ADHERENCIA ENTRE EL CONCRETO Y EL ACERO
El Concreto Armado es un material de construcción compuesto, en el que se complementan, por un lado el concreto de alta resistencia a la compresión y el acero como elemento de alta resistencia a la tracción. El fundamento del empleo del Concreto Armado se basa en el supuesto de que ambos materiales Acero y Concreto, se comporten como si fueran un elemento homogéneo en cuanto a su constitución. Esto significa que las varillas de refuerzo y el concreto circundante, actúan conjuntamente arrastrando las mismas deformaciones. Ya que muy raramente se aplica la carga externa directamente al refuerzo, el acero puede recibir su participación de la carga sólo del concreto que lo rodea. “Esfuerzo de Adherencia” es el nombre que se le asigna al esfuerzo cortante en la entrecara de la varilla y el concreto que, al transferir la carga entre la varilla y el concreto que la rodea, modifica los esfuerzos del acero. Cuando se desarrolla de manera eficaz esta adherencia, permite que los dos materiales formen una estructura compuesta. El logro de una buena adherencia es el objetivo más importante del detallado del refuerzo en las componentes estructurales. 1. LA NATURALEZA NATURALEZA DE LA RESISTENCIA POR ADHERENCIA La adherencia o resistencia al deslizamiento tiene su origen en los fenómenos siguientes: Ø
Adhesi Adhe sión ón de natu natura rale leza za quím químic ica a ent entre re el acer acero o y el conc concre reto to.. Ø Fricción entre la barra y el concreto, que se desarrolla al tender a deslizar la primera. Apoy oyo o dire direct cto o de las las corr corrug ugac acio ione nes s de las las barr barras as sobr sobre e el conc concre reto to que que las las Ø Ap rodea. Debido a que la resistencia por Adhesión se pierde cuando ocurre el deslizamiento y la resistencia por Fricción no es tan significativa, significativa, el apoyo directo de las corrugaciones de la barra sobre el concreto tienen una capacidad muy grande de adherencia, debido a la trabazón que ocurre entre las costillas y el concreto que las rodea. La resistencia por adherencia que se desarrolla entre dos costillas de una varilla (véase la Fig. Nº1) está asociada con los siguientes esfuerzos: 1. Esfuerzos cortantes va, desarrollados por medio de la adhesión a lo largo de la superficie de la varilla. 2. Esfuerzos de apoyo ƒb, contra la cara de la costilla. 3. Esfuerzos cortantes vc , que actúan en la superficie cilíndrica de concreto entre las costillas adyacentes. Se puede obtener la relación entre estos esfuerzos y la fuerza por transmitir al concreto por adherencia, en una longitud corta de varilla entre los centros de las costillas de un requerimiento simple de equilibrio, en la forma siguiente:
Al aumentar la carga, inevitablemente se pierde la adhesión a lo largo de la superficie de la varilla. La resistencia restante por cortante friccional es muy pequeña en comparación con la resistencia por apoyo desarrollada alrededor de las costillas; en consecuencia, se puede ignorar a v a para fines prácticos. Es posible simplificar la relación entre las dos importantes componentes restantes del desarrollo de la fuerza de adherencia, ƒ b y vc , como sigue: Ya que b ˜ 0.1c, el espaciado de las costillas es aproximadamente c. Ya que a ˜ 0.05d' b, el área de apoyo de una costilla es
En que db es el diámetro de la varilla. En consecuencia, reemplazando en la ecuación que relaciona los esfuerzos, se tiene ?T = p dba ƒb ˜ pdbcvc; por tanto,
Rehm tuvo éxito al tratar de relacionar distintos aspectos del problema de adherencia con el parámetro geométrico a/c. Encontró el rendimiento más satisfactorio de una varilla ahogada en concreto en una longitud corta c, cuando a/c estaba en la proximidad de 0.065. Cuando las costillas son altas y están espaciadas estrechamente, el esfuerzo cortante v c gobierna el comportamiento y la varilla se sale. Cuando el espaciado de las costillas es mayor que aproximadamente 10 veces la altura de estas, el concreto parcialmente aplastado puede formar una cuña frente a la costilla, y normalmente se presenta falla por la fisuración del concreto que la rodea.
El concreto frente a la costilla puede soportar una presión de apoyo varias veces superior a la resistencia a aplastamiento del cilindro del concreto, debido a la condición confinada de éste. En la Fig. Nº2 se ilustran los dos tipos de mecanismo de falla asociados con la costilla. Es claro que la geometría de las varillas corrugadas debe ser tal que no pueda ocurrir una falla por extracción cortante (Fig. Nº2.a), más adelante se estudian los factores que pueden afectar la capacidad última y el comportamiento de servicio de las varillas corrugadas, que se ajustan a las condiciones de la ( Fig. Nº2.b).
Uno de los aspectos más importantes de la adherencia es su efecto en el desarrollo de grietas, que está estrechamente relacionado con las características de deslizamiento de adherencia de un tipo específico de varilla en distintas situaciones. Hablando en términos generales, conforme sea menos el deslizamiento asociado con una fuerza utilizable de adherencia, mejor será la calidad de la adherencia. Cabe resaltar que la fabricación del acero de refuerzo está de acuerdo a la Norma ASTM 615/A 615M – 96a-grado 60, la norma permite que la relación a/c (relación entre altura y espaciamiento de resalte), varié a partir de 0.056. 2.
LONGITUD DE DESARROLLO
el concepto de longitud de desarrollo de una barra de refuerzo, se define como la longitud de empotramiento necesaria para desarrollar toda la resistencia a la tensión de la barra (fluencia del acero), controlada bien sea por adherencia o por agrietamiento. La longitud de desarrollo es diferente en tensión y en compresión, porque en la barra cargada a tensión se produce el efecto “in and out bond stress” (transfiere esfuerzos cuando la barra esta embebida y deja de transmitir cuando esta sin concreto circundante) debido a la existencia de las grietas de tracción por flexión, y por lo tanto requiere una longitud de desarrollo considerablemente mayor. La longitud de desarrollo puede ser expresado en términos de los valores últimos del esfuerzo promedio de adherencia haciendo ∆ fs igual a fy .
donde u es el valor con el cual se produce la falla en el ensayo de adherencia.
3. ENSAYO SIMPLE POR ARRANCAMIENTO (Pull Out Test) Este ensayo nos dio valores representativos del esfuerzo de adherencia en las vigas, por lo que el concreto no se fisura, y no aparece la distribución “in and out bond stress”. Es el procedimiento más elemental para medir la resistencia que ofrece el concreto al arrancamiento de una barra embebida previamente en él, pues en definitiva en ello podemos cifrar el principal problema técnico presentado por la adherencia. Consiste en aplicar un esfuerzo creciente de tracción en uno de los extremos de la barra hasta producir el arrancamiento de la misma (Fig. No. 3).
Este trabajo de investigación ha permitido abundar en el mayor conocimiento del fenómeno de adherencia por el método extracción de la barra corrugada (Pull Out Test), teniendo como referencia la Norma ASTM C-234-91”Standard Test Method for Comparing Concretes on the Basis of the Bond Developed with Reinforcing Steel”. Se debe indicar que para los efectos se ha empleado acero corrugado de dos proveedores distintos de nuestro mercado, siendo uno de ellos la Corporación Aceros Arequipa S.A.; ambas de grado 60 en diámetros 3/8”, 1/2", 5/8”; preparándose mezclas con las relaciones agua / cemento de 0.40 y 0.50 empleando el cemento Pórtland Tipo I – Sol, para concreto normal sin aditivo y para concreto Rheoplástico ambos producidos por la empresa Unión de Concreteras S.A. El número de probetas para los ensayos del estudio de la adherencia entre el concreto y el acero, responde a las combinaciones de los siguientes variables:
ü ü ü
Dos tipos de concreto, concreto sin aditivo y concreto rheoplástico. Dos relaciones agua /cemento 0.40 y 0.50, para cada tipo de concreto. Dos proveedores distintos de acero. ü Tres diámetros distintos de acero: 3/8”, ½” y 5/8”. ü Dos longitudes de desarrollo distintas 15Ø y 20Ø . ü Y lo mas importante se hicieron cinco repeticiones de cada combinación, lo que nos da un total de 240 probetas.
Ø
CURVAS DE ESFUERZOS DE ADHERENCIA PROMEDIO
A continuación, se muestra de manera gráfica algunos de los resultados obtenidos de los 240 ensayos de adherencia, para luego hacer un análisis comparando el acero producido por los dos proveedores distintos, el tipo de concreto y las distintas longitudes de desarrollo.
4. CONCLUSIONES Conforme sea menor el deslizamiento asociado con una mayor fuerza utilizable de adherencia, mejor será la calidad de adherencia. De los ensayos de laboratorio se ha podido observar que dada la alta resistencia del concreto obtenida para concretos sin aditivo y concretos rheoplásticos de relaciones a/c 0.40 y 0.50 que van del orden de los 369 kg/cm 2 a los 522 kg/cm 2; se produjo la falla por fluencia del acero con un deslizamiento máximo de 1.1mm antes de la falla por adherencia, es decir no se produjo deslizamientos significativos que lleguen a 2.5mm, debido a la alta calidad del concreto fabricado por la empresa UNICON. La relación agua / cemento favorece ligeramente el desarrollo del esfuerzo de adherencia, los concretos de relación a/c 0.40 permiten esfuerzos mayores en un
12%, con menores deslizamientos del orden del 11% en comparación con los concretos de relación a/c 0.50. Una afirmación que se deduce de las longitudes practicas obtenidas así como de las mínimas recomendadas por la Norma E-060 y la Norma ACI 318-99, es que las longitudes de anclaje están gobernadas principalmente por la influencia del diámetro de la barra mas que por la resistencia del concreto, ya que en la formulación, el valor del término f c esta limitado a 26.5 (ACI-12.1.2) pues experimentalmente se ´
ha demostrado que para concretos de alta resistencia, la longitud de anclaje no se reduce proporcionalmente al incremento de f c . ´
Las barras de Aceros Arequipa tienen un mejor comportamiento al desarrollar esfuerzos de adherencia de 8.5% por encima de las otras barras del mercado ensayadas; debido a que en los ensayos que se hicieron a las barras, Aceros Arequipa cumple con las especificaciones de la Norma Técnica ASTM A615 G60 (composición química, propiedades mecánicas, peso, dimensiones y calidad superficial); lo cual no ocurría con las otras barras donde los espaciamientos de resaltes y el peso no cumplen con la norma citada. Además se debe también al alto limite de resistencia de fluencia de las barras de Aceros Arequipa. En los ensayos del refuerzo las barras de Aceros Arequipa no tienen problemas con “varillas delgadas”, como las tienen las varillas del otro proveedor que se encuentra en el mercado, cabe destacar que la medición del peso métrico de una barra corregida es una característica del producto muy importante y como tal, debe de ser monitoreada, ya que la barra corrugada puede cumplir con el límite de fluencia, con la resistencia a la tracción y con el alargamiento necesario pero si su peso está fuera de norma eso quiere decir que la barra tiene menos área resistente de la que debería y eso podría ser peligroso. En los gráficos de curvas esfuerzos de adherencia promedio; se pudo deducir que los esfuerzos de Adherencia son mayores con las longitudes cortas de desarrollo en un 30 %, ya que a medida que aumento la longitud de desarrollo los esfuerzos de adherencia decrecen; producto de que al incrementarse esta longitud no llega a existir desplazamientos relativos entre el concreto y acero es decir no existe esfuerzo de adherencia produciéndose como se confirmo durante los ensayos que primero fluyo el acero. Al comparar las longitudes de anclaje en tracción, determinadas en el trabajo de investigación con las mínimas recomendadas por la Norma Peruana E-060 y la Norma ACI 318-99, se puede afirmar que la normas satisfacen los requerimientos de Adherencia en concretos normales y concretos rheoplásticos con barras de Aceros Arequipa así como con las otras barras, inclusive observándose un cierto factor de seguridad para los tres diámetros estudiados (3/8”, 1/2”, 5/8”), siendo los valores del ACI mayores que el de la Norma E-0.60, teniendo ambos como longitud de desarrollo mínimo 30 cm. Cabe resaltar que las Tablas de la Norma ACI 318-99 para el calculo de longitudes de anclaje en comparación con la Norma E-060, evalúan los factores más importantes que afectan la adherencia acero-concreto, como son: recubrimiento o espaciamiento entre barras, factor de ubicación, de
diámetro y tratamiento superficial de la barra, índice de refuerzo transversal y factor de agregado ligero.
Autor: Andrey Aparicio V. Correo:
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