Hacia una correlación entre ensayos de panel y viga para hormigón reforzado con fibra

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Mediante la aplicación de relaciones tipo código –como por ejemplo, las que aparecen en el ACI 318– y la aplicación de pruebas empíricas, la investigación conducida Sergio Carmona, académico de la Universidad Técnica Federico Santa María y Doctor en Mecánica de Fractura y Fragilidad de los Hormigones de Altas Prestaciones de la Universitat Politècnica de Catalunya, encontró una relación lineal entre absorción de energía y resistencia residual aplicable al shotcrete.

Una de las preguntas que surgen cuando se analizan los sostenimientos con hormigón proyectado es de qué manera se pueden vincular tanto la capacidad de absorción de energía con la resistencia residual  del shotcrete, en lo que se refiere a su diseño como también, al control de esta materialidad.

Esta duda, según explicó Sergio Carmona, académico de la Universidad Técnica Federico Santa María (UTFSM) y Doctor en Mecánica de Fractura y Fragilidad de los Hormigones de Altas Prestaciones de la Universitat Politècnica de Catalunya (Barcelona), es recurrente en los hormigones reforzados con fibras.

En ese sentido, el académico comentó que “las fibras contribuyen a mejorar el comportamiento por fisuración del hormigón y además podemos añadir que incrementa la ductilidad aumentando la tenacidad del hormigón, otorgándole o confiriéndole una resistencia residual”. Esto, de acuerdo a la investigación del académico, se puede ver en ensayos de viga con diferentes dosis de fibra, los que arrojan resultados que van desde “desde un ablandamiento, pasando por un comportamiento plástico hasta un endurecimiento”.

Carmona aclaró que estos resultados se producen en función de distintos parámetros, los que van más allá de la fibra. En ese sentido, menciona el “tipo de fibra, materialidad de la fibra, forma de la fibra, de la matriz cementicia, entonces, tampoco uno puede aislar los distintos parámetros. En el fondo, cuando uno habla de hormigón reforzado con fibras, habla de un nuevo material”, subrayó.

Ensayos de tracción directa e indirecta: inconvenientes

Como mencionó el profesor Carmona, la teoría dicta que, para poder evaluar la tenacidad y las resistencias residuales, lo correcto es efectuar el ensayo de tracción directa. Sin embargo, el profesor puntualizó que este ensayo “tiene grandes dificultades experimentales y una alta variabilidad en los resultados. Por lo tanto, si bien es cierto que desde el punto de vista de la teoría sería el más adecuado para poder evaluar y caracterizar el comportamiento o la respuesta de un hormigón en tracción, nos vemos obligados a usar métodos alternativos”.

Si bien el académico UTFSM comentó la realización de investigaciones europeas en los que se utiliza “una probeta con entalla, controlada por abertura de fisura”. Si bien los resultados de esas pruebas son aceptables, Carmona dijo que persisten inconvenientes, en particular, en la complejidad para la ejecución de ese tipo de ensayo.

“En algún momento –agregó– se habló del ensayo de tracción indirecta pero aquí se evidenciaron problemas de control, problemas con el ensayo debido a que el hormigón reforzado con fibras es más dúctil, se empieza a deformar mucho en la zona de contacto donde se aplican las cargas y por consiguiente, empieza a aumentar la carga no por un efecto de las fibras sino por un efecto de que aumenta la superficie de contacto”.

Como una manera de soslayar este tipo de inconvenientes, se sugirió utilizar una probeta más corta “para poder facilitar el control. La probeta estaría controlada por apertura de fisura, limitando el ancho de la zona de carga colocando unas barras de carga, de manera que no pudiera aumentar excesivamente el contacto y usar un ensayo con un sistema de control con lazo cerrado para permitir el control por apertura de fisura”.

No obstante estas modificaciones, los resultados realizados con este tipo de ensayo tampoco fueron satisfactorios. “A partir de una apertura de fisura del orden de las 50 micras, obtuvimos unas curvas que mostraban una meseta. Analizada la situación de esa meseta, y este es el caso de unos hormigones sin fibra, vimos qué ocurre en este ensayo que, a pesar de que la fisura se extiende por todo el plano de carga, en este caso, que es el plano sobre se aplican las cargas, finalmente la probeta queda resistiendo una carga en forma relativamente constante, como si fuesen dos columnas”.

Por este motivo, apuntó el académico, este tipo de ensayo “no nos permite evaluar bien el comportamiento de tracción del hormigón, es un efecto que es mixto y eso lo verificamos ensayando unos cilindros cortados a lo largo del diámetro”. Por este motivo, se descartó como alternativa al ensayo de tracción directa.

Ensayos de flexión: ASTM y norma europea

En la investigación desarrollada por Sergio Carmona, los ensayos de flexión aparecen como la alternativa para vincular tanto absorción de energía como resistencias residuales de los hormigones proyectados con fibra. El académico aclaró, no obstante, que en este aspecto existen dos corrientes: “por un lado, tenemos la que viene por el lado de ASTM, que propone un ensayo de flexión controlado por la deflexión de la probeta y por otra parte, tenemos el ensayo europeo, que está normado por la norma EN 14651”.

Sobre el ensayo que proviene de ASTM, Sergio Carmona detalló que la deflexión de la probeta “permite determinar las resistencias residuales, la tenacidad y la resistencia equivalente, a partir de la curva de carga de flexión”. Sin embargo, agregó que “el problema de este ensayo es que la deflexión se mide en el centro  y al tener cargas a los tercios, muchas veces la fisura no se abre en el centro de la probeta y en la medida que tenemos una excentricidad, tenemos distorsiones en las mediciones de flexión, ya estamos viendo una deflexión que no es la deflexión máxima y por lo tanto, empiezan a producirse errores o distorsiones en el cálculo de los parámetros”.

Asimismo, añadió que “cuando se utilizan dosis bajas de fibra, como podemos ver en muchos proyectos de shotcrete a nivel nacional, tenemos una pérdida de control cuando se alcanza el máximo, una inestabilidad en la cual la deflexión se arranca hasta que las fibras logran contener la apertura de fisura y eso se debe a que la velocidad de apertura de fisura es mucho mayor que la de deflexión”.

Respecto al ensayo europeo, el académico de la UTFSM explicó que éste “se encuentra normado por la norma EN 14651, en el cual se utiliza una probeta con un entalla, la carga  se aplica en el centro, de modo que nosotros tenemos un plano de falla acotado y definido”. Además, comentó que para este ensayo, “se requiere un sistema por control con lazo cerrado y se usa el desplazamiento de apertura de los labios o bordes de la fisura para controlar el ensayo, se determina la curva carga-apertura de fisura y a partir de esa respuesta, se puede determinar el límite de proporcionalidad del hormigón”. Esto, dijo, viene definido por norma.

Una de las diferencias con el ensayo de ASTM –regulado por la norma ASTM 1609– es que las probetas son ligeramente distintas. “En el caso de la norma ASTM 1609 se usa la vigueta de iguales dimensiones que la que se utiliza para realizar el ensayo de flexotracción de hormigón, o sea, de 150 por 150 por 550mm de largo, con carga a los tercios y apoyo de 450 milímetros”, puntualizó.

“En el caso de esta vigueta europea –agregó– la luz es de 250 milímetros, que es cuatro veces la altura útil o el área del ligamento que puede que se corte en el ensayo. La entalla es de 25mm, por lo tanto, queda en 125 milímetros de altura en ligamento”.

De esta forma, Sergio Carmona detalló los resultados de su investigación, utilizando ambos métodos. Lo primero, destacó, es que se determina las respuestas residuales del hormigón reforzado con fibra a distintas aperturas de fisura y ya con los resultados obtenidos, se realiza una clasificación del uso estructural del hormigón con fibras, que va desde un comportamiento frágil, “que es el que tendríamos en un hormigón en masa, no reforzado con fibras”, explica, hasta un “endurecimiento intenso”.

Es posible establecer un nivel de equivalencia entre ambos ensayos –el ASTM 1609 y el EN 14651– a través de la comparación de las aperturas de fisura. “Esto es lo que permite hacer la comparación entre uno y otro”, explicó Carmona, detallando que ya existen varias investigaciones que “muestran algunas ecuaciones y tendencias para poder correlacionar estos ensayos”.

Ensayos de panel: Midiendo resistencias residuales

El hormigón reforzado con fibra para el sostenimiento de túneles es una de sus mayores aplicaciones en nuestro país. “Esto –dijo Carmona– porque muchos geomecánicos utilizan el método de Q de barton para la clasificación de los macizos rocosos y este método ha sido relacionado o se ha vinculado con los requerimientos de sostenimiento y por otra parte, hay publicaciones que han vinculado esto con la capacidad de absorción de energía que deberían tener los hormigones reforzados con fibra”.

La medición de la capacidad de absorción de energía, explicó el académico, se realiza mediante el ensayo de panel cuadrado que se especificó el año 1996 por EFNARC y que posteriormente, se normalizó a toda Europa. “La desventaja este panel –aclaró– es que se trata de una probeta bastante pesada y claro, cuando se está en un pique, en un túnel minero o en un túnel de una obra vial, donde se está trabajando en un ambiente complejo, en una situación que es de alto riesgo, ciertamente la probeta es uno de los grandes problemas”.

Sin embargo, la gran ventaja que tiene este tipo de ensayo es que “permite evaluar la respuesta del hormigón en varias fisuras, a diferencia de las probetas más pequeñas, donde tenemos un área específica de fisuración relativamente pequeña. Si nosotros comparamos el área de fisuración de la viga con respecto del volumen de ésta, lo que estamos evaluando es una sección considerablemente limitada respecto del mismo volumen de las probetas”, explicó el académico.

Hacia una correlación entre absorción de energía y resistencia residual

Finalmente, Sergio Carmona detalló que, previo a establecer una correlación entre el ensayo de panel (absorción de energía) y el de viga (resistencia residual), primero se debe analizar la experiencia que se tuvo cuando se estableció “una correlación entre el panel y el ensayo Barcelona. La verdad es que son dos ensayos que tienen modos de falla muy distintos y lo que hicimos nosotros fue comparar valor a valor”.

En esa ocasión, comentó el académico, se realizaron tres dosificaciones con distintas dosis de fibra, se realizaron los dos ensayos y posteriormente, se compararon instantes del ensayo. “¿Cuáles son esos dos instantes? En el caso del ensayo Barcelona, la capacidad o la energía disipada a 6mm de desplazamiento total de apertura de fisura, contra la capacidad de absorción de energía medida en los paneles, a una deflexión central del panel de 25mm”, explicó.

Para establecer esta relación, dijo Carmona, se tomaron como guía “las relaciones tipo código que nosotros podemos ver, por ejemplo, en el reglamento del ACI 318, en que dos ensayos que tienen un modo de falla totalmente distinto, como los de flexotracción y de compresión, han establecido relaciones empíricas a partir de resultados de muchos ensayos”.

En este sentido, explicó el académico, lo que se realizó para establecer esta correlación fue lo siguiente: “tenemos las resistencias residuales, definidas en la norma EN 14651, y hemos definido una tenacidad a flexión como el área bajo la curva carga apertura de fisura, término D, en el ensayo europeo. Esta definición está en la norma ASTM pero no está en la norma europea, entonces, nosotros estamos proponiendo hacer el cálculo de esta tenacidad”.

Para validar esto, se realizaron pruebas con dosis de fibra que fueron desde los 1,5 hasta los 12 kilos del material por metro cúbico de viga y de paneles cuadrados. Una vez obtenidos el resultado de ambos ensayos, “se compararon también, igual como hicimos antes, valores de energía a ciertos niveles de apertura de fisura con la capacidad de absorción de energía a 25mm y obtuvimos una relación que es lineal”, explicó.

Para corroborar esta relación, se llevaron a cabo varias pruebas con distintas dosificaciones y tipos de fibra ya que, según comentó el académico de la UTFSM, los resultados obtenidos parecían “demasiado mágicos y hasta sospechosos que fuesen tan ajustados a esta correlación”. De esta forma, destacó, “se logró correlacionar la energía del panel con la energía de la viga”.

Para establecer una correlación entre energía y resistencia residual, el camino fue distinto. “Lo primero que se hizo fue definir una carga equivalente. ¿Y cómo? Considerando que la tenacidad es carga por desplazamiento, significa que la energía que obteníamos, que es el área bajo la curva de energía, para un cierto nivel de desplazamiento, dividido por ese desplazamiento, equivaldría a una carga que produce esa tenacidad”.

“Con esa carga equivalente –subrayó Sergio Carmona– hemos calculado la resistencia equivalente utilizando la misma ecuación dada por la norma pero que en la que se reemplaza la carga del ensayo por esta carga equivalente y luego, hemos establecido la relación entre la resistencia equivalente y la resistencia residual real”. Según detalló el académico, factores como la apertura de fisura, la dosis de fibra y el tipo de fibra, producen variaciones en la carga equivalente que se consignaron durante la fase experimental de este proyecto.

“Con esto –subrayó Carmona– estamos trabajando en la correlación entre el panel y la viga pero además, para poder establecer una relación entre la energía y la resistencia residual, de manera que, por ejemplo, en un proyecto, se hace el ensayo de panel porque el ensayo de viga no es posible, porque no se dispone del sistema de control por lazo cerrado, a partir del panel uno pudiese obtener una estimación de la resistencia residual o, a lo mejor, pasar del ensayo Barcelona a las resistencias residuales”.

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Felipe kraljevich

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