevados a cabo, representado gráficamente en términos de esfuerzos principales máximos en la sección del revestimiento del túnel.

Figura 5.6 - Esquemas de carga de diseño para el revestimento.

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Figura 5.7 - Ejemplo gráfico de esfuerzos principales máximos en el revestimiento.

Finalmente en la tabla 5.18, se resumen los valores numéricos de las máximas tracciones obtenidas en bóveda y hastíales, para cada uno de los tres espesores de revestimiento considerados, para las dos condiciones de cobertura analizadas y para las diferentes calidades geomecánicas simuladas para los terrenos.

Tabla 5.18 - Tracciones máximas en el techo y en las paredes (MPa).

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Del análisis de todos estos resultados numéricos así obtenidos se observa que: - Para las secciones de túnel clasificables de ¨bajas coberturas¨, si se hace referencia a las condiciones geotécnicas caracterizadas por terrenos poco rígidos, con la excepción de unos pocos casos de carga muy reducida los cuales representan una excepción poco frecuente de ocurrir en bajas coberturas, las tracciones que se establecen en correspondencia de la bóveda y en los hastíales resultan por lo general abundantemente incompatibles con las posibles resistencias equivalentes a tracción por flexión alcanzables en un concreto fibroreforzado, independientemente de las posibles clases de concreto y también independientemente de las posibles dosificaciones de fibras metálicas utilizables. Si por el contrario se hace referencia a las condiciones geotécnicas caracterizadas por terrenos relativamente rígidos, o sea de elevados módulos de reacción y con además buenas características geomecánicas (GSI > 40), las tracciones que se establecen en bóveda y hastíales resultan relativamente bajas, siempre menores de 5MPa e inclusive en un tercio de los casos analizados menores de 3,5MPa (en los hastíales además alcanzan valores máximos del orden de solamente 1MPa). Aunque se trata en algunos de estos casos de solicitaciones de tracción de cierta importancia, las mismas son sin embargo aún compatibles con un concreto fibroreforzado confeccionado recurriendo a calidad y dosificación elevadas de las fibras metálicas, bien sea en revestimientos de 40cm de espesor y bien sea en revestimientos de 50cm de espesor. Para condiciones geomecánicas excepcionalmente buenas (GSI > 60) finalmente, las solicitaciones de tracción pueden resultar despreciables, aún para un revestimiento de solamente 30cm de espesor. - Para las secciones de túnel clasificadas como de ältas coberturas¨, si se hace referencia a condiciones geotécnicas caracterizadas por terrenos relativamente rígidos, o sea de elevados módulos de reacción y con además buenas condiciones geomecánicas y geoestáticas (GSI > 40 e IC > 0,45), las tracciones que se establecen en bóveda y hastíales resultan siempre muy bajas, menores de 0,5MPa y en consecuencia totalmente compatibles con una común selección del tipo y dosificación de fibras metálicas, aún en revestimientos de solamente 30cm de espesor. Si por el contrario se hace referencia a condiciones geotécnicas caracterizadas por terrenos poco rígidos, aunque las tracciones que se establecen en los hastíales aún quedan ampliamente dentro limites muy bajos (menores de 0,5MPa), las tracciones que en cambio se establecen en la bóveda, con la excepción de unos pocos casos de carga los cuales representan una excepción poco frecuente de ocurrir en altas coberturas, son relativamente elevadas y obligan a diferenciar según las posibles calidades geomecánicas previstas para el terreno (GSI menor de 40 o GSI mayor de 40) y las condiciones geoestáticas previstas para la sección (IC menor de 0,20 o IC mayor de 0,20): Cuando se trate de un terreno y de una sección de túnel en aún buenas condiciones geomecánicas y geoestáticas (GSI > 40 e IC > 0,20), las tracciones que se establecen con un revestimiento de 40cm de espesor son solo relativamente elevadas (ligeramente superiores a 3MPa) y en consecuencia aún existe buena compatibilidad con las posibles resistencias equivalentes a tracción por flexión alcanzables con un concreto fibroreforzado confeccionado recurriendo a calidad y dosificación elevadas de las fibras metálicas.

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Cuando por el contrario se trate de un terreno y de una sección de túnel en condiciones geomecánicas y geoestáticas no buenas (GSI < 40 e IC < 0,20), las tracciones que se establecen en bóveda, aún con un revestimiento de 50cm de espesor, espesor, son muy altas (mayores de 5MPa) y en consecuencia prácticamente incompatibles incompatibles con las posibles resistencias resistencias equivalentes a tracción por flexión aún de un excelente concreto fibroreforzado. Finalmente, para concluir concluir este capitulo relativo al diseño geoestructural geoestructural de los revestimientos revestimientos definitivos de los túneles en concreto fibroreforzado, bien sea proyectado o bien sea vaciado en sitio, es absolutamentee imprescindi absolutament imprescindible ble resaltar que las metodologías y sobretodo los resultados señalados y resumidos en las tablas de diseño anexas, de ninguna manera pueden ser considerados completamente exhaustivos para los fines de un proyecto ejecutivo de un túnel, ya que los mismos no han tomado en debida cuenta todas las particularidades que pueden llegar a caracterizar las circunstancias reales que a menudo se vuelven no rutinarias y posiblemente críticas en función de las condiciones geológicas y constructivas de una específica sección de un túnel. Sin embargo, las metodologías y los resultados presentados pueden resultar muy útiles para los fines de un correcto prediseño de un túnel y hasta pueden ser efectivamente y exitosamente aplicados en circunstancias reales correspondientes a proyectos caracterizados por condiciones geomecánicas geomecánicas geoestáticas y constructivas suficientement suficientementee coincidentes con las hipótesis básicas que han sido consideradas medianamente medianamente representativas de los modelos de comportamiento asumidos a base de los análisis en los que se han sustentado los diseños presentados presentados en este capitulo para los revestimientos definitivos de los túneles, construidos mediante métodos convencionales de excavación.

Tabla 5.19 - Diseño del revestimiento final en concreto fibroreforzado. fibroreforzado. Alternativa de diseño para revestimientos definitivos fibroreforzado para túneles de diámetro de 10m.

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5.5 - Uso de bras para resistencia al fuego en el hormigón. Descripción de mix de bras, propuesta estructural y anti fuego en revestimientos nales Desde hace años las estructuras de los túneles han sido calculadas eficazmente para resistir las cargas mecánicas a las que estos estarán expuesto a lo largo de su vida útil, sin embargo existe otro tipo de fenómeno que debe ser tomado en cuenta a la hora de diseñar los soportes de los túneles, el fuego. El riesgo que ocurra un incendio dentro de un túnel se encuentra latente constantemente constantemente en la mayoría de los túneles del mundo, y debido a los recientes accidentes ocurridos en varios túneles donde no solo hubo daños estructurales sino también la perdida de vidas humanas, el diseñar estructuras resistentes al fuego se ha convertido en un asunto de gran relevancia tanto para los organismos reguladores como para los mismos proyectistas.

Tabla 5.20 - Daño estructural en recientes acontecimientos de incendio en túnel.

El hecho que los túneles sean estructuras confinadas, y que en el momento de producirse un incendio, las llamas se encuentran en contacto directo con el hormigón de la estructura, tiene como consecuencia que las temperaturas que se alcanzan sean muy elevadas, ocasionando el deterioro rápido de la estructura en caso de no existir ningún tipo de protección antifuego. La exposición de los elementos constructivos a temperatura altas trae como consecuencia la alteraci ón de las características físicas y mecánicas de los mismos, reduciendo su funcionalidad estructural. En el caso especifico del hormigón esta degradación degradac ión se va dando por etapas a medida que las temperaturas se incrementa. Esta degradación puede observarse a través de la representación grafica 5.3.

Gráfico 5.3 - Incremento de la temperatura vs. degradación del material.

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La función primordial que debe ser cumplida por cualquier instrumento de protección contra el fuego dentro de los túneles es la de darle el tiempo necesario a las personas que se encuentran dentro de este para escapar. Además de asegurar la resistencias mecánicas de la estructura para que los bomberos puedan entrar en el túnel y extinguir el fuego. Queda claro entonces que son los primeras momentos del incendio en donde una protección pasiva antifuego debe actuar principalmen principalmente. te. Como se observa en la figura 5.8, el primer fenómeno que ocurre en el momento de un incremento de temperatura es el del desconche superficie superficie externa (Spalling). En el momento que las temperaturas superficiales del hormigón empiezan a incrementar la mayoría del vapor de agua que se encuentra dentro del hormigón intentara dirigirse al interior donde las temperaturas son menores, este fenómeno trae como consecuencia el incremento de la presión interna de la matriz hasta llegar al punto de superar la propia resistencia del hormigón produciéndose el fenómeno de “spalling” o desconche del revestimiento.

Figura 5.8 - Explicación gráfica del fenomeno de “spalling”.

Debido al rápido aumento de las temperaturas en la superficie la presión interna en la matriz aumenta velozmente trayendo como consecuencia que el desconche de la cara superficial se produzca por medio de una serie de explosiones violenta durante los primeros 20 minutos del incendio.

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Figura 5.9 - Reação fisica-química da estrutura estrutura do concreto ao incremento da temperatura.

Evidentemente la intensidad que un fuego tendrá dependerá de la naturaleza del material que lo origina, por lo tanto en el momento de diseñar una protección contra el fuego para el hormigón deberá considerarse el tipo de vehículos que transitaran por el túnel. En la actualidad existen una serie de curvas de calentamientos propuestas propuestas por diversas normativas, dándole al proyectistas la oportunidad de seleccionar la curva que se adapte a la situación del túnel. La Norma Europea EN 1363-1-2/1999 define dos tipos de curvas que pueden ser utilizadas: Estándar (Para intensidades de fuego baja): T = 345.Log 10.(8t + 1) + 20 Hidrocarburos (Fuegos de mayor intensidad): T=1080.(1– 0,325.e -0,167.t – 0,675.e-2,5t) + 20 Donde: t: es el tiempo desde el inicio del ensayo en min; T: es la temperatura media requerida en el horno en ºC. Otras propuestas de curvas de temperatura fueron sugeridas por otros códigos como el Holandés, Alemón e ISO. A continuación son correlacionados las referidas curvas:

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Gráfico 5.4 - Exemplo de curvas de calentamiento según varios códigos europeos.

5.5.1 - Objetivo de la protección pasiva del hormigón al fuego El principal objetivo que que debe ser cumplido por cualquier cualquier protección pasiva pasiva del hormigón contra el fuego es la de evitar la perdida de vidas humanas logrando que las características mecánicas de los elementos estructurales se conserven estables durante durante el proceso de evacuación del túnel y actuación de los bomberos. Las características estructurales que deberán ser aseguradas por la protección pasiva son: a) Conservación de la capacidad portante; b) No emisión de gases inflamables en la cara expuesta; c) Evitar la disipación de las llamas o los gases; d) Aislamiento térmico hacia el interior del elemento estructural. Se puede concluir entonces que toda protección protección pasiva contra el fuego del hormigón deberá jugar jugar un papel importante en los primeros minutos en que se produce el incendio, pues es durante estos momentos que la evacuación de las personas se realizará y los bomberos intentarán extinguir las llamas. Como puede ser observado en la figura 5.8, es por lo tanto el fenómeno de “Spalling” al que mayor atención se le deberá prestar siendo este el principal deterioro que el hormigón sufrirá durante los primeros minutos del incendio. Es importante antes de utilizar cualquier tipo de protección antifuego sea estudiado cual será el comportamiento del hormigón con dicha protección. A pesar que actualmente no exista una normativa para ensayos de resistencia al fuego para hormigones a ser utilizados en túneles, se recomienda utilizar la normativa europea EN 1363 –1 y 2 (2000) de ensayos de resistencia al fuego, en la que se describe los procedimientos para realizar dichos ensayos.

5.5.2 - Fibras de polipropileno como protección pasiva del hormigón contra el fuego Recientes investigaciones investigaciones llevadas a cabo han llegado a la conclusión que el agregar a la matriz microfibras de polipropileno (tipo mono-filamento y diámetros menores a 32 mm) reducen significativamente el fenómeno de “spalling” en el hormigón durante un incendio. Existiendo una relación directamente direct amente proporcionall entre el número de fibras incorporadas a la matriz y la mejora del comportamiento del proporciona hormigón ante el fuego.

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El mecanismo por el que las fibras de polipropileno contribuyen a reducir el fenómeno de”spalling” es simple. En el momento que se alcanzan los 160ºC las fibras de polipropile no se derriten reduciendo el volumen que ocupan. Al alcanzarse los 360ºC el polipropileno se evapora creando una serie de conductos en el interior de la matriz que llegan hasta la superficie. Parte de estos gases son liberados en la atmósfera por medio de los pequeños canales que se crean debido a la “desaparición” de las fibras. Estos pequeños conductos son utilizados también por los gases que se producen por la evaporación del agua interna en el hormigón, reduciendo así la presión que se produciría evitando el desconche de las capas superficiales.

Figura 5.10 - Vía de escape de los gases dentro de la matriz de hormigón.

Existen distintas opiniones sobre la cantidad de fibras que deben ser incorporadas en la matiz para ofrecer una eficaz protección. Lo que es evidente es que mientras mayor sea el número de éstas mejores resultados se obtienen. Actualmente las recomendaciones sobre la dosificación mínima de las fibras son > 0,2% en volumen, (lo cual equivale a 1,82kg/m 3), dependiendo evidentemente de la calidad del concreto con la cual estemos trabajando, ya que la aplicación de concretos de alta resistencia implicarán una mayor necesidad de protección para este fin. Para dar una mejor idea gráfica del efecto del material presentamos a continuación un resumen experimental de probetas idénticamente armadas sometidas a la curva de calentamiento propuesta por la norma EN 1363-1-2/1999.

Figura 5.11 - Detalle del elemento prismático evaluado, con un recubrimiento de hormigón sobre el acero de 30mm. Todas las medidas están en mm.

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Fueron ensayadas probetas en tres tipos de condiciones de mezcla : - Mezcla normal de concreto sin la inclusión de fibras; - Mezcla con inclusión de fibras de polipropileno; - Mezcla con la inclusión de fibras de celulosa.

Foto 5.11 - Ejemplo del espécimen dentro del horno para prueba.

Fueron evaluados los diferentes comportamientos en las diferentes etapas de la curva de calentamiento propuesta por la norma EN 1363-1-2/1999, y evaluadas las perdidas de masa de material a lo largo de la misma, obteniendo excelentes resultados con la inclusión de fibras logrando el objetivo final de mantener la integridad del elemento por un tiempo prudencialmente correcto para garantizar la posibilidad de evacuar las estructuras que estén sometidas a un incidente de fuego. Caso fibras de celulosa.

Foto 5.12 - Muestras evaluadas con fibras de celulosa.

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(Lagrimas de aguas en la superficie del material producto del incremento de temperatura).

Foto 5.13 - Muestras evaluadas con fibras de celulosa.

Foto 5.14 - Muestras del material perdido por el spalling superficial producido en las muestras con fibras de celulosa.

Entrando en detalle sobre lo observado como comportamiento en las probetas utilizadas con mezcla incluida fibras de celulosa , se ha podido observar un buen comportamiento , solo produciendo un pequeño spalling luego de 8 minutos de ensayo y luego controlado hasta el final de la prueba, sin una perdida tan significativa de masa del material.

Caso fibras de polipropileno.

Foto 5.15 - Muestra del material con la aplicación de fibras de polipropileno. Muestra luego de haber finalizado la prueba.

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Foto 5.16 - Muestras ensayadas con fibras de polipropileno. Observese el lagrimeo superficial por perdida del agua y vapor.

En el ensayo de probetas con fibras de polipropileno se ha podido observar un adecuado desempeño durante toda la curva de calentamiento, con una mínima perdida de masa, producto de las reacciones físico químicas ya explicadas anteriormente, pero importante observa un casi nulo efecto de spalling en la misma.

Caso de probetas sin fibra.

Foto 5.17 - Ejemplo de las probetas ensayadas sin ningún tipo de fibra.

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Foto 5.18 - Ejemplo del material desprendido por el spalling durante el ensayo de probetas sin inclusión de fibras.

Es evidente el grado de degradación que una estructura alcanza sin ningún tipo de protección. Durante la realización de este proceso experimental se puede observar un comienzo de spalling durante los primeros 3 a 8 minutos del ensayo con perdidas significativas de masa adicionales a las que se pueden prever por perdida del agua o vapor producido por el calentamiento del material. A continuación como resumen para ejemplificar un comparativo de perdida de masa entre las 3 tipologías ensayadas se muestra el siguiente gráfico de perdida de masa:

Grafico 5.5 - Gráfico de comparación de perdida de masa para las probetas estudiadas.

Es importante destacar como referencia final al presente tema de protección de estructuras de hormigón contra el fuego, que la metodología ejemplificada con la aplicación de fibras corresponde a una solución efectiva para obras nuevas, y por esto el énfasis de los técnicos en la actualidad de procurar especificar este tipo de soluciones dentro de las especificaciones de proyectos de obras subterráneas, siendo estos proyectos de importancia económica social y política en todos los países donde son desarrollados, y donde cualquier fracaso ó incidente negativo tendría consecuencias irreversibles.

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Lo expuesto en este documento expresa pruebas y consideraciones realizadas para materiales del portafolio MACCAFERRI. En todo caso la realidad técnica es que todo proveedor debe demostrar que los materiales son aptos y producen el comportamiento adecuado para las curvas de calentamiento previstas en la especificación del proyecto. En la actualidad existen varias propuestas para la protección de estructuras existentes , que pueden ser especificadas también para el tipo de obras subterráneas comentadas es este documento, pero vale destacar el énfasis y desarrollo de soluciones ante este importante caso de protección del fuego en estructuras, siendo una prioridad en la actualidad.

5.6 - Control de calidad del hormigón broreforzado en los túneles El control de calidad del hormigón dentro de una obra subterránea es fundamental, siendo éste uno de los principales componentes del sistema de soportes, ya sea de índole primario, definitivo ó elementos prefabricados tipo dovelas. Como se ha podido evidenciar en capítulos anteriores, la presencia del hormigón como elemento fundamental de soporte dentro del conjunto estructural en una obra subterránea, es especificado con propiedades mecánicas precisas, las cuales deben ser garantizadas durante la vida útil de la obra. Estas propiedades mecánicas tales como resistencia a compresión, y resistencia a flexotracción, son las principales características mecánicas que deben ser cuidadosamente evaluadas, y que dependerán de un riguroso diseño de mezcla donde los controles de calidad sobre los áridos, cemento, relación agua cemento, selección de aditivos, debidamente discutidos en el capítulo 4 de la presente publicación, son la base para lograr una mezcla que garantice las premisas mecánicas asumidas para el diseño de la estructura. Dentro de las mezclas posibles que podemos conseguir dentro del diseño de una obra subterránea tenemos: - Mezcla para hormigón lanzado o proyectado. Este puede ser usado tanto como revestimiento primario, como revestimiento definitivo de la obra subterránea, depende básicamente de la tipología de obra, sea una obra subterránea hidráulica, ferroviaria, vial, peatonal, etc. - Mezcla para hormigón bombeado. Comúnmente utilizado para la aplicación de revestimiento definitivo, arcos invertidos, y demás elementos estructurales de un revestimiento definitivo. - Mezcla para hormigones prefabricados. Este tipo de mezcla viene aplicada para elementos tipo dovelas, donde son aplicados inmediatamente como revestimiento definitivo. Todas estas opciones de hormigones, han sido ejemplificadas a nivel de confección durante el capítulo 4, pero es ahora, en el actual capítulo, donde se mostrarán las consideraciones técnicas que llevan a la exigencia del control de calidad del material.

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La concepción del soporte de un túnel, tal y como hemos discutido con anterioridad, viene directamente influenciada por la responsabilidad del mismo durante la construcción, por lo que, la mayor o menor exigencia de pruebas y controles, está directamente vinculada a esta responsabilidad. Cuando se habla de responsabilidad, hablamos de responsabilidad estructural, donde normalmente en este tipo de obras se definen los soportes en relación a su función: Caracterización mecánica: - Estructural - No Estructural Caracterización de función: - Temporal - Permanente. La combinación de estos términos conducirá a un análisis diferente, teniendo las siguientes condiciones en orden de importancia: - No Estructural- Temporal. Regularmente en excavaciones de sistemas autoportantes, donde el revestimiento cumple solo una función de sello de la superficie, para evitar deterioro de la misma por el intercambio atmosférico que puede haber entre la superficie de la roca fresca y sus diaclasa o fracturas en la superficie del macizo, que se pudiesen activar al estar en intercambio con este nuevo ambiente, y generar desprendimientos parciales de bloques, que aunque no producen un desequilibrio estructural de la excavación, son un riesgo operativo. Este tipo de soportes es compatible con comportamientos tipo “a” explicado en el capitulo 5.2 de la presente publicación, donde no se preveen deformaciones en el arco. Normalmente son espesores muy escasos que van desde los 3cm, a 5cm, ejecutado en Hormigón proyectado, sea vía seca ó vía húmeda, ejecutados durante la primera fase de la excavación de la obra subterránea. - No Estructural – Permanente. Este tipo de revestimiento posee iguales características funcionales que el descrito como “No Estructural – Temporal”, pero con la diferencia, que pudiese ser más exigido a nivel de diseño para ser dejado como un revestimiento permanente dentro de la obra. Normalmente ejecutado en hormigón proyectado, en vía seca ó via húmeda, ya en este caso se preveen espesores mayores, que pudiesen estar desde el orden de 10 a 15cm, ocasionalmente combinado con pernos de anclajes aleatorios, sobre las zonas de bloques de potencial desprendimiento, con el objetivo de incrementar el factor de seguridad de la obra. Existe otra alternativa que pudiese ser incluida dentro de esta clasificación, siendo la de revestimientos definitivos, en hormigón bombeado en sitio con encofrados deslizantes, que son siempre de carácter permanente , pero en este caso no cumplen ninguna función estructural, ya que son previstos como un acabado para la sección de la obra subterránea, y donde toda la responsabilidad estructural del la excavación subterránea es llevada por el revestimiento primario, debidamente diseñado para esta función. Como ejemplo de comportamiento geomecánico que corresponde a esta clasificación funcional podemos citar las zona de comportamiento Tipo “a” y “a/b”, explicadas en el subcapitulo 5.2 de la presente publicación, para el caso de soportes en hormigón proyectado. - Estructural – Temporal. Este tipo de revestimientos, normalmente ejecutados en primera fase de la excavación, obedecen a revestimientos un poco más pesados que los anteriores, ya que

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son exigidos realmente con cargas provenientes del macizo rocoso ó del estrato de suelo por el cual se esté pasando en la obra subterránea. Estos revestimientos por ser de característica temporal, son diseñados con coeficientes de seguridad bajos en el rango de 1,2 a 1,5, por el objetivo de contención temporal, tomando en cuenta luego la construcción de un revestimiento definitivo,que sea el responsable final del sistema de soporte de la obra, con coeficientes de seguridad mayores. Son ejecutados normalmente con un conjunto de elementos de soporte, tales como hormigón proyectado, pernos de anclajes, en ocasiones marcos metálicos denominados como cerchas ó costillas, y hasta sistemas de pilotes y/micropilotes, jet grouting, cuando las zonas geomecánicas son muy débiles y exigen una intervención de esta tipología. La mezcla de estos elementos logra la estabilización de la excavación, y en este caso los espesores de hormigón proyectado se encuentran en la orden desde 15cm a 30cm, y en casos de zonas muy desfavorables pueden llegar a 45cm. Para este caso el hormigón bombeado no es utilizado. Para dar una referencia al tipo de revestimiento según el comportamiento del material, se podrían incluir en esta clasificación funcional los soportes del tipo “a”, “b”, “c” , “d” y “e”, ampliamente explicados en el subcapitulo 4.2 de la presente publicación. - Estructural permanente. En esta clasificación funcional es posible incluir a los soportes denominados anteriormente como soportes “Temporal Estructural”, pero para ser llevados a permanentes, los mismos serán diseñados con factores de seguridad mayores que los ejemplificados anteriormente, con valores mínimos entre 2 y 2,5 , por lo que involucraría un sistema de soportes de la misma concepción estructural , pero evidentemente mas pesado a nivel de refuerzo, por el incremento del factor de seguridad, esto para el caso de revestimientos que involucran hormigón proyectado. Ahora en esta clasificación funcional, vienen a incluirse los revestimientos definitivos de hormigón bombeado y también el caso de elementos prefabricados tipo Dovelas, aplicados en la excavación de túneles con la aplicación de maquinas TBM (Tunnelling Boring Machines) ó EPB-TBM (Earth Pressure Boring- TBM). Cabe resaltar que el sistema de máquinas TBM no está únicamente ligado a la aplicación de dovelas, en la actualidad existen máquinas disponibles donde es aplicado el revestimiento con un robot para hormigón proyectado, siendo esta aplicación también de carácter funcional Permanente Estructural. Habiendo explicado la funcionabilidad del sistema de soporte, se puede evidenciar la presencia y factibilidad de aplicación del hormigón fibroreforzado, ya sea de aplicación en sistema de proyectado, bombeado ó en elementos prefabricados, como se ha explicado ampliamente en los capítulos anteriores. El concepto de control de calidad va directamente orientado hacia la funcionabilidad del soporte, y ésta va directamente ligada al concepto de deformabilidad de la estructura de soporte, abriendo dos posibles nuevos criterios, que están siendo hoy en dia muy discutidos por los consultores especializados en el área, referentes a configuraciones de hormigones fibroreforzados para obras subterráneas, proponiendo orientar en control y/o exigencia del hormigón fibroreforzado de la siguiente manera: - Soportes de posible deformabilidad hasta alcanzar la estabilización de la excavación. Según el criterio de funcionabilidad estos pueden ser “Temporales – No Esctructurales” ó “Temporales Estructurales”, donde el criterio de deformación del soporte es permitido con amplias tolerancias, sin conducir al colapso de la estructura. En este tipo de soportes , el control de calidad es directamente orientado hacia los ensayos de Energia Abosorbida o Ensayos de Placa tipo EFNARC y/o ASTM C155 0. Lo que se busca con este concepto es garantizar una ductilidad del material que sea compatible con las deformaciones previstas para la tipología de soporte, por este motivo, esta tipología de ensayos 126


mide el comportamiento del material para amplias deformaciones del orden de 25 y 40mm. En la actualidad existe un gran debate sobre la efectividad de ambos ensayos mencionados, en relación a la dispersión estadística que ocurre en ellos, y en lograr compensar esto con una adecuada clasificación de performance que contemple esta variable. - Soportes estructurales sin deformación. Dentro de este concepto entran las clasificaciones funcionales de “Permanente No estructural”, para el caso de revestimientos definitivos bombeados y “Permanente Estructural” en todas sus posibilidades. Siendo éstas las estructuras definitivas de revestimiento, la mayoría son concebidas para no generar deformaciones, ya que éstas han debido ser controladas durante la excavación de un revestimiento primario, que controle en primera fase el efecto. También pueden ser concebidos como soportes primarios con un alto coeficiente de seguridad, con el objeto de mitigar al 100% la posibilidad de deformación inmediata de la excavación. Sobre este concepto de soportes , vienen muy ligados al diseño en hormigón fibroreforzado, el criterio de resistencia residual equivalente, que obedece al criterio de abertura limitada de la grieta en el proceso post fisuración del hormigón, dentro de los limites de confort estructural, siendo ideal para este criterio la ejecución de ensayos a flexión del tipo ASTM C1018, ASTM C1399 , UNI 11039, Eurocódigo EN 14487, los cuales permiten obtener una caracterización mecánica del material para ser utilizada con fines de diseño estructural, mediante software que permita la modelación correcta del mecanismo de soporte y su interacción con el macizo. Para proponer un control de calidad adecuado que corresponda a la exigencia del proyecto, la definición de la función del soporte es fundamental y es aquí donde el Ingeniero proyectista de la obra subterránea define su premisas conceptuales para orientar los mismos, pudiendo existir al exigencia de pruebas, tanto en el ámbito de ensayos a flexión , como en el ámbito de ensayos de placas. Este tema, en la actualidad es discutido por los recientes códigos sobre el Hormigón fibroreforzado y su caracterización , y recientes trabajos especiales escritos por los especialistas en el área. El objeto del control de calidad del hormigón fibrorefrozado en la obra, es garantizar la premisas que el Ingeniero proyectista a establecido para la concepción de los soportes. Adicional a los ensayos previstos de caracterización mecánica y comportamiento del hormigón fibroreforzado, que pueden ser establecidos en función de la tipología del soporte, todos los códigos de caracterización del hormigón fibroreforzado, actualmente más completos en el tema, tales como el UNI 10834, EN 14721, EN 14488, preveen la ejecución de ensayos de campo, para confirmar la homogeneidad de la mezcla según la dosificación de fibras metálicas especificada, considerando que el hormigón fibroreforzado de responsabilidad estructural para esta tipología de obras, es elaborado en hormigón fibroreforzado con fibras metálicas, cuya respuesta mecánica responde a las premisas de diseño del proyecto. Adicionalmente dichos códigos llegan a sugerir los criterios de aceptación y/o rechazo del material. Es importante destacar, que estos códigos referenciados no involucran una exacta regla operativa dentro del control de calidad del hormigón fibrorefrozado, ellos mismo dejan abierto el concepto para una definición final por parte del ingeniero proyectista, sobre las exigencias a establecer en el proyecto, entendiéndose que cada proyecto de obras subterráneas tiene su particularidad y donde el diseño de este tipo de obras no obedece a un único criterio. Como referencias más completa de control de calidad para hormigón fibroreforzado, encontramos la referencia UNI10834, como una primera incorporación del concepto, y luego el reciente EN 14487,

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la cual involucra por primera vez todos los conceptos anteriormente explicados para el debido control de calidad del material. Comenzando a describir el contenido del código UNI10834, en lo referente al hormigón fibroreforzado, el mismo empieza proponiendo una clasificación del hormigón proyectado según su responsabilidad, y una clasificación del hormigón proyectado según la exigencia de niveles de energía absorbida mediante el ensayo de placa tipo EFNARC, sugiriendo una primera clasificación:

Tabla 5.21 - Tabla de tipo de hormigón fibroreforzado, según ensayo de placa, propuesta por UNI10834.

Tabla 5.22 - Tabla de tipo de hormigón fibroreforzado, según ensayo de placa, propuesta por UNI10834.

Luego de proponer la clasificación del tipo de hormigón según el ensayo de la placa, se propone el control de calidad de la mezcla, empezando por la determinación del contendido de fibra dentro de la misma. El ensayo se basa en obtener de una muestra representativa con peso no menor de 5 a 6 kg, del material en estado fresco, ó en estado endurecido, las fibras incluidas en esta muestra luego de haber sido lavadas, calculando la relación en peso, según la siguiente expresión:

Donde : Df : es la dosificación de fibras; Mf: es la masa de fibras en kg dentro de la muestra; Mc: es la masa de hormigón de la muestra; Pm: es la masa volumetrica de hormigón expresada en kg, para un metro cúbico de hormigón. 128


Esta fórmula es actualmente utilizada por todas las referencias normativas actuales, para lograr la relación de masa de fibras metálicas dentro de una mezcla de hormigón de cualquier tipología. Para dar un ejemplo del proceso se muestra a continuación una secuencia fotográfica:

Foto 5.19 - Incorporación manual de fibras hacia los áridos, los cuales están siendo transportados hacia la maquina mezcladora de la planta de hormigón.

Foto 5.20 - Aspecto de la mezcla lista en estado fresco, nótese la presencia masiva de las fibras sin aglomeramientos o problemas de homogeneidad.

Foto 5.21 - Colocación de mezcla fresca en moldes de peso calibrado.

Foto 5.22 - Inicio de lavado de mezcla para obtener la masa de fibras dentro de la misma.

Foto 5.24 - Extracción de fibras mediante una pieza imantada para su posterior pesado, y cálculo de la relación de masa propuesta en la formulación normativa. Foto 5.23 - Pesado de la mezcla en su molde calibrado.

129


La norma UNI 10834, prevee una premisa de control de calidad para el hormigón usado en obra, donde empieza a controlar la mezcla, mediante la prueba de contenido de fibra, proponiendo una primera secuencia de ensayos, según la clasificación funcional establecida anteriormente. Se deja abierto el caso de ensayos de Energía absorbida para que sea definido por los responsables del proyecto. A continuación se muestra la referencia:

(*) La muestra está considerada inicial hasta 15 extracciones (**) A pedido (***) En hormigón fibroreforzado Nota – En caso de que se entienda hacer referencia a los m ² puestos en obra se asume un espesor convencinal de 20cm. Tabla 5.23 - Tabla de sugerencia de ensayos según UNI10834.

El código UNI10834 no trata ensayos a flexión, la norma UNI posee un código preciso sobre el cual se ha comentado en detalle durante el capítulo 3 y donde se dan los términos de definición de la característica del material a través de sus resultados de ensayos a flexión, este código del cual hablamos es el UNI 11039, el cual propone la clasificación del material mediante índices de ductilidad como los mostrados a continuación , pero no se prevé una propuesta de rutina de ensayos para obras subterráneas, dejando este tema abierto al criterio de los consultores responsables del diseño.

Tabla 5.24 - Tabla de indices de ductilidad propuestos por la norma UNI 11039.

Recientemente ha sido establecido el código europeo EN 14487, de control de confección y control para el hormigón proyectado, el cual es la primera propuesta completa actual que comprende todos los conceptos expresados anteriormente, y propone de manera consecutiva las siguientes definiciones a lo largo del mismo. En primera instancia delimita las características del material mediante ensayos de flexión y ensayos de placa. 130


Tabla 5.25 - Tabla de niveles de esfuerzo residual para hormigón fIbroreforzado obtenidos mediante ensayos a flexión proyectado según EN 14487-1.

Tabla 5.26 - Tabla de clasificación de hormigones fibroreforzados según su respuesta ante ensayos de energía absorbida de placa rectangular (EFRNARC) EN 14487-1.

Luego de establecer los parámetros de requerimientos mecánicos y de performance del material, el código EN14487 define especificaciones sobre el material que compone la mezcla. Componente

Uso de cemento

Requisitos y métodos de pruebas El tipo de cemento tendrà que ser especificado, considerando la influencia de la temperatura vigente y l a evalución de calor sobre el tiempo de laborabilidad, los requisitos relativos a la evalución de la resistenciafinal, las condiciones actuales de post-tratamiento (curing). Si necesario tendrà que ser verificado trámite la utilización de un método apropiado. Para estructuras permanentes, las condiones ambientales de esposición del cemento proyectado tendran que ser conformes a la norma EN 206-1,Aí como las precausiones relativas a la resistencia a reacciones een ambientes alcalino de los componentes a base de sílicede acuerdo conla normaEN 206-1.

Uso de agregados Uso de mezclas

Uso de aditivos

Contenido en cloruros

Relación gua/cemento

Tendran que ser aplicadas la precauciones relativas a la resistencia a reacciones en ambiente alcalino de los componentes a base de sílice de acuerdo con la norma EN 206-1. Los limites relativos a el uso de mezclas indicados en la norma EN 934-2 y EN 934-5 no debem serexcedidos. El uso de aditivos para estructuras permanentes tendrà que ser conforme conla norma EN 206-1 El contenido en componentes clorurados de un hormigón proyectado para estructuras permanentes no debe exeder los valores indicados en la norma EN 206-1, Tabla 10 para la clase especificada. Para hormigón proyectado reforzado con fibras metálicas hay que referenciarse a los valores indicados para refuerzo en acero. Para estructuras permanentes, las condiciones ambientales de exposición al cemento proyectado tendràn que estar de acuerdo con la norma EN 206-1.Donde sea necesario especificar la relación agua/cemento de una mezcla húmeda, éste tendrà que ser claculado conformemente con la norma EN 206-1

Para hormigón reforzado con fibras

Uso de fibras

Las fibras metálicas y las fibras poliméricas tendran que estar de acuerdo con las normas EN 14889-1 y EN 14889-2, otros tipos de fibras tendran que estar de acuerdo con la cláusola 5.1.1 de tal norma. Las fibras tendran que ser añadidas de tal forma para obtener una distribuición homogénea.

Tabla 5.27 - Tabla de especificación de materiales para elaboración de la mezcla según los requerimientos pr EN 14487-1.

131


Luego de establecer los requerimientos de los materiales de la mezcla según las debidas especificaciones, el código EN 14487, presenta la sugerencia de control de calidad de los mismos componentes en la mezcla en estado fresco, donde prevee la verificación del contenido de fibra, según se muestra a continuación:

Tabla 5.28 - Tabla de verificación de consistencia y densidad de materiales en estado fresco según EN 14487-1, verificación del contenido de fibra en la mezcla.

Una vez definido el contenido de la mezcla y la densidad de la misma en estado fresco, el código prEN14487 presenta una sugerencia de control y verificación de la mezcla ya en estado endurecido, donde se prevee la comprobación de las características mecánicas del material, tal y como se muestra en la siguiente tabla: Propriedad

Requisitie metodidi prova

Resistencia en joven edad

Unaevaluaciónde la resistencia a compresión enedad joven podràser determinadaen concordancia con la normaEN 14488-2.

Resistencia a compresión

Densidad

Módulo elástico

Resistecia a flexión

Resistencia a la penetración de agua

Resistencia a la congelación de agua

Resistencia di adhsión al sub-estrato

La resistenciaa presión del hormigon proyectadoestà expresada y definida conformemente a la norma EN-206-1. Tal resistencia tendrà que ser determinada por medio de prueba de realizarse a los 28 dias en corcordancia con la norma EN-12504-1 su muestras, ilevados desde la estructura en hormigón proyectado según la norma EN-1488-1. El diâmetro mínimo de los sondeos tendrà que ser de 5mm y la relacion altura/diâmetro deberà ser igual a 1,0 a 2,0. La probetas deberan sertestadasconformemente a lanormaEN- 12504-1. NOTA: la relación longitud/diámetro deberà ser iguala: - 2,0si el resultatode resistenciadebe sercomparado a resistencia cilíndrica -1,0 si el resultatode resistencia debe sercomparado a resistencia cúbica La densidad del hormigón endurecido deberà ser determinado conformemente con la norma EN 12390-7 El módulo elástico en compresión tendrà que ser determinado conformemente con la norma ISO 6784, con excepción de las aplicaciones de restablecimiento donde tendrà que ser aplicadala norma EN 13412. La resistencia a flexión tendràque serdeterminadaconformemente conla norma EN 12390-5 para el hormigón proyectado sin fibras, con excepción del caso donde tal hormigón deba ser comparadocon un hormigón proyectado con fibras. En tal caso deberà ser aplicada la norma EN 14488-3 La resistencia a la penetración de agua deberàser determinada conformemente conla norma EN 12390-8. La profundidad de una muestra tomada en sitio podrà ser reducída si el espesor del revestimiento es inferior a 150mm. La profundidad deberà ser lo suficiente para asegurar que no se verifique completa penetración. Además, tendran que especificadas la dirección de la penetración de agua y el método de preparación de la superfície. El valor máximo de penetracióndeberà seriguala los50mm. Normalmente,la pruebavienerealizada a los28 dias. Nota: No están disponibles métodos de pruebareglamentadosa nivel Européo, se deberàpor lo tantohacer referenciaa normativasnacionales. La resistencia de adesión tendrà que ser determinada, por materiales idóneos al restablecimiento, según la norma EN 1542, con excepción de las dimensiones de la matriz que no deberan ser inferiores a los 500mm x 500mm y resultar en proximidad de los ángulos de las muestras. La superficie tendràque ser acabada mediante paleta de punta cuandoestà fresca o arenada cuando està endurecida. En alternativa deberà ser determinada mediante sondeos según lanormaEN 14488-4.

Para hormigón proyetado reforzado con fibras Resistencia a flexión al primer pico

La resistencia a flexi[on a primer pico deberà ser expresada como el valor medio de resistencia en el momento del primer pico determinado según la norma EN 14488-3. Normalmente, la prueba vienerelizadaalos 28 dias.

Resistencia a flexión útima

La resistencia última a flexión del hormigón proyectado reforzado con fibras deberà ser expressada como ffl si determinada según la norma EN 14488-3. A bi ser que no sea diversamente pedido, las pruebas tendran que ser realizadas, normalmente, a los 28 dias. La clase de resistencia residual del homigón proyectado fibro-reforzado deberà ser determinada por un determinado nuvel de deformación. Las curvas esfuerzo-deflexión tendrà que ser determianda según la norma EN 14488-3. La prueba viene relizada normalmente a los28 dias. El contenidoen fibrasdeberà ser determinado poruna muestra endurecida de acuerdo conla norma EN 14488-7, en el caso donde non sea práctico determinalo por el hormigón proyectadofresco. Dondeno especificadodiferentemente, la probeta deberà ser sacada por material en sitio. La capacidad de absorción de energía deberà ser expresada como capacidad media de absorciónde energía, determinada según la norma EN 14488-5. La capacidadde absrción de energía especificada para la clase requeridatendrà queser conforme conlos requisitos como en laTabla3. La pruebaviene realizadanormalmente a los28 dias.

Resistencia residual

Contenido en fibras

Capacidad de absorción de energía

Tabla 5.29 - Tabla de verificación de propiedades de la mezcla en estado endurecido, incluye las propiedades mecánicas del mismo. pr EN 14487-1.

132


Entendiendo la filosofía de la obra subterránea, el código En 14487, establece sugerencias de ensayos preliminares a la construcción para la verificación de las premisas de diseño de la obra, según los conceptos de funcionabilidad que el mismo código propone, que contemplan lo explicado en el principio de este capitulo y que se muestra a continuación; Estructuras permanentes

Tabla 5.30 - Propuesta de verificación de propiedades de la m ezcla preliminares a la obra según EN 14487-1.

Luego son propuestos en el mismo código, parámetros y rutinas para verificación en obra, desde la calidad de los materiales según una rutina de recepción de los mismos en obra, hasta durante la confección de la mezcla. Material

7

8

9

Añadiduras massa de polvo

Añadiduras en la sospensión

10

Inspección/prueba

Prueba de densidad para mesclas líquidas según la norma ISO 758. I n sp e cc i ón d e l a etiqueta de entrega.

I n sp e cc i ón d e l a etiqueta de entrega.

Finalidad

Frecuencia mínima de muestreo Categoría1 Categoría 2 Categoría 3

Para comparación con el En caso de dudas. valor declarado por productor. Para asegurar de que la entrega sea conforme a el Todas las entregues. orden y que proceda desde fuentecorrecta. Para asegurarse de que la Todas las entregas entrega sea conforme a el orden y que procesa desde fuentecorrecta.

Prueba de densidad según la norma ISO 758.

Para averiguación de la uniformidad.

-

Todas las entregas

P r ue b a s e gú n normaEN 1008.

la

Para asegurarse de que el agua no contenga sustancias nocivas.

-

Si el agua non es potable; cuando una nueva fuente viene utilizada por primera vez; y en caso de dudas.

I n sp e cc i ón d e l a longitud, del diámetro y de la forma según lasnormas EN 148891 e EN14889-2.

Para asegurarse de que la entrega sea conforme a el orden y que proceda desde fuentecorrecta.

11 Agua

12 Fibras

Todas las entregas.

a

El albarán o la ficha técnica del producto deberà comprender también información por lo que se refiere al máximo contenido en cloruros y tendrà que se identificar la clasificación según la reacción de la sílice a los álcales conformementecon lascondicionesvigentes en el lugar de utilizacióndel hormigón.El albarándeberà comprender o deberà ser acompañada por declaración o certificadto de conformidad asì como requerido por norma o por la específicaen cuestión. b

Se recomienda de retirary conservar lasmuestras decada entrega.

Tabla 5.31 - Propuesta de verificación de materiales recibidos en obra según EN 14487-1.

133

5. Aplicaciones del hormigón reforzado con fibras: túneles, proyecto del revestimiento primario y revestimiento final. Tipos de prueba

Inspección/prueba

Frecuencia mínima de muestro

Finalidad

Categoría1 Categoría 2 Categoría 3

Para evaluar la conformidad Al princípio de la producción. con la clase de consistencia requerida y para averiguar po si bl es v ara ci on es d el contenidoen agua

1

Consistencia si se utiliza el método de la mezcla mojada.

Prueba según las normas EN 12350-2 o EN 12350-5.

2

Contenido de mezclas excepto acelerador.

Registro de la cantidad añadida.

Para averiguar el contenido

3

Contenido de aditivos.

Registro de la candidad añadida.


4

Contenido de fibras.

Registro de la cantidad añadida.


Opcional

Todos los lotes

Opcional

Todos los lotes

Todos los lotes

Tabla 5.32 - Propuesta de verificación de propiedades de la mezcla en obra según EN 14487-1.

Como resultado definitivo del compendio de sugerencias, es expresada una rutina de ensayos sugerida para el control de calidad de la obra según la clasificación de la funcionabilidad.

Mínima frecuencia de muestro Tipo de prueba

Inspección/ prueba según

Refuerzo de terrenos

Estructuras libres

Restabelecimiento y mejoramiento

Categoria 1 Categoria 2 Categoria 3 Categoria 1 Categoria 2 Categoria 3 Categoria 1 Categoria 2 Categoria 3

Control de hormigón fresco. 1

Relación agua/ cemento del hormigón fresco si utiliza el método de la mezcla mojada.

2 Acelerador

3

Contenido de fibras en el hormigón fresco

Cáculo o método de prueba.

Diariamente

Diariamente

Diariamente

Registro de la cantidad añadida. Norma min 1 EN 14488-7

Diariamente

Diariamente

Diariamente

3 1/200 m or 1/100 m3 or min 1 2 1/500 m2 1/1 000 m

3

3

3 3 1/250 m or 1/200 m or 1/100 m or 1/50 m or 2 1/500 m2or 1/250 m2 min 3 1/1000 m or min 3 or min 1 min 2

2

1/500 m min 2

Contro de hormigón endurecido. 4

Prueba de resistencia en hormigón proyectado joven

2

EN 14488-2

1/5000 m 1 or /2 months

3

2

1/2500 m or 1/250 m2 or 1/month 2/month

3

3 3 3 1/500 m or 1/250 m or 1 /5 00 m o r 1/100 m or 1/50 m3 or 2 2 2 1/1250 m 1/2500 m 1/2500 m or 1/500 or 1/250 min 2 min 1 or min 3

5

Resistencia a compresión

EN 12504-1

1/1 000 m or 2 1/5 000 m

6

Densidad del hormigón endurecido

EN 12390-7

Cuando se testea la resistencia a compresión.

7

Resistencia a la penetración de agua

EN 12390-8

8

Resistencia al congelación/ deshielo

Vease la nota d

9

Resistencia de adhesión

EN 14488-4 EN 1542

3

3 3 1 /5 00 m o r 1/100 m or 1/50 m or 2 1/250 or 1/500 or 1/2500 m min 3 min 2 or min 1

Cuando se testea la resistencia a compresión.

Cuando se testea la resistencia a compresión. 2

1/1000 m2 or min 1

1/500 m or 1/250 m2 or 1/1000 m2 2 min min 3 or min 1 2

1/1000 m2 or min 1

a

2

1/2500 m

2

2

1/1250 m

1/1000 m2 or min 1

b

2 1/500 m or 1/250 m2 or 1/1000 m 2 or min 1 min 3 min

2

2 1/500 m or 1/250 m or min 3 min 2

2

1/500 m or 1/250 m2 or min 2 min 3

2

1/500 m or 1/250 m or 2 min 3 min

Control de hormigón proyectado fibroreforzado 10

Contenido de fibras del hormigón endurecido

EN 14488-7

11

Resistencia residual o capacidad de absorción de energia

EN 14488-3 or EN 14488-5

12

Resistencia última a flexión

EN 14488-3

13

Resistencia a flexión al primer pico

EN 14488-3

Cuando es testada la resistencia residual Cuando es testada la resistencia residual Cuando es testada la resistencia residual o la capacidad de absorción de energia. 2

3 3 1/2000 m or 1/400 m or 1/1250 m 2 2 2 1/500 m 1/2000 m 1/10000 m

Min 1

2

1/2000 m or min 2

2

1/500 m or min 3

Min 1

2

1/2000 m or min 2

2

1/500 m or min 3

Cuando es testada la resistencia residual Cuando es testada la resistencia residual Cuando es testada la resistencia residual Cuando es testada la resistencia residual Cuando es testada la resistencia residual Cuando es testada la resistencia residual

Tabla 5.33 - Propuesta de rutina de ensayos según funcionabilidad de la obra según pr EN 14487-1.

134


La funcionabilidad de la obra es sugerida según el código EN 14487 como a continuación se expresa en las siguientes tablas de referencia:

Tabla 5.34 - Características funcionales de obra de reparación o construcción de estructuras sin cargas considerables según EN 14487-1.

Tabla 5.35 - Características funcionales de obra con cargas considerables. según EN 14487-1.

Tabla 5.36 - Características funcionales de obra con cargas considerables para trabajos subterráneos. según EN 14487-1.

135


Tabla 5.37 - Características funcionales de obras auto portantes con cargas considerables según EN 14487-1.

Es importante aclarar que el código EN 14487, no solo establece clasificaciones de uso para hormigones proyectados usados en obras subterráneas, sino también describe otras tipologías de obras según su funcionabilidad. Todo lo anteriormente visto en la actualidad es un compendio de sugerencias normativas, que pueden ser ajustadas según los requerimientos particulares de las obras, y quedando a criterio del Ingeniero proyectista, la adecuación o combinación de las mismas.

5.7 - Marco normativo actual. En relación al marco normativo actual, el cual puede ser aplicado al caso de diseño de obras subterráneas, encontramos que la combinación de todos los códigos ya descritos en el capitulo 3, sobre la clasificación de fibras, o en el capitulo 3 sobre la caracterización del hormigón fibroreforzado, y en el presente capitulo sobre el control de calidad del hormigón fibrorefrozado en obras subterráneas, es totalmente necesaria para lograr una adecuada especificación de un proyecto que involucre la tecnología. Es en los últimos años han sido desarrollados muchos códigos, cuyo objetivo es dejar en claro que el hormigón fibroreforzado, es un argumento complejo que depende de múltiples factores a saber: - Tipología de fibras; - Calidad de hormigón; - Responsabilidad estructural y funcionabilidad de la obra; - Caracterización mecánica del material.

136


Los códigos más completos desarrollados a la fecha y que engloban estos conceptos, partiendo desde la selección de material, caracterización del mismo, criterios estructurales de diseño y control en obra, son: EN14487 Sprayed Concrete — Part 1: Definitions, Specifications and Conformity. El cual esta enlazado con las referencias más actuales del Eurocódigo y logra cubrir muy completamente los criterios de selección y control de calidad del material. A nivel de criterios de diseño estructural se considera la propuesta: CNR -25 - Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il controllo di Strutture realizzate con Calcestruzzo Fibroronforzato. Siendo esta la propuesta más completa a nivel de criterios de diseño estructural.

137

6. Aplicaciones en hormigón broreforzado: Diseño de pavimentos 6.1 - Pavimentos industriales , portuarios, aeroportuarios, carreteros y aplicaciones especiales Los pavimentos industriales, portuarios, aeroportuarios, carreteros y otros, son técnicamente considerados como losas apoyadas sobre el suelo sometidas a cargas puntuales, distribuidas ó lineales y son tradicionalmente reforzados para efectos de retracción y temperatura y, adicionalmente, pueden ser reforzados para la flexión cuando el nivel de la carga lo exija. Existen casos donde el diseño del pavimento no involucra algún refuerzo, como para los pavimentos peatonales y las áreas de estacionamiento. El comportamiento mecánico de las losas apoyadas sobre suelo, a través de los diferentes tipos de cargas a los cuales puedan estar sometidos, es compatible con el nivel de esfuerzos resistentes que pueden ser ofrecidos por el hormigón fibroreforzado. La tecnología del hormigón fibroreforzado ha tomado un auge técnico muy importante. En la última década, los métodos de análisis y de comportamiento del material han sido desarrollados para la correcta modelación de estas aplicaciones. Se ha generado un incremento sustancial de esta tecnología y desarrollado investigaciones y normativas para el diseño que demarcan la responsabilidad estructural de este nuevo material. En los siguientes párrafos del presente capitulo serán explicadas en detalles las posibilidades técnicas que ofrece la tecnología del hormigón fibroreforzado en comparación con las metodologías tradicionales.

Foto 6.1 - Ejemplo de aplicación en aeropuertos.

Foto 6.2 - Ejemplo de aplicación en estacionamientos.

Foto 6.3 - Ejemplo de aplicación en piso industrial.

Foto 6.4 - Ejemplo de aplicación en puertos.

(1)

Patrícia Lizi de Oliveira “Projeto Estrutural de pavimentos rodoviários e de pisos industriais de concreto”. 139

6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. 6.2 - Metodología de diseño convencional para pavimentos. En la actualidad los códigos normativos se refieren a una metodología de cálculo para el hormigón no armado basada en la teoría de Westergaard, donde se asume una losa rígida apoyada sobre un suelo y donde se determina el espesor de la losa mediante el módulo de rigidez relativa en función de la capacidad portante del suelo. Esta metodología ha sido expuesta por el ACI 360 R – Design of Slabs-on-Ground, a través de los métodos disponibles: - WRI (Wire Reinforced Institute); - PCA (Pórtland Cement Association); - COE (Corp of Engineers); - PTI (Post Tensioning Institute); - ACI223 (shrinkage compensating institute). La capacidad resistente para la determinación del espesor de la losa es sólo adjudicada a la resistencia a flexión ó módulo de rotura del hormigón. A excepción del método PTI, que considera la tecnología del postensado y pretensado, para incrementar su capacidad de cargas, siendo esta una opción para losas donde los suelos son de una escasa e inestable capacidad portante, ó para soluciones estructurales. Luego se encuentran las losas que requieren, por razones de carga, de refuerzo a flexión, donde es aplicado el criterio convencional de diseño para el hormigón armado. El principio básico que diferencia el criterio de diseño de los métodos mencionados anteriormente, donde la responsabilidad a flexión radica exclusivamente sobre el módulo de rotura del hormigón, está basado en los factores de seguridad aplicados. En todos los métodos es aplicado el concepto de estado en servicio del hormigón como material resistente, minimizando el riesgo del mismo, disminuyendo su capacidad mediante un factor de seguridad que puede variar desde un mínimo de 1,7 hasta máximos que pueden llegar a un orden de magnitud de 3,9 a 4,0 en consideración de los siguientes efectos: - Radio del módulo de rotura, para la tensión del esfuerzo a flexión; - Influencia de los esfuerzos de retracción; - Número de repeticiones de cargas; - Fatiga e impacto del material.

Gráfico 6.1 - Ejemplificación de nivel de servicio mínimo para diseño en hormigón simple. Ensayo a flexión para determinar el módulo de rotura (MOR) del material.

140

6. Aplicaciones

en hormigón fibroreforzado: Diseño de

pavimentos.

Clasificación de losas propuesta por el ACI 360 R - Designo f Slabs-on-ground. Para ser más precisos sobre las alternativas de losas apoyadas sobre suelo, el ACI 360R “Design of Slab on Grade”, informa sobre la posibilidad de diseñar los siguientes seis casos: A - Losas en hormigón simple: En este tipo de losas el diseño del espesor está basado en la capacidad a flexión del hormigón simple (módulo de rotura - MOR), en el cual se asume que el elemento no llega a la fisuración y no prevé refuerzo alguno. Las cargas y la calidad del material poseen un factor de seguridad para garantizar la condición de vida útil antes de generar la fisuración. En estos pisos la distancia de las juntas es bastante reducida; B - Losas reforzadas por retracción y para los efectos de la temperatura: Las condiciones de diseño son idénticas a las previstas para las losas sin refuerzo, sólo que este caso está incluido un refuerzo para controlar la retracción y los efectos térmicos; el refuerzo es ubicado en el tercio superior del espesor del elemento, donde se encuentra la resultante del diagrama triangular de estos esfuerzos. El espacio entre las juntas puede ser ampliado según la ecuación “Sub Grade Equation”, que será ejemplicado posteriormente; C - Losas en hormigón a contracción compensada con refuerzo por retracción: En este caso las losas son ejecutadas con hormigón a contracción compensada. Las losas son reforzadas por retracción en el tercio superior, y el dimensionado de espesor está totalmente basado en la capacidad a flexión del hormigón, de igual manera que los casos A y B; D - Losas post-tensadas por retracción: Como su nombre lo indica, son losas que serán post-tensadas para contrarrestar el efecto de retracción y temperatura, pudiéndose lograr grandes distancias entre las juntas. El predimensionado del espesor obedece estrictamente a la metodología usada en los casos anteriores A, B y C; E - Losas post-tensadas y reforzadas con cables pretensados activos: Son diseñadas para la condición de no fisura donde los cables pre-tensados permiten optimizar el espesor de las losas, y las posttensadas permiten controlar los efectos de retracción. Estas losas pueden ser diseñadas como sistemas independientes de losas, de grandes luces, para el caso de suelos de muy baja capacidad soporte, donde la solución de losa apoyada, pasa a ser una losa estructural, que transmitirá las cargas a un sistema de fundaciones profundas. El PTI posee toda la metodología para diseño de estas losas que difiere de las mencionadas anteriormente; F - Losas reforzadas para acciones estructurales: A diferencia de los casos mencionados anteriormente, la metodología de diseño de este tipo de losas sí prevé la fisuración como mecanismo que activa el refuerzo previsto; el diseño es realizado mediante las metodologías convencionales del hormigón armado, donde los esfuerzos a flexión, a los cuales está sometida la losa, requieren de un refuerzo convencional, sea en una o doble malla en barras comunes ó en malla electrosoldada; Actualmente las metodologías disponibles de diseño previstas y descritas en el ACI 360R, ya mencionadas anteriormente, son consideradas válidas; a continuación mostramos una correspondencia de las metodologías de diseño previstas en función de las tipologías de losas de pisos descriptas:

141

6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos.

Tabla 6.1 - Tipo de metodologías de cálculo en funció del tipo de piso. ACI 360R.

Características de la sub-base En el diseño de losas apoyadas sobre el suelo, un factor de suma importancia para el diseño es la condición de suelo de apoyo. En todos los métodos de diseño comentados anteriormente se debe proponer una condición estable de suelo, la cual deberá ser garantizada para la vida útil de la estructura. La mayoría de la bibliografía sobre el tema expresa la condición del suelo en dos expresiones básicas, de amplio manejo por el medio geotécnico, como los son: - Módulo de reacción del terreno (k); - California Bearing Ratio (CBR).

142

6. Aplicaciones


pavimentos.

A continuación se muestra una correlación entre ambas expresiones:

NOTA: El valor de k es extraído del ábaco para cada tipo de suelo, especialmente para los grupos L y H, debería coincidir con el limite inferior del intervalo de valores correspondientes. Tabla 6.2 - Tablas de la calidad del suelo en función del CBR y Modulo de Reacción Vertical. Referencia ACI 360 R.

En todos los proyectos es de común aplicación la sugerencia del mejoramiento de la sub-base para la recepción de la estructura. Para este mejoramiento se sugiere como mínimo una capa de material seleccionado granular bien variado, del orden de 30 a 40cm que, en combinación con el suelo de fundación, logre un módulo de reacción vertical, ó CBR, que ofrezca un buen factor de seguridad a la estructura y minimice el riesgo. Existen situaciones donde el mejoramiento debe ser más severo, lo cual incluye la remoción de espesores de suelo que deben ser sustituidos por material seleccionado y, en algunos casos, se deben aplicar geosintéticos de refuerzo, siempre con el objetivo de generar un valor estable de la condición de la sub-base que sea garantizado durante la vida útil de la estructura. Definiciones de las cargas para el diseño de losas apoyada sobre el suelo Las condiciones de carga más comúnmente aplicadas en el diseño de losas apoyadas sobre el suelo son las siguientes: - Cargas de ruedas vehiculares: camiones, montacargas, aviones, etc; - Cargas concentradas: estanterías, apoyos de equipos, etc; - Línea o faja de carga de equipos mercancías varias, etc; - Carga uniformemente distribuida: materiales directamente apoyados sobre el piso; - Cargas en la etapa constructiva: apoyo de equipos necesarios para la construcción del piso; - Efectos ambientales (efectos de temperatura); - Cargas accidentales: cualquier evento especial que pueda ocasionar un efecto conside-rable sobre la losa, incluyendo el caso de suelos expansivos;

143

6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. Todas deben ser consideradas importantes y, desde el punto de vista técnico en cada proyecto se deberá proceder al respectivo análisis para determinar el caso más desfavorable, el cual gobernará en el dimensionamiento de la estructura. Por la experiencia, las cargas concentradas, ya sea por apoyo de estantes, equipos, cargas de vehículos, son aquellas más exigentes para este tipo de estructuras y el área sobre la cual estas actúan influye substancialmente sobre el efecto que producen en términos de solicitaciones de la losa. A continuación se ejemplifican algunas relaciones validas entre las superficies de contacto y los tipos de cargas concentradas.

Tabla 6.3 - Consideraciones de diseño en función del tipo de carga.

Factores de seguridad Los factores de seguridad para el diseño de losas apoyadas sobre el suelo, como para todas las estructuras, son definidos por las normativas técnicas a nivel internacional. En varios países, por ejemplo Francia e Italia, existen normas específicas para el diseño, construcción y aprobación de los pavimentos industriales. Debe hacerse una distinción entre los factores de seguridad sobre las cargas y aquellos sobre el material. En el caso del hormigón, en Europa es usado un factor de seguridad igual a 1 para la verificación al estado limite de servicio (ELS) y 1,5 para el estado limite ultimo (ELU). En el caso de las cargas debe hacerse una distinción entre las cargas cíclicas y las estáticas: en cada País existen valores diferentes. De cualquier forma, deben ser previstos factores de seguridad crecientes al aumentar el números de ciclos.

144

6. Aplicaciones


pavimentos.

Los factores de seguridad asumidos para diseño pueden estar en un orden mínimo de 1,4 y pueden llegar a factores de 3,9 a 4,8 en función de la aplicación.

Tabla 6.4 - Factores de seguridad mínimos para efectos de cargas recomendados por el ACI 360 R.

Métodos de diseño Tal y como ya fue adelantado, los métodos de diseño disponibles asumen que el hormigón no posee refuerzo y que será utilizada su capacidad resistente a flexión (módulo de rotura), para fines de diseño de la estructura. En la mayoría de los métodos la aplicación de refuerzo es requerida solamente para garantizar una mayor distancia entre las juntas y para el control de los efectos de retracción y de las variaciones térmicas. Para el dimensionado del espesor de una estructura de losa apoyada sobre el suelo, tenemos tres de los métodos anunciados al principio de este capitulo. A continuación describiremos algunas diferencias importantes entre ellos: Método Pórtland cement Association (PCA): En este método, desarrollado en base a los análisis de Pickett, se involucran variables tales como esfuerzo a flexión del hormigón, esfuerzo de trabajo, área de contacto y espaciamiento de la carga, y módulo de reacción del suelo. El método desarrolla gráficas que involucran las variables antes mencionadas para la determinación de los espesores. Siempre se trabaja asumiendo la condición no fisurada del hormigón. Se contemplan los casos de cargas de rueda, cargas concentradas, cargas uniformes. No son contempladas carga temporales. A continuación se muestran ejemplos de los gráficos aplicados para los diferentes tipos de cargas, la condición de entrada para todos los gráficos corresponde al esfuerzo de trabajo que será determinado en función de la capacidad a flexión del hormigón y reducido por un factor de seguridad seleccionado por el proyectista, de acuerdo con las normas vigentes:

145

6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. Donde: = tensión de servicio; s trabajo Mr = módulo de rotura del hormigón; FS = factor de seguridad.

Figura 6.1 - Ejemplo de gráfico para el dimensionado del espesor para el caso de cargas de rueda con eje simple, para diferentes tipos de suelo. Método PCA . Referencia ACI 360 R.

Figura 6.2 - Ejemplo de gráfico para el dimensionado del espesor para caso de cargas de rueda en ejes dobles, para un solo tipo de suelo. Existen diversas curvas para rangos diferentes de soporte de suelo. Método PCA. Referencia ACI 360R.

Para el caso de cargas distribuidas, el método PCA posee un conjunto de valores de capacidades de carga de losas apoyadas sobre el suelo en función de la capacidad portante del mismo, la calidad del hormigón y el espesor previsto de la losa. 146

6. Aplicaciones


pavimentos.

Tabla 6.5 - Tabla resumen del método PCA para esfuerzos disponibles en el diseño de losas de diversos espesores, para el caso de cargas distribuidas. Referencia ACI 360R.

Para el caso de cargas concentradas, como por ejemplo estantes, fundaciones de maquinarias, o cualquier tipo de elemento que genere cargas concentradas, el método posee tablas para el dimensionamiento de los espesores, en función de la superficie de contacto, de la carga por apoyo y de su distribución ortogonal. Estas tablas son generadas para rangos diversos de capacidad portante de suelo.

Figura 6.3 - Tabla resumen del método PCA para el dimensionado de los espesores de losas con cargas concentradas. Referencia ACI 360R.

Así mismo el método ha realizado un resumen para el caso de cargas distribuidas, en el cual están indicadas limitaciones para el espaciamiento de las juntas.

147


Tabla 6.6 - Tabla resumen del método PCA para esfuerzos disponibles en el diseño de losas de diversos espesores. Para cargas distribuidas, prevé la distancia entre las juntas. Referencia ACI 360R.

148

6. Aplicaciones


pavimentos.

Método Wire Reinforced Institute: Este método al igual que el PCA, asume como condición el hormigón sin refuerzo, asumiendo como capacidad resistente el módulo de rotura del hormigón. Muy similar al método PCA , propone ábacos y tablas para el dimensionado de los espesores para los casos de cargas de ejes de ruedas, cargas uniformes distribuidas pero no prevé cargas concentradas ni cargas variables en la etapa de construcción. Para el caso de cargas por ejes de rueda, partiendo de condiciones conocidas, tales como la resistenc ia a flexión del hormigón, el cual ya está reducida por el factor de seguridad asumido, cargas de ruedas y separación de ejes, módulo de elasticidad del hormigón y resistencia de la sub-base, son aplicados en gráficos consecuentes que, a partir de un espesor dado, determinan el “parámetro de esfuerzo relativo”. Una vez determinado este parámetro, el mismo es aplicado en otros ábacos para la determinación del momento actuante, y con este, se va hacia el ábaco de verificación final para que, en función del esfuerzo de la resistencia a flexión de trabajo del material y del momento de diseño, sea verificado el espesor definitivo de la losa. Para el caso de cargas distribuidas, es idéntico el procedimiento, sólo que, a partir de la determinación del parámetro de esfuerzo relativo, existen curvas particulares para la condición de cargas uniformemente distribuidas con las cuales, en función de la distancia preliminar entre las juntas, se puede determinar el espesor. A continuación se muestran los ábacos anteriormente mencionados:

Figura 6.4 - Relación entre el espesor de la losa y el parámetro de esfuerzo relativo. Método WRI. Referencia ACI 360R.

149


Figura 6.5 - Ábacos de diseño para carga por rueda, en función del parámetro de esfuerzo relativo . Método WRI. Referencia ACI 360R.

Figura 6.6 - Ábacos de diseño en función del momento actuante, dimensionado definitivo del espesor .Método WRI Referencia ACI 360R.

150

6. Aplicaciones


pavimentos.

Carga uniforme = 2500 psf = 2,5 ksf ) s

Carga uniforme ksf ie p r o p

Tensión admisible = 190 psi

s ie par ibl (, a s ol la e d l at a

ot s

s al

p

ol

ei

to

ar

n e

e

o ot

a d p l

m ta

ar b li

M ot

e n d e s m ei o M

p

Espesor de la losa/ pulgadas

Anchura del eje, pulgadas Amplitud del eje = 10 pies - 120

Figura 6.7 - Ábacos de diseño para carga distribuida, en función del parámetro de esfuerzo relativo y su correlativo gráfico de diseño definitivo del espesor. Metodo WRI. Referencia ACI 360R.

Método Corps of Engineers (COE): El presente método, basa sus análisis en la característica resistente del hormigón sin refuerzo, denominado Módulo de Rotura. El método determina relaciones para condiciones de carga de eje por rueda, definiendo “Indices de diseño” en función del tipo de carga. El método contempla, como condición de diseño, la tensión producida en la parte inferior de la sección de hormigón. Se proponen curvas en función del “Índice de diseño” y de la capacidad a flexión del material, en función de la capacidad portante del suelo de apoyo.

Tabla 6.7 - Tabla de “Indices de diseño” en función del tipo de carga por eje. Método COE, Referencia AC I 360R.

151


Figura 6.8 - Gráfica para dimensionado de espesor en función del Indice de diseño, capacidad portante del suelo y esfuerzo disponible flexión del hormigón. Método COE, Referencia AC I 360R.

Losas post-tensadas (PTY): La decisión de utilizar la tecnología de pisos post-tensados en general obedece a simples razones como: - Sistemas que van a ser apoyados sobre suelos de muy baja capacidad de soporte y donde la solución pasa de ser una solución de losa apoyada sobre el suelo, a un sistema de losas apoyadas sobre elementos de fundación profunda, donde se necesita de un sistema de losas que tenga un comportamiento estructural diferente al de una losa apoyada sobre el suelo. Este sistema debe ser diseñado como una losa de una superestructura. - Lograr amplias luces sin juntas. Siendo este caso considerado como una losa apoyada sobre el suelo, el post-tensado de la parte inferior de la sección tiene como objeto contrarrestar los efectos de retracción y temperatura, ya que el diseño a flexión es realizado de igual manera así como fue explicado para los métodos anteriores, utilizando la capacidad a flexión del hormigón. En cuanto a los métodos post-tensados, en el presente manual no se detallará su procedimiento. Una muy buena exposición puede ser encontrada en el ACI 360R. En lo que refiere al concepto de diseño, la institución PTY tiene en sus publicaciones todas las opciones de diseño, para este tipo de elementos. Diseño convencional en hormigón armado asumiendo un suelo elástico: A flexión a través de los criterios convencionales del hormigón armado, en la parte inferior son ubicadas armaduras para generar una sección armada que sea capaz de resistir las solicitaciones producidas por las cargas. El modelo de cálculo será una losa apoyada sobre un suelo elástico según la teoría de las placas. Sería muy conservador analizar la losa como una faja rectangular con una capacidad 152

6. Aplicaciones


pavimentos.

a flexión. Para desarrollar adecuadamente el cálculo, se sugiere aplicar herramientas de elementos finitos que permitan la modelación espacial de la losa y entender el comportamiento estructural bajo aspectos básicos como esfuerzo, deformaciones y mecanismos de colapso. A continuación se muestran, como ejemplo, los siguientes casos de cargas para losas apoyadas sobre el suelo:

Figura 6.9 - Ejemplo de cargas concentradas en losas apoyadas sobre el suelo.

Figura 6.10 - Ejemplo de carga concentrada central en losas apoyadas sobre el suelo.

Figura 6.11 - Ejemplo de cargas concentradas generadas por un avión en losas apoyadas sobre el suelo.

A continuación se muestran diversos casos de análisis de losas apoyadas sobre el suelo, con modelación de elementos finitos:

Figura 6.12- Ejemplo de modelo de losa EF, caso de carga central.

Figura 6.13 - Ejemplo de modelo de losa EF, caso de carga centrada en un extremo.

153


Figura 6.14 - Ejemplo de modelo de losa EF, caso de carga en la esquina.

Figura 6.15 - Ejemplo de modelo de losa EF, caso de carga distribuida.

6.3 - Diseño de juntas en pavimentos. El diseño de las juntas en los pavimentos, es un argumento de particular importancia para la durabilidad de la estructura. En diversos países existen normas o recomendaciones de buena práctica como el ACI 360R (USA), el TR34 (UK), la NF 11-213 (Francia) y la UNI 11146 (Italia), que clasifican los diversos tipos de juntas e indican los criterios para su diseño y construcción. A seguir son indicados los tipos de juntas: Juntas de contracción o control. Son juntas dispuestas para el control de la contracción del hormigón, las cuales son producidas por el corte del hormigón endurecido luego de varias horas de vaciado el piso, normalmente entre 6 a 8 horas luego del vaciado. Su espaciamiento dependerá del espesor de la losa y de la eventual inclusión de un refuerzo. Las juntas pueden o no prever elementos de interconexión entre los paños, esto dependerá del uso posterior del pavimento.

Figura 6.16 - Ejemplo de junta aserrada de control.

154

6. Aplicaciones


pavimentos.

Foto 6.5 - Ejemplo de ejecución de una junta de control.

Foto 6.6 - Ejemplo de ejecución de una junta de control.

Juntas de aislamiento. Son juntas producidas, como su nombre lo dice, para aislar elementos constructivos que por la diferente rigidez puedan afectar la losa. Estas juntas son previstas antes de vaciar el hormigón.

Figura 6.17 - Ejemplo de junta de aislamiento.

Foto 6.7 - Ejemplo de aplicación de una junta de aislamiento.

Foto 6.8 - Ejemplo de aplicación de una junta de aislamiento ya construida.

Juntas de construcción. Es la junta que delimita los paños de piso vaciados en diferentes etapas de la construcción. Estos elementos deben ser planificados para que sean compatibles con la modulación de las juntas de control. Este tipo de juntas prevé la interconexión entre paños con elementos muebles que permitan el desplazamiento de dos losas adyacentes.

155


Figura 6.18 - Ejemplo de junta de construcción.

Foto 6.9 - Ejemplo de ejecución de una junta de construcción.

Foto 6.10 - Ejemplo de ejecución de una junta de construcción, ya ejecutada. En primer plano las barras de conexión.

Foto 6.11 - Disposición de barras de conexión en juntas de construcción.

Foto 6.12 - Cruce entre juntas de control y de construcción luego del vaciado.

Dimensionado de las Juntas de control. Para el dimensionado de las juntas de control, existen varias posiciones técnicas de diversas instituciones. Las juntas de control puede ser diseñadas para dos tipos de losas sobre el suelo :

156

6. Aplicaciones


pavimentos.

Losa sin refuerzo, losas Tipo A (conforme ACI 360 R) En este tipo de losas, ya descrito al principio del presente capítulo, el dimensionado de juntas de control se basa en el comportamiento de la losa sometida a retracción plástica. Es aconsejable que la losa, rectangular a cuadrada, tenga dimensiones parecidas, con relación L max / Lmin < 1,2. La regla básica en el dimensionado establece:

donde : L = Espaciamiento entre las juntas; h = Espesor de la losa prevista.

Tabla 6.8 - Recomendación del PCA para el espaciamiento de las juntas de control para losas no reforzadas. Medidas sugeridas están en pulgadas, Referencia ACI 360R.

Losas reforzadas para retracción y temperatura. Para poder distanciar más las juntas de control, ó cuando las condiciones de temperatura a las cuales la losa va a estar sometida durante su vida útil son severas, todas las publicaciones e instituciones de referencia establecen agregar un refuerzo, el cual parte de una cuantía mínima del 0,15% hasta 0,3% de la área de la sección para casos más severos. Este refuerzo debe ser ubicado en el tercio superior del espesor donde se prevé que se encuentre la resultante del diagrama triangular de esfuerzo debido a la retracción y a la temperatura.

Figura 6.19 - Ejemplo de losa reforzada para retracción y temperatura.

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6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. Los códigos tradicionalmente utilizados para el diseño de pavimentos sobre el suelo, sin refuerzo a flexión, tales como el PCA (Pórtland Cement Assciation), WRI (Wire Reinforced Institute) y COE (Corp of Engineeers) utilizan, para el dimensionado del acero para temperatura y retracción, la aplicación de la fórmula “Subgrade drag equation”:

donde: As = Área de acero en pulgada cuadrada por pie lineal; fs = Esfuerzo admisible del acero de refuerzo en psi; F = Factor de fricción; L = Distancia prevista entre las juntas; W = Peso de la losa en psf, asumiendo 12,5 psf por pulgada de espesor. Con esta formula se puede verificar hasta que punto es posible aprovechar un buen espaciamiento sin la presencia del refuerzo. El dimensionado de la losa estará subordinado a su factibilidad, según los niveles de carga, siendo posible que la carga aplicada pueda reducir las dimensiones. Hormigones de retracción compensada. Los hormigones de retracción compensada ofrecen la solución al problema de las juntas de control. Este tipo de hormigones está detallado en el ACI 223. Su mecanismo de trabajo se basa en la expansión del hormigón en los primeros días, que luego será compensada por la retracción. Se exige un refuerzo mínimo del 0,15%. Esta tecnología permite lograr espaciamientos de las juntas de control mayores que las anteriormente explicadas. La tendencia actual, gracias a esta posibilidad, es hacia soluciones de pavimentos con distancias entre las juntas superiores a los 15m de longitud. Alabeo (curling) y Warping de la losa apoyada sobre el suelo. El fenómeno del alabeo ó “curling” es común en las losas no reforzadas y consiste en la distorsión angular de la superficie de los ángulos. Este fenómeno normalmente afecta un radio de 2 a 5 pies, medidos desde el mismo ángulo. El fenómeno es causado por la diferencia en el contenido de agua entre las superficies externa e interna de la losa. El fenómeno de “Warping”, muy similar al alabeo, corresponde a la deformación de la superficie en general, producida por los esfuerzos internos generados por las diferencias de vapor ó de temperatura entre las superficies de la estructura. Ambos fenómenos pueden ser controlados con un adecuada combinación de juntas de control y construcción y con un adecuado refuerzo por retracción. 158

6. Aplicaciones


pavimentos.

Figura 6.20 - Ejemplos de alabeo de losas apoyadas sobre el suelo. El valor de la zona 2 corresponde normalmente a una longitud de 2 a 5 pies.

6.4 - Métodos de diseño de pavimentos en hormigón broreforzado El hormigón fibroreforzado es utilizado en las losas apoyadas sobre el suelo cuando los esfuerzos producidas por las cargas sobre las estructuras, sean compatibles con su comportamiento mecánico. Como fue explicado en el capítulo sobre la caracterización mecánica del hormigón fibroreforzado, para el diseño de pavimentos apoyados sobre el suelo es aprovechada la propiedad mecánica a flexión en estado último del material. Existe también una mejora en la resistencia al corte. En un análisis tridimensional de las estructuras de este tipo se puede visualizar la correcta redistribución de los esfuerzos. El hormigón fibroreforzado, por ser un material homogéneo en todo su volumen, ofrece una resistencia continua en todas las direcciones para las acciones que puedan verificarse y, para el caso particular de la pavimentación, esta propiedad puede ser aprovechada tanto para el diseño a flexión, como para el diseño por retracción y temperatura. Fundamentalmente la incorporación de fibras dentro de la matriz de hormigón induce a cambiar su conducta de frágil a dúctil. Es precisamente la ductilidad la que permite cambiar el criterio de análisis del material, pasando de una condición de servicio con determinados factores de seguridad, a trabajar con cargas mayoradas y diseñar en estado último, sólo posible con materiales dúctiles. Se obtiene como resultado una mayor posibilidad de aprovechamiento de la capacidad resistente del material.

159


Gráfico 6.2 - Ejemplo de ensayo a Flexión UNI 11039 para determinar la capacidad a la flexión del hormigón.

Comportamiento del hormigón simple

Pmax Mínimo FS=1,7 para el hormigón simple A G R A C

Pmáx disponible para el cálculo de Mr de deseño, en hormigón convencional.

CTOD0

CTOD

Gráfico 6.3 - Ejemplificación del nivel de servicio mínimo para diseño en hormigón simple. Ensayo a flexión para determinar el módulo de rotura del material.

Como puede apreciarse, conforme la norma ACI 360 R, existe una reducción mínima del 42 % de la capacidad resistente del material, por tratarse de un material frágil. Al implementar el hormigón fibroreforzado, se aprovecha la característica resistente última del material como capacidad resistente, contraponiendo las cargas mayoradas. El requisito mínimo para el uso estructural del hormigón fibroreforzado consiste en una resistencia residual > 50% de la resistencia de primera fisuración. El hormigón fibroreforzado dependiendo de la cantidad de refuerzo que posea, podrá ser mayormente aprovechado a nivel estructural y ofrecer una capacidad resistente equivalente a la máxima lograda en servicio por el hormigón simple.

160

6. Aplicaciones


pavimentos.

Gráfico 6.4 - Ejemplo de nivel de prestación mínima para el uso estructural del hormigón fibroreforjado.

Gráfico 6.5 - Ejemplo de un hormigón fibroreforzado de comportamiento elasto-plástico.

En la actualidad, en el contexto Europeo, hay propuestas de normas que evidencian estos conceptos: - DESIGN , PRODUCTION AND CONTROL OF STEEL FIBER REINFORCED STRUCTURAL ELEMENTS ”Norma UNI U73041440. - Rilem TC162-TDF “Test and design methods for steel fiber reinforced concrete”. La resistencia de primera fisuración y las resistencias residuales post-fisura. El incremento de la resistencia residual puede estar desde un 50% hasta porcentajes mayores del 100% dependiendo de la cantidad de fibras que se aplique, para dosificaciones que pueden variar de un mínimo de 20Kg/ m³ hasta 60kg/m³. Pavimientaciones y pisos reforzados para retracción y temperatura Un ejemplo de aplicación del hormigón fibroreforzado es el de los pavimentos reforzados únicamente para retracción y temperatura, donde la sección prevista fue diseñada conforme los criterios expuest os en el ACI 360 R.

161

6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. En este caso la armadura de control de la retracción, viene ubicada en el tercio superior de la sección prevista, dejando al hormigón toda la responsabilidad de soportar las tensiones debidas a las cargas exteriores. Tomemos como ejemplo una sección típica: Las condiciones iniciales son: - Piso con espesor de 15,00cm, en hormigón fć= 25MPa, Módulo de rotura de 3,2MPa. - Cuantía mínima por retracción y temperatura en malla electrosoldada fy=414N/mm 2, barras diámetro 6,00mm espaciadas a 15cm en ambos sentidos. - Modulo de reacción del suelo entre 0,09 -0,12N/mm 3 - Cargas máxima: montacargas de capacidad 6t.

Figura 6.21 - Esquema básico de hormigón con refuerzo por temperatura. Piso de espesor 15cm.

El objetivo es demostrar que, a igualdad de comportamiento estructural, el hormigón fibroreforzado para este caso posee características mecánicas iguales o superiores a las que se pudiesen lograr con el armado tradicional. El momento resistente de la sección armada es igual a:

donde: Mres = Momento resistente; fy = Esfuerzo resistente del acero; d = Altura útil de la sección. Es posible sustituir el armadura tradicional utilizando un hormigón fibroreforzado con 20kg/m 3 de fibras metálicas Wirand ® FF1, donde se considera como resistencia a flexión del elemento fibroreforzado de una sección rectangular:

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6. Aplicaciones


pavimentos.

Donde: Mr = Momento resistente; Req = Resistencia equivalente del hormigón fibroreforzado, considerando que la sección es homogéneamente distribuida y reforzada; Sx = bh2 = Módulo de resistencia de la sección rectangular. 6 A continuación se muestra el comparativo entre las dos secciones:

Tabla 6.9 - Comparativo a Flexión de una sección rectagular tradicionalmente armada vs. sección fibroreforzada.

Figura 6.22 - Esquema básico presentado con la solución fibroreforzada. Piso con espesor 15cm.

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6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. Para la determinación de la resistencia equivalente del hormigón fibroreforzado fueron considerados los resultados derivados de los ensayos conforme la Norma UNI 11039; para la resistencia C25 y para dosificaciones de 20Kg/m 3, la resistencia de primera fisuración es de 3,2MPa y la ductilidad mínima de 50-55%.

Tabla 6.10 - Tabla de los resultados de los ensayos UNI 11039.

Gráfico 6.6 - Curvas de resistencias equivalentes vs. dosificación de fibras.

La determinación de la resistencia equivalente del hormigón fibroreforzado puede ser también obtenida mediante las normas: ASTM, RILEM, EFNARC, Eurocódigo. La metodología mostrada es un argumento suficiente para demostrar la equivalencia de las soluciones técnicas. La solución en hormigón fibroreforzado, además de ser equivalente a la tradicional, ofrece beneficios adicionales a nivel de desempeño del hormigón, tales como el mejor comportamiento a fatiga y el mejor control de las fisuras.

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6. Aplicaciones


pavimentos.

MECANICA DE LA FRACTURA NO LINEAL COMO HERRAMIENTA DE ANALISIS DE HORMIGÓN FIBROREFORZADO. Las investigaciones realizadas en el área del hormigón fibroreforzado, han llegado a conclusiones, donde las metodologías convencionales que involucran el diseño en hormigón fibroreforzado no aprovechan toda la capacidad y las bondades que ofrece la tecnología. Una de las alternativas de diseño desarrollada en los últimos tiempos corresponde a la “implementación” de la mecánica de la fractura no lineal (NLFM). La mecánica de la fractura aplicada al hormigón fibroreforzado ha sido evaluada numérica y experimentalmente, utilizando el “modelo de la fisura ficticia” propuesto por Hilleborg, Modeer y Petterson (1976), Plizzari-Medda (2004). El dimensionado de una pavimentación basado sobre el comportamiento elástico (Westergaard o FEM) no permite aprovechar las propiedades mecánicas del hormigón fibroreforzado. Una de las alternativas desarrolladas en los últimos años consiste en la implementación de la mecánica de la fractura no lineal (NLFM). La investigación experimental permite determinar la forma de la curva esfuerzo-abertura de fisura, que viene numéricamente representada distinta geometría (lineal, bilineal, trilineal, exponencial o hiperbólica). Para el caso del hormigón fibroreforzado es utilizada una ley bilineal, en la cual la primera fase de la curva es dominada por el comportamiento post fisura del material con una alta pendiente de la curva (engranaje de los agregados) y, luego, cuando la microfisura se traduce en macrofisura, se provoca la activación de la resistencia al arrancamiento de las fibras.

Figura 6.23 - Ley constitutiva: Curva Esfuerzo vs. Tensión en fase pre pico y curva Esfuerzo vs. Abertura de grieta en la fase post pico.

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6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. La ley constitutiva fue determinada mediante simulaciones numéricas de los ensayos UNI 11039, en los cuales la relación s-w del material se hizo variar hasta que la curva numérica no resultó acorde con los resultados experimentales. Se tienen en cuenta las siguientes características del material: - Resistencia a tracción obtenida por medio de ensayos de tracción directa; - Módulo de elasticidad; - Módulo de Poisson, asumido igual a 0,20; - Pasar de la relación s-w a la relación s-e al dividir w entre la raíz cuadrada del área media del elemento analizado. (a)

(b)

Figura 6.24 - Discretización matemática de un viga a flexión según UNI 11039, (a) Modelo fisura aparente, (b) modelo fisura inducida.

Se logra una expresión numérica que calibra el comportamiento numérico con el experimental logrado en los ensayos, adoptando esta matriz de comportamiento como patrón de análisis de diversas secciones. Está claro que, siendo este comportamiento dependiente de la cuantía de fibras y calidad del hormigón, es necesario rever la ley constitutiva cada vez que se modifique una de las variables.

Gráfico 6.7 - Simulación numérica de ensayos UNI 11039 con el Software DIANA.

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6. Aplicaciones


pavimentos.

La Universidad de Brescia (Italia), desarrolló modelos matemáticos y pruebas experimentales para losas apoyadas sobre el suelo, generando matrices de comportamiento para losas para diferentes condiciones de suelo, cargas y clases de resistencia del hormigón.

(a) Colocación de resortes para simula r un suelo tipo Winkler.

(b) Esquema experimental.

(c) Resortes de acero para simular una sub-base elástica.

(d) Resortes de acero para simula r una sub-base elástica.

Esta modelación permitió analizar el mecanismo de falla de una losa apoyada sobre el suelo, caracterizada por una falla según las diagonales, confirmando los resultados experimentales.

Figura 6.25 - Comparación de los resultados numéricos y experimentales para la losa.

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6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. El programa de investigación, numérico y experimental logró como resultado la generación de ábacos de diseño para el predimensionado del espesor de las losas en hormigón fibroreforzado bajo cargas puntuales, diversas condiciones de capacidad soporte del suelo, clases de resistencia del hormigón, tipo y dosificaciones de fibras metálicas.

Gráfico 6.9 - Ábacos de diseño para una losa apoyada en suelo con una fracción de volumen Vf = 0.38% de fibras 50/1.0 en una matriz de hormigón C25/30.

La mecánica de la fractura, con el auxilio de un software de elementos finitos, trabajando en un ámbito no lineal, permite la modelación de cualquier condición de carga. Lo que es fundamental es la caracterización del material para clase de resistencia de la mezcla, según su módulo de rotura y la dosificación especifica, para la determinación de la ley s-w y para la curva característica de comportamiento no lineal, que va ser la base para el análisis con elementos finitos.

6.5 - El hormigón broreforzado y el diseño de las juntas El hormigón fibroreforzado ofrece la posibilidad de aumentar la distancia entre las juntas de control en comparación con lo que resulta de las fórmulas tradicionales enunciadas anteriormente. Todo se basa en la mayor capacidad de una sección homogéneamente reforzada de contrarrestar los efectos debidos a la temperatura y a la retracción, frente a la solución tradicional, que solamente posee una capa de acero ubicada en la resultante del diagrama triangular de las tensiones. El concepto básico es la transformación de ese diagrama triangular de esfuerzos, a un diagrama rectangular por el efecto resistente del material en toda su sección, tal y como se muestra a continuación:

Figura 6.26 - Esquema de un piso armado tradicionalmente.

168

6. Aplicaciones


pavimentos.

Figura 6.27 - Esquema de un piso armado con fibras.

Agregar fibras puede llevar a un incremento de la distancia entre las juntas entre un 30% hasta un 100% de lo originalmente previsto por los códigos actuales. La posibilidad de ejecutar paños de losas de mayores dimensiones es una realidad que depende de dos variables fundamentales: - Espesor de la losa; - Cantidad del refuerzo. El ACI 360R , en la “Sub Grade equation”, explicada anteriormente, contempla estos parámetros, pudiéndose lograr espaciamientos mayores de 10 metros y hasta un máximo de 30 metros. Es evidente que la solución estará orientada hacia altas dosificaciones de fibras debido a la necesidad de refuerzo y a espesores considerables, en muchos casos superiores a los 18 cm, para contrarrestar los efectos de curling y warping. Describimos un par de ejemplos de incremento de espaciamiento de las juntas, uno para piso estándar y otro para pisos altamente reforzados para la retracción. Ejemplo nº1 Losa de espesor 15cm, acero mínimo de retracción. - Espesor piso 15,00cm en concreto f ć= 25MPa; - Cuantía mínima para retracción y temperatura en malla electrosoldada f y = 414N/mm2, barras diámetro 6,00mm, espaciadas 15cm en ambos sentidos. Ubicada en el tercio superior; - Módulo de reacción del suelo entre 0,09 - 0,12N/mm 3.

Figura 6.28 - Losa en hormigón con refuerzo para temperatura. Piso de espesor 15 cm.

169

6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. Solución propuesta fibroreforzada:

Figura 6.29 - Losa en hormigón fibroreforzado. Piso espesor 15cm.

Cálculo de la equivalencia mecánica entre las dos soluciones:

Comparación Piso com Refuerzo Tradicional Vs. Fibras Unidad

Características

de medida

Espessor = 15cm Malla

Fibras

6/150

FF1 (1.00x50)

N/mm

2

Resistencia a tracción de la malla

N/mm

2

Resistencia a flexo tracciòn del hormigón con fibras (25MPa)

N/mm

2

Resistencia equivalente del hormigón (para 20kg/m de fibras)

1,76

Ductilidad del hormigón con fibras

55,00

%

414,00 3,20

3

mm

Diámetro de la malla

6,00

mm

Sección de la malla

150,00

2

Peso de la malla/m

2

2,96

3

Peso de la malla/m

3

19,73

kg/m kg/m

2

mm

As = área resistante de la malla

mm

b = base de la sección del hormigón

mm

h = espesor teórica del hormigón

mm

d = espesor útil de la sección

Nmm 3

kg/m mm

Nmm

M = Momento Máximo a Flexión de la malla

188,50 1.000,00

1.000,00

150,00

138,40

80,00

150,00

5.618.676

Dosificación aconsejada

20

H = Espesor propuesta de la sección

150

M = Momento Maximo a Flexión del Hormigón con las fibras

6.600.000

Tabla 6.11 - Cálculo de la equivalencia mecánica entre las dos soluciones .

Se obtiene la equivalencia mecánica para un hormigón fibroreforzado, dosificado con 20kg/m 3 de fibras Wirand® FF1, para la sección armada tradicional. Conforme la Recomendación PCA relativa al espaciamiento de las juntas, ACI-360R, los paños de losas deben poseer juntas con distancia máxima de 4,95m para el caso de pisos sin refuerzo para retracción y temperatura. (15 pies). 170

6. Aplicaciones


pavimentos.

Espesor de la losa 5 '' 6 '' 7 '' 8 '' 9 '' 10 ''

Slump 4 a 6 pulgadas Agregado Agregado <3/4 ''. >3/4 ''. 10 12 14 16 18 20

13 15 18 20 23 24

Slump menor que 4''. 15 18 21 24 27 30

Tabla 6.11 - Análisis de refuerzo según el ACI 360 R.

Si se aplica la fórmula “Subgrade drag equation”expressada a continuación:

Donde: As = Área de acero en pulgada cuadrada por pie lineal; fs = Esfuerzo admisible del acero de refuerzo en psi; F = Factor de fricción; L = Distancia prevista entre juntas; W = Peso de la losa en psf, asumiendo 12,5 psf por pulgada de espesor. O sea:

Tabla 6.12 - Tabla de cálculo para determinación del refuerzo por temperatura. Sub-grade Equation ACI 360-R.

En base a lo expuesto, calculando como el espaciamiento máximo para el caso de armadura tradicional, según el ACI 360 R y basándonos sobre la equivalencia estructural de la sección fibroreforzada prevista, el espaciamiento alcanzable puede ser de 8,00 x 8,00m para juntas de control, obteniendo así un 60% de incremento en relación al espaciamiento tradicional. Ejemplo Nº2. Losa de espesor 18cm, con gran cantidad de refuerzo para retracción. - Espesor piso 18,00cm en concreto fć= 25MPa;

171

6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. - Cuantía mínima para retracción y temperatura en malla electrosoldada f y = 414N/mm2, barras diámetro 12,5mm, espaciadas 150mm en ambos sentidos; - Módulo de reacción del suelo entre 0,09 - 0,12N/mm 3; - Carga máxima, desconocida.

Figura 6.30 - Esquema básico presentado de hormigón con refuerzo para temperatura. Piso de espesor 18 cm de espesor.

Solución Fibroreforzada propuesta:

Figura 6.31 - Esquema básico presentado con la solución fibroreforzada. Piso espesor 15 cm de espesor.

Cálculo de la equivalencia mecánica entre las dos soluciones:

172

6. Aplicaciones


pavimentos.

Comparación Piso con Refuerzo Tradicional Vs. Fibras Unidad

Características

de medida

Espessor = 18cm Malla

Fibras

12,4/150

FF1 (1.00x50)

N/mm

2

Resistencia a tracción de la malla

N/mm

2

Resistencia a flexo tracciòn del hormigón con fibras (25Mpa)

N/mm

2

Resistencia equivalente del hormigón (para 40kg/m de fibras)

3,92

Ductilidad del hormigón con fibras

98,00

%

414,00 4,00

3

mm

Diámetro de la malla

12,40

mm

Sección de la malla

150,00

2

Peso de la malla/m

2

12,64

3

Peso de la malla/m

3

70,22

kg/m kg/m

2

mm

As = área resistante de la malla

mm

b = base de la sección del hormigón

mm mm Nmm 3

kg/m mm

Nmm

805,09 1.000,00

1.000,00

h = espesor teórica del hormigón

180,00

179,28

d = espesor útil de la sección

70,00

180,00

M = Momento Máximo a Flexión de la malla

20.998.239

Dosificación aconsejada

40

H = Espesor propuesta de la sección

180

M = Momento Maximo a Flexión del Hormigón con las fibras

21.168.000

Tabla 6.13 - Tabla comparativa entre piso con refuerzo tradicional y piso reforzado con fibras.

Se obtiene la equivalencia mecánica para un hormigón fibroreforzado, dosificado con 40 Kg/m 3 de fibras Wirand® FF1, para la sección armada tradicionalmente. Análisis de refuerzo según el ACI 360 R, Design Slabs on Grade.

Tabla 6.14 - Cálculo de espaciamiento entre juntas , según ACI 360 R.

Se obtiene un espaciamiento entre juntas de control de 30m. Como la cantidad de fibras aplicada ofrece la misma capacidad resistente de la sección rectangular analizada, se puede inferir que el espaciamiento de juntas podría estar en este orden. Hacemos la

173

6. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Diseño de pavimentos. advertencia que, para el espesor mínimo de la losa de 18cm, podrían observarse fenómenos de curling, que sólo pudiesen ser evitados si se disminuye el espaciamiento, o con la aplicación de juntas de borde de construcción tipo “Omega”, ó “Diamond Dowels”, en el contorno de la losa. Es importante resaltar que, para la construcción de pisos con juntas ampliamente espaciadas, deben ser considerados factores importantes como lo son una excelente calidad de la sub-base como la mostrada, valor mínimo de 0,12N/mm 3 de módulo de reacción vertical, equivalentes a un CBR de 40-45%, extremo cuidado en el curado del concreto, perfecta trabajabilidad de la mezcla y continuidad de la misma durante todo el proceso de construcción del piso. El conjunto de estas condiciones vuelve posible este tipo de solución, que no puede ser imputable únicamente al hecho de agregar fibras en el hormigón. Cualquier descontrol en la obra a nivel de mezcla, trabajabilidad, curado, etc. puede ocasionar problemas en el objetivo de lograr juntas muy espaciadas sin problemas de agrietamiento.

6.6 - Control de calidad del hormigón broreforzado para pavimentos. El control de calidad del hormigón fibrorefozado para pavimentaciones debe ser realizado con los mismos controles sugeridos para los materiales, para verificar las resistencias mecánicas consideradas en el diseño. El Ingeniero responsable del proyecto será quien orientará la realiz ación de estos ensayos para la determinación mediante ensayos a flexión, compresión y resistencia residual del material. Además de la comprobación de las propiedades mecánicas del material, existen recomendaciones básicas a ser obedecidas en el correcto diseño de la mezcla a ser utilizada en los pavimentos: - Limitaciones de la relación agua/cemento, recuperando la trabajabilidad con el uso de aditivos fluidificantes; - El uso de áridos predominantes mayores a ¾ “, permite reducir el efecto de retracción en la mezcla, ya que incorporar áridos de mayor tamaño influye sobre la demanda de agua; - Se sugiere la aplicación de cementos Tipo II, en comparación a los Tipo I y Tipo III, ya que estos últimos normalmente incrementan el consumo de agua dentro de la mezcla; - Utilizar slumps o asentamiento en un rango entre 4“a 6“, en función del tipo de vaciado (mecanizado o manual); - En lo que se refiere a las soluciones de juntas distanciadas, es ampliamente recomendado realizar un incremento de la sección resistente en los extremos de la losa que ayuden sustancialmente a controlar efectos de curling; - Es fundamental controlar el proceso de curado del material para garantiz ar la homogeneidad del material fraguado.

174

6. Aplicaciones


pavimentos.

6.7 - Marco normativo actual Adicionalmente a las normas indicadas en los capítulos anteriores sobre le control de calidad del hormigón fibroreforzado, mencionamos los siguientes códigos de diseño de pavimentaciones: - ACI 360R – Design of Slab-on-ground; - TR-34 – Third Edition - Concrete Industrial Ground Floors; - UNI 11146 - Pavimenti di calcestruzzo ad uso Industriale; - NF P11-213 – Dallages – Conception, calcule t execution; - TR-34 - Concrete Industrial Ground Floors; - UNI 11146 - Pavimentación industrial; - NF P11-213 - (Código Francês).

175

7. Aplicaciones en hormigón broreforzado: Prefabricados. 7.1 - Uso del hormigón broreforzado en los prefabricados. El refuerzo del hormigón con fibras de acero ya es una realidad para aplicaciones estructurales, pues logra reducir el fenómeno de fisuración y mejora la durabilidad del hormigón, y en algunos casos, puede hasta lograr remplazar totalmente el refuerzo tradicional con barras de acero. Dentro del mundo del hormigón, la industria de prefabricados ha demostrado un particular interés en la aplicación del hormigón reforzado con fibras de acero. El refuerzo con fibras permite industrializar el proceso y mejora notablemente las características y durabilidad del producto. Incluso en los casos en que las fibras no logran sustituir totalmente la armadura tradicional, el espesor del elemento puede disminuir ya que no es necesario el recubrimiento mínimo. El refuerzo con fibras está siendo cada vez más utilizado en elementos estructurales, especialmente en la industria del prefabricado en donde existen exhaustivos controles de calidades requeridos por normativas nacionales. Un mejor control de los procesos productivos permite que los diseñadores confíen en las propiedades mecánicas del material, que en el caso del hormigón fibroreforzado se traduce en una buena distribución de las fibras en la matriz, condición necesaria para alcanzar los resultados deseados. Una de las aplicaciones más recientes y emblemáticas en que las fibras están siendo utilizadas como refuerzo estructural dentro del mundo del prefabricado es en obras subterráneas. En la actualidad, se está utilizando un método de excavación de túneles a través del cual se utilizan elementos prefabricados como revestimiento final en donde las fibras sustituyen, al menos parcialmente, el refuerzo tradicional. Algunos ejemplos de elementos prefabricados en los que el refuerzo con fibras de acero han sido utilizados exitosamente son: a) Pequeños elementos no estructurales en donde la función principal del refuerzo de acero es proporcionar ductilidad y limitar el fenómeno de agrietamiento; b) Tuberías de hormigón; c) Durmientes en los que se apoyan los rieles de ferrocarriles en donde el principal problema son las cargas cíclicas. Debe ser precisado que las fibras tienen la función de complementar la armadura principal; d) Paneles externos de naves industriales. Aparte de las posibles aplicaciones mencionadas anteriormente, existen muchos otros casos en que un refuerzo con fibras de acero puede ser beneficioso, sin mencionar la necesidad, cada día mayor, que tienen muchas estructuras de resistir cargas de implosión debidas a impactos. Si bien es cierto que son muchas las aplicaciones en las que las fibras están siendo utilizadas, aún falta mucho para que en la práctica sea explotado todo el potencial que estas tienen el grado de ofrecer. Esto se debe a la falta de normativas o especificaciones para la utilización de fibras como refuerzo del hormigón en los códigos de construcción. De hecho, las normas existentes para el refuerzo del hormigón difícilmente podrían adaptarse al Hormigón Fibroreforzado ya que para diseñar con este tipo de material es necesario considerar su fase plástica las fibras inician a trabajar después de que

177

7. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Prefabricados.

la matriz del hormigón fisura, mientras que el refuerzo tradicional con barras de acero mantiene un comportamiento lineal. (Fig. 7.1)

Figura 7.1 - Respuesta típica de vigas armadas con fibras de acero (a) y con acero tradicional (b)

7.1.1 - Observaciones nales El interés por incorporar la tecnología de las fibras de acero al mundo del prefabricado cada día es mayor. Las fibras de acero se están convirtiendo en una herramienta útil para sustituir el acero tradicional (total o parcialmente), aumentando así las prestaciones del hormigón como son la ductilidad, la resistencia a cargas cíclicas, la resistencia a esfuerzos puntuales y la resistencia al corte, además de permitir simplificar el proceso de producción reduciendo trabajo y costos. Son muchas las ventajas que se obtienen al incorporar las fibras a la matriz de hormigón principalmente debido al esfuerzo residual que estas están en grado de ofrecer (La ley del comportamiento del material puede ser conseguida a través de un ensayo a flexión). Sin embargo no será posible el difundir la utilización de este nuevo material hasta que no existan normativas de diseño en los códigos de construcción, solo algunas recomendaciones han sido escritas por el RILEM (TC162-TDF) y por organismos independientes en algunos países. Reglas claras y sencillas son requeridas por proyectistas que aceptan asumir responsabilidad al adoptar voluntariamente los resultados de las recomendaciones o investigaciones llevadas a cabo en laboratorios. Este es probablemente el reto primordial donde la atención de la comunidad de investigadores y proyectistas debería poner su atención en los próximos años. Recientemente ha salido publicada la última recomendación del organismo encargado de redactar la norma Italiana UNI U73041440 en “Diseño, Ejecución y Control de Elementos Estructurales Reforzados con Fibras de Acero” en donde se exponen los principales criterios para introducir las fibras en sustitución, total o parcialmente, del acero tradicional en elementos estructurales.

7.2 - Diseño de dovelas para túneles en hormigón broreforzado prefabri cado Una de las posibles y al mismo tiempo quizás de las mas prometedoras aplicaciones estructurales del hormigón reforzado con fibras metálicas, es ciertamente la que se refiere a la construcción de los anillos, prefabricados en dovelas, para el revestimiento de túneles excavados con el empleo de las modernas maquinas excavadoras integralmente automatizadas (Tunneling Boring Machine). 178

7. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Prefabricados. El uso de las fibras metálicas en sustitución parcial o total de la armadura tradicional en este tipo de elementos estructurales, resulta especialmente conveniente en cuanto: - Las condiciones típicas de terreno no cohesivo bajo agua dificultan las previsiones de las solicitaciones actuantes en las secciones transversales y axiales del túnel y en consecuencia muchas de las hipótesis que se asumen en el diseño del revestimiento de túneles construidos con maquinas de excavación integral (TBM) se deben aceptar aunque tengan un impacto negativo importante sobre la ejecución o sobre los aspectos económicos. Bajo este punto de vista, poder contar con las características de tenacidad de un material como el hormigón reforzado con fibras de acero, resulta de importancia fundamental ya que la combinación de los momentos flectores y de las fuerzas normales aplicadas en dirección tangencial resulta especialmente favorable a la utilización del hormigón reforzado con fibras de acero en sustitución (por lo menos parcial) de la armadura tradicional; - El SFRC ofrece una buena ductilidad con relación a la fisuración de splitting y una buena resistencia al impacto; - El SFRC permite en general un mejor control de los posibles desprendimientos locales de porciones del revestimiento. Schnütgen (2003) ha investigado diversas formas de carga para las dovelas del Metro de Essen en Alemania (Figura 7.2) y ha verificado experimentalmente la positiva contribución de las fibras de acero en relación con la fisuración de splitting ya que, después de producirse la fisura, la carga aplicada ha seguido aumentando hasta duplicar la de primera fisuración. El mismo autor ha verificado el comportamiento del anillo de clave y ha propuesto formulas de diseño basadas sobre el trabajo del TC 162-TDF de Rilem (2000, 2002). Otros estudios han sido efectuados por Mashimo (2002) y por Kooiman y Walraven (1999).

a

Ensayo de carga (situación de transporte)

Gatos Hidraúlicos

Goma para el apoyo de los elementos

b Ensayo de acciones planas (situación de instalación)

c Ensayo de fisuración

d

Ensayo de Corte

Goma para apoyo de los elementos

Figura 7.2 - Condiciones de cargas analizadas (Schnütgen, 2003).

179


El estudio de las dovelas prefabricadas en SFRC pueden ser llevado a cabo a través de análisis numéricos con programas de elementos finitos en donde se estudien las principales condiciones de cargas a las que estarán sometidas las dovelas prefabricadas. A lo largo de este capítulo se reporta la metodología que puede ser utilizada para dicho estudio numérico. Es necesario para poder realizar un estudio a través de un programa de elementos finitos obtener de antemano la geometría detallada de la estructura, de las cargas específicas y de los vínculos, así como la resistencia equivalente a tracción por flexión del hormigón fibroreforzado además de su curva de comportamiento. Como forma de ejemplo, y para entender mejor la metodología que deberá seguirse, se describe a continuación los análisis realizados con el programa Abaqus 6.4.1 (2003) para uno de los segmentos que conforman uno de los anillos del metro de Barcelona (España). La Figura 7.3 muestra las características geométricas de un segmento típico que conforma uno de los anillos del revestimiento de túnel y la Figura 7.4 muestra la condición de carga típica en correspondencia con la fase critica de empuje que la TBM ejerce para avanzar, actuando sobre el último anillo instalado.

R 5 8 0 0

R 5 4 5 0

8º Placas de soporte e=2mm

Vista Frontal

5 4 8 1

5 4 8 1

Placas de soporte e=2mm

784 mm

Planta

Figura 7.3 - Sección transversal y vista en planta del elemento.

180


Gatos de empuje

Figura 7.4 - Esquema de carga durante el empuje de la TBM.

La Figura 7.5 muestra una típica situación de falta de hormigón de relleno alrededor del anillo, el cual resulta en consecuencia sujeto a flexión. Esta situación ha sido modelada experimentalmente en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) con pruebas de flexión en laboratorio (Gettu et Al., 2003; Foto 7.1).

Figura 7.5 - Flexión sobre el segmento debido al insuficiente relleno del espacio entre el anillo del revestimiento y el perímetro de la excavación (Gettu et Al., 2004).

Foto 7.1 - Configuración de la prueba a flexión simple (Gettu et Al., 2004).

181


El grafico 7.1 muestra los resultados experimentales (límites superiores e inferiores) relativos a la carga en función del desplazamiento de la dovela fibroreforzada y de la dovela armada con fibras mas armadura tradicional (armadura mixta). Se puede observar el comportamiento ligeramente decreciente del segmento con solamente fibras y el comportamiento creciente de la dovela con armadura mixta. Para garantizar el correcto funcionamiento del programa ABAQUS 6.4.1 (2003) los resultados experimentales han sido luego simulados con análisis de elementos finitos basados sobre la mecánica de la fractura, efectuados con dicho programa, obteniendo una buena aproximación (Grafico 7.1) confirmándose así la validez del modelo numérico asumido.

Gráfico 7.1 - Comparación entre las curvas Carga-Flecha experimentales y numéricas.

Otros análisis numéricos han sido llevados a cabo con el objeto de evaluar las solicitaciones que se producen en correspondencia de situaciones de carga especialmente significativas que interesan fases transitorias, durante la manipulación de los dovelas y durante el montaje de los anillos. Específicamente las fases críticas analizadas con simulación por elementos finitos, han sido las dos siguientes: 1) Empuje sobre la dovela central del arco durante el avance de la TBM; 2) Carga sobre la dovela que sostiene otros 6, durante el apilamiento. En la fase de empuje, los gatos hidráulicos de la TBM aplican presiones sobre áreas especificas de la sección transversal del anillo recién ensamblado, las cuales resultan tan elevadas que pueden llegar a producir la fisuración del hormigón, ya que el anillo mismo constituye el “apoyo” necesario para permitir la extensión de los gatos hidráulicos que avanzan la TBM durante la excavación . En el caso específico del Metro de Barcelona, los gatos hidráulicos de empuje son 4 por cada segmento y 2 para el segmento de la clave, para un total de 30 (7 x 4 +2) gatos que actúan sobre el anillo. El empuje de cada gato varia en función de las características del terreno y de la profundidad del túnel, alcanzando 3MN cuando el eje del túnel de ubica a unos 25m de profundidad.

182


Para el segmento central del arco invertido el modelo numérico se ha elaborado con una malla de elementos 3D de dimensión media igual a aproximadamente 90mm y para los análisis se han considerado las circunstancias siguientes (representadas en la Figura 7.6):

Figura 7.6 - Esquemas de cargas y vínculos de la dovela bajo empuje de los gatos.

- El último anillo montado recibe las solicitaciones de los gatos cuando aún no se ha completado el relleno del espacio anular entre anillo y terreno (grouting), mientras el anillo inmediatamente anterior ya ha sido rellenado pero sin fraguar y finalmente, el anterior anillo ya ha sido rellenado y el relleno ha fraguado con lo cual puede considerarse que constituya un apoyo rígido en la dirección del eje del túnel; - El apoyo del anillo se asume uniforme, ya que al contacto entre anillos existen paneles de polietileno, y se lo considera deformable elásticamente porque es necesario considerar la deformabilidad axial del anillo anterior que además representa un vínculo unilateral que no resiste a tracción; - La rigidez unilateral de los resortes que simulan la deformabilidad del apoyo del anillo, o sea la deformabilidad de los anillos anteriores, ha sido calibrada oportunamente mediante análisis a desplazamientos impuestos; - La interacción del segmento con las dovelas adyacentes del mismo anillo también resulta siempre unilateral, ya que las dovelas están simplemente a contacto y ensamblados con pernos; - La fricción lateral que se puede generar entre tales superficies laterales de dovelas adyacentes se desprecia y se han posicionado resortes que actúan a compresión normalmente a las superficies y también la rigidez de estos resortes ha sido calibrada oportunamente para simular la deformabilidad local de los dovelas adyacentes; - Los cuatros gatos actúan sobre el segmento por intermedio de planchas metálicas las cuales pueden ser consideradas suficientemente rígidas y luego distribuir la carga uniformemente sobre sus respectivas áreas de contacto. La Figura 7.7 muestran los típicos resultados numéricos obtenidos de la simulación del comportamiento de una dovela con 45kg/m 3 de fibras Wirand ® FF1. En el gráfico 7.2 se puede observar la presencia de fisuras de splitting ya en correspondencia de la

183


carga de servicio, el sea el incremento de carga (después de la fisuración) posibilitado por las fibras y se puede observar también la buena ductilidad del segmento fibroreforzado. La Figura 7.7 muestra la distribución de los esfuerzos radiales en las cuatro zonas de carga (las cuatro planchas de los gatos) en correspondencia de las cargas de ejercicio. Finalmente en no gráfico 7.3 se reporta la distribución de las tensiones radiales ( sr) a lo largo de la profundidad de la dovela en la dirección (z) del eje del túnel, siempre en correspondencia de la carga de servicio. Se observa, bajo la zona de carga, un comportamiento de la dovela similar al de una plancha sujeta a cargas concentradas de gran magnitud: en efecto, después de un trecho de aproximadamente 100mm en donde están presentes esfuerzos de compresión, se manifiestan tracciones a lo largo de aproximadamente 300-400mm que luego tienden a desaparecer para después volver sobre el lado opuesto de la dovela. El hecho que las tensiones radiales de tracción se manifiesten también en el fondo de la dovela es simplemente debido a la presencia en tal zona de los resortes longitudinales (que simulan la deformabilidad axial del anillo ya construido, sobre el cual esta apoyado el anillo objeto del análisis) que, estando distribuidos uniformemente sobre toda la sección transversal posterior de la dovela, generan esfuerzos longitudinales de compresión mucho más limitados y tracciones locales radiales moderadas.

Carga máxima Comportamiento de primera rotura

Carga de servicio ) N k ( a gr

Segunda rotura a C

Segunda rotura

Deflexión (mm)

Gráfico 7.2 - Carga aplicada en función del desplazamiento horizontal.

Figura 7.7 - Esfuerzos radiales

184

sr en

correspondencia de la carga de servício.


Gráfico 7.3 - Esfuerzos radiales

sr a

lo largo del eje de la dovela.

Para analizar las solicitaciones que se inducen en las dovelas durante la etapa de apilamiento, debe considerarse que generalmente luego del desencofrado las dovelas se colocan en grupos de tres después del primer día y al séptimo día se completan las pilas con las remanentes dovelas del anillo (en total 7+1 clave), siempre por intermedio de apoyos de madera como se muestra en la Figura 7.8.

Figura 7.8 - Disposición de las dovelas apiladas destacando el segmento crítico evidenciado.

La dovela en la base de la pila se posiciona sobre un apoyo de madera constituido por dos amplias superficies de aproximadamente 300mm cada una, formadas por listones en madera que siguen la curvatura de la dovela colocada con un inter-eje de aproximadamente 2,80m conectadas inferiormente por listones que las mantienen distanciadas. Las dovelas que siguen se posicionan sobre viguetas de madera con sección aproximada de 100mm x 100mm y profundidad igual a la de las dovelas que deberían ser posicionadas con inter-eje de 2,80m de manera tal de quedar alineadas con los apoyos inferiores para así eliminar o cuanto menos minimizar los efectos flexionantes sobre las dovelas. En la práctica tal regla no es respectada y se verifican excentricidades que pueden ser causa de elevados esfuerzos de flexión en las dovelas. Para analizar de manera adecuada esta fase de carga, se han considerado disposiciones especialmente desfavorables de las viguetas de apoyo de las dovelas y una de estas es la representada en la Figura 7.8 referida al segundo segmento (Gettu et Al., 2004) que se apoya sobre viguetas puestas con un inter-eje de 2,80.m+2.e e (indicando con ee la excentricidad externa), mientras el segmento superior

185


esta dispuesto con viguetas a una distancia de 2,80.m–2.e i (indicando con ei la excentricidad interna). En esta situación el peso de las dovelas por encima del crítico, actúa concentrado a una distancia de los apoyos igual a e e+ei. Una vez completada la pila, el segundo segmento resultará cargado por el peso total de 5 dovelas + 1 llave. 438kN corresponden al peso de 6 dovelas enteros. Los análisis numéricos han sido desarrollados adoptando para la excentricidad los valores (Gettu et Al., 2004), reportados en la misma Figura 7.9.

1)

2)

Figura 7.9 - Configuraciones geométricas de los apoyos y de las cargas.

Para la modelación con el programa de elementos finitos Abaqus 6.4.1, se han adoptado los mismos elementos 3D de la fase de empuje, pero con una dimensión media cerca de 90mm. Las zonas de carga corresponden a las de las superficies de apoyo de las viguetas (cerca 100 x 1800mm) y sobre tales superficies se ha aplicado una presión uniforme en dirección vertical con el fin de simular el peso de las dovelas superiores (Figura 7.10). Los apoyos laterales están esquematizados con apoyos rígidos actuantes en dirección vertical, dispuestos a lo largo de toda la profundidad del segmento.

Figura 7.10 - Malla con vínculos y cargas para el análisis del peso máximo de apilamiento.

El fin de los análisis efectuados ha sido evaluar cuantas dovelas pueden ser acumuladas (apiladas) sin inducir fenómenos de fisuración o colapso de los dovelas mas solicitados, ya que el control de la fisuración es un aspecto de primaria importancia para las dovelas del revestimiento de túneles en los que se debe garantizar una perfecta estanqueidad resultando por lo tanto indispensable evitar la producción de fisuras también en las fases transitorias como por ejemplo la de apilamiento. Las elaboraciones numéricas han sido llevadas a cabo bajo la hipótesis de presencia de excentricidad y haciendo crecer progresivamente la carga actuante sobre la dovela hasta la formación de la primera

186


fisura. La fisuración es detectada por la presencia de deformaciones plásticas, ya que el código Abaqus se basa sobre un modelo a fisuración difundida. En la condición de carga simulada, después de la formación de la fisura se produce también el colapso del segmento ya que la estructura es iso-estática y el material es representado como homogéneo a lo largo de la profundidad del segmento (la fisura se forma instantáneamente a lo largo de toda la profundidad del segmento), lo cual impide la redistribución de las acciones internas. Los análisis han sido efectuados con referencia a las características mecánicas del hormigón después de dos distintos periodos de fraguado, iguales a 4 días y 28 días respectivamente. La primera condición tiene el objeto de verificar el comportamiento en condiciones muy similares a las reales y, ya que las características del hormigón fresco de 4 días no pueden ser determinadas directamente, estas se estiman a partir de las correspondientes al hormigón con 28 días de fraguado utilizando para ello las expresiones correlativas previstas en las normas (UNI EN, 2003). La segunda condición tiene el fin de obtener resultados numéricos utilizando las características del material determinadas experimentalmente.

Segmentos para túneles: Análisis no-lineales, prueba de apilamiento, ei =ee = 250mm 803 730

th 10 segmento

SRFC (28 días): Numérico

657

th 9 segmento

SRFC (4 días): Numérico

584 )

511 a

438 365

k

N ( g r a C

th 8 segmento

D=

283kN

7th segmento

(0,65 S. Carga

Carga de servicio

th 6 segmento th 5 segmento

292

th 4 segmento

219

rd 3 segmento

146 73

2

nd

segmento

st 1 segmento

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Deflexión (mm) Gráfico 7.4 - Carga aplicada-Flecha en la segunda dovela con excentricidad de 250mm.

En el Gráfico 7.4 se muestran los diagramas en términos de carga aplicada y de flecha evaluada en la mitad de la segunda dovela con e e = ei = 250mm. Se puede observar que ya con 4 días de fraguado la segunda dovela está en capacidad de sostener la carga de ejercicio de 6 dovelas superiores. Después de 28 días de fraguado, el segmento muestra naturalmente una rigidez y una carga última superior y esta en capacidad de soportar el peso de casi 10 dovelas apiladas por encima. En conclusión, el segmento realizado con fibras Wirand ® FF1 con dosificación de 45kg/m 3 permite, en presencia de excentricidades no excesivas y en todo caso contenidas dentro del limite de 250mm, apilar las 6 dovelas necesarias para la conformación de un anillo completo.

187

7. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Prefabricados. CONCLUSIONES Del análisis numérico realizado para las dovelas del metro de Barcelona (España) puede concluirse que sustituir, al menos parcialmente, el refuerzo tradicional con barras de acero por fibras de acero es factible para este tipo de estructuras. Dadas las altas tensiones que pueden ser alcanzadas en la fase de empuje de los gatos alrededor del perímetro de la dovela (los primeros 400mm), y la garantía que en la parte media de la dovela el refuerzo con fibras está en capacidad de asumir los esfuerzos que se alcancen, se concluye que puede ser armada la dovela con barras tradicionales únicamente en el perímetro.

Figura 7.11 - Refuerzo Convencional + Fibras (a). Refuerzo Convencional (b).

7.3 - Ejemplos de aplicaciones. Paneles de cierre, vigas pre-tensadas, elementos prefabricados no estructurales 7.3.1 - Paneles de cierre El presente párrafo es extraído del artículo publicado en el AICAP 2004. Ensayos sobre paneles en hormigón prefabricado armados tanto con barras de acero tradicional como con fibras de acero fueron llevados a cabo, los resultados obtenidos se presentan a continuación. Con esta investigación se buscó optimizar la geometría del panel tomando en consideración las solicitaciones estáticas, el proceso de producción y la reducción del peso. Los objetivos principales de la investigación fue sustituir la malla tradicional de acero electrosoldada, que usualmente se coloca en la cara externa del panel, por fibras de acero. Lo primero a realizar fue conseguir un modelo de carga y captación de resultados que representará el empuje que el viento produciría sobre el panel. En la realidad los paneles colocados verticalmente se encuentran sometidos a cargas transversales efecto del viento y una limitada carga axial, provocada por su propio peso. Cuando los paneles se encuentran colocados horizontalmente es necesario combinar los esfuerzos flectores producidos tanto por su peso propio como por las acciones del viento. Debido a que la condición de carga más crítica es cuando el panel es colocado horizontalmente, los ensayos fueron realizados bajo esta hipótesis. (Fig. 7.12).

188


Foto 7.2 - Paneles colocados horizontalmente.

Figura 7.12 - Sección transversal del panel tradicional.

Las pruebas fueron realizadas a escala real con paneles de dimensiones 11,20m de longitud y una altura de 2,5m. Los resultados obtenidos muestran que en el panel armado con fibras de acero se obtiene una carga última similar al panel armado con malla electrosoldada. Además de lograr controlar de una manera mas eficaz las fisuras producidas.

Foto 7.3 - Prueba sobre paneles.

7.3.2 - Losas de sección doble T El presente paragrafo es extraído del trabajo “Precast SFRC Elements: From material properties to structural applications”, Di Prisco M., Felicetti R. e Plizzari G.A “BEFIB 2004”, “ Proceedings of the 6 th RILEM Sysmposium on Fibre Reinforced Concretes (FRC) Las fibras de acero también pueden ser utilizadas en losas prefabricadas como los elementos pretenzados de sección doble T. Las losas usualmente no tienen problemas por corte y pueden ser reforzadas únicamente con acero longitudinal como son las losas de sección hueca. Sin embargo, los elementos de sección doble T son usualmente armados en las alas con malla de acero que provee un mejor comportamiento por cargas concentradas, resistencia al corte y a la torsión, especialmente al estado límite último en donde se considera que las torsiones producidas por pares de fuerza representan las solicitaciones más críticas. Investigaciones llevadas a cabo demuestra que si el acero transversal ( Φ 5/25) es sustituido por fibras de acero amoldadas en los extremos (50kg/m 3), mientras que el resto del acero tradicional no es modificado (Fig. 7.13), no se producen cambios en el comportamiento longitudinal a flexión de los elementos (Fig.7.14).

189


(b)

(a)

(c)

Figura 7.13 - Soporte de sección doble T pretensado simplemente apoyado sometido a carga distribuida. Curva Carga-Desplazamiento en elemento armado con acero tradicional (a), distribución de las fisuras en el elemento reforzado con acero tradicional (b) y con fibras de acero (c).

Figura 7.14 - Elemento de sección doble T. Sección transversal (a), refuerzo tradicional (b) y refuerzo con fibras (c) sobre los apoyos.

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(c) (a)

(d)

(b)

(e)

Figura 7.15 - Ensayo a corte. Modelo de carga (a); Comportamiento Carga-Desplazamiento (b); modelo de falla con hormigón sin refuerzo (c); con acero tradicional (d) y con fibras de acero (e).

Además de estudiar cuales serian las cargas distribuidas a las que la estructura estará sometida, se estudio la forma de simular estas en el laboratorio. También se realizaron ensayos sobre el elemento sin ningún tipo de armadura (no fue introducido en la matriz ni fibras ni malla electrosoldada). La comparación muestra la interacción de varios tipos de cargas además de las que generalmente se consideran (cargas puntuales, esfuerzos de flexión horizontal, cargas distribuidas), de esta manera se garantizó el comportamiento dúctil al corte de la estructura cuando fallaron los ángulos de la estructura debido a los parámetros dinámicos seleccionados, sin embargo al expresar los resultados en referencia a los desplazamientos verticales se obtuvieron resultados frágiles a excepción el elemento de hormigón sin armadura el cual fallo antes por flexión.

7.3.3 - Estructuras para azotea. El presente paragrafo es extraído del trabajo “Precast SFRC Elements: From material properties to structural applications”, Di Prisco M., Felicetti R. e Plizzari G.A “BEFIB 2004”, “ Proceedings of the 6 th RILEM Sysmposium on Fibre Reinforced Concretes (FRC) Este tipo de estructura se caracteriza por su gran esbeltez (relación profundidad/longitud hasta 35), una delgada sección en la zona de compresión para permitir el drenaje del agua y solicitaciones distribuidas lateralmente lo que produce momentos flectores transversales significativos. Una vez estudiadas las cargas críticas a las que la estructura tendría que ser sometida durante su vida

191

7. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Prefabricados. útil, se realizaron los ensayos correspondientes en los laboratorios de la Universidad de Brescia. El ensayo fue realizado con cuatro puntos de cargas, las cuales son descritas en la Fig. 7.18a. Un sensor electromecánico fue ubicado en el medio de la estructura afianzado con abrazaderas a dos barras metálicas soldadas a un perfil UPN300. Fueron realizados ensayos sobre tres modelos distintos con la misma geometría: los primeros dos modelos fueron armados con fibras metálicas, uno con fibras de bajo contenido de carbono de 30mm de longitud y 0,7mm de diámetro y el otro con fibras de alto contenido de carbono de 30mm de longitud y 0,4mm de diámetro, mientras que el tercero fue armado de manera tradicional con malla electrosoldada (1 Φ5/25/20). Los elementos reforzados con fibras de acero mostraron una mayor ductilidad y mayor carga última de servicio en comparación con el modelo armado con acero tradicional (Fig. 7.18a). La falla en todos los caso fue debido a momentos flectores longitudinales con fisuras en las alas de la estructura (Figs. 7.18.b,c,d). Se puede concluir después de los ensayos realizados, que las fibras de acero representan un refuerzo distribuido homogéneamente en la matriz que está en grado de competir con la tradicional malla de acero. Además de permitir reforzar de forma eficaz estructuras de secciones complejas que tengan solicitaciones tanto en dos como en tres direcciones. Las estructuras de azoteas prefabricadas en hormigón reforzado con fibras metálica dan resultados comparables a aquellas estructuras reforzadas con malla electrosoldada y un aumento de la ductilidad como se demuestra en los resultados obtenidos.

(b) (a) Figura 7.16 - Sección transversal (a), desplazamiento del elemento estructural (b).

(a)

(b)

(d)

(c)

Figura 7.17 - Comportamiento a flexión del elemento estructural (a); Curva carga-desplazamiento del elemento bajo cargas distribuidas (b); Losa horizontal (c); inclinación del ala (d).

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(a)

(c)

(b)

(d)

Figura 7.18 - Prueba en escala real: sistema de cargas (a); simulación de cargas (b); equipo de medición (c); comportamiento de las fisuras en el elemento (d).

(a)

(b)

Figura 7.19 - Ensayo de la estructura armada con fibras de acero. Sección simétrica (a) y no simétrica (b).

193


(a) (a)

(b)

(c)

(d)

Figura 7.20 - C omportameinto global a escala real del elemento estructural: Carga ultima Vs D esplazameiento (a); fisuras del elemento estructural armado con acero tradicional y con fibras de acero (b,c,d).

7.3.4 - Vigas prefabricadas La posibilidad de sustituir el refuerzo mínimo transversal (estribos) con fibras de acero en vigas prefabricadas puede suponer importantes avances en las prestaciones de la estructura. El comportamiento al corte de elementos prefabricados con el refuerzo mínimo transversal ha sido estudiado a través de ensayos sobre vigas a escala real. Los ensayos simulan el comportamiento de las vigas cerca de los apoyos, donde los estribos usualmente son diseñados en concordancia con las normativas de construcción en aquellos lugares donde solo se requiere acero mínimo. Los ensayos fueron realizados a vigas sin ningún tipo de refuerzo tradicional (viga 1), con refuerzo transversal tradicional (viga 2) y vigas reforzadas con fibras de acero (vigas 3 y 4). Los resultados experimentales demuestran que el comportamiento a corte de vigas armadas con fibras de acero (V f = 0,64%) es similar, o incluso mejor, que aquellas armadas con acero transversal tradicional mínimo requerido por el Eurocódigo 2. La Fig. 7.21.b muestra la curva cortedesplazamiento de los ensayos realizados sobre las vigas con refuerzo mínimo. En todos los casos la fisura empezaba a aparecer (final de la fase elástica) al alcanzar una solicitación al corte de 450kN. El comportamiento de las vigas armadas o bien con acero tradicional o aquellas con fibras de acero presentaron resultados similares. Se pudo notar que en las vigas armadas con fibras metálicas el espesor de las fisuras eran menores que en la viga armada con acero tradicional.

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(a)

(b)

Figura 7.21 - Ensayo al corte. Ensayo en laboratorio (a); curva carga-desplazamiento en vigas armadas con acero transversal mínimo (b).

7.3.5 - Diversos elementos prefabricados Son innumerables los casos de elementos prefabricados en donde las fibras pueden sustituir eficazmente el acero tradicional mejorando incluso la calidad de la pieza y permitiendo industrializar el proceso de producción. Todos aquellos casos en que las solicitaciones mecánicas a las que estará expuestos los elementos sean reducidas, y que el acero de refuerzo que se coloque tendrá funciones secundarias como son controlar las fisuras, aumentar la resistencia a abrasión o al impacto y/o mejorar la resistencia a variaciones térmicas entre otros, son piezas en las que muy probablemente podrá ser sustituido el acero tradicional por fibras metálicas. Algunos ejemplos en los que ha sido sustituido el acero tradicional por fibras metálicas pueden observarse en las imágenes expuestas a continuación.

(a)

(b)

(c)

(d)

195


(e)

(f)

Figura 7.22 - Ejemplo de diversas estructuras prefabricadas armadas con fibras.

7.4 - Aplicaciones especiales de SFRC 7.4.1 - Sistemas de cimentaciones. Generalidades Diferentemente de las pavimentaciones industriales, que son losas apoyadas sobre suelo elástico, las lojas de cimentación son estructuras portantes y su diseño y construcción tiene que estar de acuerdo con los códigos y/o con las normas técnicas nacionales. El hormigón fibroreforzado no está reglamentado en muchos países y, como consecuencia, son necesarias aprobaciones especiales por su colocación en la obra para tales aplicaciones. En Alemania, la aplicación de fibras metálicas en las construcciones, donde la estabilidad estructural tenga que ser ensayada, se requiere una aprobación oficial por el Instituto de la Técnica de Construcción Civil (DIBt) Berlin. No se requiere tal aprobación por lo que se refiere a pavimentaciones y construcciones donde las fibras metálicas vienen usadas sólo para análisis del estado límite de servicio (ELS). Estas aplicaciones son de menor relevancia puesto que no hay riesgo para la vida en el caso de daños o falla. Losas de cimentación En los últimos 5 años ha sido desarrollada una nueva aplicación en la construcción de edificios. Las cimentaciones por losas para edificios de habitaciones pueden ser realizadas en hormigón con fibras. El peso de las paredes puede ser fácilmente sustituidas por losas fibroreforzadas si las condiciones del terreno son lo suficiente buenas. Los principios de diseño son los mismos de las pavimentaciones industriales.

Foto 7.4 - Losas en hormigón reforzado para construcciones de viviendas, Alemania.

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En la mayoría de los países de la Europa Central, debido al hecho que estas losas soportan cargas transmitidas por las paredes, es necesaria una aprobación especial para el sistema. En estos casos las losas ya no son elementos secundarios de construcción, como pavimentaciones industriales, y tienen que ser planificados, diseñados y construidos según las nornas técnicas de referencia. Sin embargo, es posible presentar demanda por la aprobación general de tales sistemas. En Alemania, por ejemplo, la aprobación general puede ser requerida cerca del Instituto Alemán de Técnica de Construcción (DIBt) en Berlín.

Foto 7.5 - Losas de fundación sin juntas (diámetro: 39m) para apoyo de silos con reforzo combinado (malla + fibras de acero + fibras de PP). Alemania 2005.

Fundaciones para estructura de postes de electricidad Ha sido hecho un nuevo desarrollo para las fundaciones de bases de postes eléctricos de vias o líneas ferroviarias. La principal función de estas estruturas es la de garantizar la estabilidad por medio del proprio peso (peso muerto). Las fibras metálicas trabajan como armadura mínima para el control de la fisuración. Como consecuencia, debe ser efectuada un análisis estructural al ELS. Esta verificación ha sido realizada trámite un sistema strut-and-tie. Sólo un refuerzo convencional queda en la parte superior. Tales elementos son por lo general vertidos en sitio debido sus dimensiones.

Figura 7.23 - Sección a cruz de cimientos SFRC para palos de eléctricidad aérea (izquierda) y modelo travesaño de soporte para análisis de la estabilidad interior (derecha).

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Las grandes ventajas de las fibras metálicas, comparadas como refuerzo convencional, está en un menor de tiempo de constucción y una mayor facilidad de instalación, inserción de cables, etc.

7.4.2 - Nuevas potenciales potenciales aplicaciones aplicaciones Pilotes de hormigón Las fibras metálicas pueden mejorar los procedimientos de construcción de pilotes en hormigón, especialmente en pilotes excavados y vaciados en sitio. Aquí las fibras metálicas podrían remplazar el refuerzo mínimo donde las armaduras prefabricadas tienen que ser insertadas en el hormigón fresco, lo cual es un procedimiento complejo y necesita tiempo. Un hormigón mixto fresco con refuerzo de fibra metálica facilitaría sustancialmente el proceso productivo, mientras el tiempo de construcción sería también reducido de forma sustancial. Hoy en día no hay aún una norma que permitan el reemplazo de un refuerzo convencional en tales aplicaciones, ya que eso ataña el soporte de superestructuras.

Foto 7.6 - Obras con pilotes de hormigón excavados y vaciados en sitio.

Foto 7.7 - Equipo de perforación.

7.4.2.1 - Estructuras sometidas a efectos sísmicos Algunos de los más fuertes terremotos en los últimos años han mostrado que hay la necesidad de nuevos materiales y técnicas de construcción. La caída de muchos edificios, junto a la muerte de muchas personas, demuestra que los sistemas de construcciones que se aplícan no tienen capacidad para sostener el impacto de la elevada fuerza dinámica que ocurre durante fuertes terremotos, debido a insuficiente capacidad de absorción. Desde los años 70, han sido llevadas adelante investigaciones sobre la influencia favorable de las fibras metálicas respecto respecto al comportamiento para para sostener el peso y sobre el comportamiento comportamiento de las estructuras de hormigón armado sometido a carga dinámica. La principal atención en aquel tiempo eran la seguridad y resistencia de instalaciones potencialidad nuclear y estructuras militares de proteción: Las fibras metálicas mejoran de forma significatìva el comportamiento de deformación y la ductilidad.

198

7. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Prefabricados. El comportamiento de fricción del hormigón puede ser mejorado de forma significante con el desarollo de nuevos materiales de construcción. La atenuación de la frecuencia del hormigón reforzado puede ser aumentada hasta 10 veces con la agregación de fibras metálicas. La capacidad de disipación bajo impacto y carga cíclico pueden claramente ser aumentados. La resistencia al impacto puede ser aumentada hasta el 2000% con fibras metálicas. Estos efectos benéficos de las fibras metálicas sobre el deterioro pueden mejorar de forma significativa la estabilidad de las estructuras sujetas a cargas dinámicas durante terremotos. El ejemplo de una investigación para medir la ductilidad en la unión columna – viga, demuestra que el método de diseño ACI juntamente con el hormigón fibroreforzado, pueden aumentar el rendimiento de la unión (columna-viga), lo cual abre la oportunidad de revaluar la ductilidad global de la estructura.

Junta # 6 Convencional

Junta # 1 SFRC 6-in (15.2cm) Convencional

Junta # 4 SFRC 8-in (20.3cm) Convencional

Foto 7.8 - Aplicación del hormigón reforzado con fibra metálica en uniones viga-columna. Tesis presentada a la Facultad de la Universidad estatal de San Diego, por Michael Gebman Año 2002.

7.4.3 - Topping para entrepisos o forjados metálicos y prefabricados

La aplicación del hormigón fibroreforzado puede ser muy bien justificada técnicamente para el caso del topping, ya sea en entrepisos metálicos para recubrir el encofrado colaborante, ó para los topping de sistemas de entrepisos prefabricados. En ambos caso es de común aplicación la malla electrosoldada. A continuación es mostrado el argumento técnico que ejemplifica que la solución fibroreforzada al mínimo logra igualar y mejorar las condiciones mecánicas de la alternativa, que está prevista ser

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7. Aplicaciones en hormigón fibroreforzado: Prefabricados. reforzada para controlar solo efectos de retracción por temperatura. Como condiciones iniciales presentadas en el diseño original tenemos: Piso espesor 8cm promedio promedio útil (5cm de recubrimiento recubrimiento sobre sobre la cresta del Steel Deck), en concreto fć= 21MPa, acero de refuerzo con barras de 5,00mm de diámetro, diámetro, f y= 414MPa, espaliadas cada 15cm en ambas direcciones, ubicada a 4,0cm de la superficie superior del piso, según recomendaciones de los fabricantes (fuente (fuente www.alcor.com.ar), o similares.

5mm @15cm Ambos sentidos

Figura 7.24 - Sección tradicional en armadura para Steel D eck.

Figura 7.25 - Perspectiva del Steel Deck.

cm

Tabela 7.1 - Recomendaciones de armada por retracción de Steel Deck (Fuente www.alcor.com.ar).

200

Hormigón H21


Análisis para alternativa en hormigón fibroreforzado: fibroreforzado:

Figura 7.26 - Sección de Steel Deck Fibroreforzado.

Inicialmente obtenemos la característica máxima resistente de la sección tradicional simplemente armada a través de la siguiente expresión (válida para las secciones armadas):

Donde : Mres = Momento resistente; fy = Esfuerzo resistente del acero; d = Altura útil. Utilizando la equivalencia convencional de resistencia a flexión de la sección considerada tradicionalmente tradicionalmen te por las normativas que incluyen aplicación del hormigón fibroreforzado, obtenemos la sustitución total de la armadura prevista por 25kg/m 3 de fibras metálicas Wirand ® FF1, donde se considera como resistencia a flexión del elemento fibroreforzado de una sección rectangular:

Donde: Mr = Momento resistente; Req = Resistencia equivalente del hormigón fibroreforzado, considerando que la sección es homogéneamente homogéneamen te distribuida y reforzada; Sx = b.h2 = Módulo de sección de la sección rectangular prevista. 6 A continuación se muestra el comparativo:

201


Tabela 7.2 - Comparativo mecánico entre sección rectangular con armadura tradicional VS. sección rectangular reforzada con fibras.

Para la determinación de la resistencia equivalente del hormigón fibroreforzado son considerados los resultados provenientes de la Norma UNI11039, teniendo como resultados de caracterización del hormigón para la resistencia 21MPa y dosificaciones 25kg/m 3 los parámetros mostrados en la tabla anexa. Utilizando como valores sugerido para un hormigón H21, un momento de primera fisuración de 3,00MPa, y manteniendo un mínimo de ductilidad de 61,5% para esta dosificación de fibras, siendo estos datos respaldados por las caracterizaciones de hormigones según RILEM.

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Gráfico 7.5 - Resistencia equivalente VS. dosificación de fibras para un hormigón fć = 21MPa.

La metodología anteriormente mostrada, siendo convencional de equivalencia de sección, seria argumento suficiente para demostrar la equivalencia de materiales, ya logrando la convalidación del diseño.

203

8 - Dosicadores para bra Wirand ® 8.1 - Equipos de incorporación de las bras al hormigón Las fibras pueden ser entregadas en diversos formatos de embalaje, los cuales quedan a la elección del usuario, dependiendo del sistema de incorporación que se pueda aplicar en la obra. La MACCAFERRI ofrece dos formatos que cubren, de manera flexible, las diversas formas de incorporar el material en el hormigón. Estos formatos son: Formato CAJA de Cartón. La caja contiene 20kg de material. Esta diseñada, en dimensión y peso, para poder ser manipulada por los obreros, tanto en el almacén como en obra. Este formato puede ser usado para la incorporación manual de las fibras o por los equipos dosificadores del tipo DOSO BOX.

Foto 8.1 - Vista frontal de la caja.

Foto 8.2 - Vista posterior de la caja.

Foto 8.3 - Embalaje de palet de cajas con 1200Kg de material.

Foto 8.4 - Contendido de una caja de fibras sueltas.

Formato BIG BAGS o Sacos. Los Big Bags son sacos que pueden tener un peso entre 500 y 1000kg, dependiendo del producto despachado. Este formato es de uso exclusivo para los dosificadores circulares del tipo SF-500, DOSO 1.6 ó DOSO 2.0, que poseen una capacidad máxima de almacenamiento de 1600Kg. Este tipo de equipos es utilizada en plantas de hormigón fijas, donde el tiempo por ciclo de preparación del hormigón es muy estricto y rigoroso de una mayor precisión.

205

8. Dosificadores para fibra Wirand®.

Foto 8.5 - Ejemplo de Big Bag.

Foto 8.6 - Big Bags paletizados en una planta de hormigón.

Foto 8.7 - Ejemplo de movilización de Big Bags.

Foto 8.8 - Formato de embalaje doble para Big Bags.

Equipos para la dosificación de las fibras. En función de los diferentes formatos de despacho del material, la MACCAFERRI ofrece, como servic io, equipos para la dosificación en condición de ajustarse a los niveles de producción del hormigón. El rendimiento de los equipos varía en función de la fibra utilizada. DOSO BOX. Equipo liviano, portátil, diseñado para obras donde sean utilizadas fibras en cajas. Este equipo funciona con un sistema de aire a presión que transporta las fibras, mediante un conducto, hasta la boca del camión hormigonero, de manera rápida y segura. Su rendimiento puede alcanzar entre 40 - a 80kg/min.

Foto 8.9 - Doso Box en obra.

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Foto 8.10 - Doso Box siendo ensamblado.


Foto 8.11 - Doso Box siendo ensamblado.

Foto 8.12 - Doso Box dosificando fibras al camión hormigonero.

DOSO SF500; DOSO 1.6; DOSO 2.0. Son equipos fijos para plantas de hormigón, que poseen una capacidad de 1600Kg. Son de uso exclusivo para BIG BAGS. Ofrecen un rendimiento de hasta 200 Kg/min y pueden dosificar las fibras de diversas maneras: - Directamente al camión hormigonero: En este caso es necesario la construcción de una estructura para ubicar el dosificador a la altura adecuada para la descarga. Esta estructura debe ser protegida con un pequeño techo, debajo del cual pueda ser colocado un stock de big bags para la alimentación del equipo. La estructura puede ser equipada con una grúa, eléctrica o manual, para levantar los Big Bags y cargar el dosificador. En este caso, el equipo puede estar desvinculado de la planta de hormigón, ya que la dosificación se realizará en el camión hormigonero después de los otros ingredientes de la mezcla. - Descarga en bandeja de áridos: En este caso el equipo está dentro de la planta de hormigón, ubicado de manera que permita descargar las fibras sobre tolva de áridos de la planta. También es necesario proteger el equipo de las intemperie y agregar los equipos de levantamiento para los big bags. - Descarga en la tolva para la alimentación de la mezcladora (prefabricados). En este caso el equipo es ubicado en la zona de descarga de la tolva de los áridos, que se encuentra al final de la planta, logrando así descargar las fibras junto a los áridos. En este caso, por tratarse de dosificaciones pequeñas, para volúmenes entre 1 y 2m3, son utilizados otros equipos en complemento para garantizar la precisión y la homogeneidad de la descarga. Valen, para la protección y el levantamiento de los big bags, las consideraciones anteriormente expresadas.

Figura 8.1 - Ejemplo gráfico de dosificador ubicado para descargar en camiones hormigoneros.

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Figura 8.2 - Ejemplo esquemático de dosificador ubicado para descargar sobre cinta de áridos.

Figura 8.3 - Ejemplo esquemático de dosificador ubicado para descargar sobre tolva de mezcla para prefabricados.

Foto 8.13 - Dosificador tipo DOSO. 2.0.

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Foto 8.14 - D osificador tipo DOSO. 1.6.


Foto 8.15 - Dosificador tipo DOSO SF-500.

Foto 8.16 - Dosificador tipo DOSO SF-500 con grúa para cargar Big Bags.

8.2 - Sistemas de dosicación de las bras para hormigón proyectado La dosificación de las fibras para la preparación de hormigón proyectado puede ser realizada de diversas maneras, desde la dosificación manual hasta la dosificación industrializada. Las fibras comúnmente utilizadas en este tipo de mezcla son de formato suelto con relaciones de esbeltez >40 y con longitud alrededor de 30 a 37mm. A continuación detallamos de las distintas alternativas: Alternativa manual: Cuando las cajas son vaciadas directamente sobre la mezcla preparada, ya sea en camiones hormigoneros, o contenedores para el transporte sobre la bandeja de los áridos en el caso de plantas mezcladoras.

Foto 8.17 - Producción de hormigón en camión mezclador.

Foto 8.19 - Colocación de las fibras en el camión hormigonero.

Foto 8.18 - Medición de asentamiento antes de colocar las fibras.

Foto 8.20 - Colocación manual de las fibras en la cinta de áridos manualmente.

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Foto 8.21 - Verificación de homog eneidad de la mezcla luego de hacer girar el camión hormigonero durantes unos minutos.

Foto 8.22 - Medición del asentamiento luego de colocadas las fibras.

Foto 8.23 - Camión hormigonero descargando la mezcla en la boca de la bomba de hormigón.

Foto 8.24 - Aplicación de hormigón proyectado.

Alternativa Industrial: En este caso, dependiendo de la inversión aplicada en obra, serán utilizados todos los equipos disponibles de MACCAFERRI y la elección del equipo será de acuerdo a la conveniencia operativa del cliente. En este caso podrá utilizarse tanto el DOS BOX como los equipos DOSO 1.6 / DOSO 2.0 y SF-500.

Foto 8.25 - Camión hormigonero aproximándose al dosificador, luego de verificar el asentamiento de la mezcla lista sin fibras.

Foto 8.27 - Descarga de fibras sobre camión hormigonero.

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Foto 8.26 - Camión hormigonero aproximándose al dosificador, luego de verificar el asentamiento de la mezcla lista sin fibras.

Foto 8.28 - Medición del asentamiento de la mezcla lista con fibras. La mezcla es realizada con un par de minutos de girado a alta velocidad del camión hormigonero luego de incluidas las fibras en el mismo.


Foto 8.29 - En algunos casos es necesario medir la temperatura si se esta trabajando en lugares de condiciones climáticas adversas.

Foto 8.30 - Descarga de m ezcla sobre la tolva del equipo robot para hormigón lanzado.

Foto 8.31 - Camión hormigonero sirviendo el equipo de hormigón proyectado.

Foto 8.32 - Equipo automático de hormigón proyectado finalizando el trabajo.

8.3 - Sistemas de dosicación de bras para la producción de dovelas.

La dosificación de fibras en la preparación del hormigón para la prefabricación de las dovelas es un caso muy particular, en el cual es necesaria la dosificación mecanizada para un riguroso control de la cantidad de fibras incorporadas a la mezcla. Los hormigones para la prefabricación de las dovelas poseen una trabajabilidad muy baja y la cantidad de mezcla, varía entre 1y 2m 3. Las dosificaciones de fibras para una pieza pueden variar entre un mínimo de 25kg/m 3 hasta un máximo de 60 Kg/m3. Las fibras adoptadas en este tipo de mezcla tienen una relación de aspecto >50 y longitud 50mm, por ser mezclas con áridos de diámetro característico máximo de aproximadamente 1” (25mm). El proceso de mezcla es muy rápido, porque es necesario alcanzar la productividad óptima en la fabricación de tales elementos. La MACCAFERRI ha diseñado un sistema especial para plantas de prefabricación de dovelas, el cual está conectado con la computadora de la planta de hormigón, logrando así un control centralizado de la dosificación de las fibras.

211


La planta de hormigón regula la dosificación de los distintos componentes de la mezcla (cemento, fibras, agregados, etc.). Todo es vertido en la pre mezcladora en la cual es agregada al agua; la mezcla es así colocada en el molde. El proceso de curado acelerado permite lograr en 12 horas una pieza lista para ser movilizada y almacenada. El equipo está formado por: - Un dosificador tipo SF 500 / DOSO 1,6 / DOSO 2.0; - Segunda máquina de pesar; - Un sistema de control. En el proceso de producción, las fibras son descargadas simultáneamente con los agregados en la tolva de recepción. La cantidad de fibras descargadas viene pre cargada y pesada sobre la segunda máquina de pesar que, a su vez, es alimentada por el dosificador circular. A continuación se describe el equipo usado y el ciclo de producción:

212

Figura 8.4 - Esquema General del Sistema.

Foto 8.33 - Esquema General del Sistema, en foto real de obra.

Foto 8.34 - C onjunto Dosificador, Vibrador, descargando la fibra en la tolva.

Foto 8.35 - Esquema General del Sistema, visualización de tolva de material siendo cargada.


Foto 8.36 - Tolva cargada.

Foto 8.37 - Ejemplo de mezcla.

Foto 8.38 - Asentamiento típico de mezcla para dovelas, con una muy baja relación agua/cemento.

Foto 8.39 - Pantalla del software de producción de hormigón donde son controlados todos los componentes de la mezcla.

Foto 8.40 - Mezcla lista siendo lanzada en el molde de dovela.

Foto 8.41 - Dovela luego de ser llenada en cámara de vaciado de hormigón. Acabado de la superficie superior.

Foto 8.42 - Dovela entrando en el horno para el de curado.

Foto 8.43 - Dovela saliendo del proceso de curado u hornos.

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Foto 8.44 - Dovela luego de curado, lista para ser desencofrada.

Foto 8.45 - Dovela desencofrada, siendo girada para la posición de almacenamiento.

Foto 8.46 - Dovelas transportadas al patio de almacenamiento.

Foto 8.47 - Dovelas en el patio de almacenamiento.

8.4 - Sistemas de dosicación de bras para hormigón para pavimentos. En la dosificación de fibras para hormigones para pavimentaciones, se puede proceder de forma manual o de forma industrializada. En particular, en este tipo de obras para el caso de producción industrial, el sistema de dosificación más aplicado es el uso del DOSO BOX. Las consideraciones técnicas son idénticas a los casos anteriores. En este caso las mezclas son más fluidas que en el caso de la prefabricación. Las fibras, dependiendo del tipo de mezcla, podrán ser de formato largo o corto, dependiendo de el árido escogido. A continuación se ejemplifica un proceso de producción de hormigón para la pavimentación:

Foto 8.48 - Doso Box preparado para dosificar camión hormigonero.

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Foto 8.49 - Salida del Doso Box insertado en boca del camión hormigonero.


Foto 8.50 - Doso Box preparado para dosificar camión hormigonero.

Foto 8.51 - Operador introduciendo las fibras en el dosificador.

Foto 8.52 - Fibras vaciadas sobre la entrada del DOSO BOX.

Foto 8.53 - Fibras inseridas sobre la entrada del DOSO BOX y siendo sopladas hacia el camión hormigonero.

Foto 8.54 - Aspecto de la mezcla lista para su colocación.

Foto 8.55 - Colocación del hormigón fluido sobre la superficie del pavimento.

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Foto 8.56 - Colocación del hormigón.

Foto 8.57 - Acabado final de la superficie.

8.5 - Sistemas de dosicación de bras orgánicas y poliméricas. La introducción de fibras orgánicas ó poliméricas dentro de cualquier mezcla de hormigón, es normalmente ejecutada de forma manual. Las dosificaciones típicas de este tipo de fibras son del orden de 0,6kg/m3 a 1,5kg/m3. Este material es entregado en bolsas introducidas directamente en la mezcla; el embalaje será disuelto por el agua contenida en la mezcla. Para distribuir su contenido en la mezcla es suficiente hacerla girar por un par de minutos. A continuación es mostrado un ejemplo de la inclusión de este tipo de fibras:

Foto 8.58 - Formato de bolsa hidrosoluble de 0,6Kg.

Foto 8.59 - Operario introduciendo bolsa hidrosoluble dentro del camión hormigonero.

Informaciones técnicas detalladas sobre los equipos o sistemas aqui expuestos podran ser encontradas a continuación de el presente manual.

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8.6 - Dosicadores circulares 8.6.1 - Descripción del equipo El equipo está constituido, en su parte superior, por una tolva cilíndrica y en la parte inferior, por la estructura que incluye una parte fija de apoyo y una parte móvil dotada de motores vibrantes. La parte inferior está vinculada a la parte móvil por medio de soportes de goma antivibrantes, en el interior del chasis se encuentran las celdas de carga para el cálculo del peso de las fibras en la tolva. La tolva contiene, en su interior, una canaleta helicoidal que sobresale, en la parte superior, formando un canal de sección rectangular. Para completar el dosificador arriba mencionado, también está el cuadro eléctrico y el instrumento de mando.

8.6.2 - Finalidad El dosificador sirve para alimentar, de forma automática, con un flujo de fibras Wirand ® otros equipos ó máquinas, por ejemplo la cinta para los agregados, dosificando una cantidad preestablecida de las mismas medida en kg. El dosificador viene unido y controlado por la planta de hormigonado, automatizando la producción del hormigón con fibras.

8.6.3 - Tipología Hay basicamente tres modelos disponibles de dosificadores circulares, que se distinguen substancialmente por el diámetro de la tolva, pueden además ofrecer diferentes prestaciones en relación a la dotación de motovibradores. Nombre: DOSO 1.6: SF500-S: DOSO 2.0:

Diámetro nominal (mm) 1600 1800 2000

8.6.4 - Principio de funcionamiento Una gran cantidad de fibras es recibida durante la fase de carga del equipo en el interior de la tolva; esta, debido a la acción de los motovibradores con masas excéntricas, es puesta vibración. Durante la vibración, las fibras se disponen de forma más uniforme en el fondo de la tolva, ocupando también la parte baja de la canaleta helicoidal. Por efecto de la vibración las fibras suben por la espiral salir con flujo constante por el canal superior.

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El volúmen del flujo puede ser controlado interviniendo en la regulación de las masas excéntricas de los motovibradores. Durante la fase de trabajo (equipo en vibración), el dosificador controla la cantidad (peso) de fibras que salen, mediante las celdas de carga. El dosificador es dotado de aparatos eléctricos/electrónicos que permiten el control, la programación y monitorización de las principales operaciones de trabajo.

8.6.5 - Principio de utilización Las operaciones pueden ser así divididas de la siguiente manera: Operación de carga Con esta operación se introducen grandes cantidades de fibras en el interior del dosificador. El abastecimiento es realizado utilizando big bags movilizados por medio de poleas o equipamientos apropiados. Los big bags de fibra, cuyo peso varía de 500 a 1000kg, son colocados encima del dosificador; sucesivamente, cortando su fondo, se dejan caer las fibras en la zona central de la tolva. La fase de carga puede también ser efectuada vaciando en el interior del dosificador cajas de fibras de 20kg. El proceso de carga es realizado con el equipo parado y tiene que ser efectuada con una frecuencia tal que el dosificador no se encuentre ni demasiado lleno, ni demasiado vacío. Para la abertura del fondo de los big bags es necesario mantenerse a una cierta distancia, de manera tal de evitar no alcanzado por las fibras; generalmente se requiere un andamio alrededor del dosificador para facilitar esta operación. Operación de programación El operador de la planta debe programar la dosificación de las fibras. Por dosificación se entiende la cantidad de fibras que deben ser extraídas del dosificador. Fase de trabajo del equipo Durante esta fase el equipo es puesto en vibración; esta puede ser activada por el operador, en el caso de modalidad manual, o por la planta de hormigonado la cual sincronizará esta operación con las otras maquinas presentes (ej: cinta transportadora de agregados). La duración y la desactivación de esta fase es controlada por el mismo dosificador en función de la dosificación programada o por otras eventuales señales vinculadas al procedimiento de extracción de las fibras (ej. paradas de emergencia, detención de la cinta de agregados, etc.). 218


8.6.6 - Datos técnicos y dimensiones principales

(*) El peso es variable en función de la clase de fibra utilizada. El canal puede encontrarse en posición desfasada en 45° para facilitar el transporte, ya que un posicionamiento distinto no sería posible con la versión estándar. Las dimensiones externas totales, por lo tanto, pueden variar en función del tipo elegido. La posición del dosificador Estándar en el interior de un contenedor puede ocurrir de dos maneras diferentes ocupando así espacios diferentes.

8.6.7 - Movimiento / transporte Antes de mover el dosificador, es necesario bloquear los dispositivos de pesado. Antes de utilizar el dosificador, es necesario desbloquear los dispositivos de pesado. Para los detalles sobre las operaciones de bloqueo y desbloqueo recomendamos los manuales de uso y mantenimiento de los equipos.

8.6.8 - Disposición eléctrica necesaria Para la utilización del dosificador hay que disponer una conexión eléctrica con los requisitos indicados a continuación. El equipo está dotado de algunas extensiones que facilitan el posicionamiento del mismo y su correspondiente instrumento de mando (suministro ESTÁNDARD) En el caso que sea necesario separar el cuadro eléctrico del equipo está disponible, como OPCIÓN

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A PEDIDO, una extensión adicional a ser interpuesta entre el cuadro eléctrico y el equipo (20m), en este caso, la extensión para el instrumento ED231 será de 20m. Para la opción a pedido o para utilizaciones y configuraciones personalizadas, como por ejemplo la interacción con otros equipos, es necesario consultar la oficina técnica responsable para obtener modalidades, tiempos de entrega y eventuales costos adicionales. ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA 1 - Tensión: 400V 2 - Frecuencia: 50Hz 3 - Potencia instalada: 6,75kw 4 - Corriente total: 13,8A MATERIAL PROVISTO INCLUIDO EN EL EQUIPO (ENTREGA ESTÁNDARD) - Cable de extensión de 30m para alimentación. - Cable de extensión de 30m para el instrumento de mando ED231. - N°4 aros para el ajuste de seguridad de los pies de apoyo. MATERIAL ADICIONAL (OPCIÓN A PEDIDO) - Cable de extensión de 30m para alimentación. - Cable de extensión de 20m para el instrumento de mando ED231. - Cable de extensión de 20m para el cuadro eléctrico. - Cuatro aros para el ajuste de seguridad de los pies de apoyo.

8.6.9 - Herramientas y elementos necesarios para la instalación

A continuación son indicadas las herramientas mínimas necesarias para realizar las operaciones normales de instalación de la máquina y de variación de su rendimiento mediante la regulación de sus masas excéntricas.

* Calibrado de la llave torsionométrica = 130 Nm (hacer referencia a la tabla del específico manual de los MOTOVIBRADORES contenido en la sección anexos del manual USO y MANTENIMIENTO)

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Intervenciones de otro tipo y equipamientos necesarios tendrán que ser realizados en conformidad con el MANUAL DE USO Y MANTENIMIENTO provisto con el equipo.

8.6.10 - Ubicación El dosificador normalmente es posicionado próximo a la cinta de agregados de la planta de hormigonado, de manera que la parte del canal sobresaliente del equipo de donde caen las fibras se encuentre encima de la cinta, posiblemente en posición central. Es preferible que haya una cierta distancia vertical entre el canal y el punto de la cinta adonde caerán las fibras (1m); considerando que el canal se encuentra a unos 2m del plano de apoyo del mismo dosificador, es necesario que el punto considerado de la cinta se encuentre aproximadamente a 1m del mismo plano de apoyo. A menudo en la obra no está disponible tal posición de la cinta, en estos casos se aconseja la construcción de estructuras en hormigón armado (bloques de fundación) o planos realzados, donde ubicar el dosificador. La exacta posición del equipo es, por lo tanto, variable según la real configuración de la obra. La localización del dosificador queda sujeta al criterio de la persona responsable de la planta, esta tendrá que disponer también la construcción de eventuales plataformas, necesarias para las operaciones de carga del equipo, respetando todas las normativas vigentes de seguridad. El equipo debe trabajar bajo techo: Será necesario la construcción de una cubierta apropiada en caso que no exista, evitando que el dosificador quede a la intemperie.

8.6.11 - Ajuste de los pies de apoyo El dosificador está dotado de 4 aros que tienen que ser fijados a la estructura donde el mismo ha sido posicionado. Los aros cumplen la función de evitar que el dosificador pueda moverse excesivamente en caso de mal funcionamiento o inestabilidad producto de la vibración del equipo. Los aros tienen que ser posicionados alrededor de los pies del equipo y ser ajustados mediante soldadura o ajuste mecánico utilizando las aletas de las cuales están dotados. Las placas de hierro tienen que ser parte integrante de la armadura de los bloques, sobre las mismas apoyarán los pies del dosificador. Sobre estas placas será además posible ajustar los 4 aros que bloquearán los pies del dosificador.

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8.6.12 - Regulación de las masas excéntricas El flujo de fibras puede ser modificado, dentro de ciertos límites, interviniendo sobre la regulación de las masas de los motovibradores. El procedimiento de regulación y verificación del sentido de rotación de las masas tiene que ser efectuado respetando todas las indicaciones del MANUAL DE USO Y MANTENIMIENTO.

8.6.13 - Intervenciones de soldadura LOS DOSIFICADORES NO PREVEEN INTERVENCIONES DE SOLDADURA EN LA ESTRUCTURA FIJA O EN LA TOLVA VIBRANTE Si en caso de necesidad, mantenimiento, rotura, etc., se hiciera necesario una intervención de soldadura de tipo electrica en el equipo, es importante soltar los 4 cables a tierra y los estribos de transporte que unen la tolva a la estructura fija. Si esto no sucede, la intervención de soldadura eléctrica causará la rotura de las celdas de pesado contenidas en la parte inferior de la estructura.

8.6.14 - Almacenaje de las bras El almacenaje de las fibras (en big bags o cajas) es de fundamental importancia para la trabajabilidad de las mismas. Si esto no es hecho correctamente, podría favorecerse la formación de herrumbre y, en consecuencia, de aglomerados de fibras difíciles de desenredar. Se aconseja: - Que los pallets de fibras sean mantenidos protegidos de los agentes atmosféricos; se sugiere el almacenamiento en apropiadas estructuras cubiertas y la utilización de lonas impermeables, siendo mejor proteger las cajas de fibras de la humedad del terreno, utilizando bancadas de madera o similares. - Posicionar los pallets de tal forma que se utilicen las fibras que hace más tiempo se encuentran en la obra, siguiendo así el orden cronológico de entrega de las mismas. Esto evitaría que las fibras sean utilizadas después de mucho tiempo, con la consecuente exposición prolongada a agentes atmosféricos.

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8.6.15 - Informaciones a ser tenidas en cuentas para la correcta conguración del equipo 1. ¿Puede la planta de hormigonado ubicar el dosificador en una correcta posición? 2. ¿Puede el personal de la planta construir las estructuras necesarias para la utilización del dosificador? 3. ¿Es necesario prever material y configuraciones diferentes de las estándar, extensiones adicionales, conexiones eléctricas diferentes? 4. ¿La instalación eléctrica de la planta es compatible con la del equipo? 5. ¿El dosificador tendrá que ser utilizado en modalidad manual o automática? 6. ¿Con cuales calibraciones de dosificación es preferible que venga preparado el dosificador? 7. ¿Es necesario capacitar al personal de la planta sobre la utilización del equipo? 8. ¿El personal de la planta está dotado de equipamientos para la movilización, instalación y manutención del equipo? 9. ¿La planta está preparada para ubicar en una zona adecuada las fibras en big bags o cajas? 10. ¿La instalación puede ser realizada por el cliente o es requerida nuestra asistencia? Si es posible, es recomendable adjuntar adjuntar documentación fotográfica e información de la obra y de las operaciones de instalación ocurridas.

8.7 - Dosicador neumatico 8.7.1 - Finalidad Los dosificadores neumáticos sirven para introducir las fibras Wirand ® directamente en la hormigonera. La cantidad de fibras tiene que ser calculada anteriormente, utilizando un número de cajas pre-dosificadas (normalmente 20kg cada) en función de la dosificación requerida y de la cantidad de concreto presente en la hormigonera. El equipo simplifica las operaciones en el interior de una obra; la operación de dosificación de las fibras puede ocurrir en modalidad manual o automática. En modalidad automática el dosificador viene conectado y controlado por la planta de hormigonado, simplificando y automatizando la producción de hormigón fibroreforzado.

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8.7.2 - Tipología Existen dos modelos disponibles de dosificadores neumáticos que se diferencian substancialmente por el principio de funcionamiento de la primera fase de dispersión, además del nivel de seguridad y aplicabilidad. Nombre DOSOBOX SC99/2

8.7.3 - Principio de funcionamiento Una gran cantidad de fibras se recibe, durante la fase de carga de la máquina, en el interior de la tolva vibrante para el DOSOBOX o el cilindro rotante para el SC99/2, estos equipos permiten regularizar el flujo de fibras que pasará por el circuito neumático. Después de esta fase la fibra viene impulsada, a través del tubo, hasta el interior de la hormigonera oportunamente posicionada.

8.7.4 - Principio de utilización La utilización del equipo es simple: después de haber posicionado el equipo poniendo el tubo en la tolva de la hormigonera, comienza el ciclo de carga. Después de un tiempo mínimo de arranque la tabla vibrante o el cilindro entran en funcionamiento permitiendo al operador vaciar las cajas en el interior de los mismos. Se recomienda aumentar al máximo las revoluciones de la hormigonera para facilitar la mezcla de las fibras durante la incorporación de las mismas.

8.7.5 - DOSOBOX El DOSOBOX, mediante el transporte neumático, dirige las fibras al interior de la hormigonera, la primera fase de dispersión ocurre mediante un canal vibrante. Alimentando con un número preestablecido de cajas de fibras se obtendrá la dosificación requerida. El nivel superior de seguridad del equipo implica una menor velocidad de instalación y uso en relación a la SC99. Datos técnicos Dimensiones externas para el transporte: 1600 x 1200 x 1500 (h) mm. 224


Dimensiones externas con tubo montado: 5000 x 1200 x 5300 (h) mm. Peso: 1200kg. Tensión de empleo: 380V. Frecuencia: 50Hz. Potencia nominal instalada: 10kw.

8.7.6 - SC99/2 También el equipo SC 99, mediante el transporte neumático, encamina las fibras en el interior de la hormigonera; distinto del la dispersión ocurre a través de un cilindro giratorio. El nivel menor de seguridad del equipo implica una mayor velocidad de instalación y uso en relación al DOSOBOX. Datos técnicos Dimensiones externas para el transporte: 2300 x 1100 x 1400 (h) mm. Dimensiones externas con tubo montado: 8000 x 1000 x 5000 (h) mm. Peso: 750kg. Tensión de empleo: 400V. Frecuencia 50Hz. Potencia nominal instalada: 8kw.

8.8 - Equipos especiales El desfibrador se utiliza, normalmente, en combinación con los dosificadores circulares; su función es la de “dispersar” las fibras que salen del dosificador y dejarlas caer sobre una cinta para agregados o en una tolva de la planta de hormigonado. Viene por lo tanto, utilizado con las fibras con relación de aspecto elevado superiores a 67. Una aplicación diferente es operar como segunda etapa de pesada en plantas para dovelas. La instalación del desfibrador tiene que ser realizada solamente por personal especializado, comprobando el correcto posicionamiento y en conformidad con las normativas de seguridad. Debido a la presencia de riesgos elevados y a que su incorrecta instalación y utilización podría generar

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peligros para los operadores y dañar otras máquinas de la planta, es preferible evitar su utilización. COMBINACIÓN PARA DOBLE PESADA (ej. DOVELAS) En algunas plantas es necesario introducir pequeñas cantidades de fibra en poco tiempo con una elevada precisión. Estos requisitos son típicos de plantas para la fabricación de dovelas y donde, necesariamente, la dosificación solicitada para cada ciclo sea cuantitativamente limitada. Para satisfacer estas exigencias es necesario combinar y modificar algunas de las máquinas estándar, por ejemplo una configuración ya utilizada en varias obras se compone de la siguiente manera: DOSO 2.0 con Kit de cierre DESFIBRADOR con celdas e instrumento de pesado La combinación de estas dos máquinas modificadas permite controlar el peso con ciclos de pre-carga, la cantidad de fibra de la pre-carga puede ser controlada por la planta de hormigonado o por el instrumento presente en el desfibrador. El concepto es el de pesar en forma estática una cantidad limitada de fibras en el interior del desfibrador. El DOSO 2.0 alimenta así el desfibrador durante el ciclo de pre-carga; al alcanzar el peso establecido, el desfibrador manda el cierre de la ventanilla montada en el dosificador circular impidiendo la caída no controlada de otras fibras. En una segunda fase el desfibrador alimentará la cinta o la tolva móvil (skip) donde vienen transportados los agregados, teniéndose ya una discreta mezcla. Después de esta fase se activará automáticamente el ciclo de pre-carga. Para esta clase de instalaciones es necesario conocer bien todos los aspectos de la planta de hormigonado, tiempos de ciclo y cantidades en juego para la fabricación del hormigón.

8.8.1 - Equipos personalizados En algunas plantas es necesario estudiar equipos particulares y personalizados para obtener la introducción optima de las fibras. Claramente la construcción de estos equipos no es aconsejada ya que genera costos muy elevados y largos tiempos de realización. La realización de equipos en conformidad con la norma CE y de los respectivos manuales inciden sobre cada equipo, determinando elevados costos y tiempos de puesta en funcionamiento mayores de lo normal.

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Para equipos especiales se entienden canales vibrantes con o sin sistemas de pesada, cintas transportadoras o tolvas particulares, a seguir algunos ejemplos llevados a cabo: CANAL MONO DIRECCIONAL CON CELDAS DE CARGA Con este equipo es posible alimentar la cinta transportadora de agregados con una pre-carga preestablecida de fibras. El canal ejecuta la pesada de la pre-carga estáticamente y, a diferencia del desfibrador no ejecuta la siguiente dispersión durante el ciclo de introducción de fibras. CANAL BIDIRECCIONAL Y CELDAS DE CARGA Con este equipo es posible alimentar con una pre-carga pre-establecida dos puntos diferentes de introducción de fibras. El canal superior ejecuta la pesada de la pre-carga y, durante la introducción de fibras, el desviador y el canal inferior se activarán, para alimentar la boca de carga en que es necesario hacer llegar las fibras, en función de las instrucciones definidas en la cabina de mando.

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9. Autores

ANTONIO GALLOVICH SARZALEJO

Ingeniero Civil Estructural formado en la Universidad central de Venezuela (1999). Actuó como consultor independiente en proyectos estructurales y de rehabilitación sismo resistentes (2000). Fue Director Técnico Comercial de Maccaferri de Venezuela (2001). En el sector de fibras para refuerzo del concreto (2005) trabajo como consultor técnico para Officine Maccaferri S.p.A. (Italia) y, actualmente, trabaja como director técnico de producto, fibras para refuerzo del concreto, para Norteamerica, Maccaferri Inc (EUA). BRUNO ROSSI

Ingeniero Civil Estructural graduado en la Universidad de Bologna Italia, (1992). Para la empresa Officine Maccaferri S.p.A. actuó en las áreas de estructuras de suelo reforzado, obras de contención, obras hidráulicas, (1996). Coordino la investigación y desarrollo del sector de barreras activas para protección contra de caída de rocas, y actualmente es el responsable técnico y coordinador de investigación del sector fibras para refuerzo del concreto para Officine Maccaferri S.p.A., en Italia. GIANFRANCO PERRI

Doctor en Ingeniería de Minas, actúa como docente Universitario en las áreas de geomecánica de rocas, geotecnia, geoestática y geotecnia vial desde 1974; Jefe del Departamento de Ingeniería de Minas en la Universidad central de Venezuela, trabaja como proyectista e Ingeniero Consultor en proyectos de Obras Subterráneas, Túneles, y diversas áreas geotécnicas (2007). RALF WINTERBERG

Ingeniero Civil y Doctor de la Ruhr-University de Bochum, con especialización en Ingeniería Estructural y Durabilidad de Estructuras (1992-1998) ; estudios complementarios en Management Academy de Essen “Specialist Engineer for Project Management” (1999). Actuó como Gerente Técnico responsable por la investigación y el desarrollo e Ingeniería, Control de Calidad, y Marketing Fibco GmbH (2003). Actualmente desenvuelve la función de consultor técnico para Officine Maccaferri S.p.A., Bologna, Italia, como responsable del sector fibras para refuerzo del concreto. ROBERTO EDUARDO PERRI ARISTEGUIETA

Ingeniero Civil de la Universidad Metropolitana de Caracas, Venezuela (2004); Maestría en Dirección de Empresas Constructoras e Inmobiliarias ETSAM da Universidad Politécnica de Madrid, España (2005); MBA Executive en la Escuela Europea de Negocios de Madrid, España (2006). Actualmente trabaja como técnico responsable del departamento fibras para refuerzo del concreto en la empresa A.Bianchini Ingeniero S.A., Barcelona, España.

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10 -

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Manual - Fibras

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