2. Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y eficacia en
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2. Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y eficacia en
3º Congreso Iberoamericano sobre hormigón autocompactante Avances y oportunidades Madrid, 3 y 4 de Diciembre de 2012 Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y eficacia en sistemas de refuerzo por confinamiento de pilares cilíndricos P. Carballosa de Miguel Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja-CSIC de Madrid, España. J.P. Gutiérrez Jiménez Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja-CSIC de Madrid, España. L. Echevarría Giménez Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja-CSIC de Madrid, España. RESUMEN El confinamiento de pilares cilíndricos de hormigón por encamisado exterior, directo e indirecto, constituye un sistema de refuerzo pasivo que sólo actúa cuando el pilar objeto de refuerzo se deforma por acción de las solicitaciones actuantes. El uso de hormigones autocompactantes (HAC) expansivos en encamisados de confinamiento indirecto soluciona este inconveniente ya que debido a su acción expansiva pone en tensión la camisa contribuyendo a la distribución homogénea de tensiones entre pilar y camisa desde el instante inicial de su puesta en obra, transformando un refuerzo pasivo en uno activo que se muestra efectivo tanto para las solicitaciones que actúan en el instante de ejecución del refuerzo como para solicitaciones futuras cuya magnitud pudieran comprometer la integridad estructural del pilar reforzado. En este trabajo se recoge la metodología seguida para el diseño de HAC de retracción compensada conforme al código ACI 223 para su uso como elemento de relleno del espacio comprendido entre la camisa de refuerzo y el pilar. Las características de autocompactabilidad se determinan a través de ensayos normalizados tipo UNE y la dosis de aditivo expansor a través de métodos de ensayos recogidos en normas ASTM y a través de un dispositivo diseñado en el IETcc que simula en laboratorio la configuración del sistema de refuerzo de confinamiento por encamisados exteriores. Una vez determinada la dosis de aditivo expansor que garantiza la puesta en tensión del encamisado exterior gracias a la acción expansiva del HAC, se ensayan a compresión tres series de pilares: sin refuerzo, con refuerzo por confinamiento directo y refuerzo mediante confinamiento indirecto. Los resultados muestran que la camisa exterior entra en tensión desde el momento inicial y que la solución de confinamiento indirecto utilizando como relleno hormigones de retracción compensada incrementa la resistencia y la ductilidad de los elementos objeto de ensayo. PALABRAS CLAVE: confinamiento. Hormigón autocompactante, 365 expansivo, retracción, Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos 1.- INTRODUCCIÓN El refuerzo de pilares mediante técnicas de confinamiento es una metodología conocida, y sobre la que existen distintas variantes. Con el desarrollo de fibras sintéticas largas y de alto módulo (fibra de vidrio, fibras de carbono, aramidas[1], etc.), han surgido dos alternativas para el refuerzo: métodos de confinamiento directo [2] (wrapping), en el que se “envuelve” el pilar con la fibra y luego se aplica un recubrimiento) y métodos de confinamiento indirecto (shell-wrapping), según el cual se construye un encofrado que contiene la fibra de refuerzo y luego se rellena el hueco con un mortero fluido de adecuada resistencia [3]. En el caso de emplear camisas de refuerzo externas, esta situación implica que el refuerzo no contribuye al conjunto para las cargas de trabajo habituales de la estructura sino que trabajará cuando las sobrecargas induzcan mayor deformación en el pilar, éste se deforme y la camisa de refuerzo quede en tensión. En el caso particular del sistema shell-wrapping el llenado con el mortero del espacio entre la camisa y el pilar es una tarea difícil y la técnica empleada no asegura su correcto llenado. Además la retracción del hormigón impide la transmisión de cargas efectiva del pilar a la camisa de refuerzo desde el instante inicial de puesta en obra, no realizándose esta transmisión de solicitaciones hasta que se producen unas sobrecargas que deformen el pilar (Figura 1). Figura 1. Comportamiento de la solución de confinamiento sin hormigón autocompactante expansivo Una alternativa para mejorar estas situaciones es diseñar [4,5] un hormigón autocompactable y expansivo [6,7] para el relleno del encofrado de refuerzo [8]. La característica de autocompactabilidad del mortero permitirá asegurar el correcto llenado del encofrado de refuerzo de carbono, incluso procediendo a su inyección desde la zona inferior del pilar, en tanto que la característica de expansivo, optimiza la condición estructural del sistema. La importancia de esta metodología reside en mejorar la puesta en obra del sistema con la utilización de hormigones o morteros autocompactables, que aseguran el relleno de forma continua y compacta [9], así como la de transmitir desde el mismo momento de su ejecución un refuerzo activo [10] de confinamiento del elemento que ejerce la camisa debido al carácter expansivo de la mezcla (Figura 2). 366 P. Carballosa, J.P. Gutiérrez, L. Echevarría Figura 2. Comportamiento de la solución de confinamiento con hormigón autocompactante 2.- PROCESO EXPERIMENTAL 2.1- Diseño del hormigón autocompactante En este caso por facilidad de uso y con objeto de que la naturaleza y proporción de los componentes sea lo más homogénea posible se emplea un hormigón pre dosificado por una casa comercial, caracterizando tanto el estado fresco como el endurecido. Una vez determinadas las características de autocompactabilidad y resistencia mecánica de la mezcla de referencia, se establecen tres dosis de aditivo expansor 2.2- Procedimiento para evaluar el grado de expansión El objetivo del diseño de hormigones expansivos es el determinar la dosis de aditivo expansor requerida para alcanzar una expansión ligeramente superior a la retracción total prevista del hormigón. El Código ACI 223 establece el procedimiento de diseño en función de la relación entre la expansión del miembro, la expansión de prismas normalizados, y el porcentaje de refuerzo cuando el elemento y el prisma están fabricados con el mismo hormigón y se curan en condiciones idénticas. El ensayo de expansión restringida medida sobre probetas prismáticas se describe en la Norma ASTM C878. Si se emplea una camisa de refuerzo para reparar una columna, y el hueco existente entre la camisa y la columna de hormigón se llena con un hormigón expansivo, la situación es similar, ya que hay un cierto grado de restricción impuesto por el encamisado a la expansión; pero el grado de restricción es desconocido. En un caso ideal, podría representarse mediante una línea recta, equivalente a una determinada cuantía de refuerzo. Para reproducir experimentalmente estas situaciones, se reemplaza el hormigón interior por un anillo de acero muy rígido, que se envuelve con la camisa de refuerzo. Se asegura la alineación correcta de los elementos, y posteriormente, se rellena el hueco con el hormigón autocompactante de retracción compensada. Con el mismo hormigón se fabrican probetas prismáticas según el procedimiento ASTM C878, obteniendo así datos comparables. La expansión real del hormigón de retracción compensada que 367 Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos rellena el hueco se mide mediante galgas extensométricas adheridas a la camisa, más galgas adicionales en la parte interior del anillo, para cerciorarse que se comporta como un sólido indeformable, tal como se muestra en la Figura 3. Figura 2. Esquema del dispositivo diseñado para evaluar la restricción a la expansión impuesta por el refuerzo Una vez comprobado el buen funcionamiento del dispositivo del anillo en lo que a simulación del sistema de confinamiento se refiere, se realiza una configuración similar utilizando como núcleo un pilar cilíndrico de hormigón de dimensiones 240 x 900 mm al que se coloca en su alrededor, y equidistante, una camisa de fibra de carbono con galgas extensométricas, a 120º y en 3 alturas, para el registro de deformaciones en la misma. 2.3- Contribución mecánica del hormigón autocompactante expansivo Por último, con el fin de comparar la contribución del sistema de confinamiento estudiado a la capacidad resistente de pilares cilíndricos de hormigón armada se ensayan a compresión 3 configuraciones de refuerzo: 2 pilares cilíndricos de hormigón de dimensiones 24 x 90 cm, sin refuerzo. 2 pilares cilíndricos de hormigón de dimensiones 24 x 90 cm, con refuerzo directo de fibra de carbono. 6 pilares cilíndricos de hormigón de dimensiones 24 x 90 cm, con refuerzo de fibra de carbono + hormigón autocompactante expansivo. 3.- RESULTADOS 3.1- Propiedades reológicas y mecánicas del HAC de referencia Tabla 1. Ensayos de caracterización del hormigón en estado fresco Parámetro de Mezcla sin aditivo Norma de ensayo medida/Unidades (laboratorio) UNE EN 12350-8 Escurrimiento (df) (mm) 700 UNE EN 12350-9 Tiempo (seg) 3 UNE EN 12350-10 Coeficiente de bloqueo (CbL) 0,98 3 UNE EN 12350-6 Densidad (g/cm ) 2,2 UNE EN 12350-7 Contenido de aire (%) 5,1 368 P. Carballosa, J.P. Gutiérrez, L. Echevarría Tabla 2. Ensayos de caracterización del hormigón en estado endurecido Mezcla sin aditivo Norma de ensayo Parámetro de medida/Unidades (laboratorio) UNE EN 12390-3 Resistencia a compresión (MPa) 25,8 UNE EN 12390-5 Resistencia a flexión (MPa) 4,1 UNE 83316 Módulo elástico estático (GPa) 23,5 3.2- Expansión en probetas prismáticas Una vez comprobada la autocompactabilidad de la mezcla, se evalúa el grado de expansión sobre probetas prismáticas, para determinar una única dosis de aditivo expansor que garantice unas deformaciones positivas que compensen la restricción y retracción del hormigón de referencia. Para ello, se moldean 2 series de 4 probetas por cada dosis de aditivo expansor empleado, de acuerdo a la norma ASTM C878, y se las somete a dos regímenes de curado: 2 probetas: 7 días en cámara húmeda (20ºC 2ºC, HR>95%) + curado en cámara seca (20ºC 2ºC, HR 50% 5%). 2 probetas con envoltura aislante: 7 días en cámara húmeda (20ºC 2ºC, HR>95%) + curado en cámara seca (20ºC 2ºC, HR 50% 5%). Las dosis de aditivito expansor que se emplean son de 10%, 15% y 50% sobre el peso de cemento. Las probetas con un 50% de aditivo expansor demostraron un grado de expansión elevado, que fue imposible medir ya que se provocaba la destrucción del hormigón. En la figura 4 se muestran los resultados de expansión y secado de las series con 15% y 10% de aditivo expansor. Figura 3. Resultados de expansión con un 15% y 10% de aditivo expansor 369 Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos La expansión máxima alcanzada con un 15% de aditivo es del orden de cinco veces la alcanzada con un 10% del compuesto expansor. En cuanto a los regímenes de secado, la velocidad del mismo es similar e independiente de la dosis de aditivo. 3.3- Expansión en dispositivo de anillo A partir de las mediciones de expansión en vigas prismáticas se escoge la dosis de aditivo del 15% para evaluar su comportamiento en el dispositivo del anillo, ya que, según los resultados, proporciona los rangos de expansión adecuados. Se moldean varios anillos, con un refuerzo exterior consistente en una camisa exterior de fibra de carbono, para evaluar si el hormigón con la dosis del 15% de aditivo expansor puede compensar el grado de restricción impuesto por los mismos. En este caso se evalúa el grado de restricción en tres regímenes de curado: 1 anillo en cámara húmeda (20ºC 2ºC, HR>95%) 1 anillo con envoltura aislante en cámara seca (20ºC 2ºC, HR 50% 5%). 1 anillo sin envoltura aislante en cámara seca (20ºC 2ºC, HR 50% 5%). A continuación se muestran los resultados de expansiones medidas en anillos con camisa de carbono según la configuración de dispositivo propuesto anteriormente. El gráfico de la figura 3 recoge la deformación media de tres galgas dispuestas circunferencialmente cada 120 grados. Figura 4. Resultados de expansión para una camisa de carbono (curado: cámara húmeda, film y al aire) Los resultados permitieron comprobar que la camisa exterior de carbono entraba en todos los casos efectivamente en tensión debido a la acción del hormigón expansivo que se empleó para rellenar el hueco entre la camisa exterior y el anillo de acero interior que simula un pilar de hormigón. 370 P. Carballosa, J.P. Gutiérrez, L. Echevarría Las deformaciones medidas sobre el anillo interior fueron despreciables, lo que indica que efectivamente simula el efecto de un pilar macizo. Las expansiones medidas sobre los anillos permitió la comparación con los resultados de expansión medidos sobre las vigas. Los resultados demuestran que, efectivamente, la relación entre la deformación sufrida por la camisa de refuerzo de fibra de carbono y la experimentada por probetas prismáticas con restricción de acuerdo a la norma ASTM C878 son lineales, con muy buen grado de correlación. Por tanto, podría aplicarse el esquema de diseño propuesto en la ACI 223, actualizando los ábacos de diseño a las medidas realizadas con el dispositivo propuesto en este trabajo. 3.3- Contribución mecánica del hormigón autocompactante expansivo La técnica de refuerzo propuesta, camisa de fibra de carbono y hormigón autocompactante expansivo, ha sido aplicada en pilares de hormigón armado de sección circular de 900 mm de altura y 240 mm de diámetro para comprobar su eficacia y ajustar y validar el modelo propuesto de confinamiento. Se han construidos 10 pilares de hormigón armado de baja resistencia. Para el refuerzo se han fabricado camisas de fibra de carbono de 320 mm de diámetro, con un espesor de lámina de 1,3 mm y una tensión de rotura del orden de 508 MPa. Las configuraciones de refuerzo ensayadas han sido: 2 Pilares sin refuerzo (PH-1 y PH-2). 2 Pilares con refuerzo directo de fibra de carbono, wrapping (PHR-1 y PHR2). 6 Pilares con refuerzo directo de fibra de carbono, sell-wrapped column (PHRE-1 a PHRE-6) Figura 5. Configuraciones de refuerzo objeto de ensayo 371 Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos El hormigón utilizado fue de 23 N/mm2 de resistencia media y la deformación medida en la camisa de fibra de carbono por efecto de la expansión del hormigón autocompactante expansivo fue de 0,685 ‰. La tabla 3 recoge la carga media de rotura y tensión media de los pilares ensayados para cada una de las configuraciones de refuerzo propuestas. Tabla 3. Resultados de resistencia a compresión en pilares Carga rotura Carga media Resistencia a compresión Referencia pilar (kN) (kN) promedio (N/mm2) PH-1 1032 1043 23,06 PH-2 1054 PHR-1 1673 PHR-2 1569 PHRE-1 PHRE-2 PHRE-3 PHRE-4 PHRE-5 PHRE-6 2682 2830 2653 2957 2708 2851 1621 35,83 2780 61,45 Figura 6. Resistencia a compresión según refuerzo 372 P. Carballosa, J.P. Gutiérrez, L. Echevarría 4.- CONCLUSIONES Es posible emplear un hormigón autocompactante de retracción compensada como relleno de camisas de fibra de carbono para pilares de sección circular. Se asegura la puesta en carga desde el instante inicial de colocación del refuerzo, gracias a las reacciones expansivas, sin necesidad de esperar a que se produzcan sobrecargas. La expansión dependerá de la dosis de aditivo, por lo que deberá diseñarse previamente la mezcla de hormigón. Pudiendo emplearse la correlación del dispositivo de anillo que simula el pilar a reforzar y las probetas prismáticas ASTM C878, puesto que esta correlación es lineal y permite obtener la expansión que va a experimentar la camisa de refuerzo en función de la medida sobre probetas normalizadas. La presencia o no de agua externa afecta a la cuantía de las deformaciones experimentadas, pero no al comportamiento, por lo que podría establecerse un método de ensayo basado en condiciones de conservación estándar. Aumento de la respuesta resistente a compresión en el caso de sistemas de confinamiento indirecto, con hormigones expansivos, frente al sistema de confinamiento directo. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido posible gracias a la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación de España, para desarrollar el proyecto de referencia BIA2007-62464, a través de la convocatoria de Ayudas a Proyectos de I+D 2007. Así mismo, los autores del trabajo agradecen la colaboración de la empresa SIKA, S.A.U., por los medios materiales y humanos puestos a disposición del mismo. REFERENCIAS [1] TOUTANJI, HOUSSAM, DENG, YONG. - Strength and durability performance of concrete axially loaded members confined with AFRP composite sheets. Composites Part B: engineering, Vol. 33, 253-264, 2002. [2] SHAMIM A. - Performance of concrete structures retrofitted with fibre reinforced polymers. Engineering Structures, #24, 869-879, 2002. [3] HEON-SOO C., KEUN-HYEOK Y., YOUNG-HO L., HEE-CHANG E. - Stressstrain curve of laterally confined concrete, Engineering Structures, #24, 1153-1163, 2002. [4] ACI, COMITÉ ACI 223-98. - Standard Practice for the Use of ShrinkageCompensating Concrete, Manual of Concrete Practice, Vol I, 2001. 373 Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos [5] ASTM C878. - Standard Test Method for Restrained Expansion of ShrinkageCompensating Concrete. 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