Anales Acad. Nac. de Ing. Buenos Aires, Tomo XII (2016)

ENTREGA DEL PREMIO “ING. LUIS A. HUERGO” EDICIÓN 2015

AL DR. ING. RAÚL L. ZERBINO, DR. ING. JUAN MANUEL TOBES, ING. GRACIELA M. GIACCIO E ING. MARÍA EUGENIA BOSSIO

30 de junio de 2016

I. Apertura del acto y entrega de los diplomas y medallas por el señor Presidente de la Academia Nacional de Ingeniería, Ing. Oscar A. Vardé.

II. Presentación de los Premiados a cargo del señor Académico de Número, Ing. Alberto Giovambattista.

III. Conferencia del Dr. Ing. Raúl L. Zerbino sobre el tema: “Hormigones Reforzados con Fibras: Desarrollo y Perspectivas”.

ENTREGA DEL PREMIO “ING. LUIS A. HUERGO” EDICIÓN 2015

AL DR. ING. RAÚL L. ZERBINO, DR. ING. JUAN MANUEL TOBES, ING. GRACIELA M. GIACCIO E ING. MARÍA EUGENIA BOSSIO

30 de junio de 2016

Apertura del acto y entrega del diploma y medalla por el señor Presidente de la Academia Nacional de Ingeniería, Ing. Oscar A. Vardé 

Estimados Académicos, Señoras y Señores.

La Academia Nacional de Ingeniería celebra hoy la entrega del Premio ngeniero Luis A. Huergo versión 2015 a los doctores ingenieros Raúl L. Zerbino, Juan Manuel Tobes, y a las Ingenieras, Graciela M. Giaccio y María Eugenia Bossio.

Este Premio fue creado por la Academia Nacional de Ingeniería para recordar a quien fuera el primer Ingeniero Argentino, y tiene por objeto premiar un trabajo que signifique un evidente aporte para la Ingeniería. Se otorga cada dos años y se acredita con una medalla y un diploma.

El Jurado integrado por los Académicos Antonio A. Quijano, Ricardo A. Schwarz, Alberto Giovambattista y Raúl D. Bertero recomendó por unanimidad otorgar el Premio “Luis A. Huergo”, al trabajo “On the orientation of fibres in structural members fabricated with self compacting fibre reinforced concrete” cuyos autores don los doctores ingenieros Raúl L. Zerbino, Juan Manuel Tobes, y a las Ingenieras, Graciela M. Giaccio y María Eugenia Bossio. este dictamen fue ratificada por el Plenario de esta Academia por unanimidad.

El Ing. Alberto Giovambattista, miembro del Jurado de este premio efectuará la presentación formal de todos los premiados y luego procederé, a realizar la entrega de las medallas y los diplomas que acredita este premio, razón por la cual no me extenderé en estas palabras de apertura de la Sesión.

Dejo con ustedes al Académico Alberto Giovambattista la difícil tarea de resumir en un tiempo tan breve los antecedentes y cualidades de todos nuestros premiados.

Muchas gracias.

 

Presentación de los premiados a cargo del señor Académico

Titular Ing. Alberto Giovambattista

El Premio “Ing. Luis A. Huergo” fue creado por la Academia Nacional de Ingeniería para recordar a quien fuera el primer Ingeniero Argentino.

Se otorga bianualmente a una publicación que signifique un evidente

aporte para la ingeniería. La publicación puede referirse a una realización en el medio productivo, en gabinete o en laboratorios de investigaciones aplicadas a la ingeniería.

En el año 2015 este premio fue otorgado al trabajo titulado “On the

orientation of fibres in structural members fabricated with self compacting fibre reinforced concrete”, que había sido publicado en el año 2012, en la revista Cement and Concrete Composites [ 34 (2) , pp. 191-200]. Sus autores son:

El Dr. Ing. Raúl L. Zerbino, profesor asociado de la FI UNLP e Investigador Principal del CONICET.

La Ing. Graciela M. Giaccio, profesora Adjunta de la FI UNLP e

Investigadora Independiente de la C.I.C.P.B.A. El Dr. Ing. Juan Manuel Tobes y la Ing. María Eugenia Bossio, ambos

docentes de la FI UNLP Nuestra Academia consideró que el tema abordado es de actualidad en el área

de los hormigones con fibras, un material de altas prestaciones especialmente apto para la construcción de elementos estructurales nuevos y para la reparación y refuerzo de estructuras existentes.

Entre sus aplicaciones se destaca la construcción de revestimiento de túneles,

sea a través de la construcción in situ como a partir de elementos premoldeados, donde permite sustituir en forma parcial o total las armaduras convencionales.

En los últimos años se han desarrollado hormigones autocompactantes con

fibras, particularmente aptos para reforzar secciones muy delgadas y para elementos a construir en zonas de difícil acceso.

Los autores muestran cómo la orientación de las fibras es afectada por

el efecto pared y el flujo del hormigón fresco. Y consecuentemente, el modo en que ello modifica las propiedades post fisuración del material. El efecto estudiado representa un aspecto determinante al momento de valorar la respuesta del hormigón autocompactante con fibras ya que un adecuado diseño de la forma de llenado permitirá optimizar su aprovechamiento.

Los cuatro autores son argentinos y poseen título de ingeniero otorgado

por una universidad reconocida por el Estado Argentino. Ambas son condiciones para recibir el premio Huergo.

Los cuatro también tuvieron formación de postgrado en Tecnología del Hormigón en esa escuela que desde hace 85 años se viene desarrollando en el ámbito de la Fac. de Ingeniería de la UNLP y el LEMIT – CIC. Dentro de ese contexto, en 1981, la CIC, con el apoyo de las Universidades Nacionales con asiento en la Prov. De Buenos Aires, puso en marcha un programa de formación de recursos humanos que incluyó una Carrera Postgrado en "Tecnología Avanzada del Hormigón", con 549 horas de extensión y diploma de Especialización de la UNLP. Sus cursos se dictaron en CIC-LEMIT.

De ese programa surgieron investigadores del CONICET y la CIC;

profesores que hoy actúan de la UNLP, UBA, UCPBA, UNC, UN Patagonia y UTN, y profesionales especialistas que ocupan posiciones importantes en el INTI-Construcciones, la industria del cemento e importantes empresas de la construcción. Zerbino y Giaccio integraron, respectivamente, las dos primeras cohortes de dichos especialistas. Y mas de 20 años después ellos, a su vez, ayudaron a la formación de Tobes y Bossio.

Aquel programa también se propuso la puesta al día de los

conocimientos de punta para lo cual se contó con destacados especialista a nivel internacional. Uno de esos temas fue el de los hormigones con fibras. Y luego de su graduación, RZ eligió el mismo tema para su beca de iniciación en la investigación.

En los 35 años que van desde aquel entonces, el grupo ha continuado

trabajando en el tema, en investigaciones de laboratorio, en desarrollos para la industria y en asistencia a obras.

El trabajo que estamos premiando constituye un hito con trascendencia

internacional que, a la fecha de su evaluación por el jurado de la ANI, ya contaba con 19 citas en Scopus. También cabe señalar que este trabajo fue tomado en consideración en otro posterior (“A simple approach to model SFRC”, Luccioni, B., Ruano, G., Isla, F., Zerbino, R., Giaccio, G.; 2012, Construction and Building Materials 37, pp. 111-124) en el cual Bibiana Lucioni, que es miembro correspondiente de nuestra academia, incorporó en su modelo la orientación de las fibras. Este trabajo también ha tenido repercusión y cuenta con 9 citas en Scopus. Estas investigaciones están indicando que los modelos de cálculo para elementos estructurales de hormigones con fibras deberían tener en cuenta los efectos de orientación, en especial si se trata de mezclas autocompactantes.

A nivel de realizaciones en obra cabe mencionar El apoyo a la re-pavimentación de la Ruta 24, en la R.O.Uruguay, utilizando

un White-toping de HRF. La verificación experimental en el desarrollo de la macrofibras sintética

para las empresa Nicieza y Taverna Hnos. y con microfibras para la empresa Mafissa,

La saga continúa. Seguramente RZ nos comentará que está en cooperación con la Univ de Brescia para realizar estudios sobre orientación de las fibras en FRC convencional y autocompactante y sus efectos a nivel estructural, y otros en cooperación con Rilem y particularmente la UP Valencia sobre creep en estado fisurado.

Los temas de trabajo del grupo no se agotan en los HRF. Ellos son

variados. Comprende a los hormigones especiales incluyendo a los ya mencionados HRF y a los de alta performance, autocompactantes, expansivo y reciclados; a las adiciones minerales activas y a los aditivos químicos; a los estudios de interfase y a la reacción álcali - sílice (RAS). En estos temas también poseen una amplia colaboración con la ingeniería de obra, cuyo listado sería demasiado extenso.

Su producción es fecunda. Los miembros del grupo registran la

autoría de un libro y de capítulos de otros 6 libros. También han escrito 16 aportes a libros de la RILEM y del ACI (SP-ACI). Han publicado 41 trabajos en revistas con referato indexadas, 46 en revistas con referato no indexadas, 125 en Proceedings de Congresos con referato, 68 en revistas y proceedings sin arbitraje y 30 publicaciones docentes.

Han participado y/u organizado numerosos congresos, encuentros,

jornadas y simposios. Han sido convocados como evaluadores de prestigiosas revistas internacionales, jurado de proyectos científicos y concursos docentes.

A nivel académico y/o profesional tiene contactos de cooperación con ya

las mencionadas Universidades de Brescia y la Politécnica de Valencia, con la Universidad Politécnica de Cataluña la Universidad Federal de Santa María en Rio Grande do Sul Brasil, la Universidad Estadual Vale Do Acarau (Brasil), la Univ. de la República del Uruguay y la UN Tucumán. Participan también en los acuerdos de Cooperación Científico-Tecnológica del LEMIT con la Fundación Universidad Torcuato Di Tella y con el ICPA.

Son miembros de Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón (AATH). American Concrete Institute Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON), 2007-8. Además del presente han recibido otros 6 premios compartidos que fueron

otorgados en el ámbito nacional. Participaron en la evaluación de trabajos científicos en revistas nacionales e

internacionales o Revista Hormigón 1998 y continúa. o Editor responsable de la Revista Ciencia y Tecnología del Hormigón,

LEMIT-CIC, 1996-2009.

o Miembro del Comité Editor de la Revista Ciencia y Tecnología de los Materiales, LEMIT-CIC, 2012-continua.

o Engineering Structures Journal, Oxford, UK, 2003. o Journal of Hazardous Materials, USA, 2003. o ACI Materials Journals, USA, 2004, 2006, 2007, 2009 (2), 2010, 2011, 2012. o Construction and Building Materials 2010, 2011, 2012 o Computers and Concrete, An International Journal 2010 o Journal of Materials in Civil Engineering 2011 (2) o Cement and Concrete Composites, 2011 o Ain Shams Engineering Journal, 2012 o Cement and Concrete Research, 2012 Giaccio y Zerbino acreditan además una importante labor en la

formación de recursos humanos.

HORMIGONES REFORZADOS CON FIBRAS: DESARROLLO Y PERSPECTIVAS

Dr.Ing. Raúl Zerbino - CONICET, LEMIT-Fac. Ing. UNLP

Ing. Graciela M. Giaccio - CIC, LEMIT-Fac. Ing. UNLP

INTRODUCCION

El hormigón es el material más empleado por el ser humano después del agua, se calcula que anualmente se consumen prácticamente una tonelada de hormigón por cada habitante del planeta. Es fundamental para la realización de obras de infraestructura por sus particulares ventajas, resiste la acción del agua sin un serio deterioro, permite realizar elementos con una gran variedad de formas y tamaños, es económico y rápidamente disponible en las obras y comparado con otros materiales requiere menor consumo de energía y permite utilizar gran cantidad de subproductos para su elaboración. El hormigón se utiliza en gran diversidad de obras como puentes, edificios, estructuras offshore, cáscaras, túneles, diques, canales, pistas y pavimentos, centrales nucleares, estadios, variedad de elementos premoldeados y viviendas en general, lo que representa sin duda un enorme capital de los países.

El Hormigón Reforzado con Fibras (HRF) es un hormigón especial (1) que posee ventajas para la construcción de obras entre las que se destacan las losas sobre el piso como caminos, pavimentos y pisos industriales; también se emplea ampliamente en revestimientos de túneles y en muchas otras aplicaciones. Este hormigón incorpora fibras cortas dentro de su matriz (2, 3); dichas fibras son más resistentes y con mayor capacidad de elongación en tracción que la matriz y se introducen en el material durante el mezclado.

Cabe preguntarse por qué incorporar fibras a la matriz cuasi frágil de un hormigón. En el compuesto al incorporar fibras resistentes dentro de una matriz frágil, crece la capacidad de carga post-fisuración, al aparecer fisuras las fibras ejercen una acción de costura y transfieren las cargas a través de ellas. A medida que crece una fisura se produce el arrancamiento de las fibras pero el material mantiene capacidad portante. Es más, si las fibras son suficientes y eficaces se puede producir un mecanismo de fisuración múltiple, donde incluso crece la capacidad de carga por encima de la carga de primera fisura; finalmente, luego de tal proceso, se vuelve a localizar la fisura y las fibras fallan por arrancamiento (adherencia y deslizamiento).

Figura 1. Efecto de la incorporación de fibras al hormigón.

En definitiva el objetivo de incorporar fibras es lograr controlarla fisuración, en parte en su inicio y fundamentalmente durante la propagación de las fisuras lo que redunda en incrementos de tenacidad, en menor medida de resistencia a tracción,y marginalmente de la resistencia a compresión (salvo casos particulares de muy alta resistencia). Otra propiedad destacada es que las fibras permiten controlar los efectos de la contracción (principalmente por secado) que sufre el hormigón.

APLICACIONES

Los HRF se emplean en diferentes obras entre las que se destacan (4, 5):

Losas: pisos industriales, caminos, aeropuertos y áreas pavimentadas exteriores, overlays, playas de estacionamiento, refuerzo de losas para trenes; losas sobre pilas o sobre columnas eliminando armaduras convencionales, losas in situ, combinado con hormigón armado convencional; reemplazo de armaduras en fundaciones de casas, losas compuestas con perfiles de acero, pisos ahuecados, cubiertas autonivelantes.

Elementos premoldeados: segmentos para túneles (facilita el transporte y manipuleo), tanques de almacenamiento, tuberías (permite distintas formas, mejora la resistencia a la fatiga y la durabilidad), vigas y paneles para viviendas, baldosones para veredas.

Hormigón proyectado: principalmente en minería y proyectos hidráulicos (permite la eliminación de las mallas, se adapta a súbitos movimientos de tierra, mejora la adherencia sustrato – hormigón). En revestimiento de túneles (alto rendimiento, automatización), estabilizado de taludes, reparaciones en puentes, edificios, túneles, estructuras en el mar, torres de enfriamiento.

Otras: Estructuras expuestas a impactos y explosiones, estructuras para contención de aguas. El HRF tiene mucha mayor durabilidad comparado con el hormigón armado convencional y muchas veces se incorporan fibras a este

último con el fin de controlar las aperturas de fisuras para minimizar el desarrollo de la corrosión.

Entre las ventajas que pueden motivar la elección del HRF frente al hormigón armado convencional se destacan ahorros en costos de suministro y de tiempos de obra para la ubicación de las barras convencionales soldadas, beneficios de salud y seguridad en los operarios durante el manipuleo del refuerzo, solución de problemas derivados de defectos en la ubicación del refuerzo, aumentos de ductilidad o tenacidad estructural.

Figura 2. Aplicaciones de los hormigones reforzados con fibras.

TIPOS DE FIBRAS PARA HORMIGÓN

El uso de fibras para reforzar matrices frágiles no es una novedad, además del cemento portland se aplica en muchos materiales como resinas poliéster, epoxi, metálicas, cerámicas. La misma naturaleza nos da un ejemplo propio de la Argentina: el hornero construye su nido reforzando una matriz frágil de barro con fibras vegetales de diversas características (largas, cortas, finas, gruesas).

Figura 3. En la naturaleza se encuentran ejemplos de materiales frágiles

reforzados con fibras.

Entre las fibras usadas en HRF que cumplen funciones estructurales (otorgan capacidad residual al hormigón endurecido) aparecen diversos tipos de fibras de acero (2, 4), macrofibras sintéticas (3, 5) y macrofibras de vidrio (6); también se utilizan desde hace mucho tiempo microfibras sintéticas y microfibras de vidrio para controlar la fisuración en estado fresco. Más recientemente se han desarrollado microfibras de acero para materiales de ultra alta resistencia como así también fibras de metales amorfos para elementos donde se requieran muy altas prestaciones. Cada tipo de fibra da

lugar a respuestas características y posee campos específicos o preferenciales de aplicación.

Entre los parámetros que caracterizan a las fibras y definen la respuesta del HRF, además del material que las constituye, aparecen su longitud, su diámetro ola relación entre ambos denominada aspecto geométrico, y el volumen de fibra incorporado. En hormigón convencional, donde las fisuras se propagan principalmente por las interfaces mortero-agregado, para ser efectiva la longitud de la fibra deberá ser mayor que el tamaño máximo del agregado. Cuando existe fisuración a través de los agregados (hormigones de alta resistencia), el largo de la fibra no es tan importante como el volumen (que suele ser mayor que en hormigones convencionales).

Figura 4.Las fibras controlan la propagación de fisuras en el material, izquierda HRF convencional, derecha: combinación de fibras de diferente

longitud en HRF de alta resistencia.

En cuanto a las dosis utilizadas, en hormigón convencional las fibras de acero se emplean en volúmenes entre 0,25 y 1% de hormigón, esto es entre 20 y 80 kg/m3. En el caso de las macrofibras sintéticas (poliméricas) las dosis pueden ser entre 2 y 8 kg/m3 mientras los contenidos de macrofibras de vidrio oscilan entre 5 y 15 kg/m3. Las microfibras se usan fundamentalmente para prevenir la fisuración en estado plástico utilizándose dosis de unos 0,6 kg/m3en las fibras poliméricas y en el caso de las microfibras de vidrio entre 0,3 y 0,6 kg/m3. Las microfibras de acero se desarrollaron para obtener Hormigones de Ultra Alta Resistencia y en tal caso se suelen incorporar en dosis superiores al 2 % en volumen (160 kg/m3).

Figura 5. Ejemplos de fibras empleadas en hormigón. Arriba:fibras de acero. Centro: fibras poliméricas. Abajo:fibras de vidrio.

EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO

Para seleccionar el tipo y dosis de fibras y comparar la respuesta de diferentes HRF ha sido fundamental la definición de métodos y criterios para evaluar la capacidad residual. Durante décadas se ha analizado esta temática. En la actualidad existe consenso respecto al uso del concepto de capacidad residual, que en definitiva representa la capacidad de carga residual expresada en términos de tensiones que posee la sección nominal luego de la aparición de las fisuras. Las tensiones residuales se refieren a determinadas aperturas de fisuras.

La forma más habitual para realizar la caracterizaciones a través de ensayos de flexión sobre prismas, principalmente mediante las normas ASTM C1609(7) y EN14651 (8). Sin embargo, para el diseño de pisos también se continúa empleando la norma japonesa JSCE-SF4 que aplica el concepto de resistencia equivalente.

Figura7. Caracterización de la respuesta mecánica del HRF a través de

ensayos de flexión, según norma ASTM C 1609.

Figura 8. Caracterización de la respuesta mecánica del HRF a través de

ensayos de flexión según norma EN 14651.

La respuesta post fisuración varía, por supuesto, con la dosis de fibras, pero también existen respuestas típicas diferentes entre fibras de acero, macrofibras poliméricas o macrofibras de vidrio y esto hace que unas u otras sean mejores para determinadas aplicaciones.

Figura 9. Esquema de la respuesta en flexión de hormigones reforzados con distintos tipos de fibras (en contenidos medios a bajos). Izquierda: fibras de

acero. Centro: macrofibras poliméricas. Derecha: macrofibras de vidrio.

Además de haber contribuido a la discusión de los criterios de análisis de la respuesta residual, entre las contribuciones realizadas por nuestro grupo de investigación aparece el haber analizado la forma de uso de vigas de menor tamaño al indicado en la norma EN14651para obtener los parámetros residuales (9); estas muestras de menor tamaño resultan especialmente aptas para caracterizar capas delgadas de HRF.

Para caracterizar al HRF también se usan ensayos sobre paneles, particularmente preferidos para aplicaciones relacionadas con la construcción de túneles o estabilizado de rocas (10).

Figura 10. Ensayos sobre paneles. Izquierda: Panel circular apoyado en tres puntos (ASTMC1550). Derecha: Panel cuadrado apoyado sobre todo su

perímetro (BS EN14488-5:2006).

Otro campo donde se verifica la contribución de las fibras es su aporte a la resistencia al corte del hormigón, en este caso las fibras permiten sustituir en forma total o parcial las armaduras secundarias. Combinadas con barras convencionales de armadura principal, las fibras permiten una fisuración múltiple, aumentan la carga última de los elementos estructurales y otorgan mayor ductilidad. Una contribución del grupo con motivo de una cooperación entre la UPC (Barcelona) y el LEMIT (La Plata) fue el desarrollo de un ensayo para evaluar la resistencia al corte (11, 12). Otra acción dentro de esta misma etapa de colaboración fue el desarrollo de un ensayo de tracción directa orientado a valorar las propiedades

constitutivas del HRF. Este último ensayo se mostró particularmente sensible a la orientación de las fibras (13).

Figura 11. Ensayos de corte sobre HRF. Arriba: probeta adoptada,

distribución de esfuerzos en la zona de falla y detalle de la propagación de la fisuras. Abajo: instrumentación del ensayo y curvas tensión –

desplazamiento vertical para hormigón sin fibras y HRF con diferentes dosis de refuerzo.

OTROS AVANCES EN HRF

Hay otros avances dentro del tema de HRF que merecen comentarse. En primer lugar el grupo realizó varias contribuciones al desarrollo de Hormigones de Alta Resistencia Reforzados con Fibras (HARRF), en este caso las fibras no se utilizan tanto para mejorar la resistencia a compresión sino como elementos para otorgar ductilidad al material, esto es minimizar la fragilidad relativa característica de los hormigones de alta resistencia (14, 15). En estas mezclas se observó que las fibras daban lugar a fisuraciones múltiples y aumentos en la carga de primera fisura. Hace unos años se inició una cooperación sobre estos temas con la Facultad de Ciencias Exactas de la UN Tucumán (16).

80 kg/m3

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Desplazamiento (mm)

Car

ga (

kg)

FlechaCMOD

40 kg/m3

sin fibras

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8

Deformación (mm)

Car

ga (

kN)

Figura 12. Desarrollos de HRF de alta resistencia. Izquierda: ensayos a flexión sobre vigas entalladas (14). Derecha: ensayos sobre paneles

cuadrados (16). Hormigón de base (sin fibras) y HRF con diferentes dosis de refuerzo.

Otros trabajos pioneros se relacionaron con el desarrollo de Hormigones Autocompactantes Reforzados con Fibras (HACRF), con trabajos a nivel local y en cooperación con otros centros internacionales entre los que se destaca la UPC (17-19). Además de desarrollar criterios para el diseño de mezclas y obtención del HACRF se analizaron las condiciones de estabilidad (ausencia de segregación) y los efectos de la forma de llenado (20). Entre las conclusiones se destacan que las fibras se orientan en planos horizontales no sólo en hormigón vibrado sino también en hormigones autocompactantes con fibras de acero o sintéticas; que el efecto pared influye en la distribución de las fibras de acero conforme la relación entre las dimensiones del molde y la longitud de las fibras y que el flujo durante el transporte y llenado de los moldes influye en la disposición de las fibras.

La orientación de las fibras puede modificar la respuesta de los elementos de HACRF. Este hecho, sumado a la necesidad de comprender las causas de la orientación para permitir un mayor aprovechamiento del refuerzo, por ejemplo definir las condiciones de llenado, dieron lugar al trabajo que ha motivado este premio(21) y que cuenta con un significativo número de citas en prestigiosas revistas.

El trabajo experimental consistió en el estudio de tres clases de prototipos, elementos estructurales delgados: una losa, un panel y una viga larga, que se llenaron con HACRF elaborados con fibras de acero y con macrofibras sintéticas. De ese modo se pusieron en evidencia el efecto pared y el del flujo del hormigón y se alertó sobre la necesidad de tenerlos muy en cuenta al momento del diseño estructural. El trabajo, que pone de manifiesto la estrecha vinculación entre la densidad de fibras y la capacidad residual, concluye que la velocidad de flujo y el efecto pared producen anisotropía y heterogeneidad en la orientación de las fibras y que en elementos delgados las propiedades residuales del HACRF pueden variar bastante en distintas zonas y/o direcciones; por eso la respuesta post-pico en un mismo elemento puede pasar de una tipo “endurecimiento” (hardeningtype) a una con caída substancial de la capacidad residual. De esta forma dentro de un mismo elemento estructural las diferencias en las respuestas pueden ser incluso mayores que las obtenidas al comparar HRF elaborados con diferentes dosis de fibras. Si bien la distribución y orientación de las fibras no son independientes del tipo de fibra, la geometría de los elementos aparece como el principal factor a considerar.

Figura 13. Efecto de la orientación de las fibras en la respuesta post

fisuración evaluada sobre prismas extraídos de una losa delgada elaborada con HACRF (adaptado de 21).

Figura 14. Efecto de la orientación de las fibras en la respuesta post

fisuración evaluada sobre prismas extraídos de un panel delgado elaborado con HACRF (adaptado de 21).

Figura 15. Variación de la densidad de fibras en elementos estructurales

delgados elaborados con HACRF (adaptado de 21). Arriba: losa; abajo: panel.

Estos resultados también fueron aplicados en el desarrollo de un modelo para HRF dentro de la cooperación con la UN Tucumán (22).

Cabe destacar que el HACRF es un material que resulta particularmente apto para uso en reparaciones y refuerzos por varias razones:

- por su mayor tenacidad y modo de falla dúctil, - por dar lugar a una fisuración más extendida con menores anchos, - por su mayor resistencia al corte y a las cargas dinámicas, - por su excelente durabilidad y adherencia entre capas, - por su excelente afinidad al hormigón a reforzar, evitando un efecto intrusivo, - las fibras de acero a diferencia de la armadura convencional prácticamente no

sufren corrosión.

A esto se suma que una mezcla autocompactante permite trabajar cómodamente con espesores pequeños, la zona de interfaz entre agregados y pasta es mejor, y también presenta menos defectos internos.

NECESIDADES DE ESTUDIO Y DESAFÍOS ACTUALES

Entre los temas recientemente estudiados aparecen:

- la caracterización de nuevas fibras, ya que existen avances permanentes en el campo de las fibras poliméricas como también en fibras metálicas, no sólo de acero, y de vidrio,

- el desarrollo de pruebas a escala real, ya que muchas de las contribuciones de las fibras como su capacidad de control de la fisuración y alabeo en pisos es difícil de valorar sobre pequeñas probetas,

- el estudio de la respuesta del HRF en estado fisurado, ya que es la condición principal donde trabajan las fibras y los métodos de ensayo no consideran cargas de larga duración y

- el desarrollo Hormigones de Ultra Alta Resistencia Reforzados con Fibras (HUARRF).

Es enorme la variedad de fibras poliméricas y su respuesta al arrancamiento puede diferir significativamente al igual que su capacidad frente a cargas de larga duración (23).

Entre las aplicaciones destacadas del HRF aparece el empleo para refuerzo y reparación en obras viales, un caso muy importante es el uso de capas sobre concreto asfáltico. En este caso el grupo tuvo oportunidad de participar en la selección y evaluación posterior de un HRF para la construcción de una obra pionera en la región, la reparación de la Ruta 24 en Uruguay (24). También consigna colaboraciones con la DVBA en varios tramos experimentales (25). Los modelos numéricos desarrollados para HRF también se han extendido al caso de refuerzo de overlays de HRF sobre concreto asfáltico (26).

Figura 16. Uso de fibras en refuerzos tipo whitetopping.

Por otro lado se ha participado en las primeras aplicaciones a escala real de empleo de macrofibras de vidrio en pisos industriales (6).

La fluencia en estado fisurado es otro tema de gran actualidad. Como las fibras actúan principalmente luego de iniciadas las fisuras, las condiciones de estabilidad de las fisuras y la capacidad residual de transferir esfuerzos bajo cargas sostenidas es relevante. El fibModelCode 2010 (27) presenta avances significativos para uso de HRF ya que brinda criterios para el diseño estructural de diversos elementos como losas armadas, losas sin armadura convencional, uniones de columnas, paredes y muros; sin embargo no considera aquellas fibras donde las cargas sostenidas den lugar a deformaciones diferidas. Esto ha generado una cuestión en particular para las macrofibras poliméricas, ya que no existe un método y criterios reconocidos para valorar este tipo de deformaciones diferidas y se ha formado un comité de la RILEM “Creepbehavioroncrackedsections in FRC” sobre el tema. El grupo ha realizado trabajos pioneros en estos temas(28-30) en La Plata y en cooperación con la UPC (Barcelona) y la UPV (Valencia).

También se han estudiado las propiedades de transporte en HRF en estado fisurado (31) y se han realizado aportes en relación a los efectos de la

incorporación de fibras en hormigones dañados por efecto de la exposición a altas temperaturas (32-33) y recientemente a HRF afectados por la reacción álcali-sílice (34).

Finalmente los hormigones de altas y ultra altas prestaciones reforzados con fibras forman parte de otra línea de investigación en marcha (35). La motivación se relaciona con el hecho de que la extensión de la vida en servicio es prioritaria en ingeniería civil y que interesa desarrollar materiales de altas prestaciones para refuerzo y rehabilitación de estructuras existentes así como para nueva infraestructura. El HUARRF se aplica en reparaciones en general compitiendo con el acero y otros materiales, premoldeados especiales, protección o refuerzos en estructuras expuestas a riesgo sísmico (muchos edificios y puentes no han sido diseñados para soportar terremotos), refuerzos por cambio de destino o incremento en niveles de cargas; acciones extremas (explosiones, accidentes).El HUARRF se caracteriza por una fisuración múltiple y se han observados respuestas notables frente a explosiones donde se mantuvo la integridad de las piezas con una reducción significativa del daño.

0

5

10

15

20

25

30

0 3 6 9 12 15

Tens

ión

(MP

a)

Flecha (mm)

M-125

M-50

R-0

Sin fibras

50 kg/m3, 23 fibras/cm2 en la

superficie de fractura

125 kg/m3, 50 fibras/cm2 en la

superficie de fractura

Figura 17. Ensayos de placas sobre hormigones de ultra alta resistencia simples (R-0) y reforzados con 50 y 125 kg/m3 de microfibras Izquierda: vista de la cara inferior luego del ensayo, donde se aprecian las fisuras en la cara

traccionada. Derecha: curvas tensión – flecha.

R-0

M-50

M-125

0

1000

2000

3000

0 3 6 9 12 15

Car

ga

(kg

)

Flecha (mm)

M-125M-50R-0

Figura 18.Ensayos sobre pequeñas losas de hormigones de ultra alta

resistencia simples (R-0) y reforzados con 50 y 125 kg/m3 de microfibras.

El fibModelCode2010

Antes de finalizar cabe destacar que la incorporación de capítulos específicos sobre HRF para el diseño estructural en el fibModelCode 2010 (27) ha representado un avance notable que puede abrir mayores aplicaciones para el HRF. El documento resalta los aspectos relevantes para el diseño estructural. Entre ellos, en la Sección 5-6indica que las fibras otorgan capacidad postfisuración (ductilidad+tenacidad) y que permiten mejorar el estado límite de servicio al controlar el ancho y espaciamiento de las fisuras, como así también el estado último de servicio cuando substituyen total o parcialmente las armaduras convencionales. Destaca que hay que considerar las propiedades de la matriz y no sólo la geometría y adherencia,sino también la orientaciónde las fibras, ya que pueden ocurrir respuestas anisotrópicas.Se reitera que el MC2010 se refiere a fibras de acero, y que las fibras afectadas por el paso del tiempo, la temperatura o la humedad no han sido consideradas, como ya se comentó más arriba en relación al estudio de la fluencia en estado fisurado. Cabe notar que se consideran las propiedades residuales del HRF para usos estructurales y no los casos de incendio o fisuración a edad temprana.

El MC2010 emplea la norma EN 14651(8) para caracterizar al HRF y permite obtener por análisis inverso las relaciones tensión-apertura, los parámetros residuales y la ley constitutiva. Otro punto muy importante es que en base a dicha norma se establecen clases de HRF, la resistencia post-fisuración se valora mediante dos parámetros significativos para condiciones de servicio (fR1k) y de resistencia última (fR3k); fR1k representa el intervalo de resistencia y una letra (a, b, c, d, e) quese refiere a la forma del postpico en función de la razón fR3k/fR1k. De este modo se pueden recurrir a diferentes fibras en diferentes dosis de modo de ajustarse a la clase de HRF empleada por el calculista.

Más adelante, en la Sección 7.7 el MC2010 indica los criterios para verificar la seguridad y condiciones de servicio en estructuras de HRF como vigas y columnas, considerando la contribución de las fibras a corte y torsión, muros con y sin refuerzo convencional y losas con y sin refuerzo convencional. También plantea la verificación del estado límite de servicio considerando el refuerzo para control del ancho de fisuras en combinación con armadura convencional.

Figura 19. Clases de HRF según el fibModelCode 2010.

A MODO DE CONCLUSIÓN

El HRF ofrece ventajas ante muchos problemas que aparecen durante la construcción y vida en servicio de las estructuras. El HRF permite reducir espesores y mantener en servicio elementos fisurados que, en otros casos, habrían acabado su vida útil. Cada vez existe mayor disponibilidad y se desarrollan nuevas fibras para diversas aplicaciones entre las que se destacan el uso en pisos industriales y pavimentos, elementos premoldeados y hormigón proyectado. En ocasiones, pueden reemplazarse armaduras convencionales en forma parcial o total.

Las fibras dan lugar a un material de altas prestaciones, generan fisuras más distribuidas y de menor espesor, confieren ductilidad a piezas de hormigones de alta resistencia. Además pueden obtenerse hormigones autocompactantes reforzados con fibras y hormigones de alta y ultra alta resistencia reforzados con fibras que ofrecen ventajas muy singulares para la realización de reparaciones y refuerzos.

En la actualidad existen fuertes avances tanto en las características de las fibras y del material, como así también a nivel de diseño estructural (fibModelCode 2010),a partir de los cuales se vislumbra un uso cada vez más importante de los HRF; la realidad en Argentina no escapa a tales desarrollos.

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