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RESUMEN DE EXPERIENCIAS DE REFUERZO AL CORTE SOBRE VIGAS DE

HORMIGÓN ARMADO ESCALA 1:2

Francisco J. Crisafulli jcrisa@uncu.edu.ar

Carlos R. Llopiz

ciescrllopiz@itcsa.net

Eduardo J. Vega edusvega@hotmail.com

IMERIS, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo

Centro Universitario, Mendoza. RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados experimentales de vigas de hormigón armado, en las cuales se aplicaron diferentes técnicas de refuerzo al corte. Estos ensayos forma parte del proceso de rehabilitación sísmica de un edificio público de hormigón armado ubicado en la ciudad de Mendoza. El principal problema en el edificio en estudio es la insuficiente cantidad de armadura transversal, estribos en vigas y armaduras horizontales en tabiques, de modo que la seguridad global está seriamente comprometida ante la ocurrencia del sismo de diseño. Es por ello que se implementó un plan de rehabilitación sísmica, el cual contempla, entre otras acciones, el refuerzo a corte de las vigas que integran los pórticos sismorresistentes de la estructura. El plan de rehabilitación adoptado contempla la realización de ensayos experimentales para validar las técnicas de refuerzo a corte. Antes de llevar a cabo estudios sobre los modelos en escala natural, se construyeron y ensayaron seis modelos de vigas simples, en escala 1:2. Las técnicas de refuerzo empleadas consistieron en el uso de (i) planchuelas de acero soldadas a barras roscadas, (ii) barras roscadas y (iii) bandas de fibras de carbono adheridas con resinas epoxi. La experiencia adquirida en la construcción de los modelos simples y los resultados obtenidos han servido de base para el diseño, detalle y construcción de los modelos en escala 1:1, con los cuales se adoptó la solución definitiva para el refuerzo del edificio en estudio.

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RESUMEN DE EXPERIENCIAS DE REFUERZO AL CORTE SOBRE VIGAS DE HORMIGÓN ARMADO ESCALA 1:2

INTRODUCCIÓN El proceso de rehabilitación sísmica En la actualidad, una cantidad significativa de edificios ubicados en zonas de actividad sísmica en todo el mundo no cumplen con los requerimientos de diseño sismorresistente que exigen los códigos modernos, de modo que son vulnerables y podrían resultar dañados ante la acción de un terremoto. Este problema se puso en evidencia en el terremoto de San Fernando, USA, en 1971, por lo que se iniciaron tareas de investigación para identificar y mitigar el riesgo sísmico (Moehle, 2000). Estas tareas continuaron, y se extendieron a otros países, lo que permitió que en la década de 1990 se dispusiera de criterios y procedimientos confiables para la rehabilitación. Una edición especial de Earthquake Spectra (Jirsa, 1996) muestra claramente los avances logrados en la investigación sobre reparación y rehabilitación de distintos tipos de estructuras. La rehabilitación sísmica de construcciones existentes es un complejo proceso a través del cual se busca mejorar el comportamiento estructural ante la acción de terremotos y, por ende, reducir su vulnerabilidad. Para ello se deben fijar objetivos a cumplir y, a partir de las deficiencias detectadas en los estudios de evaluación, se adoptan medidas o estrategias de rehabilitación. De esta forma es factible modificar favorablemente propiedades del sistema tales como resistencia, ductilidad, rigidez, redundancia, regularidad estructural, etc. La necesidad de rehabilitar construcciones es un problema importante que afecta prácticamente a todos los países ubicados en zonas de actividad sísmica, independientemente del grado de desarrollo alcanzado. Ello se debe a que numerosos edificios y obras de infraestructura aún en uso fueron construidos según códigos que no cumplen con los requerimientos actuales. La ingeniería sismorresistente fue evolucionando paulatinamente y recién en la década de 1970 se implementaron códigos de diseño que incluyen procedimientos confiables y, fundamentalmente, requerimientos constructivos para asegurar el comportamiento dúctil de la estructura. En Argentina esa situación se alcanzó unos años después con la aplicación del reglamento IC-103-1983 y en Mendoza con el Código de Construcciones Sismorresistentes de 1987 (CCSRMza, 1987). En la actualidad Argentina no cuenta con reglamentos para la rehabilitación de construcciones existentes, de modo que pueden seguirse los criterios que fijan los documentos editados por otras organizaciones a nivel internacional, como Federal Emergency Managment Agency, FEMA (2000), FEMA (2006) y FEMA (2009), American Society of Civil Engineers, ASCE (2006), New Zealand Society for Earthquake Engineering, NZSEE (2006) y American Concrete Institute, ACI 440-F Subcommittee (2010). Refuerzo de vigas de hormigón armado Las estrategias de rehabilitación sísmicas son diversas, sin embargo, una de las técnicas más usuales es la modificación de los elementos estructurales existentes con el objeto de mejorar su desempeño. En el caso particular de vigas de hormigón armado, uno de los aspectos importantes

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a considerar, y que condiciona significativamente el diseño de las soluciones de refuerzo, es la presencia de losas o entrepisos que dificultan la colocación de los mismos. Los problemas usuales que se detectan en en la rehabilitación de vigas de hormigón armado son: (i) baja resistencia a corte, de modo que no se cuenta con estribos insuficientes para resistir los esfuerzos de corte generados al desarrollar el mecanismo de deformación plástica, (ii) estribos con separación excesiva y/o diámetro reducido que no permiten confinar al hormigón comprimido ni controlar el pandeo de las barras longitudinales para asegurar un nivel aceptable de ductilidad, (iii) baja resistencia a flexión, esto es armaduras longitudinales insuficientes, y (iv) reducida rigidez, lo cual resulta en desplazamientos y/o demandas de deformación excesivas. Entre los refuerzos más usuales que se emplean en la práctica para solucionar los problemas mencionados previamente se pueden mencionar los siguientes: Refuerzos de hormigón armado: esta es una de las primeras técnicas desarrolladas y consiste en agregar armadura longitudinal y transversal en la periferia del elemento a reforzar y luego hormigonar, incrementando así la sección transversal (por lo cual esta técnica se conoce también como "recrecimiento"). De esta forma es posible incrementar la resistencia a flexión y corte y la ductilidad disponible en caso de que se formen rótulas plásticas. Refuerzos de acero: El uso de camisas o refuerzos de acero presenta ventajas porque agiliza el proceso constructivo y evita el uso de hormigón fresco en la obra. Esta técnica fue desarrollada originalmente por Chai et al. (1991) para columnas circulares. Los refuerzos de vigas con distintos tipos de elementos metálicos (placas continuas, pletinas, perfiles L, barras roscadas, etc.) han sido investigados y aplicados a obras en diversos países. La mayoría de las aplicaciones corresponden al uso de elementos de refuerzo longitudinal para aumentar la resistencia a flexión. La vinculación de los refuerzos metálicos a la viga de hormigón armado se logra mediante adhesivos o anclajes de distinto tipo, con el objeto de asegurar la transferencia de esfuerzos y el trabajo conjunto de la estructura existente y los refuerzos. Estos trabajos han permitido comprender el comportamiento, identificar modos de falla y proponer criterios de diseño. Los resultados experimentales indican que el modo de falla a corte de vigas reforzadas externamente es diferente de aquel observado en vigas que sólo tienen estribos. En el primer caso, el comportamiento está controlado por la eficiencia del anclaje de los refuerzos más que por la resistencia a tracción de los mismos. Refuerzos con FRP: los materiales compuestos, formados por una matriz de polímero (resinas termoplásticas o termoestables) reforzada con fibras sintéticas (conocidos usualmente por sus siglas en ingles FRP, fibre reinforced polymer), se desarrollaron y aplicaron luego de la Segunda Guerra Mundial para aplicaciones militares y aeronáuticas. Inicialmente se utilizó como refuerzo fibra de vidrio (en este caso el material se denomina por sus siglas en inglés GFRP, Glass) y luego fibras de carbono (CFRP, Carbon) y aramida (de Kevlar, Twaron, etc., que se denominan en forma general como AFRP). Estas fibras se caracterizan por una elevada resistencia a tracción, bajo peso y comportamiento no corrosivo. En contraposición a estas ventajas, presenta una respuesta frágil, con rotura a bajas deformaciones.

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El uso de materiales compuestos, tipo FRP, representa en la actualidad la solución más generalizada para refuerzos a corte en vigas de hormigón armado. Los refuerzos pueden disponerse según distintas configuraciones, como se indica en los esquemas de la Fig. 3.13. El uso de refuerzos laterales, Figura 1 (a), es muy simple desde el punto de vista constructivo pero presenta desventajas estructurales debido a la posible falla por perdida de adherencia y despegue parcial o completo de las fibras. Los refuerzos en U, Figura.1 (b), representan una ventaja con respecto al caso anterior, pero aún persisten problemas en los extremos superiores de la U, que no pueden anclarse debidamente. Es por ello que diversos autores (Triantafillou, 1998; Colotti et al., 2004) indican el uso de anclajes en los extremos del refuerzo, para mejorar la capacidad al corte y retardar la falla por despegue del mismo. En la Figura 1 (c) se muestran dos posibles alternativas para colocar estos anclajes. Es posible también envolver completamente la viga con el refuerzo de fibras, Figura 1 (d) con lo que se mejora significativamente la respuesta estructural pero se complica el proceso constructivo, debido a la necesidad de perforar la losa para colocar los refuerzos envolventes. Si bien se ha demostrado que todas las configuraciones permiten incrementar la resistencia corte de una viga, los refuerzos envolventes son los que presentan mayor eficiencia, mientras que el refuerzo lateral es el menos eficiente. Es importante mencionar que los tejidos de FRP no pueden colocarse con quiebres bruscos, por lo cual las esquinas de la viga de hormigón deben redondearse para disponer los refuerzos en U o envolventes. Las recomendaciones del ACI (ACI Committee 440, 2008) indican que el radio para redondear las esquinas debe ser de 13mm como mínimo para evitar la concentración de tensiones en el FRP.

Figura 1. Disposiciones típicas de FRP para refuerzo a corte de vigas: (a) refuerzo lateral, (b) refuerzo en U, (c) refuerzo en U con anclajes y (d) refuerzo envolvente.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO EN ESTUDIO El caso que se presenta en este trabajo se relaciona con la rehabilitación sísmica de un edificio gubernamental existente en la Ciudad de Mendoza, el cual fue construido a principios de la década de 1970. El mismo cuenta con 10 pisos y 9500 m2 de superficie cubierta, aproximadamente; su destino es el de oficinas y diariamente concurren a él más de 3000

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personas. La estructura es de hormigón armado está formada por pórticos y algunos tabiques dispuestos en la zona de circulaciones verticales y la periferia del edificio. Los entrepisos son losas macizas que pueden considerarse como diafragmas rígidos a los efectos del análisis estructural. Si bien el edificio no presenta daños visibles que hubieran motivado su estudio y eventual refuerzo, las autoridades responsables del mismo, conscientes del riesgo potencial ante un evento extremo, han optado por realizar una evaluación e implementar soluciones acordes a los conocimientos actuales. Inicialmente, se realizó el diagnóstico mediante un estudio de evaluación estructural. Como resultado de este estudio se concluyó que era necesario implementar una serie de medidas tendientes a mejorar la seguridad estructural del edificio. Una de las principales conclusiones fue que, si bien las vigas tienen suficiente resistencia a flexión para soportar las solicitaciones inducidas por el sismo de diseño, la resistencia corte es insuficiente por la baja cuantía de estribos utilizada. Además, se detectó que los estribos están dispuestos con separaciones excesivas, del orden de 150mm, de modo que no se cumplen los requerimientos reglamentarios para confinar el hormigón y evitar el pandeo de las barras longitudinales en las zonas de rótulas plásticas. Todas estas circunstancias indican que no es posible que se desarrolle un mecanismo dúctil, mediante la formación de rótulos plásticas en las vigas de los pórticos. Consecuentemente, se decidió reforzar las vigas de hormigón armado del edificio para corregir estas deficiencias. En las secciones siguientes se presentan los aspectos más relevantes de un plan de ensayos experimentales que se implementó en el Instituto de Mecánica Estructural y de Riesgo Sísmico, IMERIS, de la Facultad de Ingeniería, UNCuyo, para validar las técnicas de refuerzo a corte. Antes de llevar a cabo estudios sobre los modelos viga-columna en escala natural, se construyeron y ensayaron seis modelos de vigas simples, en escala 1:2. Estos ensayos se realizaron a modo de estudio preliminar y la experiencia adquirida en la construcción de los modelos simples sirvieron de base para el diseño, detalle y construcción de los modelos en escala 1:1 (los resultados de estos ensayos se presentan en Llopiz et al, 2011), con los cuales se adoptó la solución definitiva para el refuerzo del edificio en estudio.

OBJETIVOS DE LOS ENSAYOS Los objetivos de los ensayos preliminares sobre modelos a escala 1:2 se pueden sintetizar en: • Evaluar experimentalmente el comportamiento de técnicas de refuerzo de vigas, factibles de

ser aplicados en Argentina, con el objeto de aumentar la resistencia a corte y de controlar el pandeo de las barras longitudinales de refuerzo.

• Comparar las técnicas ensayadas y elegir las más eficientes para aplicarlas en modelos de nudos internos y externos que contengan sistemas de vigas-losas-columna con las características de la estructura en estudio

• Aplicar conceptos de diseño por capacidad según la propuesta del nuevo reglamento de hormigón armado para Argentina (IC-103-2005).

DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS Modelos a ensayar

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De acuerdo a los objetivos de los ensayos, y considerando el tiempo y recursos disponibles, se diseñaron y construyeron seis vigas de hormigón armado de 150 mm de ancho y 300 mm de altura y 2.5 m de longitud. Las armaduras longitudinales, en todos los casos, estaban formadas tres barras de acero, ADM, acero torsionados en frío, de diámetro 12 mm arriba y abajo. La cuantía es ρ=0.81 %, valor representativo de las vigas existentes en el edificio en estudio. La Figura 2 muestra la sección transversal de las vigas ensayadas (el dibujo del estribo es esquemático, pues responde a la descripción que luego se hace para cada caso).

Figura 2. Esquema de armado de las vigas ensayadas

Se describen a continuación las características principales de los distintos tipos de vigas ensayadas: Viga V1: la armadura de corte se diseñó por capacidad en toda su longitud y con la separación necesaria para controlar el pandeo de barras longitudinales. Esta viga sirvió como referencia para definir el comportamiento una respuesta dúctil y también para verificar las herramientas de predicción analítica para estructuras simples y los requerimientos reglamentarios (IC-103-2005). En la Figura 3 se muestra el detalle de los estribos utilizados en es esta viga.

Figura 3. Detalle de la armadura transversal de la viga V1.

Viga V2: sin armadura de corte en la zona de interés y sin refuerzos adicionales, de modo de representar la situación que prácticamente se da en el edificio en estudio (ver Figura 4). Se verificaron los modos y secuencias de falla y los niveles reales de resistencia confiables para distintos estados límites ante carga cíclica.

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Figura 4. Detalle de la armadura transversal de la viga V2.

Vigas V3: esta viga, sin armadura de corte en la zona de interés, se utilizó para el estudio de alternativas de refuerzos con planchuelas de acero soldadas a varillas roscadas, según el detalle que se indica en la Figura 5. El diseño de las planchuelas se realizó para obtener una resistencia a corte equivalente a la provista por los estribos de la viga V1 (según diseño por capacidad). Es por ello que se usaron planchuelas de 25 mm de ancho y 2 mm de espesor, de acero F24, con separación de 100 mm. Las varillas roscadas utilizadas fueron Hilti HAS, grado 5.8, de diámetro 3/8” =9.5 mm de diámetro, estándar con baño de zinc y área neta igual a 0.50cm2.

Figura 5. Detalle del refuerzo formado por planchuelas de acero.

Estos refuerzos se aplicaron sobre la viga una vez que el hormigón ya estaba completamente endurecido. La colocación se realizó según el siguiente procedimiento: • Preparación de la superficie del hormigón, limpieza y marcado de bandas a reforzar • Aplicación de pegamento epoxi (Sikadur 30) en la posición de las planchuelas, para lograr

adherencia con el hormigón. • Colocación de las planchuelas “U” , • Colocación de la planchuela superior y ajuste de las tuercas en las varillas roscadas para

completar el refuerzo.

Las planchuelas de refuerzos se dispusieron en la zona en estudio de la viga, como se muestra en las Figuras 6 y 7.

15cm

30cm

Planchuela con forma de “U”. Sección 25 x 2 mm. Separación 100 mm.

Planchuela con orificios. Sección 250 x 25 x 6 mm. Separación 100 mm.

Varilla roscada 3/8” Hilti, soldada a la “U” y abulonada en la parte superior.

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Figura 6. Detalle armadura transversal y refuerzos de la viga V3.

Figura 7. Fotografía de los refuerzos con planchuelas de acero en la viga V3.

Viga V4: esta viga es similar a la anterior en lo que se refiere a cantidad y tipo de estribos (ver Figura 6). Sin embargo, el detalle de refuerzo se modificó utilizando planchuelas de 40 mm de ancho y 2 mm de espesor, de acero F24, con separación de 200 mm. Las varillas roscadas utilizadas fueron Hilti HAS, grado 5.8, de diámetro 3/8” =9.5 mm de diámetro, estándar con baño de zinc y área neta igual a 0.50cm2. Las planchuelas en U se vincularon a la viga de hormigón con varillas de acero insertas en el hormigón, como se muestra en las Figuras 8 y 9.

Figura 8. Detalle de los refuerzos con planchuelas de acero en la viga V4.

15cm

30cm

Planchuela con forma de “U”. Sección 40 x 2 mm. Separación 200 mm.

Planchuela con orificios. Sección 250 x 40 x 6mm. Separación 200 mm.

Varilla roscada Hilti insertada en el hormigón.

Varilla roscada 3/8” Hilti, soldada a la “U” y abulonada en la parte superior.

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En este caso se usaron planchuelas más anchas, con mayor separación, por lo cual la resistencia a corte del refuerzo es similar al del usado en la viga V3. Sin embargo, la mayor separación de las planchuelas no asegura la efectividad de las mismas para controlar el pandeo de las barras longitudinales, ya que ahora la separación libre entre planchuelas es de 160 mm, cuando en el caso anterior es de 75 mm.

Figura 9. Fotografía de los refuerzos con planchuelas de acero en la viga V4.

Viga V5: esta viga fue reforzada en la zona de estudio con bandas de fibras de carbono (la denominación comercial del material empleado es SIKA WRAP 103C). Se aplicó una banda simple de 25mm de ancho y 0.35mm de espesor, con una separación de 100mm, como se indica en las Figuras 10 y 11. La aplicación del refuerzo la realizó personal especializado perteneciente a la empresa proveedora del material.

Figura 10. Detalle armadura transversal y refuerzos de la viga V5.

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Figura 11. Fotografía de los refuerzos con fibras de carbono en la viga V5.

Viga V6: en este modelo de ensayo se utilizó un refuerzo con varillas roscadas de diámetro 7/16" (11,11mm) de acero SAE 1010, dispuestas verticalmente a los costados de la viga, y elemento transversales de acero atornillados a aquellas en las caras superior e inferior de la viga (ver detalle Figura 12). Estos refuerzos se dispusieron sobre la viga con una separación de 100mm, según se muestra en las Figuras 13 y 14.

Figura 12. Detalle del refuerzo metálico de la viga V6.

Figura 13. Detalle armadura transversal y refuerzos de la viga V6.

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Figura 14. Fotografía de los refuerzos con varillas de acero en la viga V6.

Materiales Para la construcción de las vigas se especificó un hormigón H-21, en función de las resistencias obtenidas a partir de extracción de muestras en el edificio en estudio. Para el hormigón se utilizaron los siguientes componentes: cemento 370 kg/m3, agua 200 litros/m3, arena 820 kg/m3 y agregado grueso 6/20 970 kg/m3. La resistencia a compresión promedio fue de 22,1 MPa, obtenida del ensayo de probetas de 100mm de diámetro y 200 mm de altura. Los propiedades mecánicas de las barras de acero ADM 420, utilizadas como refuerzo longitudinal de las vigas, se obtuvieron mediante ensayos de tracción y se presentan en la Tabla 1. Tabla 1.Parámetros mecánicos de las barras de acero ADM 420, φ 12 mm.

Espécimen fy

[MPa] fsu

[MPa] εy

[%] εsh

[%] εsu

[%] Es

[MPa] Esh

[MPa] TOR12 540 580 0,264 0,264 10.5 204740 6225

Las planchuelas de refuerzo se fabricaron con acero F-24. Para evaluar sus propiedades mecánicas se realizaron ensayos de tracción sobre dos probetas y los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 2. Tabla 2. Parámetros característicos planchuelas acero F-24.

Espécimen fy

[MPa] fsu

[MPa] εy

[%] εsh

[%] εsu * [%]

Es [MPa]

Esh [MPa]

Probeta 1 327 479 0,15% 2,20% 21,36% 215793 2890 Probeta 2 333 491 0,16% 1,97% 16,22% 207279 3572 Promedio 330 485 0,16% 2,09% 18,79% 211536 3231

* El alargamiento de rotura medido más allá de la instrumentación, al final del ensayo y reconstituyendo la probeta fue de 27%.

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Las barras roscadas fueron utilizadas como alternativa de refuerzo de vigas con deficiencias de estribos ya sea soldadas a las planchuelas metálicas o bien como barras pasantes y ajustadas entre la parte superior de la losa y la parte inferior de la viga utilizando perfiles angulares. En las Tablas 3 y 4 se presentan las propiedades mecánicas de las varillas roscadas usadas en los refuerzos, las cuales fueron obtenidas experimentalmente mediante ensayos de tracción. Tabla 3. Parámetros de la barra roscada 5/8”. Hilti.

Espécimen Py fy Pu fsu εy εsh εsu Es Esh

[kN] [MPa] [kN] [MPa] [%] [%] [%] [MPa] [MPa]

5/8" HILTI 90.2 680 101.0 762 0,31% 0,31% 0,90% 219787 13838 (diámetro utilizado para el cálculo de las tensiones fue dc = 13mm)

Tabla 4 Parámetros de la barra roscada 7/8” Acero SAE 1010.

Espécimen Py fy Pu fsu εy εsh εsu Es Esh

[kN] [MPa] [kN] [MPa] [%] [%] [%] [MPa] [MPa]

7/8” 1010 139.5 492 158.2 558 0,25% 0,25% 0,71% 193075 14524 (diámetro utilizado para el cálculo de los parámetros: dc = 19mm)

Para evaluar las propiedades mecánicas de las fibras de carbono se implementó un programa experimental cuya descripción completa, por razones de extensión, escapa a los alcances del presente trabajo. Se ensayaron a tracción 6 probetas de hormigón con bandas de fibras de carbono adheridas a ellas, con el objeto de simular las condiciones a las que estarán sometidos los refuerzos en las vigas. Las principales conclusiones obtenidas fueron: • Las resistencias de las bandas de fibras de carbono, en general, son proporcionales al área, es

decir exhiben un aumento lineal al incrementar el ancho y el número de capas. • El valor del módulo de elasticidad medido fue 235000 MPa (bastante similar al indicado por

el proveedor). • El comportamiento de los refuerzos es aproximadamente elástico y sin posibilidad de

ductilidad, con rotura frágil y repentina. • Los límites de la deformación específica efectiva de 0.004 y de 0.75εfu (indicados en la

norma) se consideran adecuados para limitar la tensión de las fibras trabajando en tracción.

Dispositivo para los ensayos Las vigas descriptas previamente se ensayaron como vigas en voladizo. Para ello, un extremo se fijó sobre un bloque de hormigón, el cual a su vez se ancló sobre la losa del Laboratorio de Estructuras del IMERIS. En el otro extremo se aplicó la carga cíclica mediante un actuador hidráulico de 100kN de capacidad, que se montó sobre un pórtico de reacción. En la Figura 15 se muestra un esquema con el dispositivo de ensayo utilizado. En los ensayos se usó una celda de carga para medir la fuerza aplicada por el actuador y transductores de desplazamiento para medir los desplazamientos en distintos puntos de la viga. Estos instrumentos se conectaron a un sistema de adquisición de datos de 32 canales, con lo cual

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se almacenó la información y se controlaron todas las variables medidas en tiempo real durante la realización del ensayo. El dispositivo de ensayo utilizado somete a las vigas a esfuerzo de corte constante en la zona de estudio (parte central de 1.25m de longitud), mientras que el momento flector varía linealmente con valor máximo en el extremo empotrado de la viga. El estado de solicitaciones inducido en las vigas se considera adecuado para estudiar la efectividad de los refuerzos propuesto y verificar si es posible desarrollar la rótula plástica en el extremo empotrado.

Figura 15. Configuración del ensayo de vigas

RESULTADOS DE LOS ENSAYOS Viga V1 (con estribos diseñados por capacidad) Esta viga mostró un buen comportamiento, lo cual era previsible dado que el refuerzo a corte se determinó a partir de la aplicación del diseño por capacidad según los requerimientos de reglamentos modernos. La Figura 16 presenta la respuesta carga-desplazamiento vertical del extremo de la viga. Se observa claramente que la viga desarrolló su capacidad a flexión y se deformó en rango plástico con una ductilidad de 4.6. La predicción analítica realizada previamente al ensayo arrojo un valor de carga máxima de 3700kg, lo cual concuerda bien con el valor medido. Los resultados obtenidos en este ensayo sirven como referencia para evaluar el desempeño de las otras vigas donde se han realizado refuerzos.

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Figura 16. Resultado del ensayo de la viga V1.

Viga V2 (sin estribos) El ensayo de esta viga mostró que el mecanismo de resistencia a corte debido solamente al hormigón fue suficiente para permitir que comenzara a desarrollarse la resistencia flexional. Sin embargo, la viga sin estribos no pudo desarrollar una ductilidad adecuada debido a la degradación por corte . La Figura 17 representa la respuesta carga-desplazamiento vertical medida en este ensayo, el cual se realizó en dos etapas debido a una interrupción en la energía eléctrica (cada etapa se representa como G e I en esa figura). En una primera instancia se realizaron varios ciclos en el rango elástico con el fin de poder apreciar la formación de fisuras. La falla se produjo en forma repentina, con una grieta diagonal de unos 3mm de espesor. En la Figura 18 se presentan dos fotos de la viga al finalizar el ensayo. Pueden observarse claramente la grietas resultantes de la combinación de flexión y corte en el extremo empotrado de la viga.

Figura 17. Resultado del ensayo de la viga V2.

Desplaz

Carga

B

A

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Figura 18. Estado final de la viga V2. A la derecha se miden fisuras de 3mm espesor.

Viga V3 (reforzada con planchuelas de acero) Los resultados obtenidos indican que el comportamiento de esta viga es similar al de la viga V1, con estribos diseñados por capacidad. En la Figura 19 se muestra la respuesta medida en este ensayo. Luego de aplicar los ciclos de carga que se muestran en la figura, se continuó el ensayo carga monotónica hasta que se produjo la fractura de las tres barras longitudinales dispuestas en la cara inferior de la viga. No se observó ningún deterioro en los refuerzos de acero y se comprobó la eficiencia de los mismos para resistir el corte y permitir el desarrollo de la rótula plástica.

Figura 19. Resultado del ensayo de la viga V3.

La Figura 20 muestra una fotografía de la viga, antes de proceder a cargarla hasta rotura. Se observa el agrietamiento en la zona de la rótula plástica y la eficiencia del refuerzo para resistir el corte.

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Figura 20. Vista de la viga V3 luego de finalizar el ensayo cíclico. Viga V4 (reforzada con planchuelas e insertos de acero) Este ensayo demostró un buen comportamiento del refuerzo utilizado (similar al caso anterior, ver Figura 19). De modo que el uso de insertos de acero adicionales para mejorar la vinculación y transferencia de esfuerzos entre el hormigón y las planchuelas es una alternativa válida en lugar de adherir la planchuela con pegamento epoxi, como se hizo en el caso anterior. La Figura 21 presenta la respuesta carga-desplazamiento vertical obtenida al ensayar la viga V4. Esta viga no se ensayó hasta la rotura ya que se quiere realizar posteriormente una reparación mixta, con las bandas de fibra de carbono, para evaluar su respuesta.

Figura 21. Resultado del ensayo de la viga V4.

Viga V5 (reforzada con fibras de carbono) Esta alternativa de refuerzo mostró un comportamiento adecuado, como puede deducirse a través de la respuesta carga-desplazamiento que se presenta en la Figura 22. Sin embargo, se observó

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durante el ensayo que a medida que las fisuras por corte en la zona crítica aumentaban en espesor, el mecanismo de fricción entre agregados iba deteriorando a la fibra, la que tendía a separarse en gajos paralelos a la dirección de resistencia, es decir verticales. Esto hacía que las fibras perdieran rigidez por tendencia a abrirse, lo cual inducía mayor apertura de las fisuras diagonales. En definitiva, el mecanismo se degradaba: el hormigón hacía daño a las fibras y éstas no controlaban la apertura de fisuras. En la Figura 23 se muestra la zona critica al finalizar el ensayo, pudiéndose observar la rotura de las fibras. La rotura fue explosiva y con ruido de corte de las fibras, lo cual llevó a una falla frágil por corte. Es por ello que la norma (ACI Committee 440, 2008) exige que en zona de potencial rótula plástica con responsabilidad de disipación de energía, se deben colocar al menos dos capas de fibras, y separadas, al igual que en el caso de estribos, no más de ¼ de la altura útil.

Figura 22. Resultado del ensayo de la viga V5.

Figura 23. Vista de la zona crítica, donde se observa la rotura de las fibras extremas.

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A la luz de los resultados obtenidos para esta viga, se decidió repararla mediante el agregado de bandas de fibra de carbono. El nuevo refuerzo fue del tipo doble capa, es decir se adicionó sobre las bandas existentes no dañadas una capa del mismo ancho, mientras que las capas dañadas fueron retiradas y se colocó una capa doble de fibra, con los mismos anchos e igual separación. Al reiterar el ensayo se demostró la eficiencia del refuerzo con capa doble, dado que se mejora significativamente la ductilidad de la viga. Las fibras no sufrieron daño evidente y el refuerzo fue capaz de resistir el corte mientras la rótula desarrollaba deformaciones plásticas. El ensayo finalizó debido a la rotura de las barras longitudinales traccionadas, de modo que la disposición de doble capa de fibras es ampliamente justificada.

Viga V6 (reforzada con varillas roscadas) La Figura 24 muestra los resultados de los ensayos de la viga reforzada con varillas roscadas. Se observa que para momento positivo la carga máxima fue de 3800 Kg, levemente inferior a los 4000 Kg de los otros casos, pero la deformación máxima de casi 70 mm fue la mayor de todos los casos. Con relación a momento negativo, la carga máxima de 4500 Kg fue alcanzada y además se llegó a un desplazamiento máximo de 95 mm, bastante mayor que en los casos anteriores.

Figura 24. Resultado del ensayo de la viga V6.

En la fotografía de la Figura 25 se muestra el estado final de la viga en la zona crítica. Se observa el pandeo de las barras en compresión, y la formación una fisura casi vertical, lo cual ha sido fenómeno común en todos los ensayos. Se concluye que el comportamiento general de este refuerzo fue adecuado pero no se logró restringir el pandeo de las barras longitudinales inferiores. No obstante, este problema podría corregirse con la colocación de algún elemento adicional que restrinja esta deformación por pandeo. De hecho, esto se realizó en los ensayos posteriores sobre modelos viga-columna en escala 1:1 (ver Llopiz et al, 2011).

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Figura 25. Detalle de la zona crítica de la viga V6 al finalizar el ensayo. CONCLUSIONES Los resultados experimentales obtenidos indican que todos los refuerzos ensayados mejoraron significativamente la respuesta estructural de las vigas y permitieron alcanzar prácticamente los valores obtenidos para la viga diseñada al corte por capacidad (según criterios reglamentarios actualizados). Esta mejora se produjo tanto en términos de resistencia como de capacidad de deformación. Se verificó además, que los detalles de refuerzo estudiados permitieron controlar el pandeo de las barras longitudinales. Consecuentemente, estos ensayos validan el uso de dichos refuerzos en la rehabilitación sísmica del edificio en estudio. No obstante, se implementó un segundo programa de ensayos, realizados sobre modelos escala 1:1 que representan nudos viga-columna en los cuales se incluyo parte de la losa de hormigón armado para estudiar los detalles de refuerzo en condiciones iguales a las del edificio a rehabilitar. El refuerzo con planchuelas en forma de U resulta atractivo por el efecto de restricción al pandeo que produce en la zona inferior. Sin embargo, el análisis de costos indican que esta solución es más cara que el refuerzo con varillas roscadas. Este tipo de refuerzo se considera como el más simple desde el punto de vista constructivo. En el caso de los refuerzos con bandas de fibra de carbono, los resultados experimentales muestran la necesidad de trabajar con refuerzos de doble capa para asegurar una adecuada respuesta estructural. Es importante destacar también que la preparación y aplicación del refuerzo debe ser realizada por personal especializado, caso contrario se corre el riesgo de que el refuerzo sea deficiente. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el aporte técnico y económico realizado por las empresa HILTI y SIKA.

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