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Estudio Experimental sobre la Resistencia al Arrancamiento de Placas Metálicas de Anclaje en Paneles PrefabricaAnales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
dos de Hormigón Armado
ESTUDIO EXPERIMENTAL SOBRE LA RESISTENCIA AL ARRANCAMIENTO DE PLACAS
METÁLICAS DE ANCLAJE EN PANELES PREFABRICADOS DE HORMIGÓN ARMADO
R. Porras-Soriano*, J.R. Carmona, G. Ruiz y X.X. Zhang
E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.
Universidad de Castilla-la Mancha.
Avda. Camilo José Cela s/n, 13071 Ciudad Real, Spain
*
Correo-e: [email protected]
RESUMEN
Este artículo presenta una investigación experimental para estudiar la sensibilidad de cuatro tipos de anclaje, utilizados
en paneles prefabricados de fachada, frente a la dirección de aplicación de la carga y las condiciones de contorno. Para
cada uno de los anclajes ensayados se planificaron dos ensayos distintos en función de la dirección de aplicación de la
carga: dos cargas de cortante en distintas direcciones o una carga de cortante y una de tracción respectivamente. Se
observó que la geometría y condiciones de contorno tienen mucha influencia en la resistencia del anclaje. Específicamente, la mayoría de los anclajes resisten más frente a cargas de cortante aplicadas paralelas al borde del hormigón que
cuando estas se aplican perpendiculares al mismo. Los resultados obtenidos proporcionan una valiosa información sobre los mecanismos de fallo de los anclajes ensayados. Además, los resultados pueden usarse para validar métodos
numéricos que pueden reducir las incertidumbres inherentes a los métodos de cálculo clásicos.
ABSTRACT
This paper presents an experimental investigation to study the sensitivity of four types of anchor plates, used in precast
facade panels, to load direction and boundary conditions. Two different load cases were planned for each anchor type of
anchorage: two shear loads or a shear load and a tensile load respectively. It was observed that the geometry and boundary conditions are highly influential on the anchorage strength. Specifically, most of the connections resist more shear
load when it is applied along the edge of the panel rather than when it is applied tangentially to the edge. These results
provide valuable information on the failure mechanisms of the types of anchorages tested. Besides, they can be used to
validate numerical calculation methods that may reduce the uncertainties inherent to classical ones.
PALABRAS CLAVE: Hormigón, anclajes, paneles.
1. INTRODUCCIÓN
El uso de paneles de fachada prefabricados en fachadas
implica el empleo de elementos de anclaje para unir los
paneles entre si y con la estructura. Dichos elementos
de anclaje, por lo general, están compuestos por unas
placas metálicas a las que se sueldan unas varillas de
acero corrugado que quedan embebidas en el hormigón. Una vez colocados en la estructura, los anclajes
pueden estar sometidos tanto a cargas de cortante,
como de tracción o una combinación de ambas. Las
cargas aplicadas sobre el anclaje pueden dar lugar a un
fallo complejo del sistema, bien sea por agrietamiento
o por arrancamiento del hormigón circundante, como
por el fallo de los cordones de soldadura o por cedencia
de las patillas de acero [1].
Para logar un diseño satisfactorio, el proyectista debe
entender el funcionamiento de los sistemas de unión
con el fin de llegar a un diseño y una construcción
efectivos atendiendo al estado límite de servicio y al
estado límite último.
Por lo general los métodos de cálculo para los sistemas
de anclaje con placas metálicas son bastante conservadores debido a la diferente casuística que existe y dificultad de análisis dado la complejidad del funcionamiento de los anclajes. Por ello es fundamental realizar
ensayos de los anclajes reproduciendo sus condiciones
de contorno y carga y de esta forma analizar su comportamiento real. Asimismo estos ensayos también
sirven para validar métodos para evaluar su capacidad
de carga. Con este doble objetivo se planteó la campaña experimental que se presenta en este documento.
Este artículo está organizado en 4 secciones. En la
número 2 presentamos el planteamiento de la campaña
experimental realizada, tanto para la caracterización
mecánica de los materiales como para los ensayos de
arrancamiento de los anclajes. En la sección 3 exponemos resultados ambas campañas experimentales. Y
por último, en la sección 4, extraemos las conclusiones
más relevantes del estudio realizado.
2. DISEÑO DE LA CAMPAÑA EXPERIMENTAL
La campaña experimental presentada estudia la sensibilidad de cuatro tipos de anclaje respecto de la carga
aplicada y de las condiciones de contorno. Los tipos de
anclaje son:
o Anclaje DE, representado en la Fig. 1.a; está formado por una placa cuadrada de 100 mm de lado con
un espesor de 8 mm. A dicha placa están soldadas
cuatro patillas de 343 mm de longitud de acero corrugado ∅8, que quedan embebidas en el hormigón hasta
una profundidad de 48 mm. Dichas patillas están dobladas 90º, con un radio de 19 mm, de forma que los
primeros 38 mm desde la soldadura quedan perpendiculares a la placa de acero y el resto paralelo a la superficie de hormigón. Las patillas están soldadas a 25 mm
del borde de la placa. El anclaje está dispuesto en el
borde del panel de hormigón armado (ver Fig. 1.a), se
aplican dos tipos de casos de carga: una carga perpendicular al bode del hormigón (V1), y una carga rasante
paralela al borde del hormigón (V2).
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o Anclaje AL, representado en la Fig. 1.b; está formado por un corte de 10 cm de longitud de un angular
PN de 70 mm, y cuatro patillas rectas de acero corrugado ∅8, que quedan embebidas en el hormigón hasta
una profundidad de 350 mm. Dichas patillas van soldadas a la placa, dispuestas en forma de rectángulo de
56x38 mm2 situado a 20 mm del borde de la placa. Se
aplican dos condiciones de carga, ambas rasantes: una
carga perpendicular al borde del hormigón (V1), y una
carga paralela al borde del hormigón (V2).
embebida en su eje longitudinal. Con el fin de mantener una distribución constante de la tensión la zona de
adherencia se limitó a 40 mm. El desplazamiento relativo entre el hormigón y el acero fue medido en la parte
inferior de la probeta con el fin de evitar la componente
elástica de la deformación de la barra.
o Anclaje D15, representado en la Fig. 1.c; similar al
anclaje DE, está formado por una placa cuadrada de
150 mm de lado con un espesor de 8 mm. A dicha
placa están soldadas cuatro patillas de 335 mm de
longitud de acero corrugado ∅8, dispuestas igual que
en el anclaje DE. Se aplican dos casos de carga: una
carga de tracción (T) y una carga de cortante perpendicular al borde del hormigón (V).
o Anclaje D10, representado en la Fig. 1.c; similar al
anclaje DE excepto las patillas, está formado por una
placa cuadrada de 100 mm de lado con un espesor de 8
mm a la que se han soldado dos barras de acero corrugado ∅8 dispuestas a modo de arco. Estas llegan a una
profundidad en el panel de hormigón de 76 mm. Están
soldadas a una distancia del borde de la placa de 20
mm. Se aplican dos condiciones de carga, ambas rasantes: una carga perpendicular al borde del hormigón
(V1), y una carga paralela al borde del hormigón (V2).
Los paneles, que tenían un espesor de 120 mm, estaban
fabricados con hormigón reforzado con dos capas de
barras de acero corrugado ∅6 a 15 mm en el área
dónde queda colocado el anclaje. Para aplicar la carga
según las condiciones de contorno y direcciones deseadas, se diseñaron 3 tipos de probetas distintos, como se
puede ver en la Fig. 1.
2.1. Ensayos de caracterización de materiales
Para caracterizar mecánicamente el hormigón empleado realizamos 6 ensayos de compresión y de módulo
de elasticidad, de acuerdo con las especificaciones de
las Normas UNE-EN 12390-2:2001 y 12390-3:2003
[2]. Asimismo, realizamos otros 6 ensayos de tracción
indirecta (brasileños) para determinar la resistencia a
tracción del hormigón, de acuerdo con las especificaciones de la Norma UNE-EN 12390-6:2001 [2].
Medimos la energía de fractura del hormigón realizando 8 ensayos siguiendo el procedimiento de ensayo
recomendado por la RILEM [3] con las mejoras propuestas por Planas, Guinea y Elices [4-6]. Se trata de
un ensayo de flexión en tres puntos sobre probeta
prismática (100x100x400 mm) entallada en la sección
central hasta la mitad del canto.
Figura 1. Geometría: a) Anclaje tipo DE; b) Anclaje
tipo AL; c) Anclaje tipo D15 y d) Anclaje tipo D10.
2.2. Ensayos sobre los anclajes
Para caracterizar el acero realizamos 7 ensayos a tracción directa de las barras de armado utilizadas, de
acuerdo con las especificaciones de las Normas UNEEN ISO 15630-1:2003. Las probetas tenían una longitud total de 500 mm, la distancia ente mordazas era de
250 mm y la longitud calibrada inicial era de 50 mm.
Todos los ensayos han sido realizados en el Laboratorio de Materiales y Estructuras de la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Castilla-La Mancha. Para medir la carga aplicada sobre los anclajes se empleó una célula de carga de
1MN, modelo PCI 200 de la Compañía HBM con una
resolución de 0.1 kN. Las probetas se anclaban mediante pernos sujetos con tuercas a la losa de carga del
laboratorio, de 1.10 m de espesor. Además, en el caso
del ensayo a tracción sobre el anclaje D15, para sujetar
la probeta se dispuso un marco metálico anclado también al suelo mediante cuatro pernos en las esquinas.
Por último para caracterizar la intercara hormigónacero realizamos un total de 8 ensayos de arrancamiento. Los ensayos fueron realizados sobre probetas
prismáticas de 100 x 100 x 100 mm con una barra
El control de todos los ensayos se realizó en posición,
empleando dos rangos de velocidad: una primera rampa de carga con una velocidad de 0.1 mm/min hasta los
11 mm, para asegurar una rotura casi estática y una
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segunda rampa de velocidad más rápida que la anterior,
1.0 mm/min, hasta el final del ensayo. Durante los
ensayos se registró de forma continuada la carga aplicada.
Para medir los desplazamientos se emplearon seis
extensómetros inductivos LVDT (linear variable differencial transducers), modelo WA, HBM. Empleamos
tres tipos distintos en función de sus rangos de medición: el primero con un recorrido de ±25 mm, resolución 2 µm, el segundo con un recorrido de ±20 mm,
resolución 2 µm y el tercero con un recorrido de ±10
mm, resolución 2 µm. Estos dispositivos se emplearon
para medir de forma continuada el desplazamiento del
anclaje en la dirección y sentido de aplicación de la
carga, el desplazamiento vertical de la probeta entera y
el desplazamiento horizontal de la parte superior de la
pobreta (giro) en los ensayos de cortante. El resultado
de estas dos últimas mediciones fue nulo en todos los
casos, por lo que se puede asegurar que no se produjo
ningún desplazamiento de las probetas durante los
ensayos.
Además, mediante fotografías y vídeos, se registró la
evolución de la fisuración de las probetas.
De cada configuración de ensayo se ensayaron tres
probetas. Por lo que la campaña consta de un total de
24 ensayos de arrancamiento de placas de anclaje.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE LA CAMPAÑA EXPERIMENTAL
3.1. Material
En este apartado se muestran los resultados de los
ensayos de caracterización llevados a cabo en el hormigón y en el acero, así como en la intercara acerohormigón.
Los valores medios de los resultados de los ensayos de
caracterización del hormigón se muestran en la Tabla 1
(módulo de elasticidad, Ec; resistencia a compresión, fc;
resistencia a tracción indirecta, ft; energía de fractura,
GF y longitud característica, lch. Además se indica la
desviación estándar (DE) de cada valor).
Tabla 1. Resultados de los ensayos de caracterización
del hormigón.
Media
Ec
(GPa)
31
fc
(MPa)
78
ft
(MPa)
5.0
GF
(N/m)
154
lch
(mm)
195
DE
4
7
0.2
27
-
Tabla 2. Resultados de los ensayos de caracterización
del acero.
Media
E
(GPa)
210
σy0.2
(MPa)
586
σu
(MPa)
694
εu
(%)
16.8
DE
10
10
7
1.0
Los valores medios de los resultados de los ensayos de
caracterización del acero se muestran en la Tabla 2
(módulo de elasticidad, E; límite elástico para una
deformación del 0.2%, σy0.2; tensión última, σu y deformación última, εu. Además se indica la desviación
estándar (DE) de cada valor).
El valor de la tensión de adherencia entre acero y hormigón, determinado mediante ensayos de arrancamiento de barras, es de 8.4 ± 1.1 MPa.
3.2. Resultados de los ensayos sobre los anclajes
Durante la realización de los ensayos se registró la
curva completa carga-desplazamiento. Todas estas
curvas se recogen en al Fig. 2. Además se presenta la
Tabla 3 en la que se recogen los valores de las cargas
pico para cada uno de los ensayos realizados, que de
forma gráfica se han representado en la Fig. 3.
El valor más alto de la carga pico se obtiene para el
anclaje AL cuando la carga es de tipo V2, es decir,
paralela al borde del panel. Por otro lado, este tipo de
anclaje responde muy mal a la carga tipo V1 que es la
carga aplicada perpendicular al borde de hormigón, que
resulta inferior al 20% de la anterior. Esto es razonable,
puesto que en el ensayo AL-V1 el único mecanismo
que está resistiendo la carga es la intercara acerohormigón que rodea a las 4 patillas del anclaje.
Tabla 3. Valores de las cargas máximas para cada
ensayo.
ANCLAJE ENSAYO
DE-V1-1
DE-V1-2
DE-V1-3
DE
DE-V2-1
DE-V2-2
DE-V2-3
AL-V1-1
AL-V1-2
AL-V1-3
AL
AL-V2-1
AL-V2-2
AL-V2-3
T-D15-1
T-D15-2
T-D15-3
D15
V-D15-1
V-D15-2
V-D15-3
D10-V1-1
D10-V1-2
D10-V1-3
D10
D10-V2-1
D10-V2-2
D10-V2-3
Pmáx (kN)
39.4
37.8
41.0
56.4
49.5
51.4
11.0
14.3
14.6
72.9
79.0
73.0
40.5
47.0
43.5
71.1
69.0
68.8
41.1
43.5
37.1
75.1
75.0
71.5
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Figura 2. Curvas carga-desplazamiento de todos los ensayos.
Las cargas máximas obtenidas para el anclaje D10 son
similares a las cargas obtenidas para el anclaje tipo DE,
para el caso de carga. La mayor diferencia reside en el
comportamiento post-pico (ver Fig. 2), puesto que el
anclaje tipo D10 presenta un comportamiento post-pico
inestable. Bajo carga V1 el desplazamiento del punto de
aplicación de la carga en carga máxima es muy similar
en los anclajes DE y D10 (aproximadamente 1.5 mm).
La carga de pico obtenida en el anclaje D10 para el caso
de carga V1 está en torno al 50% de la obtenida en el
caso de carga V2, mientras que en el caso del anclaje
tipo DE este porcentaje alcanza el 75%. En el caso de
carga V2 la carga obtenida con el anclaje D10 es mayor
que con el DE, pero inferior a la obtenida con el anclaje
tipo AL. En este caso de carga (V2) el comportamiento
post-pico es inestable para el anclaje D10, así como para
el AL. El desplazamiento del punto de aplicación de la
carga en carga máxima es similar para los tres anclajes
(DE, AL y D10), está en torno a los 5 mm.
100
En cuanto al anclaje tipo D15 se observa que la carga
máxima en tracción está en torno al 60% de la carga
máxima a cortante. En el caso de la carga de tracción, la
carga máxima obtenida está determinada por la plastificación de sólo dos de las cuatro patillas, puesto que, a
pesar de que la carga está centrada al inicio del ensayo,
se vuelve excéntrica al comenzar la fisuración (ver Fig.
4).
El desplazamiento del punto de aplicación de la carga
en carga máxima es mayor para el caso de carga de
cortante (≈7 mm) que para el caso de carga de tracción
(≈2 mm).
V1
V2
80
V2
V
V2
V1
60
V2
40
V1
V1
Figura 4. Estado final del anclaje D15 tras ensayo a
tracción.
20
V1
0
DE
AL
D15
D10
Figura 3. Cargas pico media de los ensayos con carga
V1 y V2 para los anclajes: DE, AL y D10.
Por lo tanto cuando se planteen cargas de cortante perpendiculares al borde de hormigón (V1) los anclajes
recomendados son el D10 y el DE, nunca el AL. Para el
caso de carga V2, atendiendo a criterios de carga máxima, se recomienda el AL.
En todos los casos el fallo comenzó con la fisuración
del hormigón, seguido del arrancamiento del cono de
hormigón adyacente al anclaje. A esto siguió la cedencia de las patillas de acero, sólo en los casos que estas
estuvieran a una profundidad suficiente que las mantuviera embebidas, y en el caso contrario se produjo el
arrancamiento total de las patillas. No falló ninguna
soldadura.
En la Fig. 5, a modo de ejemplo, se presenta una recopilación de fotografías dónde se puede apreciar el proceso
de fisuración descrito en el párrafo anterior, para el caso
del primer ensayo del anclaje DE sometido a una carga
tipo V1.
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Figura 5. Evolución de la fisuración y fallo en el primer ensayo sobre en anclaje tipo DE con carga V1.
4.
CONCLUSIONES
En este artículo se presentan los resultados de una campaña experimental diseñada para evaluar el comportamiento de anclajes usados en paneles prefabricados para
fachadas de hormigón armado. Dicha campaña experimental consistió en el ensayo de 24 probetas, fabricadas
con 4 tipos de anclaje diferentes (DE, AL, D15 y D10) y
ensayadas bajo 4 distintas solicitaciones de carga, 2 por
anclaje (V1, V2, T y V). Se hicieron tres ensayos iguales para cada configuración.
Los resultados de los ensayos muestran que la resistencia del anclaje está fuertemente determinada tanto por la
geometría del mismo como por las condiciones de contorno. Así pues, cuando la carga se aplica paralela al
borde del hormigón (caso de carga V2) la resistencia del
anclaje es mayor que cuando se aplica de forma perpendicular al mismo (caso de carga V1). En el caso de
carga V2 se recomienda el empleo del anclaje tipo AL,
por ser el que mayor valor de carga máxima alcanza.
Para el caso de carga V1 son más convenientes los anclajes DE y D10, que alcanzan un pico de carga superior
al AL. No obstante, la disposición de las patillas en
forma de arco, como es el caso del anclaje D10, a pesar
de que da como resultado un valor elevado de carga
máxima, presenta un comportamiento post-pico muy
inestable bajo cargas tipo V2. El desplazamiento del
punto de aplicación de la carga en carga máxima es
similar para los anclajes DE, AL y D10.
El anclaje D15 fue ensayado bajo cargas de tracción y
de cortante respectivamente. La carga obtenida fue más
elevada en el caso de carga por cortante que en el caso
de carga de tracción. En el ensayo del anclaje D15 sometido a carga de tracción sólo se produjo el fallo de
dos de las cuatro patillas, puesto que, a pesar de que la
carga está centrada al inicio el ensayo, ésta se vuelve
excéntrica al comenzar la fisuración.
Las desviaciones estándar de los resultados de los ensayos son bajas, por lo que se puede asegurar que se ha
conseguido una buena repetitividad entre ensayos.
Los resultados obtenidos en esta campaña experimental
ofrecen una muy valiosa información a cerca del mecanismo de fallo de los tipos de anclaje estudiados.
Además, estos resultados se pueden emplear para validar modelos numéricos de cálculo, y reducir así la incertidumbre inherente a los métodos clásicos de cálculo.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su agradecimiento a la empresa
INDAGSA por la financiación concedida para la realización de esta campaña experimental.
REFERENCIAS
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