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Comportamiento de Losas Apoyadas en Suelo Utilizando Concreto Reforzado Con Fibras Metálicas
Comportamiento de Losas Apoyadas en Suelo Utilizando Concreto Reforzado Con Fibras Metálicas
Comportamiento de Losas Apoyadas en Suelo Utilizando Concreto Reforzado Con Fibras Metálicas
Resumen
En este documento se analiza el comportamiento del concreto reforzado con fibras metlicas (SFRC) y se
presentan los resultados de diferentes metodologas de diseo para losas apoyadas en el suelo. Especficamente,
se estudiaron las metodologas de los cdigos de diseo ACI 360R-06 (ACI, 2006) y TR34 (The Concrete Society,
2003) con el fin de reconocer los beneficios que conlleva la utilizacin del SFRC y poder obtener una mayor
eficiencia en su uso.
La investigacin experimental desarrollada se bas en obtener el parmetro Re,3, a partir de una resistencia
de concreto y un tipo de fibra especficos con el objetivo de comprobar el comportamiento mecnico del SFRC y
compararlo contra los datos de las especificaciones tcnicas utilizadas.
Palabras claves: fibras metlicas, losas en suelo, naves industriales, Comit ACI 360, juntas de control, concreto
reforzado con fibras.
Abstract
This article analyzes the behavior of steel fiber reinforced concrete (SFRC) and presents the results of different
design methodologies for slabs supported on the ground. Specifically, the methods of ACI 360R-06 (ACI, 2006) and
TR34 (The Concrete Society, 2003) design codes were studied, in order to acknowledge the benefits involved with the
use of SFRC and get a more efficient use of this material.
The experimental investigation was based on obtaining the Re,3 parameter from a specific concrete strength and a
specific type of fiber in order to prove the mechanical behavior of SFRC and compare it with data from the technical
specifications.
Keywords: steel fibers, floor slabs, warehouses, ACI Committee 360, control joints, fiber reinforced concrete.
Recibido: 24 de agosto del 2009 Aprobado: 11 de febrero del 2010
1. INTRODUCCIN
El concreto reforzado con fibras metlicas
(SFRC) es un material compuesto; hecho con
cemento hidrulico, agregados fino y grueso y
una dispersin aleatoria de fibras pequeas, las
cuales le brindan caractersticas fisicomecnicas
distintas a los elementos de concreto normal.
El comportamiento mecnico de elementos
de concreto reforzado con fibra metlica (SFRC)
es significativamente distinto al de elementos de
concreto convencional; aspectos como el mdulo
de ruptura, el agrietamiento por temperatura,
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2. METODOLOGA DE LA
INVESTIGACIN
El propsito de esta investigacin fue
desarrollar una gua de diseo de elementos de
SFRC aplicado a contrapisos de uso industrial,
debido a las ventajas que se obtienen en la
construccin y operacin de estas estructuras
por el uso de este material. Para ello, el trabajo
se dividi en dos fases: una investigacin
bibliogrfica que determin la metodologa de
diseo y una investigacin experimental para
corroborar los conceptos inherentes al uso del
SFRC y a su vez, comprobar los parmetros de
diseo existentes en diferentes especificaciones
tcnicas de fibras metlicas.
En el caso de la investigacin bibliogrfica, se
procedi a realizar un anlisis de los cdigos de
diseo existentes para el diseo de contrapisos,
especficamente la gua de diseo ACI 360R-06
(ACI, 2006) y los cdigos TR34 (The Concrete
Society, 2003) y TR63 CCIP-017 (The Concrete
Society, 2007), normas europeas para diseo
de losas apoyadas en suelo y para el uso de
SFRC, respectivamente. Estos cdigos se basan
en la teora de Westergaard y se refieren a una
metodologa que se expone a travs de los mtodos
de la Portland Cement Association (1995), Wire
Reinforced Institute y el Corp of Engineers (Boyd
y Anderson, 1996), entre otros. El propsito de
esta seccin fue unificar los conceptos inherentes a
la mecnica de agrietamiento del SFRC, as como
las ecuaciones referentes a la capacidad de carga
que poseen las losas de SFRC apoyadas en suelo.
El diseo de losas apoyadas en suelo
utilizando SFRC se basa en la teora de lneas
de fluencia de Meyerhoff (enfoque plstico), en
donde la adicin de fibras al concreto le permite al
elemento redistribuir los esfuerzos de tensin en
su seccin y por ende se considera una capacidad
de carga residual posterior al agrietamiento. Esto
modifica los supuestos definidos en la teora
de diseo convencional (teora elstica segn
Westergaard) y hace obsoletos los mtodos
convencionales para diseo de contrapisos.
La capacidad residual del SFRC se reconoce
en las ecuaciones de diseo mediante la utilizacin
del parmetro Re,3, el cual es determinado
mediante ensayos experimentales en vigas, de
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donde:
fctm,fl
(1)
Donde:
es la longitud del claro entre apoyos del
ensayo (mm)
es el ancho de viga de ensayo (mm)
es el peralte de viga de ensayo (mm)
es el rea bajo la curva P- hasta una
deflexin de 3,0 mm
es la deflexin correspondiente al claro
entre apoyos dividido entre 150 (L/150)
Los
resultados
obtenidos
para
el
comportamiento P- y para el parmetro Re,3
presentaron una muy buena correlacin con lo
sealado tericamente y con las especificaciones
tcnicas de este material.
L
B
H
TJCI
150
(2)
3. RESULTADOS
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Figura 2. Equipo utilizado para el ensayo a flexin en vigas segn ASTM C 1018.
Fuente: (El autor).
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Figura 4. Curvas P- para los ensayos a flexin realizados para la dosificacin 15 kg/m3.
Fuente: (El autor).
Figura 5. Curvas P- para los ensayos a flexin realizados para la dosificacin 20 kg/m3.
Fuente: (El autor).
Figura 6. Curvas P- para los ensayos a flexin realizados para la dosificacin 25 kg/m3.
Fuente: (El autor).
Figura 7. Curvas P- para los ensayos a flexin realizados para la dosificacin 40 kg/m3.
Fuente: (El autor).
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(kg/m3)
Lmite inferior
Lmite superior
15
1,259
1,470
1,680
25
1,561
1,732
1,902
20
1,373
40
1,576
2,281
1,780
2,643
3,006
15
4,731
20
4,767
25
4,676
40
4,815
Fuente: (El autor).
(kg/m3)
R e,3
15
31,0
20
33,1
25
37,4
40
53,7
Fuente: (El autor).
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Cuadro 4. Comparacin de resultados para el diseo del caso de estudio segn las metodologas de diseo
analizadas.
Mtodo Westergaard
Mtodo WRI
Mtodo PCA
27,5
27,5
27,5
27,5
Resistencia a la flexin
del concreto (MPa)
1,95
1,57
1,57
3,80
21,8
21,8
21,8
21,8
5,0
5,0
5,0
9,0
0,22
0,24
0,19
0,16
Superior: #4 @ 30 cm
Superior: #4 @ 30 cm
Superior: #4 @ 30 cm
Inferior: #5 @ 20 cm
Inferior: # 5 @ 25 cm
Inferior: #5 @ 25 cm
Resistencia a la
compresin del concreto
(MPa)
Espaciamiento entre
juntas (m)
Espesor de concreto (m)
Refuerzo convencional
20 kg/m3 FF3 o D80/60
Dosificacin de fibras
-
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4. ANLISIS DE RESULTADOS
Como se puede observar en las Figuras
4, 5, 6 y 7, el comportamiento de elementos
de concreto reforzado con este tipo de fibra
corresponde a un comportamiento suavizado
(ablandamiento de tensin) (strain softening),
en el cual es claro que con aumentos en la
dosificacin de fibra se aumenta la capacidad
de resistir carga, hecho que se muestra en los
valores del ndice de flexin residual (Re,3)
y resistencia ltima a flexin equivalente
(fctfl,eq3). En investigaciones desarrolladas
a nivel mundial (Barros, Cunha, Ribeiro y
Antunes, 2004; Fernndez, 2004; Meda y
Plizarri, 2004) con fibras de una relacin l/d=60
se ha obtenido este tipo de comportamiento
hasta dosificaciones de 40 kg, las cuales se
convierten en un lmite del comportamiento
suavizado y a partir del cual se observa el
comportamiento endurecido.
A su vez, estas figuras permiten apreciar
los miniciclos de carga y descarga que ocurren
durante el desarrollo de estos ensayos, lo cual
se atribuye a la mecnica propia del concreto
fibroreforzado, ya que estas disminuciones de
carga son producto de la extraccin de fibras de
la matriz del concreto, hecho que produce una
reduccin de la carga resistida y un aumento
en la deformacin, pero que es rpidamente
compensado por la redistribucin interna
de esfuerzos que se produce en la seccin y
que permite que la carga vuelva a restituirse
inmediatamente. Las dosificaciones de 25 kg/m3
y 40 kg/m3 presentaron este fenmeno de forma
menos acentuada en comparacin con las otras
dos dosificaciones.
Con respecto a los datos obtenidos en los
Cuadros 1, 2 y 3 para los parmetros de diseo,
estos se comparan con datos de especificaciones
tcnicas existentes en el mercado (Bekaert, 2009;
Maccaferri, 2007), de los cuales se considera
la fibra Dramix 45/50 que posee una relacin l/
d=48 y que por sus caractersticas es similar al
material utilizado en esta investigacin. El valor
de Re,3 de un concreto reforzado con este tipo
de fibra y para una dosificacin de 40 kg/m3 es
del 63 %, el cual comparado con el resultado
de esta investigacin (55 %), muestra ser un
77
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5.
6.
7.
8.
9.
Ingeniera 20 (1 y 2): 67-80, ISSN: 1409-2441; 2010. San Jos, Costa Rica
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Ingeniera 20 (1 y 2): 67-80, ISSN: 1409-2441; 2010. San Jos, Costa Rica
Telfono: 2511-4186
Facsmil: 2511-4440
Correo electrnico: anavas@lanamne.ucr.ac.cr
Jos Luis Rojas Jurez
Ingeniera Civil
Coordinador de Construccin
Las Torres DCR S. A.
Correo electrnico: jose.rojas@rdsani.com