Estudio experimental y numérico de elementos estructurales de Hormigón Reforzado con Fibras

Abstract

El hormigón armado ha sido uno de los materiales más utilizados en la industria de la construcción en el último siglo. Esta razón ha motivado al desarrollo de la tecnología del material en busca de optimizar su aplicación y minimizar sus desventajas. En la actualidad, el estudio de la aplicación de las fibras metálicas como único refuerzo en el hormigón de alta responsabilidad estructural, se perfila como un avance prometedor en cuanto a reducción de costos y tiempos de ejecución. Hoy en día, las normativas europea (Model Code, 2010) y americana (ACI Committee 544, 2015) presentan guías y recomendaciones para el diseño, cálculo y ejecución del hormigón reforzado con fibras metálicas (HRFM) para uso estructural. A su vez, en el plano de la investigación, se han realizado modelos a gran a escala de elementos estructurales de HRFM para estudiar el comportamiento del material y la viabilidad de su inserción en la industria de la construcción. El objetivo principal de este trabajo es ejecutar y evaluar el comportamiento estructural de un prototipo de losa elevada a escala real de HRFM sin refuerzo tradicional. En particular se pone énfasis en conocer la capacidad de carga máxima y el grado de ductilidad de la estructura. Este proyecto no tiene antecedentes semejantes en el continente sudamericano, por lo que se basa en experiencias previas de grupos de investigación europeos. Para conseguir el objetivo planteado, se llevaron a cabo una serie de etapas previas. Primero se buscó desarrollar una dosificación de hormigón autocompactante con fibras metálicas (HRFMAC), con materiales disponibles en el mercado local. Como concepto general, se apuntó a una mezcla autocompactante para que no requiera proceso de vibrado, manteniendo así la distribución homogénea y la orientación aleatoria de las fibras metálicas en la losa. Luego se buscó caracterizar la respuesta mecánica de la mezcla desarrollada implementando el ensayo de flexión a 3 puntos, según la norma EN 14651. Este ensayo es un estándar ampliamente adoptado a nivel mundial y establece un punto de referencia para todos los trabajos de investigación sobre el HRFM. Con la mezcla ya caracterizada se procedió a la construcción de la losa, que fue diseñada en base a geometrías típicas de edificios residenciales uruguayos. Finalmente, se realizó el ensayo de la losa. Fue necesario diseñar un dispositivo de aplicación de carga puntual, haciendo uso de un gato hidráulico. De forma paralela, en base a los resultados de caracterización del material y aplicando análisis seccional, se calculó el momento de plastificación de la losa. Conocido este valor, se realizó un modelo computacional en el software (Limit State: SLAB, Limit State Ltd. (2019)) que basándose en la teoría de lineas de rotura determinó la capacidad de carga teórica, o fuerza pico, de la losa. Finalmente, se analizaron los resultados obtenidos en cada etapa. En cuanto a los resultados, el diámetro promedio de la torta en el ensayo de cono invertido (según EN 12350 Parte 8) fue de 66 cm, por lo que la dosificación desarrollada clasifica como autocompactante según los requerimientos de la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) (2008). La mezcla no presentó segregación del árido grueso ni de las fibras metálicas. El ensayo de flexión a 3 puntos arrojó valores de tensiones residuales comparables con los resultados de los trabajos de investigación que se tomaron como referencia. Se encontraron similitudes en la respuesta estructural del material y su grado de ductilidad, completando el ensayo de manera satisfactoria al alcanzar los 4 mm de apertura de fisura. Los valores promedio de tensiones residuales en probetas elaboradas con la dosificación final fueron: 5;66 MPa para el límite de proporcionalidad ( fL), 9;54 MPa para 0,5 mm de apertura de fisura ( fR1) y 8;00 MPa para 2,5 mm ( fR3). La desviación estándar se ubica en el entorno del 20%. El ensayo de la losa se desarrolló según lo planificado. Se verificó una carga pico de 155,5 kN asociada a un descenso central de 20,3 mm. En términos de carga distribuida equivale a 17 kN=m2, superando ampliamente las sobrecargas de uso usadas en el diseño de losas convencionales de un edificio de viviendas. Además, se observó una gran ductilidad del material manteniendo un 80% de la carga pico para un desplazamiento 2,5 veces superior al correspondiente a dicha carga. Se culminó con una carga aplicada de 125 kN para un desplazamiento de 59,3 mm. Los resultados obtenidos se consideran satisfactorios y motivan a continuar con el estudio del material.