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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y

MATEMÁTICA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

CORRELACIÓN ENTRE VIGAS DE HORMIGÓN ARMADAS

CON VARILLAS DE ACERO Y CON VARILLAS DE FIBRA

REFORZADA CON POLÍMERO FRP SOMETIDAS A

ESFUERZOS DE FLEXIÓN EN LOS TERCIOS DEL CLARO

TRABAJO DE GRADUACIÓN, PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO CIVIL

AUTOR: RIVADENEIRA BENÍTEZ GUIDO FERNANDO

TUTOR: ING. CARLOS ALBERTO LASSO MOLINA

QUITO – 01 DE OCTUBRE

2016

ii

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, RIVADENEIRA BENÍTEZ GUIDO FERNANDO, en calidad de autor del

trabajo de titulación, modalidad Proyecto de Investigación, realizada sobre

CORRELACIÓN ENTRE VIGAS DE HORMIGÓN ARMADAS CON

VARILLA DE ACERO Y CON VARILLAS DE FIBRA REFORZADA CON

POLÍMERO FRP SOMETIDAS A ESFUERZOS DE FLEXIÓN EN LOS

TERCIOS DEL CLARO, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD

CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me

pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente

académicos o de investigación.

Los derechos que como auto me corresponden, con excepción de la presente

autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en

los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la ley de Propiedad Intelectual y su

Reglamento.

También autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR realizar la

digitalización y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio

virtual de conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la ley Orgánica de

Educación Superior.

Quito, 01 de Octubre del 2016

iii

CERTIFICACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN

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APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN

vi

DEDICATORIA

“Es algo divertido hacer lo imposible”

Walt Disney

Quiero comenzar agradeciendo a quien ha forjado mi camino, con

su palabra y ejemplo de amor, DIOS, quien me ha dado esperanza, sabiduría y

fuerza para vencer este duro camino y así hoy puedo alcanzar uno de mis

objetivos tan anhelados.

A mis padres GUIDO y AMPARITO, quienes me dieron la vida, me

ayudaron en a dar mis primeros pasos y siempre estuvieron ahí cuando más los

necesitaba, fueron siempre mis mejores amigos, mis sabios consejeros y a quienes

admiro por nunca rendirse sea cual sea el obstáculo, pero sobre todo la increíble

paciencia que me tuvieron.

Mi hermana PAMELA, quien me ha enseñado a vivir la vida,

disfrutarla sea cual sea el presente y siempre esperar lo mejor en el futuro.

Además quiero agradecer a mi esposa CARLITA, quien me

acompañó durante mi vida en la universidad, apoyándome, regalándome su cariño

y amor.

Dedico este trabajo a mi querida institución la UNIVERSIDAD

CENTRAL DEL ECUADOR y a cada uno de mis profesores, amigos que

recordaré por siempre, sembraron en mi sus enseñanzas, experiencias y consejos,

con los cuales he podido salir adelante y eso por eso que les quiero decir muchas

gracias y Dios les bendiga y proteja.

Guido Fernando Rivadeneira Benítez

http://cisarovnna.blogspot.com/2011/12/walt-disney-es-divertido-hacer-lo.html

vii

AGRADECIMEINTO

Agradezco a mi querida institución la Universidad Central del Ecuador, en

especial a los profesores que pertenecen a la Carrera de Ingeniería Civil de la

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, los mismos que recordaré por

siempre, sembraron en mí su sabiduría, experiencias y consejos, con los cuales he

podido salir adelante y eso por eso que les quiero decir muchas gracias y Dios les

bendiga y proteja.

Al Instituto Ecuatoriano del Cemento y del Hormigón (INECYC), por permitirme

realizar mi investigación en sus instalaciones.

A mi Tutor Ingeniero Carlos Lasso, quien fue mi mentor y gracias a su guía se ha

logrado la culminación de esta investigación.

A mis Lectores Ingeniero Juan Carlos Moya y al Ingeniero Jorge Fraga por sus

observaciones y recomendaciones compartidas.

Un agradecimiento especial al Ingeniero Alexander Cadena, quien apostó por mí y

me apoyó con su experiencia y extenso conocimiento.

Muchas gracias a todos, Dios les de vida, salud, libertad y amor

Guido Fernando Rivadeneira Benítez

viii

CONTENIDO

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL ...................................... ii

CERTIFICACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ………………………..iii

APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN .......................................... iv

DEDICATORIA .................................................................................................... vi

AGRADECIMEINTO .......................................................................................... vii

RESUMEN ............................................................................................................ xv

ABSTRACT ......................................................................................................... xvi

1. CAPÍTULO I: GENERALIDADES ................................................................ 1

1.1. PROBLEMATIZACIÓN ......................................................................... 1

1.1.1. ANTECEDENTES ............................................................................... 2

1.1.2. JUSTIFICACIÓN ................................................................................. 3

1.2. OBJETIVOS ............................................................................................. 3

1.2.1. GENERAL ............................................................................................ 3

1.2.2. ESPECÍFICOS ...................................................................................... 4

1.3. HIPÓTESIS .............................................................................................. 4

2. CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ............................................................... 5

2.1. HORMIGÓN ............................................................................................ 5

2.1.1. Generalidades........................................................................................ 5

2.1.2. Clasificación del Hormigón .................................................................. 6

2.2. HORMIGÓN ARMADO ......................................................................... 7

2.2.1. Generalidades........................................................................................ 7

2.2.2. Adherencia en el Hormigón Armado .................................................... 8

2.2.2.1. Tipos de adherencias ......................................................................... 9

2.3. FIBRAS REFORZADAS CON POLÍMERO (FRP) ............................. 10

2.3.1. Generalidades...................................................................................... 10

2.3.2. Propiedades físicas del FRP ................................................................ 11

2.3.3. Propiedades mecánicas del FRP ......................................................... 11

2.3.4. Prestaciones del FRP .......................................................................... 13

2.3.5. Tipos de polímeros empleados en la elaboración del FRP ................. 13

2.3.6. Varillas de FRP ................................................................................... 15

ix

2.3.7. Patrones superficiales ......................................................................... 16

2.4. ENSAYOS A REALIZARSE EN HORMIGÓN ................................... 16

2.4.1. En Hormigón Fresco ........................................................................... 16

2.4.1.1. Hormigón de Cemento Hidráulico. Determinación del Asentamiento

(NTE INEN 1578) ............................................................................................. 16

2.4.1.2. Hormigón de Cemento Hidráulico. Elaboración y curado en obra de

especímenes para ensayo (NTE INEN 1576) .................................................... 17

2.4.2. En Hormigón Endurecido ................................................................... 17

2.4.2.1. Hormigón de Cemento Hidráulico. Determinación de la resistencia a

la compresión de especímenes cilíndricos de hormigón de cemento hidráulico

(NTE INEN 1573) ............................................................................................. 17


flexión del hormigón. (Utilizando una viga simple con carga en los tercios)

(NTE INEN 2554) ............................................................................................. 18

3. CAPÍTULO III: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ........................ 20

3.1. ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE

LOS AGREGADOS SELECCIONADOS ........................................................ 20

3.1.1. Ensayo granulométrico de los agregados (NTE INEN 696)............... 21

3.1.2. Prueba de Abrasión (NTE INEN 860) ................................................ 24

3.1.3. Peso Específico, Capacidad de Absorción y Contenido de Humedad de

los agregados (NTE INEN856 agregado fino y NTE INEN 857 agregado

grueso) 27

3.1.4. Densidad aparente suelta y compactada (NTE INEN 858) ................ 31

3.1.5. Densidad aparente máxima y densidad óptima (Departamento de

Ensayo de Materiales UCE) .............................................................................. 33

3.1.6. Densidad real del cemento mediante el método del Frasco de Le-

Chatelier (NTE INEN 156) ............................................................................... 35

4. CAPÍTULO IV: DISEÑO DE MEZCLA DE HORMIGÓN......................... 38

4.1. Elección del método de Diseño de Mezclas ........................................... 38

4.1.1. Método de la Densidad Óptima .......................................................... 39

5. CAPÍTULO V: ELABORACIÓN DE LAS VIGAS DE HORMIGÓN

SIMPLE Y DE HORMIGÓN ARMADO ............................................................ 46

5.1. CONSTRUCCIÓN DE APOYOS DE MORTERO ............................... 46

5.2. PREPARACIÓN DEL HORMIGÓN. ................................................... 48

x

5.3. FUNDICIÓN DE LAS ESPECÍMENES PARA PRUEBAS DE

RESISTENCIA A FLEXIÓN Y ESPECÍMENES PARA PRUEBA DE

RESISTENCIA A COMPRESIÓN ................................................................... 49

5.3.1. Fundición de las especímenes para pruebas de resistencia a flexión .. 49

5.3.1.1. Moldes ............................................................................................. 50

5.3.1.2. Armado ............................................................................................ 50

5.3.1.3. Número de capas ............................................................................. 52

5.3.1.4. Número de varilladas ...................................................................... 52

5.3.1.5. Número de golpes ........................................................................... 53

5.3.1.6. Enrasado .......................................................................................... 53

5.3.1.7. Acabado........................................................................................... 53

5.3.1.8. Etiquetado ....................................................................................... 53

5.3.1.9. Desencofrado................................................................................... 53

5.3.1.10. Curado ............................................................................................. 54

5.3.2. Fundición de las especímenes para pruebas de resistencia a la

compresión ........................................................................................................ 54

5.3.2.1. Moldes ............................................................................................. 54

5.3.2.2. Número de capas ............................................................................. 54

5.3.2.3. Número de varilladas ...................................................................... 54

5.3.2.4. Número de golpes ........................................................................... 55

5.3.2.5. Enrasado .......................................................................................... 55

5.3.2.6. Acabado........................................................................................... 55

5.3.2.7. Etiquetado ....................................................................................... 55

5.3.2.8. Desencofrado................................................................................... 55

5.3.2.9. Curado ............................................................................................. 55

6. CAPÍTULO 6: ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................... 56

6.1. MÓDULO DE ROTURA ....................................................................... 56

6.1.1. Cálculo del Módulo de Rotura ............................................................ 56

6.1.2. Generalidades...................................................................................... 57

6.2. TIPOS DE FALLA EN ELEMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO. 58

6.3. DATOS ADICIONALES TOMADOS EN CUENTA DURANTE EL

ENSAYO ........................................................................................................... 58

xi

6.4. RESULTADOS ...................................................................................... 59

6.4.1. Aporte de los dos materiales de refuerzo a la resistencia a la flexión

del hormigón ...................................................................................................... 63

6.4.2. Adherencia existente entre los dos materiales de refuerzo y el

hormigón ........................................................................................................... 65

6.4.3. Análisis económico ............................................................................. 67

7. CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................ 69

7.1. CONCLUSIONES .................................................................................. 69

7.2. RECOMENDACIONES ........................................................................ 70

Bibliografía ........................................................................................................... 72

ANEXOS .............................................................................................................. 77

xii

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Comparación de los materiales empleados para la fabricación del FRP 13

Tabla 2: Códigos y guías internacionales de diseño que norman el uso de FRP .. 15

Tabla 3: Graduación del Ensayo de Abrasión ....................................................... 24

Tabla 4: Cuadro Empírico de la Relación Agua/Cemento en función de la

Resistencia............................................................................................................. 40

Tabla 5: Ecuaciones Aplicables para el Cálculo de la Cantidad de Pasta ............. 41

Tabla 6: Dimensiones y número de varilladas correspondientes de los moldes

utilizados para la elaboración de vigas.................................................................. 53

Tabla 7: Identificación de las vigas. ...................................................................... 60

Tabla 8: Valores obtenidos finalizado el ensayo................................................... 61

Tabla 9: Valores obtenidos tras el ensayo de los especímenes para pruebas de

resistencia a la compresión.................................................................................... 62

Tabla 10: Cuadro de resumen del hormigón simple y hormigón armado sometidos

a esfuerzos de flexión ............................................................................................ 64

Tabla 11: Datos referentes a la adherencia entre el armado y el hormigón .......... 66

Tabla 12: Relación Resistencia a la Flexión vs Costo .......................................... 68

LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1: Barras de FRP instaladas durante la construcción del tablero del

puente “Crowchild” en Calgary, Alberta, Canadá en 1997 ............................................. 3

Ilustración 2: Viga de Hormigón ............................................................................................ 7

Ilustración 3: Viga de Hormigón Armado ............................................................................ 8

Ilustración 4: Configuración del FRP .................................................................................. 10

Ilustración 5: Proceso de pultrusión para la fabricación de GFRP ............................. 14

Ilustración 6: Patrones superficiales comerciales de las varillas de FRP .................. 16

Ilustración 7: Esquema de un aparato apropiado para ensayos de flexión en el

hormigón, por el método de carga en los tercios de la luz libre .................................. 18

Ilustración 8: Contenido de Humedad en Agregados ..................................................... 27

Ilustración 9: Molde de un apoyo de mortero ................................................................... 46

xiii

Ilustración 10: Alambres de amarrado ................................................................................ 47

Ilustración 11: Construcción de los apoyos de Mortero ................................................. 47

Ilustración 12: Apoyo de mortero ......................................................................................... 48

Ilustración 13: Medición del revenimiento del hormigón, bajo la norma NTE

INEN 1578 .................................................................................................................................. 49

Ilustración 14: Pintado del refuerzo con epóxico ............................................................. 51

Ilustración 15: Conjunto "Apoyos de Mortero - Varillas"............................................. 51

Ilustración 16: Disposición del armado dentro del molde ............................................. 52

Ilustración 17: Fisura en la superficie traccionada del espécimen .............................. 59

Ilustración 18: Falla del espécimen de hormigón armado con varillas de acero..... 63

Ilustración 19: Falla del espécimen de hormigón armado con varillas de GFRP ... 63

Ilustración 20: Ensayo de Adherencia Pull Out ................................................................ 99

Ilustración 21: Tensión Tangencial en la barra ................................................... 100

LISTA DE ECUACIONES

Ecuación 1: Resistencia Requerida [MPa] ............................................................ 40

Ecuación 2: Densidad de la Mezcla [Kg/cm3] ...................................................... 40

Ecuación 3: Porcentaje Óptimo de Vacíos [%] ..................................................... 41

Ecuación 4: Contenido de Pasta [%] ..................................................................... 41

Ecuación 5: Cantidad de Cemento [Kg/cm3] ........................................................ 42

Ecuación 6: Cantidad de Agua [Kg/cm3] .............................................................. 42

Ecuación 7: Cantidad de Arena [Kg/cm3] ............................................................. 42

Ecuación 8: Cantidad de Ripio [Kg/cm3] .............................................................. 42

Ecuación 9: Módulo de Rotura dentro del tercio medio de la luz libre ................ 56

Ecuación 10: Módulo de Rotura fuera del tercio medio de la luz libre ................ 57

Ecuación 11: Tensión Tangencial ....................................................................... 100

LISTA DE ENSAYOS

Ensayo 1: Ensayo granulometría del Agregado Grueso ....................................... 22

Ensayo 2: Ensayo Granulométrico del Agregado Fino ......................................... 23

xiv

Ensayo 3: Determinación del Porcentaje de Desgaste Abrasión de los Ángeles .. 26

Ensayo 4: Peso Específico, Capacidad de Absorción y Contenido de Humedad del

Agregado Grueso del Agregado Grueso ............................................................... 29

Ensayo 5: Peso Específico, Capacidad de Absorción y Contenido de Humedad del

Agregado Grueso del Agregado Fino ................................................................... 30

Ensayo 6: Densidad Aparente Suelta y Compactada de los Agregados ............... 32

Ensayo 7: Densidad Aparente Máxima y Óptima de los Agregados .................... 34

Ensayo 8: Densidad del Cemento ......................................................................... 36

LISTA DE ANEXOS

Anexo 1: CARACTERIZACIÓN DE AGREGADOS ......................................... 77

Anexo 2: CERTIFICADO DE VALIDEZ DE LOS RESULTADOS DE LA

CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS ................................................ 78

Anexo 3: CONSTRUCCIÓN DE LOS APOYOS DE MORTERO ..................... 80

Anexo 4: ELABORACIÓN DE LA MEZCLA DE HORMIGÓN ....................... 82

Anexo 5: CONSTRUCCIÓN DE LAS VIGAS DE HORMIGÓN SIMPLE ....... 84

Anexo 6: CONSTRUCCIÓN DE VIGAS DE HORMIGÓN SIMPLE ................ 86

Anexo 7: CONSTRUCCIÓN DE ESPECÍMENES DE PRUEBAS DE

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN ................................................................ 89

Anexo 8: DESENCOFRADO Y CURADO DE LAS VIGAS ............................. 90

Anexo 9: PREPARACIÓN DE LOS ESPECÍMENES PARA PRUEBAS DE

RESISTENCIA A LA FLEXIÓN ......................................................................... 91

Anexo 10: ENSAYO DE PRUEBA DE RESISTENCIA A FLEXIÓN EN VIGA

DE HORMIGÓN SIMPLE ................................................................................... 92


DE HORMIGÓN ARMADO CON FRP .............................................................. 93


DE HORMIGÓN ARMADO CON ACERO ........................................................ 94

Anexo 13: ENSAYO DE PRUEBA DE RESISTENCIA A COMPRESIÓN ...... 95

Anexo 14: CERTIFICADO DE VALIDEZ DE LOS RESULTADOS DE LOS

ENSAYOS EN HORMIGÓN ENDURECIDO .................................................... 96

Anexo 15: ENSAYO PULL OUT ........................................................................ 99

xv

RESUMEN

CORRELACIÓN ENTRE VIGAS DE HORMIGÓN ARMADAS

CON VARILLAS DE ACERO Y CON VARILLAS DE FIBRA

REFORZADA CON POLÍMERO FRP SOMETIDAS A

ESFUERZOS DE FLEXIÓN EN LOS TERCIOS DEL CLARO

Autor: Rivadeneira Benítez Guido Fernando

Tutor: Ing. Carlos Alberto Lasso Molina

Hasta la fecha se conoce al acero como único material de refuerzo del hormigón

armado, a pesar de su vulnerabilidad a la corrosión.

Esta investigación tiene como objetivo analizar el uso de la Fibra Reforzada con

Polímero (FRP) como una alternativa al acero en el hormigón armado sometido a

esfuerzos de flexión, por tal razón, el desarrollo de la investigación se la hizo

mediante la construcción tres tipos de especímenes, los cuales son de hormigón

simple y de hormigón armado con varillas de acero y con varillas de fibra de

vidrio reforzada con polímero de igual diámetro.

La investigación pretende analizar las características que brinden los dos

materiales como refuerzo del hormigón armado, para lo cual, al ser ensayados los

especímenes, se obtuvo la carga máxima para el cálculo del Módulo de Rotura

correspondiente. Mientras se desarrollaba el ensayo de las vigas, se llevó un

control de la carga en la cual apareció la primera fisura en la superficie

traccionada de las vigas.

Mediante el Módulo de Rotura, se realizó una comparación, obteniéndose un

índice de aporte a la resistencia del hormigón armado sometido a dicha

solicitación, el resultado refleja que, gracias a la alta resistencia a la tracción del

GFRP, este aporta con una resistencia mayor que el acero, marcando una

diferencia significativa y gracias al control llevado de las cargas se verificó el

aporte adherente entre el hormigón y el refuerzo, resultado que reflejó que el

GFRP trabajó con una adherencia Hormigón-Refuerzo menor que el acero.

PALABRAS CLAVE: FIBRA REFORZADA CON POLÍMERO / HORMIGÓN

ARMADO / ESFUERZOS DE FLEXIÓN / MÓDULO DE ROTURA /

RESISTENCIA A TRACCIÓN / ADHERENCIA HORMIGÓN - REFUERZO

xvi

ABSTRACT

CORRELATION BETWEEN ARMED CONCRETE BEAMS

WITH STEEL AND FIBER REINFORCED RODS WITH

POLYMER FRP SUBJECTED TO FLEXION EFFORTS IN

THE THIRDS OF CLEAR

Author: Rivadeneira Benítez Guido Fernando

Tutor: Ing Carlos Lasso Molina

Till the date it is known steel as the only material of reinforcing of armed

concrete, despite its vulnerability to corrosion.

This research has as objective to analyze the use of Reinforced Fiber with

Polymer (FRP) as an alternative to steel in armed concrete subjected to flexion

efforts; for that reason, the development of research was made by building three

types of specimens which are plain concrete and reinforced concrete with steel

bars and rods of fiberglass reinforced with polymer of equal diameter.

The research pretends to analyze the characteristics that provide the two materials

as concrete reinforcement, for which, when tested specimens, it was obtained the

maximum load for calculating the corresponding Module Breakage. While was

developed the assay of beams, it was carried out a control of the load in which the

first crack appeared on the tensile surface of the beams.

By Modulus of Rupture, a comparison was made, yielding a rate of contribution

to the strength of reinforced concrete subjected to such solicitation, the result

shows that, thanks to the high tensile strength of GFRP, this provides a greater

resistance than steel, marking a significant difference and by the control of loads

carried on, the bonding contribution between concrete and reinforcement was

verified, result that reflected that GFRP worked with adherence Concrete-

Reinforcing less than steel.

KEYWORDS: REINFORCED FIBER WITH POLYMER / ARMED CONCRETE /

FLEXION EFFORTS / MODULE OF RUPTURE / RESISTANCE TO TRACTION /

CONCRETE – REFORCED ADHERENCE

1

1. CAPÍTULO I: GENERALIDADES

1.1. PROBLEMATIZACIÓN

De acuerdo con lo publicado por el (Instituto Mexicano del Cemento y del

Concreto, 2003), el acero en el hormigón armado, contribuye con propiedades de

resistencia a tensión, necesarias en el conjunto estructural. Sin embargo, cuando el

acero de refuerzo se corroe, este óxido provoca la pérdida de adherencia entre el

refuerzo y el hormigón, produciéndose la exfoliación y la reducción del área del

acero en su sección transversal y consecuentemente su capacidad resistente

fenómeno que se lo conoce como delaminación del acero, factor que afecta la

seguridad de la estructura.

El hormigón aporta con una protección al acero, en su publicación, (De la Cruz,

2008), cuando el hormigón alcanza un nivel de alcalinidad (pH: aprox. 12 o 13),

produce un efecto en el acero, denominado pasivación, que impulsa la formación

de una capa de óxido submicroscópica en su superficie. Esta capa protectora

provee de beneficios al acero como la impermeabilización y la adherencia,

impidiendo la reacción anódica de oxidación.

Sin embargo, esta protección que provee el hormigón al acero no es eficiente

cuando se edifican obras civiles en ambientes hostiles, tales como, lugares en

donde el proyecto se encuentra en contacto con el agua salada, donde se

produzcan deshielos, cambios bruscos de humedad y de temperatura. Estas

condiciones reducen la alcalinidad del hormigón, provocando que no se produzca

el fenómeno de pasivación en el acero.

2

1.1.1. ANTECEDENTES

En los años cincuenta, las carreteras estadounidenses expuestas al deshielo y sales

marinas presentaban deterioro en su estructura, evidenciándose sus daños más

considerables por corrosión del acero de refuerzo.

“Varias fueron las soluciones que se plantearon, tales como,

recubrimientos con galvanizados, resina en polvo, hormigón impregnado con

polímeros, recubrimientos con epóxico y refuerzo con varillas de fibra de carbono

reforzadas con polímero (GFRP), de estas opciones, el recubrimiento con epóxico

al acero fue la mejor solución. Las barras de refuerzo FRP no fueron consideradas

la mejor solución viable y no estuvieron comercialmente disponibles sino hasta

los 1970s. (American Concrete Institute, 2015, pág. 16).”

En Alemania en 1986, se crearon programas de investigación para el uso de las

Fibras Reforzadas con Polímeros (FRP), el Proyecto Europeo "BRITE /

EURAM", "Elementos compuestos por Fibras y Técnicas como refuerzo no

Metálico", llevó extensas pruebas y análisis de los materiales FRP.

Canadá en el año 1997 construyó del tablero del puente “Crowchild” en Calgary

(ver Ilustración 1), en el cual se usó como refuerzo fibras de vidrio reforzada con

polímeros (GFRP) y el puente “Headingle” en Manitoba, donde se incluyeron las

fibras de carbono (CFRP) y de vidrio reforzadas con polímeros.

3

Ilustración 1: Barras de FRP instaladas durante la construcción del tablero del puente

“Crowchild” en Calgary, Alberta, Canadá en 1997

Fuente: Guía para el Diseño y Construcción del hormigón Estructural Reforzado con FRP Barras,

American Concrete Institute, 2015, pág. 7

En Estados Unidos en el año 1999, se levantó el edificio de la clínica “Gonda” en

Rochester, Minnesota; el “Instituto Nacional de Salud” en Bethesda, Washington

y el puente “Sierrita de la Cruz” en Texas.

1.1.2. JUSTIFICACIÓN

Al tener en las Fibras Reforzadas con Polímeros (FRP) una alternativa que brinde

bondades similares a las del acero como refuerzo del hormigón armado, es

indispensable su explotación considerando sus ventajas como el: alivianamiento,

su alta resistencia a tensión, tiene una alta resistencia a la corrosión y a la

exposición de la intemperie, también posee una baja conductividad térmica y un

bajo coeficiente de expansión, entre otras.

Actualmente el país no cuenta con ningún testimonio, ni investigación del armado

con FRP en elementos estructurales. Es un material que se está comercializando

en productos como postes, tuberías, cubiertas, carros cisterna, entre otros.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. GENERAL

Establecer una correlación entre el hormigón armado con varillas de acero y con

varillas de fibra de vidrio reforzadas con polímero (GFRP), mediante la obtención

4

del módulo de rotura obtenido en ensayos de vigas sometidas a esfuerzos de

flexión en los tercios del claro.

1.2.2. ESPECÍFICOS

Construir vigas de hormigón simple y de hormigón armado con varillas de

acero convencional y con varillas de GFRP, las cuales serán sometidas a

esfuerzos de flexión en los tercios del claro, para la obtención del valor

Módulo de Rotura en edades de siete, catorce, veintiuno y veintiocho días.

Realizar la correlación, mediante una curva comparativa (Aporte del

Módulo de Rotura vs edad) entre el armado de vigas con varillas de acero

convencional y con varillas de GFRP.

Realizar un análisis económico comparativo del uso de los dos tipos de

materiales para el refuerzo en el hormigón armado.

Establecer testimonios mediante ensayos del uso de varillas de GFRP en

armado de vigas para futuras investigaciones o aplicaciones tanto en

diseño como en construcción.

Promover el uso de la tecnología y la innovación en materiales de

construcción.

1.3. HIPÓTESIS

El uso de varillas de FRP como refuerzo de elementos de hormigón sometidos a

esfuerzos de flexión, proveerá de mejores características que los elementos de

hormigón armado reforzados con acero convencional.

5

2. CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

2.1. HORMIGÓN

2.1.1. Generalidades.

El hormigón o concreto es conocido como una piedra artificial fabricado con

aglomerante, agua, agregados y aditivos en el caso de ser necesario.

El hormigón debe ser una masa homogénea y esto sólo se lo logra tras producirse

la reacción de hidratación, que es cuando el aglomerante, conocido como cemento

portland, entra en contacto con el agua de amasado y se produce el mezclado junto

con los agregados.

“En esta etapa el hormigón puede ser fácilmente transportado y depositado en el

elemento del cual pasará a formar parte constituyente, recibiendo a continuación

un tratamiento adecuado de consolidación o compactación, que le confiere su

máxima densidad.” (Zabaleta G., 1988).

Su diseño se enfoca en el rendimiento, durabilidad, pero principalmente en

alcanzar una determinada resistencia a la compresión, tomando en cuenta

principalmente la relación “agua-cemento” y el empleo de las cantidades de los

agregados.

“La principal característica del hormigón es que presenta altas resistencias a la

compresión, pero este no tiene buena resistencia a otro tipo de solicitaciones como

tracción, torsión, flexión, etc., por lo que numerosas ocasiones se lo coloca acero

de refuerzo.” (Borja Quintanilla & Rea Castillo, 2015).

6

El conocimiento y uso del hormigón se ha difundido a nivel mundial debido a sus

generosas cualidades, sumando a ellas, la característica de tener la facilidad para

adquirir cualquier forma gracias a su plasticidad.

2.1.2. Clasificación del Hormigón

Hormigón en masa

Es un sistema constructivo donde puede considerarse en la implementación del

hormigón con fines estructurales o no, se lo encuentra en elementos cuya única

solicitación es la compresión, de igual manera en obras de retención.

Hormigón armado

Es un sistema constructivo netamente estructural, incorpora en su interior una

armadura de sección circular que se extiende en todo el largo del elemento en

fundición, armadura que aporta resistencia a esfuerzos de tracción.

Hormigón Pretensado y Hormigón Postensado

Al requerir de un elemento de hormigón armado con el objetivo de resistir

esfuerzos de tracción considerables, su refuerzo puede experimentar una

deformación, lo que ocasiona que falle el hormigón que lo recubre y este quede

expuesto al ambiente.

Para mejorar la resistencia a este tipo de solicitaciones el Hormigón Pretensado y

el Hormigón Postensado acogen el mismo criterio, el cual, comprende el tensar la

armadura con el fin de compensar la deformación que pudiera experimentar, cabe

resaltar que únicamente se lo puede realizar con armadura de acero por su

ductilidad y facilidad de recuperación, donde se diferencia dos tipos de procesos:

Postensado y Pretensado.

La diferencia entre el Pretensado y Postensado es su elaboración. En la

fabricación del Pretensado, el hormigón es vertido posteriormente al tensado de su

armadura, mientras que en el Postensado, el hormigón es vertido previo al tensado

de su armadura.

7

2.2. HORMIGÓN ARMADO

2.2.1. Generalidades

El hormigón es un material poseedor de numerosas virtudes como se expuso

anteriormente, sus características más importantes residen en su alta resistencia a

esfuerzos de compresión y su baja resistencia a esfuerzos de tracción.

Para detallar lo expuesto, se plantean dos casos de ensayos de especímenes para

pruebas a esfuerzos de flexión. En la Ilustración 2 se presenta una viga fabricada

con hormigón simplemente apoyada, en la cual se aplica una carga uniformemente

distribuida (q), la misma que genera la rotura en el elemento.

Ilustración 2: Viga de Hormigón

Fuente: (Hernández Montes & Gil Martín, 2007)

Al uso de la Ilustración 2, el autor utiliza la nomenclatura el signo positivo (+)

para hacer referencia a las fibras que experimentan compresión, mientras que las

fibras que experimentan flexión se lo hace con la nomenclatura con el signo

negativo (-).

En el centro de luz de la viga, esta experimenta compresión en sus fibras

superiores y tracción en sus fibras inferiores, estas últimas se caracterizan por ser

el lugar donde se espera que falle el elemento; mientras que, en la mitad de la

altura de la viga se forma un eje equilibrado (eje neutro), pues existe una

compensación entra la tracción y compresión actuantes en el elemento.

8

Para lograr una mayor resistencia a los esfuerzos traccionantes, se incluye el

refuerzo en la posición donde se genera esta solicitación. Para el siguiente caso, en

la Ilustración 3, se observa una viga de hormigón armado. Dicho esquema posee

las mismas características de la Ilustración 2, en cuanto a sus dimensiones,

solicitación y apoyos.

Ilustración 3: Viga de Hormigón Armado

Fuente: (Hernández Montes & Gil Martín, 2007)

Como se observa en el diagrama de tensiones, al tener el refuerzo en la zona de

tracción, este aporta al elemento su resistencia a la tracción, anulando el esfuerzo

traccionante que se genera en las fibras inferiores de la viga.

Caso que se planteó considerando un funcionamiento adecuado del hormigón

armado, para lo cual, debe existir una adherencia que ligue al aporte mutuo entre

el hormigón y el acero.

2.2.2. Adherencia en el Hormigón Armado

El comportamiento del hormigón armado responde totalmente a la adherencia

existente entre el refuerzo y el hormigón, por tal razón, se presupone una

colaboración mutua ante situaciones de servicio. Al no existir una adherencia, la

armadura se deslizaría dentro del hormigón, acabando con el aporte que esta

provee al conjunto ante los esfuerzos traccionantes.

9

Al tener una adherencia deficiente, es motivo y causa del aparecimiento de fisuras

en el elemento, amenazando al elemento con sufrir un tipo de rotura frágil1

denominado “Splitting”, el cual, consiste en el fisuramiento del recubrimiento

dejando al refuerzo con la libertad de deslizarse si no posee un anclaje dentro del

elemento. Además del Splitting, las fisuras son una entrada libre a los agentes

agresivos de la armadura.

A pesar de la importancia de este tema, no se encuentran fuentes que acierten a un

comportamiento de la adherencia en el hormigón, hecho que es notable por la

diversidad de características del hormigón.

Sin embargo, existen estudios realizados de los mecanismos en los que se basa la

adherencia, gracias a los cuales se logró determinar los tipos de adherencias que

se pueden presentar.

2.2.2.1. Tipos de adherencias

Los tipos de adherencia se determinaron mediante la práctica del ensayo “pull

out”2 en el cual mediante el ensayo con una barra de acero lisa y corrugada, las

cuales son:

Adhesión Química: Es la resistencia que se gana por la reacción química de la

pasta del hormigón y la superficie del refuerzo, esta se gana desde que el

hormigón empieza el proceso de fraguado.

De acuerdo con (Harmsen, 2002), esta resistencia es vencida cuando la fuerza

supera la resistencia a la tracción del hormigón.

Fricción: Esta resistencia aparece cuando se anula la adhesión química entre los

dos materiales y empieza un sistema de adherencia por fricción, propio del tipo de

patrón superficial de la barra.

Interacción Mecánica: No es más que el aplastamiento del concreto por las

corrugaciones de las varillas, al incrementar la carga y vencer la adherencia por

1 Rotura frágil: Consiste en una rotura explosiva del elemento al llegar a su carga máxima admisible.

2 Revisar Anexo 15

10

fricción entra a estudio el recubrimiento de hormigón, pero sobre esto, se

encuentra la sección transversal de la barra.

2.3. FIBRAS REFORZADAS CON POLÍMERO (FRP)


Las fibras reforzadas con polímero son un material compuesto constituido

principalmente por dos elementos que son la fibra y la resina, adicional se agrega

aditivos, en la Ilustración 4 se tiene un corte en su sección transversal de una

varilla ensayada a tracción, en la cual se observa como está constituido lo

expuesto.

Ilustración 4: Configuración del FRP

Fuente: http://www.ebah.com.br/content/ABAAABouwAK/matriais-compositos-com-matriz-

ceramica

“Las fibras de refuerzo proporcionan el esfuerzo mecánico, la resina o

polímero es el “pegamento” que mantiene unido al compuesto y da las

propiedades físicas del producto terminado, mientras que los materiales de relleno

y aditivos son usados como proceso para dar propiedades especiales al producto

final. (Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, s.f.)”

http://www.ebah.com.br/content/ABAAABouwAK/matriais-compositos-com-matriz-ceramica


11

En resumen, las fibras son quienes proporcionan la resistencia ante esfuerzos de

tracción y la resina es la encargada de trasmitir los esfuerzos entre las fibras.

2.3.2. Propiedades físicas del FRP

Posee una baja densidad específica, su valor está entre 1250 y 2100

Kg/m3, mientras que la densidad específica del acero es de 7900 Kg/m

3,

debido a esto es que resalta la facilidad de transporte y manejabilidad del

FRP.

De acuerdo con (Escamilla Hernández & Loza Vega, 2004), siendo el FRP

un material anisótropo3, al sufrir un cambio de temperatura, su expansión

longitudinal y transversal son diferentes, puesto que, longitudinalmente el

coeficiente de expansión actuante es el de las fibras con un valor de 6 a 10

x 10-6

/°C y en dirección transversal el coeficiente de expansión de la resina

está entre 21 y 23 x 10-6

/°C. A diferencia de esto, el acero es un material

isótropo4, por lo tanto, su expansión es igual en ambas direcciones y el

valor de su coeficiente de dilatación es de 11.7 x 10-6

/°C.

El FRP no es un material dúctil.

2.3.3. Propiedades mecánicas del FRP

Según lo expuesto por (Escamilla Hernández & Loza Vega, 2004), la

resistencia a esfuerzos de compresión del FRP es muy bajo, en estudios

realizados esta resistencia ha llegado a ser el 55% de la resistencia a

esfuerzos de tensión, por lo que no se recomienda su uso como refuerzo a

compresión.

Cuando son aplicados esfuerzos de tensión, las barras de FRP no presentan

un comportamiento plástico. Su rotura llega cuando alcanzan su carga

máxima admisible y durante el aumento de la carga su comportamiento es

elástico, propiedad que se puede reflejar observando el Diagrama 1.

3 Anisótropo: Algo anisótropo podrá presentar diferentes características según la dirección. Fuente:

https://es.wikipedia.org/wiki/Anisotrop%C3%ADa 4 Isótropo: Son los materiales que presentan el mismo comportamiento mecánico para cualquier dirección de

estiramiento alrededor de un punto. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Constante_el%C3%A1stica

12

Diagrama 1: Esfuerzo de Tensión vs Deformación

Fuente: (Instituto Ecuatoriano del cemento y del hormigón, 2014)

No tiene una buena resistencia a los esfuerzos cortantes, debido a que, en

su cuerpo no tiene ningún refuerzo entre capa y capa de polímero.

Por lo expuesto en esta sección, es especial lo referente a la resistencia a la

tracción del elemento y su comportamiento, por interés para el desarrollo de la

investigación, se presenta un diagrama en el cual se evidencia la diferencia en el

comportamiento del GFRP y del acero, evidenciando la diferencia significativa en

el comportamiento de los dos materiales y su resistencia a la deformación, ver

Diagrama 2.

Diagrama 2: Esfuerzo vs deformación de las varillas de acero y FRP

Fuente: (Escamilla Hernández & Loza Vega, 2004)

13

Gráfica en la cual se hace evidente el comportamiento plástico del acero, de

acuerdo con (Escamilla Hernández & Loza Vega, 2004), en este ciclo el acero

sufre un reacomodo de sus partículas y después de un proceso en el cual el acero

cede, este llega a su falla. Mientras que, en el GFRP su comportamiento es

elástico hasta llegar a su falla.

2.3.4. Prestaciones del FRP

La Durabilidad es un factor importante del porque el uso del FRP en la Ingeniería

Civil. Tiene participación en ambientes con malas condiciones, al extremo de ser

un material con el cual se fabrican cascos de barcos.

Gracias a sus características, el FRP se comercializa para postes de energía

eléctrica, tanques de carros cisterna, tubería y perfiles sustituyendo al acero.

2.3.5. Tipos de polímeros empleados en la elaboración del FRP

Para la fabricación del FRP, se emplean fibras de varios materiales tales como:

vidrio, carbono o aramida, ver Tabla 1.

Tabla 1: Comparación de los materiales empleados para la fabricación del FRP

MATERIAL VENTAJAS DESVENTAJAS

Vidrio Buena relación peso/prestaciones mecánicas Elevadas prestaciones mecánicas

especificadas Facilidad de aplicación

Carbono

Excelente resistencia a la rotura en tracción

y compresión

Precio elevado

Escasa resistencia al choque Buena resistencia a la humedad

Aramida Buen comportamiento al choque

Baja resistencia a la compresión Buena resistencia a la humedad

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos94/materiales-matriz-polimerica/materiales-

matriz-polimerica.shtml

Vidrio: Denominado GFRP, las fibras de vidrio fueron las primeras fibras que se

utilizaron como refuerzo, estas fibras se obtienen tras un proceso de hilado bajo

14

fusión del óxido de silicio, para detallar lo expuesto se hace mediante la

Ilustración 5.

Ilustración 5: Proceso de pultrusión5 para la fabricación de GFRP

Fuente: http://www.unicomposite.com/pultrusion_process.htm

Las fibras de vidrio son las más utilizadas como refuerzo en el FRP, por sus

características favorables para su elaboración, tales como: buena adherencia fibra-

matriz, baja conductividad, buena resistencia a los agentes químicos, entre otras.

Las varillas de fibra de vidrio reforzadas con polímeros son las únicas que se

fabrican en el país, puesto que, para su producción no es necesaria la importación

de su materia prima, a diferencia de los FRP de carbono y de aramida, que para su

fabricación es necesario la importación de las fibras.

Carbono: Denominado (CFRP), las fibras de carbono entran cuando la rigidez

necesaria excede a la de las fibras de vidrio, por ende su costo es más alto que el

de las fibras de vidrio.

Para la elaboración de estas fibras, el carbono puede encontrarse en dos estados

alotrópicos6, ya sea grafito o diamante.

5 La pultrusión es un proceso productivo de conformado de materiales plásticos termorrígidos para obtener

perfiles de plástico reforzado, de forma continua, sometiendo las materias primas a un arrastre y parado por

operaciones de impregnado, conformado, curado y corte. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Pultrusión 6 En el estado sólido las propiedades alotrópicas ocurren en elementos de una misma composición, pero

aspectos diferentes. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Alotrop%C3%ADa

http://www.unicomposite.com/pultrusion_process.htm

https://es.wikipedia.org/wiki/Termorr%C3%ADgido

15

Aramida:

“La fibra se obtiene partiendo de una solución de amida aromática en un

disolvente (ácido sulfúrico), hilándola y estirándola. Por ello las cadenas

moleculares se orientan en la dirección de la fibra y constituyen estructuras

cristalinas a las que debe la fibra sus buenas características mecánicas.

(Plastiquimica, S.N.).”

La característica particular de este material se centra en su alta resistencia al

impacto y la alta capacidad de absorción de energía, pero posee la desventaja de

ser sensible a los esfuerzos de compresión y a la humedad.

2.3.6. Varillas de FRP

En el país las varillas de FRP son fabricadas mediante la normativa ANSI

C136.20, NTE INEN 2657 y UNE-EN 40-7, pero no se tiene una guía de diseño

para el uso del FRP, a diferencia de organismos internacionales que poseen guías

de diseño, tal como se detalla en la Tabla 2.

Tabla 2: Códigos y guías internacionales de diseño que norman el uso de FRP

CODIGOS Y GUIAS DE DISEÑO

ACI

REPORT ON Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Croncrete

Structures - ACI 440R-07, September, 2007

Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforce

Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars -

ACI 440.5-08, June, 2008

Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials for

Concrete Reinforcement - ACI 440.6-08, November, 2009

AASHTO

LRFD Bridge Desing Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete Bridge

Decks and Traffic Railings - November, 2009

CAN / CSA-S6-06 Canadian Highway Bridge Design Code - Section 16 – 2006

ASTM

D7205-06 - Cross Section, Tensile

D7337-07 - Creep Rupture

D7522-09 - Laminate Direct Pull Off

D765-09 - Laminate Tension / Calcs

Fuente: (Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, 2014)

16

2.3.7. Patrones superficiales

Las varillas de FRP cuentan con tres tipos patrones comerciales superficiales,

reconocidas por el ACI, en la Ilustración 6, se muestran los diferentes patrones,

siendo:

a. Acanalado.

b. Con un recubrimiento de arena de sílice.

c. Con un anillado grabado y con recubrimiento de arena de sílice.

Ilustración 6: Patrones superficiales comerciales de las varillas de FRP

Fuente: (American Concrete Institute, 2015)

2.4. ENSAYOS A REALIZARSE EN HORMIGÓN

2.4.1. En Hormigón Fresco

Para la fabricación del hormigón, se llevará control, mediante la medición del

revenimiento en cada bachada.

2.4.1.1. Hormigón de Cemento Hidráulico. Determinación del Asentamiento

(NTE INEN 1578)

Mediante este ensayo se tendrá un control del hormigón fabricado, siendo una

referencia la medida de su plasticidad para determinar la homogeneidad de los

hormigones fabricados diariamente y si es necesario añadir una cantidad de

aditivo (de la familia de los plastificantes) necesario para alcanzar la

trabajabilidad en el hormigón deseada.

17

Este ensayo se debe realizar dentro de los 5 minutos que lo establece la norma

NTE INEN 1763 (Hormigón de Cemento Hidráulico. Muestreo).

2.4.1.2. Hormigón de Cemento Hidráulico. Elaboración y curado en obra de

especímenes para ensayo (NTE INEN 1576)

Ensayo necesario para la elaboración de los especímenes tanto para el ensayo de

resistencia a la compresión del hormigón, como para el ensayo de resistencia a la

flexión del hormigón.

Mediante esta normativa se fabrican los especímenes en estudio, conociendo las

dimensiones de los moldes, el número de capas para su llenado, el número de

varilladas y el número de golpes que se le deben de dar para completar el llenado

con el hormigón.

2.4.2. En Hormigón Endurecido

El control de las propiedades que ha alcanzado el hormigón se llevará a cabo bajo

los siguientes ensayos.


la compresión de especímenes cilíndricos de hormigón de cemento

hidráulico (NTE INEN 1573)

Mediante este ensayo se determina la resistencia a la compresión, mediante la

rotura de los especímenes cilíndricos.

Este método consiste en la aplicación de una carga axial de compresión a los

cilindros a una velocidad que se encuentra establecida, este ensayo se lleva a cabo

hasta la rotura del espécimen para determinar su tipo de falla.

Dentro de sus lineamientos, la norma exige la medición de planicidad de la cara

superior e inferior para la determinación del tipo de refrentado necesario para la

realización del ensayo.

18


flexión del hormigón. (Utilizando una viga simple con carga en los

tercios) (NTE INEN 2554)

Dispone de una viga de hormigón apoyada libremente en los extremos, que es

cargada en los tercios de la luz libre hasta que ocurra la rotura de la misma.

Al igual que el ensayo anterior, la norma establece la velocidad de aplicación de la

carga, así como el tipo de refrentado según la medición de su planicidad.

La posición de ensayo de las vigas de hormigón simple, se lo hace ubicando la

cara en la cual se realizó el acabado perpendicular a los rodillos, mientras que para

las vigas de hormigón armado la carga transmitida por los rodillos superiores es

aplicada en la superficie donde se realizó el acabado.

En lo expuesto anteriormente, para la colocación de la viga en los rodillos, se lo

hace respetando la luz libre (45 centímetros), como se muestra en la Ilustración 7:

Ilustración 7: Esquema de un aparato apropiado para ensayos de flexión en el hormigón, por

el método de carga en los tercios de la luz libre

Fuente: (Norma Técnica Ecuatoriana, 2011)

19

Para los dos tipos de vigas (hormigón simple y hormigón armado) el ensayo se

realizará hasta llevar a la rotura al espécimen, observando el lugar de se produce

la falla (si es dentro del tercio medio o no), información que es necesaria para el

cálculo del módulo de rotura.

En el caso de ensayar las vigas de hormigón armado, se llevará a cabo un control

cuidadoso, se observará cuando aparezca la primera fisura en la superficie

traccionada del espécimen y se tabulará la carga correspondiente.

20

3. CAPÍTULO III: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

3.1. ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE

LOS AGREGADOS SELECCIONADOS

Los áridos ocupan el 80% del volumen del hormigón y sin ser partícipes en el

proceso de fraguado del hormigón, estos deben cumplir requisitos muy

importantes para ser incluidos, tales como, no deben reaccionar con el cemento, ni

mucho menos modificar las características del hormigón.

“Las propiedades de los materiales reflejan su idoneidad para formar parte

del hormigón, empezando desde su aporte en el estado fresco de la mezcla para

obtener el concreto hasta una vez endurecido. Lo que se busca en las materias

primas es que entre ellas puedan aglutinarse con un alto grado de compatibilidad,

hablando en sentido figurado se puede decir que entre agua, cemento, arena y

ripio sepan trabajar como equipo, para formar un solo conjunto bien constituido.

(Bermúdez Andrade & Cadena Perugachi, 2015).”

Los áridos cumplen funciones fundamentales dentro del hormigón:

El árido comparado con el cemento es un material económico, razón por la

cual, su inclusión en el hormigón hace que este disminuya su costo. El

árido ocupa el mayor volumen y mientras menor sea el tamaño de la

partícula esta encarece el hormigón.

Aportan al hormigón con sus características mecánicas, tales como la

resistencia a la abrasión, textura superficial y granulometría; lo cual aporta

al hormigón haciendo de este un material más durable.

Parte fundamental de la investigación para la fabricación del hormigón,

corresponde al estudio de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales,

resultados que se obtendrán tras realizar la caracterización de los materiales.

21

3.1.1. Ensayo granulométrico de los agregados (NTE INEN 696)

Mediante este ensayo se determina la distribución del tamaño de las partículas de

los agregados finos y gruesos, característica que influye directamente en la

cantidad de pasta que se agrega para obtener una trabajabilidad deseada.

El ensayo consiste en separar las partículas de una muestra representativa

(muestra cuarteada) de la pila de material pétreo en diferentes tamaños a través de

una distribución de tamices normalizados y hallar el porcentaje de participación

de cada grupo.

Para la realización del análisis granulométrico se inicia el cribado por el tamiz

cuya abertura es la mayor en la serie, apartándose las partículas que sean retenidos

por este, se continúa el ensayo repitiendo el proceso con las partículas que pasan

y apartando las partículas que se retienen en el siguiente tamiz, hasta completar la

serie.

Con los datos tabulados se establece la curva granulométrica, que en el caso del

agregado fino se la puede comparar con unos límites establecidos por la

normativa.

El estudio de la granulometría permite conocer el módulo de finura de los

agregados mediante los porcentajes retenidos en cada tamiz establecidos en la

serie de Taylor.

Los resultados de este ensayo se exponen a continuación en el Ensayo 1 el

agregado grueso y Ensayo 2 el agregado fino.

22

Ensayo 1: Ensayo granulometría del Agregado Grueso

Norma: NTE INEN 696

Datos Generales

Procedencia del Agregado: Mina de San Antonio

Fecha de Ensayo: 13/4/2016

Resultados del Ensayo Aplicado

Tamiz Retenido en Masa Porcentaje Límites

pulg mm Parcial (g) Acumulado (g) Retiene (%) Pasa (%) Especificados

2" 50.80 0 0 0.0 100.0 _

11/2" 38.10 0 0 0.0 100.0 _

1" 25.40 0 0 0.0 100.0 _

3/4" 19.00 0 0 0.0 100.0 100

1/2" 12.50 473.2 473.2 6.8 93.2 90 100

3/8" 9.50 1935.5 2408.7 34.4 65.6 40 70

N°4 4.76 3752.7 6161.4 88.0 12.0 0 15

N°8 2.38 701.1 6862.5 98.0 2.0 0 5

Bandeja 137.5 7000.0 100.0 0.0 0

Masa Inicial (g) 7000.0 MF =

Σ(% Retenido)Serie Tyler

Módulo de Finura 6.20 100

Tamaño Nominal Máximo 1/2" Número de Tamaño 7

Curva Granulométrica del Agregado Grueso

Fuente: Autor

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,00 4,00 8,00 12,00 16,00 20,00

PO

RC

EN

TA

JE

QU

E P

AS

A

TAMIZ N°

Límite Inferior

Límite Superior

Curva

Granulométrica

N°4 N°8 3/8 1/2 3/4

23

Ensayo 2: Ensayo Granulométrico del Agregado Fino

Norma: NTE INEN 696

Datos Generales




Curva Retenido en Masa Porcentaje Límites

pulg mm Parcial (g) Acumulado (g) Retiene (%) Pasa (%) Especificados

3/8" 9.50 0 0 0.0 100.0 100

N°4 4.75 20.3 20.3 4.1 95.9 95 100

N°8 2.36 90.1 110.4 22.4 77.6 80 100

N°16 1.18 106.7 217.1 44.0 56.0 50 85

N°30 0.60 111.3 328.4 66.6 33.4 25 60

N°50 0.30 106.5 434.9 88.2 11.8 10 30

N°100 0.15 52.7 487.6 98.9 1.1 0 10

Bandeja 5.6 493.2 100.0 0.0 -

Masa Inicial (g) 500 MF =

Σ(% Retenido)Serie Tyler

Módulo de Finura 3.24 100

Curva Granulométrica del Agregado Fino

Fuente: Autor

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

PO

RC

EN

TA

JE

QU

E P

AS

A

TAMIZ N°

Límite Inferior

Límite Superior

Curva

Granulométrica

3/8 N°4 N°8 N°16 N°30 N°50 N°100

24

3.1.2. Prueba de Abrasión (NTE INEN 860)

El ensayo de Abrasión en la “Máquina de los Ángeles” es propio del agregado

grueso, cuyo objetivo es obtener el coeficiente de uniformidad y el porcentaje de

desgaste propio del material pétreo mencionado, datos necesarios para el diseño

de mezcla, debido a que se conoce cuan apto es el agregado para resistir cargas

indirectas, incluyendo el desgaste del mismo al momento de realizar el ensayo.

“Consiste en obtener una muestra graduada del árido a ensayar, de acuerdo

a graduaciones definidas que serán útiles para el desarrollo del estudio, de acuerdo

a esta graduación se coloca un determinado número de esferas de acero que serán

en número las necesarias para que el material experimente el proceso abrasivo que

trata de pulverizar la masa de agregado colocada creando un efecto de desgaste.

(Bermúdez Andrade & Cadena Perugachi, 2015).”

La Tabla 3 presenta la preparación de la muestra para un mejor entendimiento del

ensayo.

Tabla 3: Graduación del Ensayo de Abrasión

TAMAÑO DE MALLA

aberturas cuadradas

[pulgadas] - (mm)

PESO DE LOS TAMAÑOS INDICADOS

[gramos]

GRADUACIÓN

Pasa: Se retiene en: A B C D

(12 esferas) (11 esferas) (8 esferas) (6 esferas)

11/2 (37.5) 1 (25.0) 1250 ± 25

1 (25.0) 3/4 (19.0) 1250 ± 25

3/4 (19.0) 1/2 (12.5) 1250 ± 25 2500 ± 10

1/2 (12.5) 3/8 (9.5) 1250 ± 25 2500 ± 10

3/8 (9.5) 1/4 (6.3) 2500 ± 10

1/4 (6.3) No. 4 (4.75) 2500 ± 10

No. 4 (4.75) No.8 (2.36) 5000 ± 10

TOTAL 5000 ± 10 5000 ± 10 5000 ± 10 5000 ± 10

Adaptado de: (Bermúdez Andrade & Cadena Perugachi, 2015)

25

El tamaño de la muestra para ser ensayada, así como la Graduación y por ende, el

número de esferas, será escogido de acuerdo al valor del tamaño nominal máximo

del agregado, determinado en el ensayo de granulometría.

De tal manera que la graduación A se seleccionará si se obtiene un agregado con

un tamaño máximo de 37,5 milímetros, el ensayo deberá ser realizado con 12

esferas. La graduación B se seleccionará si se obtiene un agregado con un tamaño

máximo de 19 milímetros, el ensayo deberá ser realizado con 11 esferas. La

graduación C se seleccionará si se obtiene un agregado con un tamaño máximo de

9,5 milímetros, el ensayo deberá ser realizado con 8 esferas. Por último la

graduación D se seleccionará si se obtiene un agregado con un tamaño máximo de

4.75 milímetros, el ensayo deberá ser realizado con 6 esferas.

Determinada la cantidad de agregado para el ensayo se procede a introducirla en

la máquina de Los Ángeles, junto con el número de esferas correspondientes, se

configura la máquina para dar 100 revoluciones, posterior a ello se tamiza la

muestra por el tamiz 12 y se registran los valores retenidos y que pasa por dicho

tamiz.

Nuevamente se introduce la muestra en la máquina de Los Ángeles junto con el

mismo número de esferas y se realiza el mismo procedimiento anterior para 400

revoluciones, obteniéndose para este paso los valores de masa retenida y que pasa

el tamiz 12.

Una vez culminado el tabulado de valores se continúa el ensayo con los cálculos

necesarios para la obtención del coeficiente de uniformidad y el porcentaje de

desgaste.

Los resultados de este ensayo se exponen a continuación en el Ensayo 3.

26

Ensayo 3: Determinación del Porcentaje de Desgaste Abrasión de los Ángeles

Norma: NTE INEN 860

Datos Generales


Tamaño Nominal Máximo: 3/4"

Graduación Escogida: B

Número de Esferas: 11



Masa de la Muestra de Agregado Preparada 5000.0 g

Masa de Agregado Retenido en el Tamiz Nº12 después de 100 revoluciones 4418.5 g

Masa del Agregado Que Pasa el Tamiz Nº12 después de 100 revoluciones 581.5 g

Porcentaje de Agregado Que Pasa el Tamiz Nº12 después de 100 revoluciones (Pérdida) 11.6 %

Masa del Agregado Retenido en el Tamiz Nº12 después de 500 revoluciones 2570.1 g

Masa del Agregado Que Pasa el Tamiz Nº12 después de 500 revoluciones 2429.9 g

Porcentaje de Agregado Que Pasa el Tamiz Nº12 después de 500 revoluciones (Pérdida) 48.6 %

Coeficiente de Uniformidad 0.24

Porcentaje de Desgaste del Agregado 48.6 %

Fuente: Autor

El porcentaje de desgaste obtenido demuestra que el uso del material no es apto

para el diseño de mezcla, sin embargo, el ripio de la “Mina de San Antonio” es un

material comercial y para fines de la investigación que busca encontrar

condiciones similares al diseño en obra, se fabrica el hormigón con este material

sin alterarlo y sin clasificarlo.

27

3.1.3. Peso Específico, Capacidad de Absorción y Contenido de Humedad de

los agregados (NTE INEN856 agregado fino y NTE INEN 857

agregado grueso)

Peso Específico

Con este ensayo se obtiene la relación entre la unidad de masa por unidad de

volumen del agregado.

Capacidad de Absorción

Es la capacidad que tiene la partícula de llenar de agua sus poros al ser sumergida

en agua durante 24 horas. La variabilidad de estos resultados dependerá de la

porosidad del agregado.

De manera que, la capacidad absorción se define como la cantidad de agua que

puede absorber la partícula desde cuándo se encuentra completamente seca hasta

cuándo se encuentra en el estado SSS7, como se indica en la Ilustración 8.

Ilustración 8: Contenido de Humedad en Agregados

Fuente: http://civilgeeks.com/2011/12/08/caracterizas-fisicas-de-los-agregados/

Este ensayo es de suma importancia en el cálculo de la dosificación, por su

participación directa en la variación cantidad de agua de diseño, debido a que, el

agua que no es absorbida por el agregado es el agua de mezcla con la que el

cemento formará el material aglomerante, además, cuando el agregado tiene lleno

7 Estado SSS: Estado en el cual la partícula posee la cualidad de estar Saturada Superficialmente Seco

http://civilgeeks.com/2011/12/08/caracterizas-fisicas-de-los-agregados/

28

sus poros logra tener una buena adherencia con el cemento, estabilidad química y

resistencia a la abrasión.

Contenido de Humedad

Es el contenido de agua que contiene la partícula en relación con el peso de dicha

partícula seca al horno.

Dicho valor del contenido de humedad puede ser mayor o menor que la capacidad

de absorción cuando la partícula se encuentre con agua adherida a su superficie.

Generalmente la humedad de los agregados varía conforme el ambiente en el cual

se encuentren (estado seco al aire), razón por la cual su determinación es

importante para la realización de las correcciones en la dosificación de diseño.

Los resultados de este ensayo se exponen a continuación en el Ensayo 4 el

agregado grueso y Ensayo 5 el agregado fino.

29

Ensayo 4: Peso Específico, Capacidad de Absorción y Contenido de Humedad del Agregado

Grueso del Agregado Grueso

Peso Específico del Agregado Grueso

Norma: NTE INEN 856

Capacidad de Absorción y Contenido de Humedad del Agregado Grueso

Norma: NTE INEN 857

Datos Generales




PESO ESPECÍFICO

Masa del Agregado en Estado SSS 1000.0 G

Masa del Agregado Sumergido en Agua 607.3 G

Volumen desplazado 392.7 cm³

Peso Específico del Agregado

2.55 g/cm³

2547 kg/m³

CAPACIDAD DE ABSORCIÓN

Masa del Agregado en Estado SSS 1000.0 G

Masa del Agregado Seco al Horno 957.9 G

Capacidad de Absorción del Agregado 4.4 %

CONTENIDO DE HUMEDAD

Masa del Agregado en Estado Natural 500.9 G

Masa del Agregado Seco al Horno 497.9 G

Contenido de Humedad del Agregado 0.60 %

Fuente: Autor

30

Ensayo 5: Peso Específico, Capacidad de Absorción y Contenido de Humedad del Agregado

Grueso del Agregado Fino

Peso Específico del Agregado Grueso

Norma: NTE INEN 856

Capacidad de Absorción y Contenido de Humedad del Agregado Grueso

Norma: NTE INEN 857

Datos Generales




PESO ESPECÍFICO

Masa del Picnómetro Vacío 151.4 g

Masa del Picnómetro + Agregado 451.4 g

Masa del Picnómetro + Agregado + Agua 833.7 cm³

Masa del Picnómetro + Agua 500ml 651.4 cm³

Volumen Desalojado 117.70 cm³

Peso Específico del Agregado

2.55 g/cm³

2549 kg/m³

CAPACIDAD DE ABSORCIÓN: AGREGADO FINO

Masa del Agregado en Estado SSS 300.0 g

Masa del Agregado Seco al Horno 288.1 g

Capacidad de Absorción del Agregado 4.1 %

CONTENIDO DE HUMEDAD: AGREGADO FINO

Masa del Agregado en Estado Natural 500.0 g

Masa del Agregado Seco al Horno 498.1 g

Contenido de Humedad del Agregado 0.4 %

Fuente: Autor

31

3.1.4. Densidad aparente suelta y compactada (NTE INEN 858)

Densidad Suelta

Es el valor de la masa del agregado en relación al volumen ocupado por el mismo,

incluyendo a los espacios o poros que no logra ocupar el agregado, es decir, es la

relación entre la masa de un agregado que llena un recipiente cuyo volumen es

conocido, sin la ayuda de una vibración la cual logre eliminar los espacios de aire

en su interior.

Densidad Compactada

Es la relación entre la masa del agregado y el volumen ocupado por el mismo, a

diferencia de la densidad suelta, en esta se trata de llenar los espacios o poros que

no logra ocupar el agregado, con la ayuda del varillado al momento de llenar el

recipiente, se lo hace en tres capas, con 25 apisonamientos cada capa.


32

Ensayo 6: Densidad Aparente Suelta y Compactada de los Agregados

Norma: NTE INEN 858

Datos Generales




AGREGADO GRUESO

Cilindro Metálico de Prueba

Masa 2600.0 g

Volumen 5406.4 cm³

Masa Suelta del Agregado + Cilindro Metálico (g) Masa Unitaria

Suelta

m1 m2 m3 Promedio

10160 10160 10120 10146.67 1.40

Masa Compactada del Agregado + Cilindro Metálico (kg) Masa Unitaria

Compactada

m1 m2 m3 Promedio

10920 10920 10940 10926.67 1.54

AGREGADO FINO

Cilindro Metálico de Prueba

Masa 1322.3 g

Volumen 964.6 cm³

Masa Suelta del Agregado + Cilindro Metálico (g) Masa Unitaria

Suelta

m1 m2 m3 Promedio

2904 2904 2903 2903.67 1.64

Masa Compactada del Agregado + Cilindro Metálico (kg) Masa Unitaria

Compactada

m1 m2 m3 Promedio

3018 3022 3020 3020.00 1.76

Fuente: Autor

33

3.1.5. Densidad aparente máxima y densidad óptima (Departamento de

Ensayo de Materiales UCE)

“Los agregados fino y grueso ocupan cerca del 60 % al 75 % del volumen

del hormigón (70 % a 85 % de la masa) e influyen fuertemente en las propiedades

tanto en estado fresco como endurecido, en las proporciones de la mezcla y en la

economía del hormigón. (Bermúdez Andrade & Cadena Perugachi, 2015).”

Al momento de realizar el diseño de la dosificación es importante conocer las

dimensiones de las partículas, así como, la cantidad de vacíos que esta deja y no

puede ocupar por su granulometría, en otras palabras, los poros que deja en un

volumen determinado por la distribución de sus diferentes partículas.

Estos espacios vacíos pueden llenarse con partículas más finas, con los objetivos

de disminuir la cantidad de pasta, lograr tener una mezcla más trabajable y

conseguir un mejor rendimiento del hormigón por volumen.

El fin de este ensayo es encontrar una densidad óptima y porcentajes de aportes de

los agregados tanto fino y grueso, para ello es necesario mezclar los agregados

añadiendo porcentualmente la cantidad del agregado fino.


34

Ensayo 7: Densidad Aparente Máxima y Óptima de los Agregados

Norma: Ensayo de Materiales UCE

Datos Generales

Procedencia del Agregado:

Mina de San

Antonio



Masa del Recipiente: 2.6 Kg

Volumen del Recipiente:

5406.4 cm3

Mezcla [%] Masa [Kg] Añadir Arena

[Kg]

Masa del

Recipiente

más mezcla

[Kg]

Masa de la

Mezcla

[Kg]

Densidad

Aparente

[g/cm3]

Ripio Arena Ripio Arena

100.0 0 40.0 0 0.0

90.0 10.0 40.0 4.4 4.4 11.6 9.4 1.74

80.0 20.0 40.0 10 5.6 12.0 9.6 1.78

75.0 25.0 40.0 13.3 3.3 12.4 9.8 1.81

70.0 30.0 40.0 17.1 3.8 12.4 9.8 1.81

65.0 35.0 40.0 21.5 4.4 12.4 9.8 1.81

60.0 40.0 40.0 26.7 5.2 12.2 9.6 1.78

55.0 45.0 40.0 32.7 6.0 12.2 9.6 1.78

50.0 50.0 40.0 40.0 7.3 12.0 9.4 1.74

45.0 55.0 40.0 48.9 8.9 12.0 9.4 1.74

Densidad Aparente Máxima: 1.81 g/cm3

Densidad Óptima: 1.81 g/cm3

% Óptimo de Arena: 27 %

% Óptimo de Ripio: 73 %

Fuente: Autor

35

3.1.6. Densidad real del cemento mediante el método del Frasco de Le-

Chatelier (NTE INEN 156)

El ensayo en mención determina el contenido de masa para volumen del cemento,

valor que debe oscilar de 2.80 a 3.15 g/cm3, según el contenido de Clinker que

este posea en su combinación.

La norma NTE INEN 156, rige su procedimiento mediante el uso del frasco de

Le-Chatelier, siendo este último la opción que se tomará para la realización de

este ensayo.

La determinación de la densidad del cemento es parte vital del estudio de las

propiedades de los materiales, siendo un factor que influye directamente en la

relación agua cemento que es quien da la resistencia al hormigón.


36

Ensayo 8: Densidad del Cemento

Norma: NTE INEN 156

Datos Generales

Marca del Cemento: HOLCIM

Tipo: GU


Datos Adicionales

Masa de cemento: 64.0 g

Masa del Frasco LeChatellier: 122.2 g

Temperatura del Cuarto de Cemento: 23.0 °C

Reactivo Seleccionado:

Querosén

Gasolina X

Temperatura del Reactivo: 23.0 °C


Masa del Frasco LeChatellier + Reactivo: 315.7 g

Lectura del volumen inicial: 0.1 ml

Masa del Frasco LeChatellier + Reactivo + Cemento: 379.9 g

Lectura del volumen final: 22.3 ml

Densidad del cemento: 2.89 g/cm3

Fuente: Autor

37

Los ensayos de caracterización de los agregados fueron realizados en el Instituto

Ecuatoriano del Cemento y del Hormigón (INECYC), bajo la supervisión del

Ingeniero Alexander Cadena Director del Departamento Técnico (CTECH), quien

valida la veracidad de los resultados obtenidos, ver Anexo 2.

38

4. CAPÍTULO IV: DISEÑO DE MEZCLA DE HORMIGÓN

“A pesar de que el hormigón es un material muy noble y deja construir aún

sin un criterio formado, el diseño de mezclas para obtener las cantidades correctas

a agregar es imprescindible, a pesar de que casi en general los métodos de diseños

sean empíricos, en la actualidad se cuenta solo con métodos de diseño con

respecto de la resistencia que se quiere alcanzar, dejando de lado los diseños de

mezclas por durabilidad, y en ámbitos más avanzados de investigación el diseño a

tracción del hormigón, que son necesarios para fortalecer la aplicación de este

material de gran difusión dentro de la ingeniería civil. (Bermúdez Andrade &

Cadena Perugachi, 2015).”

Con la aplicación del método seleccionado manteniendo siempre en alto los

objetivos del diseño de mezclas que son:

Obtener la resistencia requerida.

Obtener un hormigón durable.

Optimizar el uso de los materiales.

4.1. Elección del método de Diseño de Mezclas

El método de diseño seleccionado es vital para obtener las características deseadas

del hormigón, pero sobre todo su resistencia requerida.

Su desarrollo parte de la caracterización de los agregados y el estudio del cemento

primordialmente. Cada método existente consta de un proceso matemático y

estadístico en base a tablas de experiencias anteriores.

Los métodos de diseño de mezclas más aplicados son:

Método ACI.

Método de la Densidad Óptima.

39

El método ACI es una recopilación de datos obtenidos durante su desarrollo en

Norteamérica, razón por la cual no es un método confiable para su uso, pues, su

desarrollado es investigado con agregados propios del territorio y los valores

tabulados de la relación agua/cemento para una determinada resistencia son

obtenidos en base a hormigones fabricados en esas condiciones.

Por otra parte el método de la Densidad Óptima fue desarrollado en el Laboratorio

de Ensayo de Materiales Universidad Central del Ecuador, con materiales propios

de la región, lo que lo hace un método apropiado para su uso, sin mencionar su

fácil aplicación y desarrollo.

Ante lo anteriormente expuesto, cabe aportar el criterio de tener valores de la

relación agua/cemento apropiados para alcanzar una determinada resistencia,

siendo estos diferentes de los expuestos por el Método ACI.

Por lo mencionado, el método adoptado para la realización de la investigación es

el “Método de la Densidad Óptima” para la obtención del diseño de mezcla.

4.1.1. Método de la Densidad Óptima

El método de la Densidad Óptima tiene como fundamento el uso de la mínima

cantidad de pasta, de tal manera que esta brinde un recubrimiento a los agregados,

obteniéndose el “Porcentaje de Vacíos”8 deseado.

Para el desarrollo del método se sigue una serie de pasos, los cuales se exponen a

continuación:

1. Resistencia Especificada (f’c): La resistencia especificada es el valor por el

cual inicia el desarrollo del método, en este caso 28MPa.

2. Resistencia Requerida (f’cr): La resistencia requerida es la “Resistencia

Especificada” añadida un factor de seguridad para el diseño. La resistencia

requerida siempre va a ser mayor que la resistencia especificada, el valor

8 El Porcentaje Óptimo de vacíos que se lo obtiene mediante una relación entre la densidad real de la mezcla

de los agregados y la densidad óptima.

40

de la resistencia requerida se aplica para encontrar la relación

agua/cemento con la que se trabajará para el desarrollo del método.

El valor de la Resistencia Requerida se encuentra mediante la siguiente

ecuación:

𝑓′𝑐𝑟 = 𝑓′𝑐 + 8,3

Ecuación 1: Resistencia Requerida [MPa]

3. Relación agua/cemento (w/c): Para la determinación de esta relación se

hará uso de la Tabla 4, en la cual se ingresa con el valor de la Resistencia

Requerida, y si el caso amerita, se procede a realizar una interpolación

para encontrar el valor requerido.

Tabla 4: Cuadro Empírico de la Relación Agua/Cemento en función de la Resistencia.

f´c W/C

[al peso] [MPa]

14 0.80

18 0.70

22 0.60

26 0.54

30 0.48

34 0.43

38 0.38

42 0.35

Fuente: Correlación entre la resistencia al esfuerzo de compresión y tracción del hormigón,

utilizando agregados de las canteras de Pifo y San Antonio, cemento Holcim tipo GU, Bermúdez

Andrade & Cadena Perugachi, 2015, pág. 93

4. Densidad de la Mezcla (DRM):

𝐷𝑅𝑀 =𝐷𝑆𝑆𝐴 +%𝐴𝐴

100+%𝑅𝐴100

Ecuación 2: Densidad de la Mezcla [Kg/cm3]

41

5. Porcentaje Óptimo de Vacíos (%OV):

%𝑂𝑉 =𝐷𝑅𝑀 − 𝐷𝑂𝑀

𝐷𝑅𝑀∗ 100

Ecuación 3: Porcentaje Óptimo de Vacíos [%]

6. Contenido de Pasta (CP): Para encontrar el Contenido de Pasta se lo hace

en la Tabla 5 ingresando con el valor del revenimiento deseado para la

mezcla de diseño y seleccionando la ecuación tabulada para el rango de

revenimientos expuestos.

Tabla 5: Ecuaciones Aplicables para el Cálculo de la Cantidad de Pasta

Asentamiento Cantidad de Pasta

0 a 3 %OV + 0,03%OV

3,5 a 6 %OV + 0,06%OV

6.5 a 9 %OV + 0,09%OV

9,5 a 12 %OV + 0,12%OV

12,5 a 15 %OV + 0,14%OV

Fuente: Correlación entre la resistencia al esfuerzo de compresión y tracción del

hormigón, utilizando agregados de las canteras de Pifo y San Antonio, cemento Holcim

tipo GU, Bermúdez Andrade & Cadena Perugachi, 2015, pág. 94

Para el caso de la mezcla deseada el valor del revenimiento deseado es de

130 milímetros, por lo cual, la ecuación necesaria para el cálculo es:

𝐶𝑃 = %𝑂𝑉 + 0,14 ∗ %𝑂𝑉

Ecuación 4: Contenido de Pasta [%]

42

7. Cantidad de Cemento (C):

𝐶 =𝐶𝑃 ∗ 10

1𝛿𝑐

+ (𝑊𝐶 )

Ecuación 5: Cantidad de Cemento [Kg/cm3]

8. Cantidad de Agua (W):

𝑊 = (𝑊

𝐶) ∗ 𝐶

Ecuación 6: Cantidad de Agua [Kg/cm3]

9. Cantidad de Arena (A):

𝐴 = (1 − 𝐶𝑃) ∗𝐷𝑆𝑆𝐴 ∗ %𝐴𝐴

100

Ecuación 7: Cantidad de Arena [Kg/cm3]

10. Cantidad de Ripio (R):

𝑅 = (1 − 𝐶𝑃) ∗𝐷𝑆𝑆𝐴 ∗ %𝑅𝐴

100

Ecuación 8: Cantidad de Ripio [Kg/cm3]

El diseño del método asume que los agregados se encuentran en estado SSS, para

lo cual se hace una corrección en la dosificación final mediante la corrección por

humedad, datos que son obtenidos mediante la determinación de la humedad

natural de los agregados.

43

MÉTODO DE LA DENSIDAD ÓPTIMA

DATOS:

Densidad cemento: 2.89 g/cm3 = 2890 Kg/cm3

Densidad óptima: 1.85 g/cm3 = 1850 Kg/cm3

%AA: 27.00 %

%RA: 73.00 %

DSSA: 2.55 g/cm3 = 2549 Kg/cm3

DSSR: 2.55 g/cm3 = 2547 Kg/cm3

HN.A.: 0.40 %

CAB.A.: 4.10 %

HN.R.: 0.60 %

CAB.R.: 4.40 %

f'c: 28 MPa = 285 Kg/cm2

Asentamiento: 13 cm = 130 mm

1.- Cálculo de la Resistencia Requerida.

f'cr = 36.3 MPa

2.- Cálculo de la Relación W/C.

f'c

[MPa] W/C

14 0.80

18 0.70

22 0.60

26 0.54

30 0.48

34 0.43

38 0.38

42 0.35

w/c = 0.40

3.- Cálculo de la Densidad de la Mezcla.

DRM = 2548 Kg/cm3

4.- Cálculo del porcentaje óptimo de vacíos.

%OV = 27.4 %

𝑓′𝑐𝑟 = 𝑓′𝑐 + 8.3

𝐷𝑅𝑀 =𝐷𝑆𝑆𝑆𝐴 +%𝐴𝐴

100+𝐷𝑆𝑆𝑆𝑅 +%𝑅𝐴

100

%𝑂𝑉 =𝐷𝑅𝑀 − 𝐷𝑂𝑀

𝐷𝑅𝑀∗ 100

44

5.- Cantidad de Pasta.

Asentamien

to Cantidad de Pasta

As = 13 cm

0 a 3 %OV + 0,03%OV

3,5 a 6 %OV + 0,06%OV

6.5 a 9 %OV + 0,09%OV

9,5 a 12 %OV + 0,12%OV

12,5 a 15 %OV + 0,14%OV

Fórmula a usarse:

CP = 31.2 %

6.- Cálculo de la cantidad de Cemento.

C = 417.7 Kg/cm3

7.- Cantidad de Agua.

w = 167.6 Kg/cm3

8.- Cantidad de Arena.

A = 473.4 Kg/cm3

9.- Cantidad de Ripio.

R = 1278.9 Kg/cm3

10.- Cantidad de Ripio.

Cantidades

[Kg]

Dosificació

n al peso

Contenido de

Humedad

Capacida

d de

Absorció

n [%]

Correcció

n por

Humedad

Cantidad

es

Corregid

as [Kg]

Dosificaci

ón al Peso

W 167.6 0.4 _ _ 233.7 0.56

C 417.7 1 _ _ 417.7 1.00

A 473.4 1.1 0.40 4.10 17.52 455.89 1.09

R 1278.9 3.1 0.60 4.40 48.60 1230.34 2.95

𝐶𝑃 = %𝑂𝑉 + 0.14%𝑂𝑉

𝐶 =𝐶𝑃 ∗ 10

1𝛿𝑐

+𝑤𝑐

𝑤 = (𝑤 𝑐⁄ ) ∗ 𝐶

𝐴 = (1 − 𝐶𝑃) ∗𝐷𝑆𝑆𝑆𝐴 ∗ %𝐴𝐴

100

𝑅 = (1 − 𝐶𝑃) ∗𝐷𝑆𝑆𝑆𝑅 ∗ %𝑅𝐴

100

45

Con las pruebas realizadas en hormigón fresco, se incluyó un aditivo de la familia

de los superplastificantes con el cual se logró obtener un hormigón con un

revenimiento de 190 milímetros, característica que hace obtener un hormigón

autonivelante gracias a su buena trabajabilidad.

El revenimiento se deberá determinar cada bachada para llevar el control de la

trabajabilidad del hormigón, valor que deberá ser 190 milímetros con un margen

de aceptabilidad de ±20 milímetros.

46

5. CAPÍTULO V: ELABORACIÓN DE LAS VIGAS DE HORMIGÓN

SIMPLE Y DE HORMIGÓN ARMADO

5.1. CONSTRUCCIÓN DE APOYOS DE MORTERO

Los apoyos de mortero son los elementos que contribuyen en la elaboración de los

especímenes de hormigón armado, proporcionando un espaciamiento entre el

molde y el refuerzo, lo que garantiza respetar el recubrimiento del hormigón a la

armadura.

Para la construcción de estos apoyos se elaboraron los moldes o encofrados a

partir de una tubería de PVC de 2 pulgadas, la cual fue cortada cada 2 centímetros,

ver Ilustración 9.

Ilustración 9: Molde de un apoyo de mortero

Fuente: Autor

Además de lo indicado anteriormente, se debe cortar pedazos de alambre de 15

centímetros y doblarlos en la mitad dejando un anillo en este punto, el cual

funcionará como cuerpo de fijación con el mortero, ver Ilustración 10. Los

alambres cumplen la función del amarrado del refuerzo y que este no se desplace

del apoyo de mortero al momento de la fundición de la viga, replicando las

prácticas que se aplican en obra.

47

Ilustración 10: Alambres de amarrado

Fuente: Autor

La dosificación escogida para la fabricación del mortero es: 0,5 de arena, 1,0 de

cemento y 1,0 de arena fina, la cual es conocida y se usa para el refrentado en los

ensayos de compresión de bloques.

El mortero es colocado en los moldes debidamente engrasados con aceite mineral

o grasa quemada con diésel, el alambre de amarre se lo debe introducir en el

centro del apoyo y dar una pequeña vibración al mortero con el propósito de

eliminar los vacíos en su interior y de lograr una superficie plana, ver Ilustración

11.

Ilustración 11: Construcción de los apoyos de Mortero

Fuente: Autor

48

Transcurridos 24 horas, tiempo necesario para su fraguado, el apoyo de mortero es

retirado de su molde, mediante una pequeña fuerza aplicada en la parte inferior

del apoyo de mortero, como se lo demuestra en la Ilustración 12.

Ilustración 12: Apoyo de mortero

Fuente: Autor

5.2. PREPARACIÓN DEL HORMIGÓN.

Obtenida la dosificación del hormigón deseada, el cálculo de la cantidad de los

materiales participantes se lo hace a partir de la dosificación al peso, calculando la

cantidad de hormigón necesaria a partir del volumen a fundir y añadiendo en este

un porcentaje de 15% debido a pérdidas.

A servicio de la investigación, el hormigón fue fabricado en una mezcladora

estacionaria de capacidad 1 saco y medio.

Para la fabricación del hormigón, se debe respetar el orden de la colocación los

materiales en la mezcladora, para lo cual se debe realizar en el siguiente orden:

Agua en un 30%, Ripio, Arena, Agua en un 30%, cemento, el resto de agua (40%)

y por último el aditivo.

El control del hormigón fresco se lo hace mediante la medición de su

asentamiento bajo la norma NTE INEN 1578, el cual fue determinado en cada

bachada, como se lo indica en la Ilustración 13.

49

Ilustración 13: Medición del revenimiento del hormigón, bajo la norma NTE INEN 1578

Fuente: Autor

5.3. FUNDICIÓN DE LAS ESPECÍMENES PARA PRUEBAS DE

RESISTENCIA A FLEXIÓN Y ESPECÍMENES PARA PRUEBA DE

RESISTENCIA A COMPRESIÓN

El muestreo se lleva a cabo bajo la norma NTE INEN 1763, la cual presenta

varias condiciones, una de las más importantes que abarca la elaboración de los

dos tipos de especímenes es el lugar donde van a ser elaborados, este debe tener

una superficie rígida y totalmente horizontal, estar libre de vibraciones y otras

perturbaciones.

Adicional a esto, el espécimen debe de ser resguardado del sol, viento, lluvia y de

la contaminación.

5.3.1. Fundición de las especímenes para pruebas de resistencia a flexión

El muestreo de se lleva a cabo bajo la norma NTE INEN 1763, la cual presenta

varias condiciones y bajo la norma NTE INEN 1576, la cual dicta el proceso para

la correcta construcción de estos especímenes.

50

5.3.1.1. Moldes

La norma NTE INEN 1576, establece las condiciones que debe cumplir un molde

para certificar su uso, estas condiciones detallan tener las superficies lisas, sus

paredes y base deben ser perpendiculares entre sí, además de esto, los moldes

debe superar la prueba de estanqueidad.

Con respecto a las dimensiones la norma establece que

Mientras que para la longitud la norma establece que “La viga normalizada debe

tener una sección transversal de 150 mm x 150 mm y debe ser utilizada para

hormigón con árido grueso de hasta 50 mm de tamaño nominal máximo.” (Norma

Técnica Ecuatoriana, 2011)

Y con respecto al largo, la normativa establece que este debe superar en un

mínimo de tres veces la altura de ensayo más 50 mm.

5.3.1.2. Armado

Previo a la construcción de los especímenes de hormigón armado, las varillas de

acero y GFRP son cubiertas con una capa de 1 a 2 milímetros de epóxico, con el

fin de lograr una mayor adherencia entre el refuerzo y el hormigón, esto se lo hace

24 horas antes de construir las vigas, como se lo indica en la Ilustración 14;

gracias a la inclusión del epóxico se dispone de unas varillas de similar superficie

de los dos materiales.

51

Ilustración 14: Pintado del refuerzo con epóxico

Fuente: Autor

La armadura es colocada sobre los apoyos de mortero y amarrada con el alambre,

ver Ilustración 15.

Ilustración 15: Conjunto "Apoyos de Mortero - Varillas"

Fuente: Autor

El conjunto mencionado, se la ubica manteniendo la luz libre (45 centímetros)

dentro del molde, respetando el recubrimiento de hormigón elegido (2

centímetros) en los bordes del molde, tal como se la demuestra en la Ilustración 9,

tomando como ejemplo un molde de 60 centímetros de largo, ver Ilustración 16.

52

Ilustración 16: Disposición del armado dentro del molde

Fuente: Autor

Una vez ubicado el refuerzo en su posición correcta se procederá a aplicar otra

capa de epóxico de igual espesor, con el objetivo de lograr una adherencia

refuerzo-epóxico-hormigón y se procede con el llenado de la primera capa de

hormigón.

Para la construcción de los especímenes de hormigón simple, el presente numeral

no es aplicable y se procede al llenado de la primera capa de hormigón.

5.3.1.3. Número de capas

El llenado del molde con el hormigón debe ser en 2 capas.

Al momento de varillar la segunda capa, se debe tener presente que, las varilladas

deben traspasar 25 milímetros la anterior capa de hormigón anterior.

5.3.1.4. Número de varilladas

La norma dispone que, se debe dar 1 varillada por cada 14 cm2 de superficie. La

varilla debe ser de 10 ±2 milímetros de diámetro, con la punta redondeada de

igual diámetro.

Como ejemplo, para la elaboración de la presente investigación, para la

construcción de los especímenes se dispuso de 5 moldes de diferente longitud,

para lo cual, en aplicación de lo expuesto en este numeral, se detalla el número de

varilladas para cada espécimen según el molde en el cual se lo construía, valores

que se puntualizan en la Tabla 6.

53

Tabla 6: Dimensiones y número de varilladas correspondientes de los moldes utilizados para

la elaboración de vigas.

Nro. Ancho

[cm]

Alto

[cm]

Longitud

[cm]

Área

[cm2]

Número

de Varilladas

1 15.0 15.0 51.0 765 55

2 15.0 15.0 51.5 772.5 55

3 15.0 15.0 53.5 802.5 57

4 15.0 15.0 58.5 877.5 63

5 15.0 15.0 60.0 900 64

Fuente: Autor

5.3.1.5. Número de golpes

El número de golpes va de 10 a 15 golpes distribuidos en los bordes del molde,

con igual fuerza. Proceso que se lo realiza con un mazo de 0,6 ±0,2 kilogramos.

5.3.1.6. Enrasado

Mediante el enrasado se quita el exceso de hormigón del molde, esto se debe

realizar con la varilla y con un movimiento corte.

5.3.1.7. Acabado

Una vez retirado el exceso de hormigón se da el acabado al espécimen con la liana

con el fin de obtener una superficie lisa.

5.3.1.8. Etiquetado

El proceso de etiquetado cumple con el objetivo de identificar el espécimen con

sus datos propios como número o código, fecha de muestreo y fecha de ensayo.

5.3.1.9. Desencofrado

Transcurridas 24 horas los testigos son desencofrados, esto asegurando de que

haya cumplido con el tiempo necesario para su fraguado inicial.

54

5.3.1.10. Curado

Excepto de la normativa, este proceso se lleva según la realidad de las fundiciones

de hormigón en obra, esto se lo hizo mojando los testigos diariamente, tal como se

lo hace en obra.

5.3.2. Fundición de las especímenes para pruebas de resistencia a la

compresión

La norma NTE INEN 1576 para la fabricación de los especímenes para pruebas de

resistencia a compresión (cilindros), estos van a ser “testigos” de la condición del

hormigón armado (vigas), en función de su resistencia a la compresión (f’c).

5.3.2.1. Moldes

La norma NTE INEN 1576 establece que “Para ensayos de aceptación de la

resistencia a compresión especificada, los cilindros deben ser de 150 mm x 300

mm o de 100 mm x 200 mm” (Norma Técnica Ecuatoriana, 2011).

Adicional a esto los moldes deben cumplir con la prueba de estanqueidad, tener la

superficie lisa y sin deformaciones.

5.3.2.2. Número de capas

Para el llenado de los cilindros de 150 mm de diámetro y 300 mm de altura se

debe hacer en 3 capas, mientras que para los cilindros de 100 mm de diámetro y

200 mm de altura se lo hace en dos capas.

5.3.2.3. Número de varilladas

Es necesario distribuir 25 varilladas en todo el molde, de preferencia en forma

espiral procurando no realizar un varillado rápido por la inclusión de aire en los

especímenes.

Al momento de varillar la segunda o tercer capa, se debe tener presente que, las

varilladas deben traspasar 25 milímetros la anterior capa de hormigón anterior.

55

5.3.2.4. Número de golpes

El número de golpes va de 10 a 15 golpes distribuidos en los bordes del molde,

con igual fuerza. Proceso que se lo realiza con un mazo de 0,6 ±0,2 kilogramos.

5.3.2.5. Enrasado

Mediante el enrasado se quita el exceso de hormigón del molde, esto se debe

realizar con la varilla y con un movimiento de corte.

5.3.2.6. Acabado

Una vez retirado el exceso de hormigón se da el acabado al espécimen con la liana

con el fin de obtener una superficie lisa.

5.3.2.7. Etiquetado

El proceso de etiquetado cumple con el objetivo de identificar el espécimen con

sus datos propios como número o código, fecha de muestreo y fecha de ensayo.

5.3.2.8. Desencofrado

Transcurridas 24 horas los testigos son desencofrados, esto asegurando de que

haya cumplido con el tiempo necesario para su fraguado inicial.

5.3.2.9. Curado

La normativa exige que los cilindros deben ser llevados a la cámara de curado,

excepción que se hace para el desarrollo de la investigación, siendo los cilindros

testigos del hormigón puesto en obra, se busca que estos reflejen una condición lo

más apegada a la realidad del elemento de hormigón armado.

Por lo tanto, este proceso se lleva igual que el numeral 5.3.1.10.

56

6. CAPÍTULO VI: ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1. MÓDULO DE ROTURA

6.1.1. Cálculo del Módulo de Rotura

La norma NTE INEN 2554 establece dos ecuaciones para el cálculo del Módulo

de Rotura, en función de la ubicación de la fractura del espécimen.

1. Si la falla o fractura se da lugar en el tercio medio de la luz libre del

espécimen, el Módulo de Rotura se obtiene mediante la Ecuación 9.

𝑅 =𝑃 ∗ 𝑙

𝑏 ∗ 𝑑2

Ecuación 9: Módulo de Rotura dentro del tercio medio de la luz libre

En donde:

R: Módulo de Rotura [MPa]

P: Carga a la que se produce la falla [Kg]

l: Distancia entre apoyos [45cm]

b: ancho promedio de la viga [mm]

d: peralte promedio de la viga [mm]

2. Si la falla se produce fuera del tercio medio de la luz libre, el Módulo de

Roturase obtiene mediante la Ecuación 10:

57

𝑅 =3𝑃 ∗ 𝑎 ∗ 𝑙

𝑏 ∗ 𝑑2

Ecuación 10: Módulo de Rotura fuera del tercio medio de la luz libre

En donde:

R: Módulo de Rotura [MPa]

P: Carga a la que se produce la falla [Kg]

a: distancia media entre la línea de fractura en la superficie traccionada y

el apoyo más cercano [mm]

l: Distancia entre apoyos [45cm]

b: ancho promedio de la viga [mm]

d: peralte promedio de la viga [mm]

Existe una condición para la validez del ensayo dentro de esta posición de

falla, si la fractura se produce en la superficie de tracción fuera del tercio

medio de la luz libre (45cm), en más de un 5% de la luz libre (2.25cm),

desechar los resultados del ensayo. Condición que será válida para los

ensayos a los especímenes sin refuerzo.


El Módulo de Rotura se define como la resistencia del hormigón a flexión o a la

tracción, su valor es inferior al valor de la resistencia a compresión (f’c) en un

10% a 20% dependiendo del tipo, dimensiones y volumen del agregado grueso.

El módulo de rotura se determina tras aplicar cargas vivas en los tercios del

espécimen hasta llegar a la falla, la disposición del ensayo se detalló

anteriormente en el numeral 2.4.2.2.

58

6.2. TIPOS DE FALLA EN ELEMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO.

Para realizar la comparación de los elementos de hormigón armado con acero y

GFRP se consideraron dos criterios del tipo de falla que se puede presentar.

Según la Guide for the Design and Construction of Concrete Rinforced with FRP

bars (Guía para el Diseño y la Construcción de Concreto Reforzado con Varillas

GFRP) elaborado por el comité 440 del ACI, existen dos criterios de aceptación

de las posibles fallas que se puedan dar.

En el primer criterio de falla, considera que la falla del espécimen se debe

a la ruptura de las fibras antes que se produzca el aplastamiento del

hormigón.

El segundo criterio de falla, se produce el aplastamiento del hormigón

antes que se produzca la ruptura en las fibras.

La Guía de Diseño del ACI recomienda utilizar el segundo criterio de falla, por tal

razón, este criterio se va a manejar en la investigación.

Mientras que para el acero

“A diferencia del diseño utilizando acero como refuerzo, donde se busca la

fluencia del acero aprovechando su ductilidad antes que el concreto falle, el

criterio para diseño con refuerzo realizado a base de GFRP busca la falla por

aplastamiento del concreto, antes de la fractura de las fibras, esto puede parecer

una falla frágil, pero es controlado por factores de seguridad que afectan al

Momento Resistente del elemento. (Escamilla Hernández & Loza Vega, 2004).”

6.3. DATOS ADICIONALES TOMADOS EN CUENTA DURANTE EL

ENSAYO

Durante la aplicación de la carga a los especímenes de hormigón armado, se debe

llevar una minuciosa observación, se debe tabular el valor de la carga cuando se

presenta la primera fisura en la superficie traccionada de la viga, tal como se

demuestra en la Ilustración 17, a partir de ese momento el hormigón no aporta con

su resistencia a la flexión hasta llegar a la carga de rotura.

59

Ilustración 17: Fisura en la superficie traccionada del espécimen

Fuente: Autor

6.4. RESULTADOS

Los resultados de las especímenes para pruebas de resistencia a flexión se detallan

a continuación en la Tabla 7 y Tabla 8.

Mientras que los resultados de los especímenes para pruebas de resistencia a

compresión se detallan en la Tabla 9.

Los ensayos de los especímenes sometidos a pruebas de resistencia a la

compresión y flexión fueron realizados en el Instituto Ecuatoriano del Cemento y

del Hormigón (INECYC), bajo la supervisión del Ingeniero Alexander Cadena

Director del Departamento Técnico (CTECH), quien valida la veracidad de los

resultados obtenidos, ver Anexo 14.

Para los resultados de los ensayos en hormigón endurecido, se promediaron los

dos valores más cercanos y se descartó el valor que tenía mayor dispersión.

60

Tabla 7: Identificación de las vigas.

Fecha de

Ensayo

Fecha de

Muestreo Identificación

Edad

[días]

Ancho (b)

[mm]

Alto (d)

[mm]

Largo (L)

[mm] Peso [Kg]

Densidad

[Kg/m3]

13/6/2016 16/5/2016 1 S.R. 28 150 150 513 25.88 2242

13/6/2016 16/5/2016 2 S.R. 28 152 150 510 25.8 2219

13/6/2016 16/5/2016 3 S.R. 28 151 150 511 25.2 2177

13/6/2016 16/5/2016 1 FRP 12 28 150 151 535 26.82 2213

13/6/2016 16/5/2016 2 FRP 12 28 150 151 515 25.66 2200

13/6/2016 16/5/2016 3 FRP 12 28 151 152 515 25.38 2147

14/6/2016 17/5/2016 1 AC 12 28 150 150 533 26.68 2225

14/6/2016 17/5/2016 2 AC 12 28 151 150 515 25.96 2226

14/6/2016 17/5/2016 3 AC 12 28 150 151 510 25.56 2213

14/6/2016 24/5/2016 4 S.R. 21 150 150 512 25.42 2207

14/6/2016 24/5/2016 5 S.R. 21 150 151 510 25.38 2197

14/6/2016 24/5/2016 6 S.R. 21 151 150 515 25.4 2178

15/6/2016 25/5/2016 4 FRP 12 21 150 150 535 26.9 2235

15/6/2016 25/5/2016 5 FRP 12 21 151 150 515 25.62 2196

15/6/2016 25/5/2016 6 FRP 12 21 150 151 513 25.46 2191

15/6/2016 25/5/2016 4 AC 12 21 150 152 513 25.88 2213

15/6/2016 25/5/2016 5 AC 12 21 150 152 600 30.32 2216

15/6/2016 25/5/2016 6 AC 12 21 151 150 513 25.72 2214

16/6/2016 2/6/2016 7 S.R. 14 152 150 585 28.82 2161

16/6/2016 2/6/2016 8 S.R. 14 151 150 513 24.82 2136

16/6/2016 2/6/2016 9 S.R. 14 150 150 510 25.8 2219

16/6/2016 2/6/2016 7 FRP 12 14 150 151 515 24.86 2131

16/6/2016 2/6/2016 8 FRP 12 14 150 150 510 24.9 2170

16/6/2016 2/6/2016 9 FRP 12 14 150 151 535 26.76 2208

20/6/2016 6/6/2016 7 AC 12 14 152 150 600 29.8 2178

20/6/2016 6/6/2016 8 AC 12 14 154 150 600 29.56 2133

20/6/2016 6/6/2016 9 AC 12 14 152 150 585 29.52 2213

20/6/2016 13/6/2016 10 S.R. 7 151 150 512 25.14 2168

20/6/2016 13/6/2016 11 S.R. 7 152 150 510 24.96 2147

20/6/2016 13/6/2016 12 S.R. 7 150 150 510 25.02 2180

21/6/2016 14/6/2016 10 FRP 12 7 150 150 508 24.64 2156

21/6/2016 14/6/2016 11 FRP 12 7 150 152 533 26.14 2151

21/6/2016 14/6/2016 12 FRP 12 7 152 150 600 28.68 2096

21/6/2016 14/6/2016 10 AC 12 7 151 150 512 25.2 2173

21/6/2016 14/6/2016 11 AC 12 7 152 151 585 29.08 2166

21/6/2016 14/6/2016 12 AC 12 7 151 150 600 29.56 2175

Fuente: Autor

61

Tabla 8: Valores obtenidos finalizado el ensayo

Identificación

Carga

(P)

[kN]

Carga a la

que aparece

la primera

fisura en la

sección

traccionada

Distancia

entre línea

de fractura

y el apoyo

más

cercano (a)

[mm]

Posición de la

Fractura

Módulo

de

Rotura

[MPa]

Validez del

Ensayo Observaciones

Promedio

de R

[MPa] Dentro

del

tercio

medio

Fuera

del

tercio

medio

1 S.R. 24.034

_

0.00 X 3.7 Ensayo Válido

3.4 2 S.R. 21.087 0.00 X 3.1 Ensayo Válido

3 S.R. 14.946 0.00 X 2.2 Ensayo Válido Descartado

1 FRP 12 74.028 37.89 215.00 X 14.0 No aplica

14.4 2 FRP 12 79.038 42.13 215.00 X 14.9 No aplica

3 FRP 12 63.253 38.62 205.00 X 11.2 No aplica Descartado

1 AC 12 69.822 66.74 215.00 x 13.3 No aplica

12.8 2 AC 12 66.248 62.15 210.00 x 12.3 No aplica

3 AC 12 60.166 60.02 200.00 x 10.6 No aplica Descartado

4 S.R. 19.840

_

0.00 X 3.0 Ensayo Válido

3.2 5 S.R. 22.924 0.00 X 3.4 Ensayo Válido

6 S.R. 25.870 0.00 X 3.9 Ensayo Válido Descartado

4 FRP 12 87.269 45.78 210.00 x 16.3 No aplica Descartado

14.1 5 FRP 12 79.001 56.79 200.00 x 14.0 No aplica

6 FRP 12 80.829 55.12 200.00 x 14.2 No aplica

4 AC 12 70.950 62.90 200.00 x 12.3 No aplica

12.2 5 AC 12 73.371 63.52 215.00 x 13.7 No aplica Descartado

6 AC 12 71.747 63.43 190.00 x 12.0 No aplica

7 S.R. 19.488

_

X 3.3 Ensayo Válido Descartado

2.7 8 S.R. 17.336 X 2.6 Ensayo Válido

9 S.R. 18.693 X 2.8 Ensayo Válido

7 FRP 12 65.860 45.46 185.00 x 10.7 No aplica

11.0 8 FRP 12 66.647 30.65 170.00 x 10.1 No aplica Descartado

9 FRP 12 77.901 49.60 165.00 x 11.3 No aplica

7 AC 12 80.088 63.36 190.00 x 13.3 No aplica

13.6 8 AC 12 83.714 58.29 190.00 x 13.8 No aplica


10 S.R. 14.315

_

X 2.2 Ensayo Válido

2.2 11 S.R. 14.829 X 2.2 Ensayo Válido

12 S.R. 13.496 X 2.0 Ensayo Válido Descartado

10 FRP 12 61.190 49.73 210.00 x 11.4 No aplica

11.2 11 FRP 12 58.633 43.92 205.00 x 10.4 No aplica Descartado

12 FRP 12 67.314 51.82 185.00 x 10.9 No aplica

10 AC 12 79.028 40.15 200.00 x 14.0 No aplica

13.5 11 AC 12 75.345 41.23 200.00 x 13.0 No aplica


Fuente: Autor

62

Tabla 9: Valores obtenidos tras el ensayo de los especímenes para pruebas de resistencia a la compresión

Fecha de

Ensayo Identificación

Longitud

[mm]

Diámetro

[mm]

Masa

[Kg]

Densidad

[Kg/m3]

Sección

[mm2]

Carga

[kN]

Esfuerzo

[MPa]

Tipo de

Falla

Promedio

[MPa]

Porcentaje

[%]

Fecha de

Muestreo

Edad

[días] Observaciones

13/6/2016 Cilindro 1 203 102.00 3.64 2194 8171.28 225.10 27.5 Tipo 3

28 100

16/5/2016 28

13/6/2016 Cilindro 2 202 102.00 3.6 2181 8171.28 257.00 31.5 Tipo 3 16/5/2016 28 Descartado

13/6/2016 Cilindro 3 203 102.00 3.62 2182 8171.28 235.50 28.8 Tipo 2 16/5/2016 28

14/6/2016 Cilindro 4 203 102.50 3.54 2113 8251.59 200.90 24.3 Tipo 3

27 95

24/5/2016 21 Descartado

14/6/2016 Cilindro 5 203 102.00 3.56 2146 8171.28 217.00 26.6 Tipo 2 24/5/2016 21

14/6/2016 Cilindro 6 202 102.00 3.52 2133 8171.28 218.90 26.8 Tipo 2 24/5/2016 21

16/6/2016 Cilindro 7 202 100.75 3.46 2149 7972.23 157.50 19.8 Tipo 2

19 67

2/6/2016 14

16/6/2016 Cilindro 8 203 102.75 3.5 2079 8291.89 149.10 18.0 Tipo 2 2/6/2016 14

16/6/2016 Cilindro 9 203 101.25 3.48 2129 8051.56 140.00 17.4 Tipo 2 2/6/2016 14 Descartado

20/6/2016 Cilindro 10 203 102.00 3.5 2110 8171.28 72.00 8.8 Tipo 3

16 58

13/6/2016 7 Descartado

20/6/2016 Cilindro 11 201 102.75 3.74 2244 8291.89 121.00 14.6 Tipo 2 13/6/2016 7

20/6/2016 Cilindro 12 203 101.50 3.74 2277 8091.37 147.00 18.2 Tipo 13/6/2016 7

Fuente: Autor

63

Las fallas obtenidas tras el ensayo de los especímenes de hormigón armado,

reflejaron una falla estructural, evidenciando la falla con una inclinación de 45

grados y el aplastamiento del hormigón, esto bajo el criterio de los tipos de fallas

aceptados por el ACI, como se lo observa en las Ilustraciones 18 y 19.

Ilustración 18: Falla del espécimen de hormigón armado con varillas de acero

Fuente: Autor

Ilustración 19: Falla del espécimen de hormigón armado con varillas de GFRP

Fuente: Autor

6.4.1. Aporte de los dos materiales de refuerzo a la resistencia a la flexión

del hormigón

Con los valores obtenidos en los ensayos, se realizan diagramas comparativos,

para observar el comportamiento del hormigón simple y hormigón armado, según

el avance de la edad del hormigón y con este su resistencia a la compresión (f’c).

64

En la Tabla 10 se indica los valores promedios del módulo de rotura (R) obtenidos

anteriormente en la Tabla 8 y cada promedio de f’c obtenidos en la Tabla 9, en

edades de 7, 14, 21 y 28 días.

Tabla 10: Cuadro de resumen del hormigón simple y hormigón armado sometidos a

esfuerzos de flexión

Datos del

Hormigón

Vigas de Hormigón

Simple Vigas de Hormigón Armado

Edad

[días]

f´c

[MPa]

Módulo de Rotura R Módulo de Rotura R

con GFRP

Módulo de Rotura R

con Acero

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

28 28.18 3.40 12% 14.43 51% 12.81 45%

21 26.67 3.21 12% 14.07 53% 12.16 46%

14 18.87 2.72 14% 10.98 58% 13.56 72%

7 16.38 2.18 13% 11.17 68% 13.50 82%

Fuente: Autor

Se elabora el Diagrama 3, obteniendo el aporte porcentual de los especímenes de

hormigón simple y hormigón armado con respecto a la resistencia a la compresión

en cada edad, con el objetivo de analizar la contribución que brinda los dos

materiales utilizados como refuerzo del hormigón.

Diagrama 3: Relación entre el Aporte del Módulo de Rotura y el f'c vs edad

65

Fuente: Autor

En el Diagrama 3, se evidencia que el aporte porcentual del acero como refuerzo

del hormigón armado en los primeros días es mayor que el FRP, pero, una vez

transcurridos aproximadamente 18 días, el aporte de los dos materiales de

refuerzos se iguala y avanzando en su edad la contribución del FRP supera a la del

acero, dato atribuido a la característica del acero al ser un material dúctil.

Resultado que se estima a razón de que el acero pudo haber entrado en fluencia.

Los resultados corroboran lo expuesto acerca del Módulo de Rotura, el hormigón

sometido a flexión se encuentra entre un 10% y 20% de su f’c.

6.4.2. Adherencia existente entre los dos materiales de refuerzo y el

hormigón

Adicional al aporte que brinda el refuerzo, es importante analizar el

comportamiento del refuerzo una vez que el hormigón deja de aportar con

resistencia a la flexión, es decir, la carga tabulada en la que aparece la primer

fisura en el elemento, para ello se elaboró la Tabla 11, en la cual se detalla la

carga en la cual aparece esta fisura y la carga total que llevó a la falla del

elemento, esto para cada edad.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

7 14 21 28

Mó

du

lo d

e ro

tura

R [

%]

Edad [días]

Hormigón

GFRP

Acero

66

Tabla 11: Datos referentes a la adherencia entre el armado y el hormigón

Vigas Armadas

Edad

[días]

Módulo de Rotura R con GFRP Módulo de Rotura R con Acero

Carga

total

[KN]

Carga en la

cual aparece la

primera fisura

en el espécimen

[KN]

Relación entre

la carga en la

cual aparece la

primera fisura

y la carga total

[%]

Carga

total

[KN]

Carga en la cual

aparece la

primera fisura

en el espécimen

[KN]

Relación entre

la carga en la

cual aparece la

primera fisura y

la carga total

[%]

28 76.53 40.01 52% 68.04 64.45 95%

21 83.14 51.29 62% 72.16 63.21 88%

14 81.90 60.83 74% 66.25 38.06 57%

7 64.25 50.78 79% 77.19 40.69 53%

Fuente: Autor

Se elabora el Diagrama 4, para analizar el comportamiento de los materiales de

refuerzo con el hormigón según el avance de edad del mismo.

Diagrama 4: Relación de la carga en la cual aparece la primera fisura en el espécimen y la

Carga Total vs Edad

Fuente: Autor

En los primeros días la adherencia del GFRP es mayor que la del acero, de igual

manera que el análisis de los aportes, transcurridos aproximadamente 18 días los

50%

60%

70%

80%

90%

100%

7 14 21 28

Ad

he

ren

cia

con

el h

orm

igó

n [

%]

Edad [días]

Adherencia del hormigóncon el GFRP

Adherencia del hormigóncon el Acero

67

materiales de refuerzo trabajan similarmente y en días que el hormigón se acerca a

su resistencia de diseño, la adherencia es mayor con el acero.

La explicación a lo expuesto, se la hace a través de los tipos de adherencia

mencionados en el numeral 2.2.2.1, en el cual, detalla una adherencia química,

que es la que encontramos en tempranas edades. Por el tipo de corrugado que

tienen las varillas de GFRP utilizadas para el desarrollo de la investigación

(numeral 2.3.7 “patrón superficial tipo b”), no se espera que se tenga una buena

adherencia por ser prácticamente lisa.

A medianas edades, los dos tipos de refuerzo tiene un trabajo igual junto al

hormigón, esto se debe al confinamiento existente.

Cerca a los 28 días la adherencia del acero con el hormigón es muy superior a la

del GFRP, se encuentra el tipo de adherencia mecánica, propia del corrugado del

acero.

6.4.3. Análisis económico

Para el análisis económico, se consideran las mismas dimensiones de los

especímenes de hormigón armado, el mismo hormigón, la mano de obra,

herramientas, transporte y costos indirectos, por lo tanto se procede al análisis

económico únicamente con el material (acero y GFRP).

Al término de esta investigación el costo del kilogramo de acero es de 1,23

dólares americanos incluido el IVA (14%), lo que para una varilla (12 metros) de

12 milímetros de diámetro su costo es de 13,12 dólares americanos incluido el

IVA (14%), mientras que para el GFRP, la misma varilla tiene un costo de 35,28

dólares americanos incluido el IVA (14%).

Para el servicio de la investigación, el análisis económico se lo hace comparando

el costo por metro del acero que es de 1,09 dólares americanos incluido el IVA

(14%), mientras que, para el GFRP, el costo por metro es de 2,94 dólares

americanos incluido el IVA (14%). Además de esto, el análisis se lo hace en base

68

del módulo de rotura obtenido a los 28 días de cada material de armadura, ver

Tabla 12.

Tabla 12: Relación Resistencia a la Flexión vs Costo

FRP Acero

Costo

[$/m]

Resistencia a los 28

días [MPa]

Costo

[$/MPa]

Costo

[$/m]

Resistencia a los 28

días [MPa]

Costo

[$/MPa]

2,94 14,43 0,20 1,09 12,81 0,09

Fuente: Autor

La diferencia existente entre los dos materiales es de 0,11 dólares americanos por

cada MPa que aporta a la resistencia flexión del elemento, lo que lleva a la

conclusión de que el acero aún sigue siendo el material idóneo por su economía

para ser usado en elementos de hormigón armado.

El presente análisis fue desarrollado con un costo del IVA del 14%, el cual fue

aprobado mediante la “Ley Solidaria para el Terremoto”, por parte de la Asamblea

Nacional, dicha normativa tiene vigencia hasta el 20 de Mayo del 2017.

69

7. CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

7.1. CONCLUSIONES

El uso de las varillas de GFRP como refuerzo del hormigón armado

mejora las condiciones de este sometido a esfuerzos de flexión,

obteniéndose un Módulo de Rotura de 14,43 MPa, mientras que, el

Módulo de Rotura del hormigón armado con varillas de acero es de 12,81

MPa.

Mediante los ensayos realizados, se demuestra que los dos materiales de

refuerzo aportaron resistencia al hormigón sometido a esfuerzos de

flexión, siendo el acero quien aporta con una mayor resistencia al

hormigón en edades iniciales y a partir de que el hormigón se acerca a la

edad en la cual alcanza la resistencia a la compresión de diseño, el GFRP

es quién brinda un mayor aporte ante los esfuerzos de flexión.

Se realizó el análisis económico utilizando los dos materiales como

refuerzo del hormigón armado, en el cual, se demuestra mediante la Tabla

12, que el acero sigue siendo el material idóneo para su uso, debido a que,

tiene un mejor costo por MPa alcanzado.

Por la resolución de la investigación, se demuestra que, el aporte GFRP

como material de refuerzo al hormigón armado sometido a esfuerzos de

flexión, favorece al desarrollo de la ingeniería civil gracias a su aporte a

dichas solicitaciones, debido a su rigidez y alta resistencia a la tracción,

demostrado tras la realización de los ensayos de rotura de vigas.

El uso de la tecnología en la elaboración del FRP en el país, proporciona

una innovación al uso del acero como refuerzo del hormigón armado.

70

7.2. RECOMENDACIONES

Se sugiere al futuro investigador, replicar el presente trabajo, construir

especímenes de hormigón armado con varillas de acero y con varillas de

GFRP, utilizando un diferente patrón superficial en las últimas para que

tengan una mejor adherencia con el hormigón, de esta manera, obtener los

resultados del Módulo de Rotura obtenido para cada material de refuerzo y

realizar la comparación de los dos materiales de refuerzo con dichos

resultados.

Se recomienda en futuras investigaciones, construir y ensayar vigas de

hormigón armado con varillas de GFRP con otro tipo de corrugado, el cual

mejorará la adherencia “Hormigón”, logrando que trabajen como un solo

elemento y con ello comparar el aporte a la resistencia a esfuerzos de

flexión que brinde el refuerzo en las edades de siete, catorce, veintiuno y

veintiocho días.

Se espera que con la modernización de la industria en el país, el costo del

GFRP disminuya, por ende, pueda ser el material competitivo con el acero

para su inclusión en la construcción.

Es recomendable el repetir los ensayos realizados con otro tipo de

agregado, cemento y aditivos cambiando, de esta manera se cambiarían las

características del hormigón en uso, obteniendo otras experiencias para

corroborar las conclusiones obtenidas y demostrar la viabilidad de su uso

en la ingeniería civil.

Repetir la presente investigación, conforme se presente innovaciones en la

comercialización del GFRP en el país.

El futuro investigador del GFRP como refuerzo, puede comprobar a largo

plazo, si su uso favorece al hormigón armado como refuerzo, debido a la

carbonatación que experimenta este y el daño que hace este efecto al

refuerzo. La investigación se la puede ser realizado ensayando los

especímenes de hormigón armado a partir de los cuatro meses de su

elaboración, realizando las pruebas correspondientes con la fenolftaleína y

comprobar los niveles de carbonatación que cumplen.

71

A lo presentado en la investigación, se recomienda realizar el ensayo “pull

– out”9 con varillas de GFRP y complementar el análisis corroborando lo

planteado de la adherencia Hormigón-Refuerzo.

9 Verificar Anexo 15

72

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77

ANEXOS

Anexo 1: CARACTERIZACIÓN DE AGREGADOS

78

Anexo 2: CERTIFICADO DE VALIDEZ DE LOS RESULTADOS DE LA

CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS

80

Anexo 3: CONSTRUCCIÓN DE LOS APOYOS DE MORTERO

82

Anexo 4: ELABORACIÓN DE LA MEZCLA DE HORMIGÓN

84

Anexo 5: CONSTRUCCIÓN DE LAS VIGAS DE HORMIGÓN SIMPLE

86

Anexo 6: CONSTRUCCIÓN DE VIGAS DE HORMIGÓN SIMPLE

89

Anexo 7: CONSTRUCCIÓN DE ESPECÍMENES DE PRUEBAS DE

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

90

Anexo 8: DESENCOFRADO Y CURADO DE LAS VIGAS

91

Anexo 9: PREPARACIÓN DE LOS ESPECÍMENES PARA PRUEBAS DE

RESISTENCIA A LA FLEXIÓN

92

Anexo 10: ENSAYO DE PRUEBA DE RESISTENCIA A FLEXIÓN EN

VIGA DE HORMIGÓN SIMPLE

El detalle expuesto a continuación, corresponde a los valores manejados por la

máquina de ensayo a flexión de una de las vigas ensayadas de hormigón simple

(Viga 2 S.R.).

DATOS

Ensayo: 2 S.R.

Tipo de ensayo: Ensayo de flexión

Fecha de ensayo: 13/06/2016

Canal número: 3

Gradiente: 0.014 MPa/sec

Carga inicio: 3.000 kN

Carga rotura: 90 %

Ancho: 152.000 mm

Alto: 150.000 mm

Dist. rodillos sup.: 150.000 mm

Dist. rodillos inf.: 450.000 mm

Area: 7600.000 mm²

RESULTADOS

STOP POR FIN DE ENSAYO

Carga máxima: 21.087 kN

Resistencia máxima: 2.775 MPa

DIAGRAMA

FALLA

93


VIGA DE HORMIGÓN ARMADO CON FRP


máquina de ensayo a flexión de una de las vigas ensayadas de hormigón armado

con varilla de GFRP de 12 milímetros de diámetro (Viga 6 FRP12).

DATOS

Ensayo: 6 FRP 12



Canal número: 3



Carga rotura: 90 %

Ancho: 150.000 mm

Alto: 151.000 mm



Area: 7600.333 mm²

RESULTADOS

STOP POR FIN DE ENSAYO



DIAGRAMA

FALLA

94


VIGA DE HORMIGÓN ARMADO CON ACERO


máquina de ensayo a flexión de una de las vigas ensayadas de hormigón armado

con varilla de acero de 12 milímetros de diámetro (Viga “7 AC-12”).

DATOS

Ensayo: 7 AC-12



Canal número: 3



Carga rotura: 90 %

Ancho: 152.000 mm

Alto: 150.000 mm



Area: 7600.000 mm²

RESULTADOS

STOP MANUAL



DIAGRAMA

FALLA

95

Anexo 13: ENSAYO DE PRUEBA DE RESISTENCIA A COMPRESIÓN


máquina de ensayo a compresión de uno de los cilindros elaborados (“CILINDRO

1”).

Ensayo de compresion en hormigon: EN 12390-3

Tipode ensayo : CILINDRO 1 Dosificacion [kg/m³] :

Tipo de cemento : GU Fecha ensayo : 13/06/2016

Condiciones de recepcion : N/A Condiciones de muestreo :

Lugar muestreo : INECYC Fecha muestreo : 16/05/2016

ID Muestra : CILINDRO 1

Dimensiones : d(mm) : 102.00 h(mm) : 203.00 Masa [Kg] : 3.6

Densidad : 3501.88

Velocidad [MPa/s] : 0.2

Area [mm2] : 8171.3 Edad : 28 Fecha preparacion : 13/06/2016

Carga [kN] [kN] : 225.1 Carga especifica [MPa] [MPa] : 27.55

Tipo rotura : Satisfactorio

Notas : N/A

: 3

Condiciones muestra:

Falla Tipo

96

Anexo 14: CERTIFICADO DE VALIDEZ DE LOS RESULTADOS DE LOS

ENSAYOS EN HORMIGÓN ENDURECIDO

99

Anexo 15: ENSAYO PULL OUT

El ensayo “pull out” consiste en obtener la fuerza con la que se logra arrancar o

deslizar una barra confinada en un cuerpo de hormigón, se considera que la

adherencia es destruida cuando se produce un deslizamiento de la barra de 0,1 a

0,2 milímetros, ensayo que esquematiza en la Ilustración 10.

Ilustración 20: Ensayo de Adherencia Pull Out

Fuente: Autor

La fuerza varía según la dimensión de la longitud en la que la barra está embebida

en el hormigón, ya que, si esta no es lo suficientemente larga, la barra es

arrancada fácilmente del cuerpo del espécimen, mientras que, si posee una mayor

longitud esta es capaz de transmitir las tensiones al hormigón.

Las tensiones transmitidas al hormigón forman un anillo alrededor de la barra el

cual se denomina “Tensión Tangencial”. Las tensiones siempre se va a presentar a

una inclinación α con respecto a la barra, expresión que responde a la resistencia

que opone el hormigón en conjunto con el corrugado de la barra para que esta no

sea arrancada del espécimen, ver Ilustración 11.


100

Ilustración 21: Tensión Tangencial en la barra

Fuente: Autor

La tensión tangencial es calculada con la siguiente ecuación.

𝜏𝑚á𝑥 =𝐹

𝜋 ∗ ∅ ∗ 𝐿

Ecuación 11: Tensión Tangencial

Con este ensayo se determina un valor de medición para la adherencia entre el

hormigón y el refuerzo, sin embargo, está todo en función de las propiedades del

hormigón.

Existe una ampliación al estudio de este ensayo, el cual permite un análisis más

detallado del confinamiento del acero en el hormigón, y es mediante la colocación

de un deformímetro en la “Placa de Apoyo”, el cual nos ayuda a determinar el

desplazamiento de la barra conforme se siga aplicando la fuerza hasta que la barra

sea arrancada del cuerpo de hormigón.

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