1. Ciencia

Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
ANALES
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
Comparación experimental de losas sometidas a flexión pura
reforzadas con diferentes
tipos de fibra(1)
(1) Trabajo Especial de Grado aprobado
en la escuela de Ingeniería Civil
con Mención de Publicación
COSSON ALFREDO LUIS Y RASSI JORGE LUIS
Escuela de Ingeniería Civil
Universidad Metropolitana
Resumen
El objetivo de este trabajo de investigación es comparar el
comportamiento de losas sometidas a flexión pura, mediante ensayos a
modelos reforzados con fibras de polipropileno y metálica, considerando
la posibilidad de sustituir la malla electrosoldada, por un esfuerzo que
mejore las propiedades de tracción y ductilidad en el concreto. Se
ensayaron modelos de losas macizas de 99 x 53 cm, por medio de un
sistema de vacío, capaz de liderar una carga uniformemente distribuida
en la superficie del modelo, demostrándose que el aporte de las fibras no
es suficiente para pensar en la sustitución definitiva de la malla; debido a
que los valores de carga y de flexión obtenidos en las losas de reforzadas
con fibra, estuvieron en todo momento por debajo a los valores restantes.
El análisis de los modelos de losa se realizó mediante la teoría de líneas
de fluencia, por el método de trabajo virtual, relacionando los valores de
momentos calculados teóricamente con los momentos detenidos
mediante el cálculo práctico, avalando la propiedad del método de entrada
a con valores de momento más reales.
Palabras clave: modelos de losas, concreto, fibras de polipropileno,
fibras metálicas, trabajo virtual.
Abstract
This paper compares the behavior of tiles under pure flexure through tests
made on models reinforced with polypropylene and metal fibers.
Replacing the electrowelded mesh with a support improving traction and
ductility in the concrete part was considered. Solid, 99x53-cm tile models
were tested in a vacuum system capable of generating a uniformly
distributed charge on the surface of the model. The test proved that the
fibers’ output is not enough to replace the mesh, since the charge and
deflection observed on the fiber-reinforced tiles were always below the
41
Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
ANALES
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
rest of the values. The tile models were analyzed following the theory of
fluency lines and the method of virtual work. Values obtained thought
theoretical calculation were put in contrast with empirical results,
supporting the validity of working with factual values.
Keywords: tile models, concrete, polypropylene fibers, metal fibers, virtual
work.
Introducción
EI concreto es un material que luego de ser vaciado atraviesa por un proceso
de deshidratación, causando una pérdida de volumen y un posterior agrietamiento
generado por esfuerzos internos en la matriz del mismo. Dicho efecto conocido
con el nombre de retracción, es controlado mediante el uso de la malla
electrosoldada e igualmente se ha comprobado que puede ser minimizado
empleando fibras sintéticas o metálicas agregadas a la masa de concreto.
EI uso de las fibras está limitado a reducir únicamente los efectos por
retracción, por lo que el objetivo de este trabajo de investigación será el de
conocer la capacidad de resistencia a flexión y la ductilidad del concreto reforzado
con fibra, con el fin de analizar la posibilidad de sustituir la malla electrosoldada,
que causa inconvenientes de traslado y manejo en obra. Para ello se construirán
varios modelos de losas macizas, utilizando diferentes tipos de fibras como
refuerzo y comparando su comportamiento a flexión pura con losas reforzadas con
malla electrosoldada.
Los ensayos a flexión pura no serán realizados en una prensa común de
laboratorio. Para la aplicación de cargas se trabajó con lo que el autor denominó
«Sistema de vacío», un mecanismo de carga, que utiliza el peso del aire para
generar una carga distribuida a lo largo de todo el modelo.
Este sistema extrae continuamente el aire dentro de un tanque (mesa de
ensayo) por medio de una bomba de vacío, de esta manera se alcanzarán
presiones en el orden de 0.4 atmósferas (equivalentes a 4115 kg/m 2) suficientes
para Ilevar el modelo hasta la falla.
Para el estudio teórico de las losas, se utilizó el análisis de líneas de rotura,
mediante el método de trabajo virtual, avalando los resultados obtenidos
experimentalmente. Esta teoría consiste en el estudio por estado de equilibrio
límite, donde las condiciones de equilibrio se consiguen por la igualdad entre el
trabajo externo y la disipación de energía para los posibles desplazamientos.
Tomando en cuenta la capacidad de las losas para absorber momento,
suponiendo que no se producirá una rotura anterior de la losa por otra causa
42
ANALES
Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
(como el corte). De esta forma se obtiene un análisis de losas más conservador y
acorde con la realidad.
Sistema de ensayo
Para la realización de los ensayos, a diferencia de otros trabajos
experimentales, se dispuso de un sistema de aplicación de carga que no se había
experimentado dentro de la Universidad Metropolitana, el cual no requiere el uso
de una prensa. EI mismo, denominado por el autor como «Sistema de vacío», se
vale del peso de aire para generar una carga uniformemente distribuida.
Dinámica del sistema
Inicialmente la presión es uniforme en todo el volumen de la losa (véase figura 1
a). Una vez comenzado a extraer el aire del tanque o de la cámara, se establecen
diferencias de presión entre la parte superior e inferior del modelo de losa (véase
figura 1 b), haciendo que el modelo Ilegue a la falla.
Patm = Presión atmosférica
Ps = Presión de succión
Paabs = Presión atmosférica absoluta
Psabs = Presión de succión absoluta
Ptot = Presión total
Figura 1. Diagrama de presiones en el modelo
Ventajas
De esta manera se obtendrán cargas uniformemente distribuidas a lo largo de
toda la losa, situación que no se puede lograr en ninguna prensa común. Por
43
Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
ANALES
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
cada diferencia de presión de 0.1 atmósferas, se producirá una carga de 1028
kg/m2
Se pueden ensayar modelos de losas de cualquier escala, una vez
predimensionados; esto sería imposible en una prensa, ya que existen
limitaciones de tamaño.
EI sistema permite diversidad en cuanto al tipo de apoyo. Se puede apoyar
simplemente la losa en uno o más extremos, también empotrarla en cualquiera
de ellos, así como también colocar apoyos centrales simulando una losa de
varios tramos.
Presenta una herramienta de bajo costo, para estudiantes o profesionales que
no tengan acceso directo a una prensa de laboratorio.
Las lecturas de magnitud de cargas aplicadas son sencillas y se basa
únicamente en la conversión de unidades de presión a unidades de carga.
Predimensionamiento de los modelos
Antes de someter un elemento a este tipo de ensayo, se deben definir la
longitud de sus lados y su espesor, ya que de ellos dependerán las dimensiones
de nuestra mesa de ensayo (tanque).
Para el predimensionamiento se tomó como parámetro principal de diseño la
losa geométricamente
desfavorable. Diferentes factores podían afectar las presiones dentro del tanque
tales como: pérdidas de presión en las tuberías, entradas de aire a través de los
bordes y micro fisuras en las paredes del tanque o la losa.
Se realizaron varias corridas en un programa basado en el análisis por el
método de Marcus-Loser y teoría de rotura, para determinar las dimensiones de
las losas, manteniendo un espesor de 4 cm hasta obtener un tamaño en el cual la
diferencia entre el momento último resistente y el momento actuante fuese
mínima.
También se tomó en cuenta el peso del modelo, el cual no debe exceder los 60
Kg., debido a que la losa debe ser manejable por no más de dos personas sin la
necesidad del uso de un mecanismo (grúa).
Luego de los cálculos realizados se Ilegó a la decisión de utilizar losas
rectangulares de 99 x 53 cm y con un espesor de 4cm, cumpliendo con todos los
parámetros establecidos en el predimensionado.
44
Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
ANALES
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
Componentes del sistema
EI sistema se conformó básicamente por tres etapas (véase figura 2)
desmontables de la siguiente manera:
Primera etapa: Tanque y conexión externa.
Segunda etapa: Tubería de cobre con manómetro de vacío y Ilave de ajuste.
Tercera etapa: Bomba de vacío y manguera multiservicio.
Accesorios
La primera etapa del sistema de ensayo está compuesta principalmente por el
tanque, el cual es simplemente un «cajón» de concreto armado que actúa como
cámara de vacío y mesa de ensayo, sirviendo de apoyo a los modelos de losas;
posee además
donde se realizará la succión del aire.
La segunda etapa consta de un tubo de 80 cm, con los siguientes accesorios
soldados: una Tee reductora de 1/2 x 1/2 x 1/4” con rosca tipo NPT para la
co
para controlar la velocidad del ensayo.
La tercera y última etapa del sistema la compone una manguera multiservicio
Goodtremo y por el otro,
a la segunda etapa por medio de una reducción de 1/2" a 5/8" y sujetadas por
abrazaderas de metal.
Se requirió además el usa de teflón para mejorar el sello entre las uniones Flare
de las diferentes etapas; silicona para actuar como sellador plástico a lo largo del
perímetro de toda la losa y papel envoplast para ser colocado sobre la silicona
disminuyendo aún más las posibilidades de entrada de aire por los extremos.
45
ANALES
Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
Figura 2. Sistema de ensayo
Análisis de resultados
Se ensayaron tres modelos de concreto (F’c = 250 kg/cm 2 a los 28 días) a los 7
días, para comparar su comportamiento a flexión y con una dosificación expresada
en la tabla 1. Los resultados obtenidos se reflejan en los gráficos 1 y 2.
Tabla 1. Dosificación por cada tipo de refuerzo.
Tipo de refuerzo
Dosificación
Fiberstand
150 A. d
3 Kg/m3
Fiberstand
150
0.6 Kg/m3
Economono
0.8 Kg/m3
Xorex
45 Kg/m3
Malla
Electrosoldada
0.71 cm2
Tabla 2. Comparación de momentos últimos resistentes obtenidos
para cada tipo de refuerzo (Kg-m)
Método
de cálculo
Práctico
Teórico
Teoría de rotura
Sin
refuerzo
33,41
48,61
55
Fiberstand
150
59,79
75,395
83
Economono
52,15
64,82
71
Xorex
63,15
81,03
88
Malla
Electrosoldada
75,4
92,6
101
46
Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
ANALES
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
47
Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
ANALES
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
Conclusiones y recomendaciones
Se demostró que el sistema de ensayo utilizado es capaz de trabajar a máxima
capacidad, logrando alcanzar cargas uniformemente distribuidas y suficientemente
elevadas para Ilevar a la rotura cualquier tipo de modelo de losa. EI sistema de
ensayo resultó una herramienta de fácil manejo y adaptable a las exigencias del
autor, por lo que se recomienda la utilización de este método de ensayo en la
elaboración de otro tipo de investigaciones en losas macizas. Se presentan
opciones como: ensayos de losas a mayor escala, con diferentes condiciones de
apoyo, variaciones en el número y longitud de sus tramos, diferentes geometrías y
variaciones en el tipo de refuerzo o aditivo.
En los ensayos a flexión, se observó una diferencia pronunciada entre el
concreto reforzado con fibra y malla respectivamente. Esta última continúa siendo
el refuerzo capaz de transformar la energía en deformación, conduciendo así al
material a una falla dúctil. La sustitución definitiva de la malla electrosoldada por
las fibras de polipropileno o metálicas, no es factible, debido a la poca capacidad
de deformación del concreto reforzado con fibra. Sin embargo, la adición de fibras,
incrementó la resistencia a flexión con respecto al concreto sin refuerzo.
Las fibras metálicas logran cierto incremento en la ductilidad del concreto, pero
manteniéndose muy por debajo de la malla electrosoldada. La falta de adherencia
es uno de los factores que causan esa baja resistencia a la flexión. Por ello se
puede pensar en la utilización de fibras metálicas existentes en el mercado,
denominadas «Hooke ends» o bordes en forma de garfio, que proporcionarían
mejor anclaje dentro de la matriz de concreto, logrando un elemento mas dúctil.
EI método de análisis por medio de líneas de rotura presento una concordancia
en los valores de momentos obtenidos para cada tipo de refuerzo. En todos los
casos, los valores de momentos últimos teóricos fueron aproximadamente 20%
mayores que los momentos últimos calculados en forma práctica, ya que el
momento teórico fue calculado tomando en cuenta el mecanismo óptimo, es decir,
el momento actuante máximo para una losa con dimensiones definidas. De esta
manera se encontró un momento de diseño más conservador que el calculado por
teoría de rotura mediante una variante del método de Marcus Loser.
48
Vol. 2, N° 1, (Nueva Serie), 2002: 41-49
ANALES
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------de la Universidad Metropolitana
Referencias bibliográficas
(1) American Concrete Institute. Steel Fiber Reinforced Concrete. Compilation
27, Michigan. (1995).
(2) American Concrete Institute. Synthetic and non-metallic
Reinforcement of Concrete. Compilation 28, Michigan. (1995).
Fiber
(3) Nilson, A., y Winter, G. Diseño de Estructuras de Concreto. Undécima
Edición, Colombia, Editorial Mc Graw Hill. (1993).
(4) Stevens, O. Testing of Fiber Reinforced Concrete. Salt Lake, Utah. (1995).
49