Los pisos civiles e industriales diseñados con las nuevas ... · En este informe se presenta un...

NewsBIT- Aprile 2004

LLooss ppiissooss cciivviilleess ee iinndduussttrriiaalleess ddiisseeññaaddooss ccoonn llaassnnuueevvaass ffiibbrraass ppoolliimméérriiccaass hhííbbrriiddaass eessttrruuccttuurraalleess RRXXFF 5544

1 Direzione Tecnica - RUREDIL

INDICE Premisa 1 - Introducción…………………………………………………………….. 2 - Tipos de pisos.............…………………………………………………… 3 - Métodos clásicos de diseño para los pisos que apoyan directamente

sobre el terreno (slab on ground))......................…………………….......

4 - Características del soporte…...……………………………………….. .. 5 - Aspectos que influyen en la durabilidad del colado de hormigón: la retracción ………………………………………………………………… 6 - El control de la retracción plástica con RXF 54…………..…………… 7 - La retracción y el “curling” de los pisos ……………………………….. 8 - El diseño de las juntas................………………………………………….

9 - El diseño del espesor de los pisos ..........………………………………… 10 - Durabilidad y hormigones fibroreforzados..…………………………... 11 - El diseño de los pisos (slab on ground) con RXF54 …………………… 12 - Ejemplos de dimensionamiento............…………………………………. 13 - Criterios de dimensionamiento ………………………………………….. 14 - Conclusiones..............………………………………….…………………. 15 - Bibliografía ………………………………………………………….........

NewsBIT- Aprile 2004 2 Direzione Tecnica - RUREDIL

PPPiiisssooosss ccciiivvviiillleeesss eee iiinnnddduuussstttrrriiiaaallleeesss dddiiissseeeñññaaadddooosss cccooonnn lllaaasss nnnuuueeevvvaaasss fffiiibbbrrraaasss pppooollliiimmmééérrriiicccaasss ahhhíííbbbrrriiidddaaasss eeessstttrrruuuccctttuuurrraaallleeesss RRRXXXFFF555444 Premisa En este informe se presenta un nuevo enfoque para diseñar pisos civiles e industriales utilizando hormigón fibroreforzado, es decir hormigón reforzado con las fibras poliméricas híbridas estructurales Ruredil X Fiber 54 en reemplazo de las mallas electrosoldadas. RXF54 son fibras poliméricas híbridas compuestas por una fibra de polietileno con funciones estructurales y una fibra fibrilada de polipropileno que se utiliza para disminuir la contracción plástica del hormigón. En particular, el presente informe trata sobre los problemas relacionados con el diseño de espesores y juntas y también enfrenta el problema de la retracción y del “curling”, ya que ambos fenómenos tienen una gran influencia en la durabilidad de los pisos, sugiriendo al mismo tiempo los remedios más apropiados en cada caso. Además, el informe pone en evidencia que en el caso de aquellos pisos que se apoyan directamente sobre un soporte –slab on ground-, las armaduras metálicas (mallas, alambres, etc.) no son utilizadas como refuerzos estructurales para re-distribuir las cargas, como normalmente muchos piensan. Efectivamente, dichos refuerzos metálicos se utilizan para controlar los movimientos producidos en el piso por los fenómenos termohigrométricos –grietas y fisuras- para evitar que las mismas se hagan más grandes y comprometan la durabilidad de la obra. La necesidad de diseñar correctamente la durabilidad y los aspectos estructurales de los pisos surge también de las siguientes consideraciones: -el 8% de todo el hormigón preconfeccionado producido en Italia está destinado a los pisos que apoyan directamente sobre un soporte. -para la mayor parte de estos pisos no se realiza ningún tipo de diseño porque son considerados obras menores; -en Italia, los pisos representan la mayor parte de los litigios en el sector de la construcción. Es por ello que se hace necesario enfrentar este argumento de manera holística, poniendo en evidencia todos los aspectos (estructurales y físico-químicos) que influyen directamente en el diseño de pisos. En este contexto, el hormigón reforzado con fibras poliméricas híbridas de elevada prestación mecánica RXF54 contribuye de manera decisiva a mejorar la calidad de los pisos civiles e industriales y debe ser considerado una alternativa válida y moderna respecto al uso de las mallas metálicas tradicionales.

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3 Direzione Tecnica - RUREDIL

111--- IIInnntttrrroooddduuucccccciiióóónnn

Los pisos civiles e industriales hechos de hormigón y que apoyan directamente sobre un soporte (slab on ground) son definidos por la ACI 360 como: “una losa apoyada directamente sobre el terreno cuya carga, al estar distribuida uniformemente, ejercerá una presión sobre el soporte o sobre el terreno menor al 50% de su capacidad portante. La losa puede tener un espesor uniforme o variable y contar con elementos atiesadores como vigas y cordones. La losa puede estar hecha de hormigón común, armado o pretensado. La armadura y el pretensado están previstos para contrarrestar los efectos de la retracción y de la temperatura o bien para cargas estructurales”. Es necesario precisar que los efectos de la retracción se refieren a la formación de grietas (“cracking”). Las mismas se originan sobre la superficie del colado como consecuencia de la evaporación repentina del agua de la mezcla debido a las condiciones termohigrométricas. En cambio, los efectos relativos a la temperatura tienen que ver con un fenómeno típico de los pisos. Este fenómeno consiste en el gradiente térmico que se origina entre la temperatura del hormigón en la superficie del vaciado y la temperatura en la base del vaciado mismo. Las tensiones en la losa endurecida generadas por dicho gradiente térmico

provocan en el piso fisuras, desprendimientos y, por lo general, el efecto “curling”. 222--- TTTiiipppooosss dddeee pppiiisssooosss Es posible dividir los pisos en cinco tipos diferentes, de acuerdo con el rol que desempeña la armadura en el diseño de estas “losas”. • Losa de hormigón común sin armadura. El diseño de esta losa se basa en la presuposición que toda la sección reacciona del mismo modo, obteniendo por lo tanto un piso sin fisuras. Esto significa que la estructura es capaz de soportar cargas sin agrietarse, independientemente de la presencia de refuerzos metálicos. Efectivamente, en el caso del hormigón armado, la armadura utilizada contribuye activamente en la resistencia de la estructura solamente después que la matriz de hormigón se ha agrietado. Para reducir la fisuración provocada por retracción, la PCA (Pórtland Cement Association) recomienda realizar juntas espaciadas de 24-36cm por centímetro de espesor de piso. • Losa reforzada con elementos metálicos para contener los efectos de retracción y temperatura. Al igual que en el caso anterior, el diseño de esta losa tiene en cuenta la reacción uniforme de la misma, y, por lo tanto, se obtendrá una losa sin fisuras. El objetivo del refuerzo metálico (mallas, alambres) ubicado oportunamente en la mitad superior de la losa, consiste en mantener cerradas las grietas y las hendiduras que se forman entre las juntas del piso luego de la retracción plástica. El refuerzo metálico no previene el “cracking” ni el “curling” y no agrega ningún tipo de capacidad portante a los pisos. Tradicionalmente, el mejor modo para obtener un aumento de la resistencia a la flexión del piso consiste en aumentar el espesor. Por otra parte, el uso de hormigones fibroreforzados con RXF54 aumenta la resistencia a la tracción residual sin modificar el espesor del colado y, en algunos casos, hasta puede llegar a reducir el espesor del mismo. Además, con estas fibras es posible aumentar el espacio entre las juntas, a diferencia del tipo de losa mencionado anteriormente.


• Losa de hormigón con retracción compensada en presencia de armaduras metálicas. La presencia de aditivos específicos hace que este tipo de hormigón se expanda ligeramente (al compensar la retracción intrínseca del material). La armadura metálica se ubica en la mitad superior del colado (generalmente a una distancia de la superficie de colado equivalente a 1/3 del espesor del piso) para limitar la expansión inicial de la losa y contener la retracción sucesiva en la fase de endurecimiento. Esta losa también permite obtener un tipo de piso sin fisuras aún después de haber aplicado cargas sobre su superficie. El espesor de proyecto es igual al de los tipos discutidos anteriormente pero las juntas estarán más espaciadas. • Losa de hormigón pretensado para compensar la retracción y/o la inestabilidad del sustrato. El espesor de estos pisos está proyectado igual que en los casos anteriores y las armaduras en este caso reducen ulteriormente y en algunos casos eliminan por completo las juntas. . • Losa reforzada para acciones estructurales.

A diferencia de los pisos descritos anteriormente, este tipo de piso ha sido diseñado asumiendo que la losa se puede fisurar bajo la acción de una carga aplicada sobre su superficie. En otras palabras, el piso está diseñado para soportar cargas que superan la resistencia a la tracción por flexión del hormigón. Efectivamente, las barras, las mallas o las fibras RXF54 intervienen para compensar la falta de resistencia a la tracción del hormigón de la losa. En este caso, la presencia de las juntas no tiene mayor importancia porque su función es la de prevenir el “cracking”, que en este tipo de piso ya está previsto. Finalmente, cabe destacar que la composición particular de las fibras RXF54 contribuyen a

limitar el fenómeno de retracción en los cinco tipos de piso descritos anteriormente.


333--- MMMééétttooodddooosss ccclllááásssiiicccooosss dddeee dddiiissseeeñññooo pppaaarraaa lllooosss pppiiisssooosss qqquuueee aaapppoooyyyaaannn dddiiirrreeeccctttaaammmeeennnttteee sssooobbbrrreee eeelll ttteeerrrrrreeennnooo (((ssslllaaabbb ooonnn gggrrrooouuunnnddd)))

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Las tensiones a las cuales están sujetos estos pisos son prácticamente de dos tipos: • Cargas de diseño; • Variaciones volumétricas del hormigón. Son muchos los factores que determinan la magnitud de estas tensiones (tipo de sustrato, posición de las cargas, etc.) que tienen que ver con las propiedades del hormigón y el tipo de interacción entre sustrato y losa. La teoría que tiene en cuenta estos aspectos es la de Westergaard, elaborada en el año 1920. Según este enfoque, el piso es considerado como una losa homogénea, isotrópica y elástica, que apoya sobre un sustrato ideal y reacciona en cada punto a las cargas aplicadas sobre la losa (L) con una presión vertical (P) proporcional al alabeo δ (desplazamiento vertical) de la losa. De este modo, el sustrato es considerado como un resorte linear, caracterizado por una constante de proporcionalidad (k), llamada también constante de Winkler o módulo de reacción del sustrato. P=k δ

Figura N.1

La norma ACI 360 contiene una lista con los métodos de cálculo sugeridos para el correcto dimensionamiento de los pisos: • Método de la PCA (Portland Cement Association) • Método del WRI (Wire Reinforced Institute) • Método COE (US. Army Corps of Engineers) • Método del PTI (Post –Tensioning Institute) • Método del hormigón con retracción compensada –ACI 223 El objetivo principal de estos métodos consiste en minimizar el fenómeno de “cracking” y también determinar el tipo y la distancia ideal entre las juntas.


444--- CCCaaarrraaacccttteeerrríííssstttiiicccaaasss dddeeelll sssooopppooorrrttteee En la teoría de Westergaard, las características del soporte, resumidas en el módulo de reacción k que depende del tipo de sustrato, de su grado de compactación y de la humedad, son esenciales para un correcto dimensionamiento del piso. El sistema de soporte está normalmente compuesto por un terreno sin capa vegetal, una capa de por lo menos 25 cm de roca triturada o grava y el piso (figura 2).

Figura N.2

A veces, la capa de grava está compuesta por dos partes definidas por la ACI 360 como base y sub-base, las cuales están separadas por una membrana que generalmente es de material sintético. Esta membrana tiene la tarea de detener la transmisión de la humedad del terreno hacia la losa de hormigón. Como el piso recibe directamente las cargas de flexión y corte, transfiriendo estas acciones hacia la sub-base que se encuentra por debajo (suelo+base de grava suelta), es necesario realizar una clasificación de la sub-base. Además, en aquellos casos que así lo requieran, se impone la realización de un verdadero proyecto, aumentando la capacidad de carga y modificando la sección respectiva. Por lo tanto, la determinación de k es el primer paso para realizar el proyecto de un piso. En la Tabla N.1 encontramos los valores de k, basados en la clasificación de las características del soporte. Para la descripción de los otros métodos de determinación se puede consultar la norma ACI 360.


TIPOS DE TERRENO K

(kgf/cm3)) Suelo de humus o turba 0,5 : 1,5 Terraplenes recientes 1 : 2 Arcilla o limo (húmedo) 3 : 6 Arcilla o limo (seco) 6 : 10 Arcilla con arena 8 : 10 Arena fina o poco compactada 1,5 : 3 Arena muy compactada 5 : 10 Arena extremadamente compactada 10 : 16 Piedra triturada con arena 10 : 16

Tabla N.1

Aunque los valores ilustrados en la tabla tienen una cierta tolerancia, los proyectistas los utilizan comúnmente para determinar la constante de Winkler. Si el valor de k no fuera adecuado para las cargas previstas para la losa, será necesario aumentar la capacidad portante de la sub-base para evitar que cualquier carga excesiva haga que el piso ceda y se rompa. Es posible aumentar la capacidad portante de la sub-base por medio de: • La compactación mecánica; • La estabilización con inyecciones de cemento, cal, silicato de sodio, etc.; • La reconstrucción de la sub-base, utilizando un hormigón con bajo contenido de cemento (100-150 kg) y

grava monogranular. De acuerdo con las consideraciones realizadas más arriba, se puede decir que la prestación de los pisos depende de la capacidad portante de la sub-base. En la mayor parte de los pisos (los primeros cuatro de los cinco descritos en el capítulo N.2), las armaduras metálicas –alambres y/o mallas- no tienen ninguna función estructural, es decir que no contribuyen a aumentar la capacidad portante o a distribuir las cargas a las cuales está sujeto el piso. Como se ha puesto en evidencia más arriba, las armaduras metálicas actúan simplemente en relación a las consecuencias (“cracking”, “curling”, etc.) generadas en el piso por las condiciones termohigrométricas. Solo en algunos casos se diseñan armaduras para intervenir después que el piso se ha agrietado (quinto tipo de piso descrito en el capítulo N.2). Veremos más adelante que estas acciones (contraste de la retracción y comportamiento post-fisuración del hormigón) pueden ser contrastadas de manera eficaz con el uso de las fibras RXF54. La elevada prestación mecánica de estas fibras poliméricas híbridas permite un considerable ahorro de recursos financieros y humanos. Pero antes de entrar en detalle en el diseño de un piso, es necesario recordar algunos conceptos relacionados con la durabilidad del hormigón.


555--- AAAssspppeeeccctttooosss qqquuueee iiinnnfffllluuuyyyeeennn eeennn lllaaa ddduurrraaabbbiiilliiidddaaddd dddeeelll cccooolllaaadddooo dddeee hhhooorrrmmmiiigggóóónnn::: lllaaa rrreeetttrrraaacccccciiióóónnn

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I L

El hormigón es un material compuesto por: cemento, áridos, aditivos y agua. Es necesario agregar siempre un poco más de agua respecto al valor estequiométrico requerido para hidratar completamente el cemento. También el empleo de aditivos superfluidificantes no permite reducir la cantidad de agua al valor teórico requerido y, por lo tanto, el agua en exceso se va evaporando del hormigón progresivamente durante el fraguado y el endurecimiento. El proceso de evaporización del agua en el hormigón no constituiría un problema grave en sí mismo si dicho proceso tuviera lugar en un ambiente con 90% de humedad relativa y 20°C de temperatura. En estas condiciones, la evaporación sería tan lenta que seguiría los tiempos normales de fraguado inicial y final del hormigón sin originar tensiones mecánicas tales que influyan en la resistencia a la tracción del mismo. Lamentablemente, las condiciones en las cuales se realizan los colados de hormigón son muy distintas de las condiciones ideales descritas anteriormente (Humedad relativa=90% / Temperatura=20C°) y por lo tanto la evaporación del agua origina microfisuras que al unirse forman macrofisuras y terminan convirtiéndose en grietas. Desde el punto de vista físico-mecánico, las grietas se forman porque la retracción genera tensiones que son más grandes que la resistencia a la tracción del hormigón mismo. La velocidad de evaporación del agua del hormigón está en función de la humedad relativa (H.R.) del aire, de la temperatura ambiente, de la temperatura del hormigón y de la velocidad del viento (Tabla N.2 y figura N.3). Esta última variable es muy importante. Por ejemplo, durante el verano puede suceder que con una temperatura ambiente de 22°C, una temperatura del hormigón de 27°C, humedad relativa ambiente del 40% y una velocidad del viento casi igual a cero, la velocidad de evaporación sea de 0,2 kg/m2/hora (ausencia de fisuras). Aunque la velocidad del viento fuera de 8km/h, la velocidad de evaporación sería aproximadamente 0,4 kg/m2/hora (ausencia de fisuras). En cambio, en el invierno puede suceder que con una temperatura ambiente de 5°C, una temperatura del hormigón de 20°C, humedad relativa ambiente del 80% y con una velocidad del viento de 32km/h se produzca una velocidad de evaporación tal que la relación A/C superficial sea inferior a 0,32 dando lugar a la formación de grietas (evaporación superior a 18g/ m2/mm). De estos ejemplos se puede observar la importancia fundamental de la velocidad de evaporación del agua del hormigón durante el período crítico, es decir cuando la capacidad de deformación a llegado al mínimo, en particular de 2 a 6 horas después del colado y aún antes en climas muy calurosos. FFFAAACCCTTTOOORRREEESSS AAAMMMBBBIIEEENNNTTTAAALLEEESSS La amplitud térmica que se registra en Italia durante el año es bastante amplia: entre invierno y verano y también entre norte y sur se pueden registrar variaciones de temperatura entre – 20°C y + 40°C. En este contexto, normalmente se trata de evitar los colados con temperaturas externas bajas (< 5° C), salvo que se usen aditivos aceleradores manteniendo de todos modos una variación de temperatura comprendida entre 0° y 5°C. En el caso de climas calurosos es muy poco lo que se puede hacer y a veces se baña la superficie del colado, pero si esta operación no se realiza correctamente se puede obtener el efecto contrario. En efecto, al aumentar la relación A/C superficial se produce un aumento de la cantidad de agua que se evapora en una unidad de tiempo y, como consecuencia, aumentan también las tensiones mecánicas asociadas a este fenómeno. De este modo el hormigón se agrieta.


Tabla 2

grado Velocidad(Km/h)

Tipo di viento características

0 0-1 Calmo El humo asciende verticalmente; el mar es un espejo.

1 2-5 Brisa muy suave El viento desvía el humo; el agua se encrespa.

2 6-11 Brisa suave

Las hojas se mueven; ondas pequeñas pero evidentes.

3 12-19 Brisa Hojas y ramas se agitan constantemente; pequeñas ondas, crestas que comienzan a romperse.


4 20-28 Brisa fuerte El viento levanta polvo, hojas secas, las ramas se agitan; pequeñas ondas que se hacen siempre más largas.

5 29-38 Brisa fresca Los arbustos con hojas oscilan; se forman pequeñas ondas mar adentro; ondas moderadas largas.

6 39-49 Viento fresco Ramas grandes agitadas, silbido entre los cables telegráficos; se forman olas grandes con crestas de espuma blanca y agua que salpica.

7 50-61 Viento fuerte Árboles enteros se agitan, dificultad para caminar en contra del viento; el mar está agitado, la espuma comienza a formar estelas.

8 62-74 Tormenta moderada

Ramas rotas, imposible caminar en contra del viento; grandes olas de altura media y más alargadas, torbellinos de agua que salpican al desprenderse de las crestas.

9 75-88 Tormenta fuerte Chimeneas y tejas son arrancadas por el viento; las olas grandes y la espuma son levantadas por el viento reduciendo la visibilidad.

10 89-102 Tempesta Rara en tierra, árboles arrancados, grave daño a las viviendas.

11 103-117 Tempesta fuerte Rara, grande devastación; olas enormes y altas que pueden esconder embarcaciones medianas; visibilidad reducida.

12 Oltre 118 Huracán Destrucción de edificios, viviendas, etc.; en el mar la espuma y el agua que salpica reducen notablemente la visibilidad.


Figura N.3


666--- EEElll cccooonnntttrrrooolll dddeee lllaaa rrreeetttrrraaacccccciiióóónnn ppplllááássstttiiicccaaa cccooonnn RRRXXXFFF555444 RXF 54 es una fibra sintética estructural desarrollada para limitar y, en algunos casos, hasta eliminar totalmente la retracción plástica del hormigón. El motivo de este comportamiento tiene que ver con el elevado número de fibras RXF54 que se utilizan comparado con la cantidad de mallas metálicas utilizadas en volúmenes similares. El mecanismo por el cual las fibras RXF 54 impiden que se originen las fisuras provocadas por la retracción del hormigón en las primeras horas de curado es muy simple. Las microfisuras que se originan en el hormigón luego de la retracción plástica tienden a hacerse cada vez más anchas y largas hasta formar grietas. Por el contrario, cuando la microfisura se expande y encuentra la fibra RXF54 su evolución se ve interrumpida y de este modo se evita la formación de grietas. Como consecuencia, si se aumenta la dosificación de RXF54 (número de fibras por unidad de volumen), la retracción plástica disminuirá hasta desaparecer. El mecanismo de control de la retracción plástica no depende solamente del número de fibras utilizadas sino también de su superficie específica. Al aumentar la superficie específica (es decir el número de fibras por unidad de volumen de hormigón), disminuye la amplitud de las microfisuras y también la distancia entre las mismas. Para saber a priori cuál es la eficacia de la fibra RXF54 comparada con una fibra metálica de igual largo pero con un diámetro equivalente distinto, es suficiente aplicar la siguiente fórmula:

FC1=(d2/d1)2 x FC2 donde: FC1 = número de fibras RXF 54; FC2 = número de fibras metálicas; d1 y d2 = los respectivos diámetros equivalentes. Si consideramos que una fibra metálica tiene un diámetro equivalente no menor de 0,7mm, mientras el diámetro de RXF 54 es de 0,069, al aplicar la fórmula se obtiene que el número de fibras RXF 54 por unidad de volumen de hormigón es aproximadamente 100 veces superior al número de fibras metálicas de igual largo y dosificación volumétrica. Por este motivo, las fibras sintéticas RXF 54 son estructurales pero también son capaces de reducir drásticamente la retracción plástica, a diferencia de lo que sucede con fibras metálicas de igual longitud. Para confirmar todo lo expuesto anteriormente se realizó la siguiente prueba. Se prepararon losas de hormigón de 5cm de espesor, 100cm de largo y 50cm de ancho, con el siguiente “mix design”: Arena fina (0,5/0,1 mm) 353 kg Arena (2,00/0,3mm) 255 kg Grava fina (7,0/2,0mm) 538 kg Grava (19,0/10,00 mm) 579 kg Cemento 42,5R tipo II/A-L 450 kg AlC 0,50 Las losas fueron elaboradas con igual “slump” y A/C, utilizando distintas dosificaciones de superfluidificante FLUIMENT SAE 25 (1-1,8% del peso del cemento). Por cada mezcla se elaboraron tres losas. Al terminar el colado, se utilizó un ventilador dirigido hacia la superficie con un flujo de aire caliente a la velocidad de 22km/h. Las grietas causadas por la retracción comienzan a desarrollarse luego de 2-3 horas del vaciado.


Después de 24 horas se mide el ancho y el largo de las grietas. A este punto se calcula la superficie total de las grietas, multiplicando la longitud por el ancho medio de cada microfisura. En la tabla N.3 se pueden observar los resultados obtenidos para las losas con RXF 54 y también para aquellas que no son fibroreforzadas pero que han sido elaboradas con el mismo mix design. Al analizar los resultados se llega a la conclusión que al aumentar la dosificación de RXF 54 de 0,5% hasta 1% y 2% se produce una reducción de la formación de grietas del 92%, 98% y 100% respectivamente. Efectivamente, cuando se utiliza un 2% (de volumen) de fibras RXF 54 la retracción es igual a cero. Tabla N.3 Tipos de mezcla

Dosificación de fibra (% volumen)

Superficie media de fisuración (mm2)*

Reducción de la superficie de fisuración (%)

Longitud total de las fisuras ** (mm)

Espesor total de las fisuras ** (mm)

Tiempo 1° fisura (mm)

Hormigón (sin fibras)

- - - 304,85 0 431,30 9,99 125

Hormigón con RXF54

0,5 24,09 92 52,73 1,37 170

Hormigón con RXF54

1,0 6,73 98 47,10 1,02 195

Hormigón con RXF54

2,0 0,00 100 0,00 0,00 0

• *Valor medio de las tres losas, determinado en base al promedio de la superficie de fisuración de cada

losa, calculada a su vez como valor medio de la superficie de cada fisura (resultado de longitud por valor medio del espesor).

• * * Valor medio.


777--- LLLaaa rrreeetttrrraaacccccciiióóónnn yyy eeelll “““cccuuurrrllliiinnnggg””” dddeee lllooosss pppiiisssooosss Los fenómenos relacionados con la maduración de los colados en distintas condiciones termohigrométricas asumen gran importancia en el caso de los pisos porque el espesor es mucho más pequeño que la longitud y/o el ancho del mismo. El piso por lo tanto se encuentra muy sujeto a los índices de aumento o disminución químico-físicos y mecánicos externos (evaporación, amplitud térmica, etc.). La evaporación del agua de la mezcla en el colado de hormigón asume en los pisos un rol fundamental en la formación de las grietas provocadas por la retracción y el “curling” (alabeo de pisos). Con respecto a las grietas provocadas por la retracción, sabemos que en realidad son fisuras causadas por una pérdida repentina de agua que genera tensiones en la mezcla que se está endureciendo. Las tensiones son más fuertes que la resistencia a la tracción del hormigón y por este motivo el colado se fisura. Como se explicara anteriormente, es posible controlar estos fenómenos si se conocen las condiciones meteorológicas en las cuales se realiza el colado, calibrando la relación A/C, eligiendo la calidad de los áridos utilizados, eligiendo detenidamente el ligante de cemento, pero sobre todo con una protección adecuada del colado inmediatamente después de la aplicación y la terminación de la mezcla, cuando el colado todavía no se ha endurecido. También el empleo de fibras poliméricas híbridas estructurales RXF54 (ver capítulo 6) contribuyen notablemente a reducir la retracción plástica del hormigón porque contienen una fracción de fibras fibriladas de polipropileno. Por otro lado, el fenómeno “curling” es causado principalmente por la diferencia de humedad o por la diferencia de temperatura entre la superficie del colado y la sub-base. Los bordes de los pisos se curvan hacia arriba cuando la superficie es más seca y se retrae o cuando la superficie es más fría y se contrae más que la parte inferior del colado mismo. Muchas investigaciones han demostrado la estrecha relación entre el “curling” y el control de la evaporación del exceso de agua de la mezcla en el colado de hormigón. Justamente se ha demostrado que el gradiente provocado por la retracción plástica debida a una diferencia de humedad entre la superficie y el fondo hace que la losa se curve y se levanten los bordes. A mayor gradiente de retracción, mayor será la diferencia entre la retracción de la superficie del colado con respecto al fondo y más amplio será el "curling”. Es por ello que el “curling” puede ser evitado o reducido drásticamente si el colado de hormigón es “curado” de manera apropiada.


Para concluir podemos decir que el "curling" es una distorsión del piso (elevación de los ángulos de una losa - curvatura (figura N.4)) con respecto al lineamiento o a la planaridad del colado endurecido. El “curling” está siempre acompañado por la pérdida de adhesión entre la losa de hormigón y la sub-base que se manifiesta cuando los bordes se rompen luego del pasaje de las cargas.

Figura N.4 - Los dos tipos de curvatura (cóncava y convexa) de un piso que apoya directamente sobre el terreno (slab on ground).

Esta situación se verifica fácilmente durante el día cuando el sol calienta la superficie del piso.

Esta situación se verifica cuando hay un gradiente de humedad entre la sub-base y la superficie durante la noche.


888--- EEElll dddiiissseeeñññooo dddeee lllaaasss jjjuuunnntttaaasss Las juntas son cortes que se realizan con sierras en los pisos apenas el hormigón ha desarrollado una mínima resistencia a la compresión de manera que la acción de la hoja diamantada no provoque un “desgarramiento” en las áreas de corte. Las juntas están previstas para limitar el número y el ancho de las grietas causadas por las variaciones volumétricas de la losa de hormigón con respecto al terreno y también a otros elementos estructurales. Limitar el número y el ancho de las grietas se traduce en menores costos de manutención del piso. Las juntas pueden ser subdivididas en tres tipos diferentes: • Juntas de construcción • Juntas de aislación • Juntas de deformación Las juntas de construcción corresponden normalmente a las juntas frías o al esquema de aplicación del hormigón según un procedimiento definido por el proyectista. Las juntas de aislación, en cambio, se realizan para dar completa libertad de movimiento (vertical y horizontal) entre el piso y los otros elementos adyacentes al mismo. Por lo tanto, estas juntas están generalmente previstas en correspondencia de la unión con paredes, columnas, cordones, etc. Para finalizar, las juntas de deformación sirven para controlar los movimientos de la losa de hormigón provocados por la amplitud térmica y la retracción higrométrica. El corte (junta) debilita el piso y en esta zona tienden a formarse fisuras provocadas por las tensiones de tracción que se desarrollan luego de la retracción higrométrica. En esta circunstancia se produce una reacción de contraste debido a la acción (fricción) entre el hormigón y la sub-base y por la presencia de una malla anti-contracción ubicada en el borde superior (aproximadamente 1/3) con el objeto de reducir la apertura de la junta. Este sistema puede ser reemplazado por una solución novedosa que consiste en reforzar el hormigón con las fibras poliméricas híbridas de alta prestación mecánica denominadas X Fiber 54. Al limitar la fisuración provocada por la retracción higrométrica, estas fibras permiten la reducción del número de juntas de deformación. Además, debido a las propiedades mecánicas de estas fibras se obtiene un incremento de la ductilidad, de la resistencia a los impactos y de la resistencia residual a la tracción del hormigón, mejorando las prestaciones del piso ofrecidas por el hormigón reforzado con malla metálica.


999--- EEElll eeessspppeeesssooorrr dddeee lllooosss pppiiisssooosss Ya hemos hablado de los pisos de hormigón sin armadura estructural (los primeros cuatro tipos de pisos descritos en el capítulo N.2) y de la importancia que estos elementos sean diseñados considerando que el hormigón no se fisure cuando esté sujeto a cargas. Efectivamente, se presume que las tensiones provocadas por dichas cargas sean absorbidas por la sub-base donde apoya la losa de hormigón. Es por ello que el aspecto estructural más importante de estos pisos consiste en diseñar correctamente el espesor de la losa, analizando cuidadosamente las propiedades mecánicas de la sub-base, de las tensiones (cargas de trabajo) a las cuales estará sujeta y de las propiedades mecánicas del mismo hormigón. Para diseñar el espesor de manera correcta es necesario considerar que la mayor carga admitida se transmitirá completamente a la sub-base sin provocar tensiones excesivas que den lugar a la formación de fisuras. Las juntas y las grietas determinan cierta discontinuidad. El tránsito de cargas por arriba de estas zonas generan tensiones y deflexión en el hormigón y en la sub-base. La repetición de inflexiones sobre todo en los bordes de la losa de hormigón provoca la rotura debida a fatiga. Tradicionalmente se interviene aumentando el espesor del piso para limitar las tensiones provocadas por la carga. Pero todo esto provoca un aumento de los costos (hormigón y aplicación) y no siempre representa una solución del problema. También está el problema del “curling”. Como hemos visto anteriormente, dicho fenómeno se produce por las variaciones volumétricas entre la superficie y el fondo del colado después de la retracción diferencial a la cual están sujetas ambas zonas. El método tradicional para limitar el “curling” consiste en aumentar el espesor del piso.

Un método novedoso para solucionar eficazmente dichos problemas consiste en utilizar las fibras poliméricas híbridas de alta prestación mecánica RX FIBER 54. Dichas fibras aumentan la resistencia residual a la tracción, reducen el espesor del piso, limitan la formación de grietas en la losa de hormigón y permiten aumentar la distancia entre las juntas de deformación. El uso de las fibras RX FIBER 54 confiere dichas propiedades a los pisos porque reduce las zonas de discontinuidad (junta más grieta) y aumenta la durabilidad mecánica y químico-física del piso. En el capítulo N.11 se propone un método de cálculo basado en la mecánica de la fractura y la “Yeld Line Theory” que sirve para diseñar los

cinco tipos de pisos mencionados en el capítulo N.2).


111000--- DDDuuurrraaabbbiiillliiidddaaaddd yyy hhhooorrrmmmiiigggooonnneeesss fffiiibbbrrrooorrreeefffooorrrzzzaaadddooosss El hormigón fibroreforzado está compuesto por cemento, áridos, aditivos superfluidificantes y una dispersión homogénea de fibras cortas cuyo longitud varía de 10 a 80 mm. Las fibras pueden ser metálicas o poliméricas. Algunas fibras poliméricas como las RXF 54 proporcionan al hormigón las mismas propiedades mecánicas que las fibras de acero pero tienen la propiedad de no corroerse en ningún tipo de ambiente agresivo. La corrosión afecta a todas las fibras metálicas y no solamente a aquellas que se encuentran cerca de la superficie del colado, debido a que la capa de la mezcla que las cubre es bastante delgada. Efectivamente, aquellas fibras metálicas que se encuentran protegidas por varios centímetros de la mezcla de cemento también están sujetas a la corrosión. Dicho fenómeno se denomina corrosión con esfuerzo y representa el enfoque holístico respecto de la durabilidad de las mezclas de cemento fibroreforzado.

En efecto, las cargas estáticas y dinámicas responsables de la formación de fisuras o del aumento de la dimensión de microfisuras provocadas por retracción siempre presentes en el hormigón facilitan la penetración de agentes agresivos químicos (sales descongelantes, lluvias ácidas, líquidos ácidos, etc.) provocando la corrosión de todo el material metálico, independientemente del espesor de concreto entre el hierro y el exterior. En particular, al estar dispuestas tridimensionalmente en la mezcla, las fibras metálicas son responsables de los fenómenos de fisuración de la mezcla de cemento de manera puntual en todo el colado. En relación a este tema, se pueden consultar los primeros trabajos sobre corrosión con esfuerzo publicados en las Actas del Conveño AICAP realizado en el año 1989 en Nápoles - Mezclas de cemento a base de fibras de carbono con poco deterioro químico-mecánico para obtener mayor

confiabilidad de las reparaciones estructurales (Prof. Di Tommaso/Dr. Mantegazza).


111111--- EEElll dddiiissseeeñññooo dddeee pppiiisssooosss ---ssslllaaabbb ooonnn gggrrrooouuunnnddd--- cccooonnn RRRXXXFFF555444

La Dirección Técnica de Ruredil, en colaboración con un grupo de investigadores universitarios, ha desarrollado un programa de cálculo para proyectar pisos civiles e industriales que apoyan directamente sobre el terreno (slab-on-ground), eliminando completamente el uso de mallas electrosoldadas y fibras metálicas. .

Este programa toma en consideración el comportamiento post-fisuración del hormigón fibroso en base a la "Yeld Line Theory".

El comportamiento mecánico del hormigón reforzado con fibras Ruredil RXF-54 es evaluado en base a resultados experimentales, teniendo en cuenta los conceptos de la mecánica de la fractura.

Con este objetivo se realizó una serie de hormigones con fibras poliméricas híbridas estructurales Ruredil RXF-54, variando la dosificación de las fibras mismas y también la clase de resistencia del hormigón.

De este modo, se pudo construir un nomograma para establecer una comparación entre la carga máxima a la cual puede estar sometido un piso con el espesor del mismo, la dosificación de las fibras RXF-54 y la clase de hormigón.

Este programa es el único que permite proyectar pisos civiles e industriales con fibras poliméricas híbridas estructurales (RXF-54) en reemplazo de mallas y fibras metálicas, obteniendo un hormigón de mayor durabilidad que evita el deterioro provocado por la corrosión de las fibras y las mallas metálicas.

El programa calcula la dosificación de fibras Ruredil RXF 54 necesaria para un piso de hormigón una vez que se determina el espesor deseado.

Se toma en consideración:

- carga de resultante P aplicada sobre un círculo de diámetro a dispuesto lejos de los bordes de la losa;

- dos cargas concentradas de resultante P, cada una aplicada sobre dos círculos de diámetro a cada uno, lejos de los bordes; los centros de los círculos se encuentran distantes l.


111222--- EEEjjjeeemmmppplllooosss dddeee dddiiimmmeeennnsssiiiooonnnaaammmiiieeennntttooo I-EJE DE SEMIACOPLADO Datos iniciales

Eje de Q en cuatro ruedas como en el esquema. t10=

Se supone que la carga se reparte de igual modo sobre las cuatro ruedas:

kg37505.14QP =⋅= (se introduce el coeficiente 1.5 porque se está realizando un cálculo de

rotura); cm30a = diámetro de la huella de cada rueda ( qP2a π= , donde q es la presión

con la cual se inflan los neumáticos); cm40l = distancia entre las ruedas más cercanas;

cm300l1 = distancia entre los pares de ruedas; 3cmkg3k = constante de sub-base;

2ck cmkg300R = clase de hormigón;

15.0=ν coeficiente de Poisson del hormigón;

Las otras características del hormigón (calculadas en función ) son: ckR2

ctd cmkg7.13f = resistencia a la tracción por flexión de cálculo; 2

c cmkg312200E = módulo de elasticidad.


Cálculo del piso El cálculo puede ser realizado considerando primero sólo un par de cargas P a distancia l y luego verificando el dimensionamiento obtenido para los casos de carga individual y de todas las cargas. Par de cargas P a distancia l

Con estos datos y considerando un espesor tentativo cm16h = , se obtiene: 3

f mkg87.1V = dosificación de fibras;

cm48aeq = diámetro del área de huella equivalente a las dos consideradas. Carga individual P

Si consideramos una carga individual y todavía cm16h = , se obtiene: 3

f mkg5.1V = dosificación de fibras; Presencia de todas las cargas

Se puede esquematizar cada par de cargas vecinas como una carga

distribuida sobre un círculo de radio

kg7500P2P1 ==cm48aa eq1 == . Entonces, se puede efectuar el cálculo

considerando las dos cargas cada una de ellas aplicada sobre un círculo de diámetro ubicadas a una distancia .

1P 1acm300l1 =

Considerando todavía el espesor tentativo cm16h = se obtiene:

3f mkg13.2V = dosificación de fibras.

cm165aeq = diámetro del área de huella equivalente.

Como alternativa, se puede considerar el espesor cm17h = ; se obtiene:

3f mkg61.1V = dosificación de fibras;

cm167aeq = diámetro del área de huella equivalente.


II- CONTAINER Datos iniciales Dos containers superpuestos que pesan t12Q = cada uno, apoyados sobre el piso según el siguiente esquema:

Se supone que la carga se reparte de manera uniforme sobre los cuatro soportes:

kg90005.14Q2P =⋅

⋅= (se introduce el coeficiente 1.5 porque se está realizando un cálculo de

rotura); cm17a = diámetro de la huella de cada apoyo ( πA2a = , donde

es el área de huella efectiva);

2cm225A =

cm235l = distancia entre los apoyos más cercanos;

cm595l1 = distancia entre los apoyos más alejados; 3cmkg10k = constante de sub-base;

2ck cmkg300R = clase de hormigón;

15.0=ν coeficiente de Poisson del hormigón;

Las características del hormigón (calculadas en función de ) son: ckR2

ctd cmkg7.13f = resistencia a tracción por flexión de cálculo; 2

c cmkg312200E = módulo de elasticidad.


Cálculo del piso El cálculo puede ser efectuado considerando primero sólo un par de cargas P a distancia l y luego verificar el dimensionamiento obtenido para los casos de carga individual y de todas las cargas. Par de cargas P a distancia l

Con estos datos y considerando un espesor tentativo cm22h = se obtiene: 3


cm74aeq = diámetro del área de la huella equivalente a las dos consideradas. Carga individual P

Considerando una carga individual y todavía cm22h = se obtiene: 3

f mkg5.1V = dosificación de fibras. Presencia de todas las cargas

Se puede esquematizar cada par de cargas cercanas como una carga distribuido sobre un círculo de radio kg18000P2P1 == cm74aa eq1 == . Entonces, se puede

efectuar el cálculo considerando las dos cargas cada una aplicada sobre un círculo de diámetro , ubicados a una distancia

1P 1acm595l1 = .

Considerando todavía el espesor tentativo cm22h = se obtiene: 3


cm165aeq = diámetro del área de la huella equivalente.


111333--- CCCrrriiittteeerrriiiooosss dddeee dddiiimmmeeennnsssiiiooonnnaaammmiiieeennntttooo

El cálculo de la cantidad de fibras necesarias para un cierto espesor se realiza según las indicaciones de los trabajos citados en la bibliografía.

Se parte de un piso apoyado sobre un suelo elástico tipo Winkler. El piso se fisura por el momento positivo presente bajo la carga. El espesor y la dosificación de fibras son determinadas de manera tal que el hormigón no se fisure por el momento negativo máximo presente a una cierta distancia de la carga (el momento negativo máximo es considerado igual al momento de primera fisuración del hormigón).

En otras palabras, como consecuencia del aumento creciente de las cargas primero se produce una fisuración por el momento positivo bajo la carga (momento máximo). Al aumentar la carga aumentan también las fisuras radiales intradosales hasta que el momento negativo máximo no llega a fisurar el hormigón en sentido intradosal. Esta condición es considerada como "Estado Límite Último” del piso.

Además, se considera que el momento positivo se transmite en las secciones fisuradas gracias a la presencia de las fibras.

Para el hormigón fibroso se parte de la presuposición de la relación a tracción de figura 1 donde fct es la resistencia a tracción del hormigón (considerada independiente de la dosificación de las fibras) y la resistencia residual fres se debe a la presencia de las fibras que atraviesan la fisura y permiten el pasaje de tensiones de tracción entre sus bordes. La resistencia residual depende de:

- - clase de hormigón (Rck); - - dosificación y tipo de fibras (Vf).

Figura 1. Relación a tracción del hormigón con fibras

RXF54.

Se determinó la relación ( )fckresres VRff ,= en base a los resultados experimentales obtenidos con distinta dosificación de fibras Ruredil RXF 54 y distintas clases de hormigón, similar al de la figura 2.


Figura 2. Tendencia de fres con dosificación de fibras RXF54.

El momento de flexión que se transmite gracias a la presencia de las fibras en una sección fisurada se determina con el esquema de la figura 3.

resM

Figura 3. Momento dado por las fibras. Es necesario enfatizar que el procedimiento descrito representa un “cálculo en rotura”, por lo tanto la carga P debe representar la condición de carga en el Estado Límite Último (normalmente cargas permanentes multiplicadas por 1.4 y cargas accidentales multiplicadas por 1.5). Se debe realizar la misma consideración para la resistencia a tracción del hormigón que debe representar un valor de cálculo de dicho parámetro.


Ingreso de parámetros

Estos son los parámetros que deben ser ingresados para realizar el cálculo:

- diámetro del área de la huella o de la huella de carga (cm);

- distancia l entre los centros de las áreas de huella en el caso de dos cargas (cm);

- carga P correspondiente a la combinación de cargas en el Estado Límite Último (kg);

- clase de hormigón ( ckR in 2cmkg ); la clase de hormigón debe ser ingresada en todos los casos ya que

es utilizada para evaluar el efecto de las fibras (la misma cantidad de fibras produce beneficios mucho más evidentes en hormigones de clase elevada);

- resistencia a tracción de cálculo del hormigón ( ctdf en 2cmkg ); como alternativa, dicha resistencia

puede ser calculada automáticamente en función de la clase de hormigón utilizada con la fórmula

61R2702170f 3 2ckctd .... ⋅⋅⋅= ( ckR e ctdf in

2mmN ) siempre que haya sido activada la opción

“calcula a partir de’ ckR ”;

-módulo de elasticidad para el hormigón ( cE en 2cmkg ); como alternativa, dicho módulo puede ser

calculado automáticamente en función de la clase de hormigón utilizado con la fórmula

ckc R5700E = ( ckR e cE in 2mmN ) siempre que haya sido activada la opción “calcula a partir

de’ ckR ”;

- constante de elasticidad del sustrato (k en 3cmkg ); se ingresan algunos valores de referencia (sustrato

blando, sustrato mediocre, sustrato de relleno apisonado, sustrato de relleno bien apisonado para los cuales

tenemos respectivamente 3cmkg51k .= ,

3cmkg3k = , 3cmkg6k = ,

3cmkg10k = ;

- espesor deseado (h en cm); representa un valor tentativo del espesor del piso. Parámetros obtenidos

Con estos datos el programa proporciona:

• un diagrama que establece la relación entre el espesor del piso con la dosificación de fibras necesaria (dicho diagrama será útil para orientar tentativos sucesivos si la dosificación de fibras correspondiente al espesor tentativo fuera demasiado elevado o si fuera posible reducir el espesor;

• la dosificación de fibras correspondiente al espesor ingresado, determinado con los criterios mencionados anteriormente.

El diagrama mencionado en el punto 1. puede ser guardado en formato bitmap utilizando el comando correspondiente; los resultados del cálculo (y los datos ingresados) pueden ser guardados en formato txt. Observaciones

En el programa está prevista una dosificación mínima de fibras equivalente a 3mkg51. , la cual es de

todos modos necesaria para contrarrestar las fisuras provocadas por la retracción y las variaciones térmicas.

• La presencia de fibras permite de esta manera evitar el uso de mallas electrosoldadas.

• La presencia de juntas de dilatación en el piso debe estar prevista de todos modos.

• El piso debe tener un espesor mínimo de 10cm.


111444--- CCCooonnncccllluuusssiiiooonnneeesss En este informe se ha presentado un nuevo enfoque teórico-práctico para el diseño de pisos industriales que apoyan directamente sobre el terreno (los cinco tipos de pisos descritos en el capítulo N.2), sin la necesidad de recurrir al uso de mallas electrosoldadas o fibras metálicas. La eliminación de elementos metálicos (mallas y fibras) y el reemplazo de los mismos con fibras poliméricas híbridas estructurales RXF54, permite diseñar pisos de hormigón que carecen totalmente de fisuras y grietas. Efectivamente, dichas fisuras y grietas se originan por la corrosión de los elementos metálicos producidos por la carbonatación, la acción del agua de mar, de las lluvias ácidas y, en general, por los agentes químicos agresivos que se encuentran presentes en el ambiente. Finalmente, el programa de cálculo permite determinar la clase de resistencia del hormigón, el espesor del piso y la dosificación exacta de las fibras en relación a las cargas que la estructura debe soportar.

111555--- BBBiiibbbllliiiooogggrrraaafffíííaaa

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Los pisos civiles e industriales diseñados con las nuevas ... · En este informe se presenta un...

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