Incidencia de la orientación y distribución de fibras en el comportamiento de losas elevadas ejecutadas con HRFA

Abstract

El Hormigón Reforzado con Fibras de Acero (HRFA) se utiliza hace más de 40 años a nivel mundial. Sin embargo, se trata de funciones que en la mayoría de los casos no tienen una gran exigencia estructural. En Uruguay sus aplicaciones se reducen a pavimentos, premoldeados de baja responsabilidad estructural o estabilización de taludes. En los últimos años ha tomado un protagonismo importante, avanzando en la dirección de la sustitución de armadura convencional por fibras, reduciendo así tiempos de ejecución. Las losas elevadas sobre pilares son uno de los elementos estructurales que se ven más favorecidos por las potestades del material, con un buen control de fisuración y un comportamiento estructural adecuado, en parte debido a su capacidad de redistribución de esfuerzos. Incluso, se ha probado que es posible eliminar por completo la armadura de refuerzo trabajando con una mezcla adecuada de HRFA. En el año 2018, el trabajo conjunto del Grupo de Hormigón Estructural (UdelaR) y Abengoa-Teyma, con el apoyo de la ANII, permitió erigir la primera losa elevada de Sudamérica construida únicamente con HRFA (losa). La presente investigación se basa en los resultados que surgen de ensayar dicha losa. En particular, se buscó determinar: a) la influencia de la orientación y distribución de fibras (parámetro K) en la capacidad del elemento, y b) desarrollar un modelo computacional que permita evaluar el comportamiento del material en su Estado Límite Último (ELU) y Estado Límite de Servicio (ELS). El material con el que se trabajó corresponde a un HRFA “5b” según la clasificación del Código Modelo que cuenta con una matriz de hormigón C60 autocompactamente y una dosificación de 90 kg/m3 de fibras rectas con gancho en sus extremos de 50 mm de largo y diámetro 0,77 mm (esbeltez: 65). Respecto a la losa, la misma cuenta con cuatro paños de 3,1 x 3,1 m, espesor 13 cm y se encuentra apoyada sobre nueve pilares de hormigón armado convencional. Para la caracterización del material se realizó el ensayo de flexión normalizado por EN 14.651 a probetas llenadas a pie de losa. El ensayo de losa consistió de ciclos de carga-descarga puntual en el centro de dos paños diagonalmente opuestos en intervenciones distintas, en los que se controló el patrón de fisuración y el descenso de puntos notables. Posterior al ensayo se extrajeron diecisiete testigos, de los que se ensayaron trece a flexión, mediante una carga puntual centrada, en tres sentidos distintos: posición original para determinar el comportamiento representativo del vano (tracción de fibras inferiores; momento positivo), invertidos para determinar el comportamiento representativo de los apoyos (tracción de fibras superiores; momento negativo) y de canto que representa un comportamiento promedio de los anteriores (momento medio). Para cuantificar la orientación y distribución de fibras, por un lado, se realizó el conteo de estas en todas las caras de los testigos, incluso en la sección de rotura luego del ensayo a flexión, y, por otro lado, se trabajó con un ensayo no destructivo (Ensayo Inductivo) para distintas secciones de los especímenes. A los resultados del conteo manual se le aplicó el test estadístico ANOVA. Por último, el modelo computacional se desarrolló en el software Abaqus, trabajando con sólidos para modelar los testigos y elementos superficiales para la losa. El HRFA se modeló con el método Concrete Damaged Plasticity, utilizando la ecuación constitutiva propuesta por el Código Modelo. Además, se determinó el parámetro de orientación, K, iterando hasta encontrar el de mejor ajuste. Los resultados experimentales que se obtuvieron para los ensayos de losa, probetas y testigos arrojaron comportamientos cualitativamente similares en el diagrama fuerza – flecha: un primer tramo elástico-lineal hasta la primera fisura, seguido por un endurecimiento que da paso a una pérdida de capacidad portante después de que se alcanza el pico de fuerza. En particular, de los ensayos a la losa se obtienen cargas máximas de 212 y 156 kN asociados a desplazamiento de 30 y 20 mm respectivamente. Además, el desplazamiento máximo que se alcanzó fue de 64 mm (fuerza 188 kN) y 59 mm (fuerza 117 kN). Por otro lado, el patrón de fisuración resultante contiene fisuras circulares rodeando el paño de ensayo y pasando sobre los apoyos en la cara superior y fisuras principales radiales desde el punto de aplicación al centro entre dos apoyos contiguos en la cara inferior. Por su parte, el estudio de los testigos permitió identificar una tendencia: los ensayados a momento medio tienen mayor capacidad portante. En cuanto a los ensayados a momento positivo y negativo, no poseen diferencia en capacidad portante a pesar del resultado de un estudio estadístico que determinó que las fibras se concentran en la parte inferior del elemento (0,75 fibras/cm2 en la franja superior, 1,00 fibras/cm2 en la media y 1,21 fibras/cm2 en la inferior). El mismo test realizado a partir del conteo en la sección de rotura muestra resultados distintos (0,85, 1,03 y 1,09 fibras/cm2 respectivamente). La cantidad de fibras orientadas según ambos ejes principales de la losa es igual. Además, se identifica la influencia de los bordes del elemento, en la cercanía de estos las fibras tienden a orientarse paralelas a ellos. Se identificó una relación lineal entre la tensión residual de tracción de los testigos y la cantidad de fibras, tanto determinadas por conteo manual (con mejor precisión, R2 = 0,60) como por el Ensayo Inductivo (R2 = 0,51). El valor de los R2 indica que se debería seguir investigando los factores que influyen en estas relaciones. De los resultados numéricos surge que, para representar el comportamiento experimental, se debe trabajar con valores de K distintos, siendo los promedios: 1,93 para losa, 1,60 para testigos ensayados a momento positivo y negativo y 1,35 para testigos ensayados de canto. Esto muestra que la orientación obtenida en probetas (K = 1,0) no es representativa de los demás elementos. Utilizando los resultados numéricos, se realizó un modelo teórico de una aplicación real, concluyéndose que es posible disminuir a 25 cm el espesor de una losa proyectada de 30 cm y, a su vez, quitar un emparrillado de refuerzo en los paños más comprometidos.

Fibre Reinforced Concrete (FRC) has been used worldwide for more than 40 years. However, its use is mainly non-structural. In Uruguay, its applications are basically pavements, small precast or slope stabilizations. In recent years, FRC started to be used as a substitute for conventional rebar, reducing the time of construction. Thanks to its cracking control, the good structural response, and also due to the stress redistribution, elevated slabs can be mentioned among the structural elements which take advantage of the use of fibres. Furthermore, it has been shown that it is possible to fully substitute the reinforcement if an adequate FRC mix is used. In 2018, the Structural Concrete Group (Udelar) and the company Abengoa- Teyma, with the support of ANII, constructed the first elevated slab in South America reinforced only with FRC. In this thesis, the studies performed in the mentioned slab are presented. The objectives were: a) assess the influence of the fibre orientation and distribution (K parameter) in the structural response of the element; and b) implement a computational model that allowed to assess the material and structural behaviour both in the ultimate (ULS) and the service limit state (SLS). The material used was classified as “5B” according to the Model Code 2010, with a self-compacting C60 matrix. 90 kg/m3 of straight fibres with hooked ends, 50 mm long, and 0,77 mm of diameter (slenderness: 65) were used in the mix. The experimental slab (without any conventional reinforcement), consisted of four continuous panels of 3.1 x 3.1 m2 each, supported by nine columns of conventional reinforced concrete, two meters above ground. FRC characterization was performed by the EN14651 standard, over small beams cast at the same time that the slab. The slab were tested with load-unload cycles under punctual load in the centre of two diagonally opposed panels. Load value, displacement in several points and crack pattern was registered. After the structural tests, 17 cores were extracted from the slab. These were tested under flexural load in three different directions, in order to assess tensile stress in: the lower face of the slab, the upper face, and also an average of the previous two. Orientation and distribution of fibres was assessed by: a) manual fibre count in all the sides of the cores and in the face of rupture; and b) inductive test, a magnetic based non-destructive test. Results were analysed by a statistical analysis (ANOVA). The computational model was developed in the software Abaqus, working with solid elements for the core models, and superficial elements for the slab models. FRC was model by the Concrete Damaged Plasticity method, using the constitutive equations proposed by the Model Code 2010. Furthermore, the orientation factor K was determined by a iterative process, to adjust the experimental with the numerical results. Experimental results obtained over testing beams, cores and the slab show qualitatively similar results in the force-displacement curves: first a linear-elastic behaviour up the first crack, then a hardening part followed by a drop in the force after peak load. Maximum loads of 212 kN and 156 kN, associated with displacements of 30 mm and 20 mm respectively, were obtained for both slab test. Maximum displacements of 64 mm and 59 mm were registered for both slabs when the test was stopped, with loads of 188 kN and 117 kN respectively at those displacements. The cracking pattern showed, in the upper surface, circular cracks around the load point of the tested panel, and passing over the immediate supports. In the lower surface, radial cracks starting from the load point were registered. The study over the extracted cores showed that the tensile capacity of the FRC in the upper and lower face of the slab have no significant difference, despite that it was shown that the fibres are concentrated in the bottom face of the slab (0,75 fibres/cm2 in the upper band, 1,00 fibres/cm2 in the medium band, and 1,21 fibres/cm2 in the lower band of the slab). The counting of fibres in the cracked section after the load test of the cores show a slightly different fibre distribution (0,85; 1,03 and 1,09 fibres/cm2 respectively). The orientation of fibres towards both main directions in the slab is similar. Also, it could be seen the influence in the slab boundaries, as fibres near them tend to orient parallel to the boundaries. A linear correlation was found between residual tensile stress in the cores and the amount of fibres, determined both by manual counting (with better precision, R2 = 0,60) and by the inductive test (R2 = 0,51). Further research should be done to better understand the factors influencing these correlations. Numerical results showed that, to represent the experimental structural behaviour, different K values should be used, being their average: 1,93 for the slab, 1,60 for the cores assessing tensile stress in the lower and upper face of the slab, and 1,35 for the cores assessing average tensile stress. This shows that the fibre orientation obtained by beam casting is not representative of the rest of the structural elements. Through the numerical results, a model was developed to model a theoretical application. This showed that it is possible to reduce to 25 cm the slab thickness of a originally 30 cm wide slab.